تاریخچه فیبر نوری

پیدایش تئوری فیبرنوری

        هدایت نور بر مبنای انعکاس کامل که اصل اساسی کارکرد فیبرهای نوری است؛ ابتدا در دهه ۱۸۴۰ در پاریس و توسط دنیل کلادان و ژاکوس بابینت ابداع شد. ۱۲ سال بعد یک استاد دانشگاه در لندن برای اولین بار این اصول را وارد طرح درس خود کرد. این فرد که جان تیندال نام داشت در دهه ۱۸۷۰ کتابی در باب معرفی نور نوشت و در این کتاب اصول اولیه بازتاب کلی داخلی را شرح داد. در این بخش می­خوانیم:

        “هنگامی که نور از هوا وارد آب  می شود پرتو شکسته شده و به خط عمود نزدیک می­ شود. وقتی که نور از آب وارد هوا می شود بر اثر شکست، اشعه نور از خط عمود دور می ­شود. اگر زاویه تابش نوری که ابتدا داخل آب است با خط عمود بزرگ­تر از  48 درجه باشد، نور هرگز از آب خارج نشده و تمام نور با سطح مشترک اب و هوا برخورد کرده و به داخل آب باز می­ گردد. به زاویه ­ای که در آن تمام نور در محیط غلیظ­تر بازتاب داخلی شود زاویه حد گفته می ­شود. زاویه حد برای آب ۴۸:۲۳، برای شیشه ۳۸:۴۱ و برای الماس ۲۳:۴۲ بدست آمده است.”


ازمایش تیندال برای انتقال نور به روش بازتاب کلی داخلی
آزمایش تیندال: انتقال نور در باریکه آب به روش بازتاب کلی داخلی

اولین فیبرهای نوری

        در اواخر قرن ۱۹ و اوایل قرن بیستم، بالاخره عبور نور از داخل یک میله شیشه­ ای ممکن شد و از آن برای بررسی مشکلات داخل بدن استفاده شد. کاربردهای دیگر از جمله نزدیک کردن منبع نور به دندان در دندان­پزشکی، در قرن بیستم رواج یافت. در دهه ۱۹۲۰ یک رادیولوژیست و یک توسعه دهنده شبکه­ های تلوزیونی به طور جداگانه موفق شدند تصاویر را با استفاده از این کابل­ های شیشه ­ای ارسال کنند.

        در دهه ۱۹۳۰که استفاده از میله ­های باریک ­تر شیشه­ ای (چیزی شبیه به فیبر نوری) متداول شده بود یک دانشمند به نام هنریش لم نشان داد که با استفاده از یک دسته فیبر بدون کلد (clad) می توان تصاویر را از جایی به جای دیگر منتقل کرده و از این ویژگی برای تصویر برداری از داخل بدن بهره برد. هرچند نتایج تحقیقات او خیلی زود فراموش شد.

        در سال ۱۹۵۳ دانشمندی هلندی به نام ون هیل، در مقاله ­ای روش انتقال تصاویر به وسیله فیبر نوری را شرح داد و بعد از آن دو استاد دانشگاه امپریال کالج لندن توانستند با یک دسته ۱۰ هزارتایی فیبر، تصاویر را به فاصله ۷۵ سانتیمتر جابجا کنند.

گاستروسکوپ فیبرنوری ابزار تصویربرداری از داخل بدن
اندوسکوپی، کلونوسکوپی، فیبر نوری، تصویربرداری از داخل بدن

        در سال ۱۹۵۶ در میشیگان امریکا، چند محقق توانستند اولین گاستروسکوپ (تصویر برداری از اعضا داخلی بدن) را با یک فیبر شیشه­ ای انعطاف­ پذیر بسازند. در فرآیند بهبود این تصویربردار، لارنس کرتیس اولین فیبر شیشه ­ای با کلد (clad) شیشه­ ای را تولید کرد. تا پیش از آن فیبرهای نوری یا کلد نداشتند و برای محیط با غلظت کم­تر (و ضریب شکست کوچک­ تر) به هوا تکیه داشتند و یا برای این منظور از موم و روغن استفاده می­ شد.

        اولین بار اصطلاح فیبر نوری در دهه ۱۹۶۰ در مقاله­ای در Scientific American  به کار رفت. بعد از آن درباره اپتیک کتاب­ هایی نوشته شد و این موضوع به جامعه معرفی شد.

        اولین سیستم انتقال داده مبتنی بر فیبر نوری در سال ۱۹۶۵ و توسط منفرد برنر ساخته شد و یک سال بعد از آن اولین اختراع در این زمینه به ثبت رسید و مقاله آن هم به چاپ رسید.

آغاز پیشرفت های سریع

        اولین کسانی که متوجه شدند اتلاف در فیبر نوری را می ­توان به کم­تر از حد مرسوم در آن زمان یعنی ۲۰ دسیبل در هر کیلومتر رساند دو دانشمند انگلیسی بودند به نام­ های چارلز کاو و جورج هاکام. این کشف در نهایت منجر به پیدایش مخابرات فیبر نوری شد. آن­ها پیشنهاد کردند که اتلاف موجود در فیبرهای آن زمان را می ­توان با افزایش خلوص شیشه کاهش داد. بر اساس این کشف، پراش موجود در فیبر نوری هم از وجود ناخالصی­ ها ناشی می ­شود. در نتیجه این دو نفر اصول اتلاف در فیبر نوری را تالیف کرده و به زودی مواد مناسب برای ساخت فیبر نوری و روش­ های خالص سازی آن­ ها را مشخص کردند. شیشه سیلیکای بسیار خالص اولین ماده ­ای بود که برای ساخت فیبرهای نوری مورد تائید قرار گرفت. نهایتا این تحقیقات نوبل فیزیک سال ۲۰۰۹ را برای کاو به ارمغان آورد.

چارلز کاو برنده نوبل فیزیک بخاطر کار در زمینه فیبر نوری
چارلز کاو برنده نوبل فیزیک سال ۲۰۰۹

        کمترین حد اتلاف که در سال ۱۹۷۰مرسوم بود همان­ طور که پیش­تر ذکر شد در حدود ۲۰ دسیبل به ازای هر کیلومتر بود؛ این محدودیت به زودی شکسته شد و با تزریق تیتانیوم به هسته فیبر به عدد ۱۷ رسید. چند سال بعد فیبری با اتلاف تنها ۴ db/km تولید شد که در ساخت آن از دی اکسید ژرمانیوم استفاده شده بود.

        در سال ۱۹۸۱ شرکت جنرال الکتریک با استفاده از کوره یک شمش کوارتز را ذوب کرد و رشته نازکی از جنس شیشه ساخت که ۲۵ مایل (معادل ۴۰ کیلومتر) طول داشت.

        در ابتدا تولید این فیبرهای نوری با سرعتی معادل دو متر بر ثانیه تولید می­د. در سال ۱۹۸۳ کمپانی Corning موفق شد سرعت تولید فیبر نوری را به ۵۰ متر بر ثانیه برساند. این موفقیت، بازار را برای فیبرهای نوری گشود چرا که قیمت این ادوات به ناگهان از سیم­ های مسی ارزان ­تر شد. همین موضوع ارتباطات را به عصر فیبر نوری معرفی کرد.

مقایسسه حجم سیم الکرتیکی و فیبر نوری مورد نیاز برای انتقال یک میزان برابر از اطلاعات
مقایسه حجم سیم الکتریکی و فیبر نوری مورد نیاز برای انتقال یک میزان برابر از اطلاعات

        در سال ۱۹۷۷ و با همکاری یک مرکز مطالعاتی ایتالیایی به نام CSELT با شرکت Corning، اولین کابل فیبر نوری شهری در شهر تورین مستقر شد.  همچنین این شرکت ایتالیایی یکی از روش ­های ابتدایی جوش دادن دو فیبر نوری را ابداع کرد و آن را springroove  نامید.

       اتلاف در فیبرهای نوری نسل جدید به مراتب کم­تر از کابل­ های مسی است و باعث می ­شود که از فیبرهای نوری برای انتقال اطلاعات در فواصل طولانی استفاده شود. فاصله قابل پیمایش با فیبر نوری بدون تقویت کننده از ۷۰ تا ۱۵۰ کیلومتر است. تویت کننده­ های فیبر نوری شامل ایربیوم، که هزینه­ های شبکه فیبر نوری را در فواصل زیاد، کاهش می­دهند؛ جایگزین مدل­ هایی شدند که سیگنال اپتیکی را دریافت و به سیگنال الکتریکی تبدیل می کردند و بعد از تقویت مجددا آن را به سیگنال اپتیکی تبدیل م ی­کردند. تقویت کننده ­های بر پایه ایربیوم در سال های ۱۹۸۶ و ۱۹۸۷ توسط دو تیم، یکی در دانشگاه Southampton و دیگری در Bell labs  ساخته شدند.

        با ظهور بلورهای فوتونی (Photonic Crystal) فیبر کریستال فوتونی هم اختراع شد. این نوع فیبرها بر اساس پراش نور از یک ساختار تکرار شونده کار می­ کنند. اولین فیبر کریستال فوتونی در سال ۲۰۰۰ به مرحله تجاری سازی رسید. این نوع فیبرها برای حمل توا ن­های بالاتر به کار می­روند و همچنین به دلیل آن که ضریب هدایت این نوع از کریستال به ازای هر طول موج عددی مستقل است، از آن در انتقال دقیق­ تر داده ­ها استفاده می­ شود.

تحقیق و توسعه در زمینه فیبرهای اپتیکی همچنن ادامه دارد…