رشته نوري باريك تر از مو

داستان هاي تولد فيبرهاي نوري سيليكوني
 

همه شما بارها كلمه فيبرنوري به گوشتان خورده است.در دنياي امروز كه دنياي اينترنت و تلفن و ماهواره و مخابرات است.فيبرهاي نوري اگر نباشند، زندگي انسان مدرن قطعا تعطيل مي شود.به جز وسايل ارتباط جمعي، اين فيبرهاي پركاربرد در پزشكي و تصويربرداري هاي آندوسكوپي هم نقشي مهمي را ايفا مي كنند.اما جالب است بدانيد كه قطر اين فيبرهاي شگفت انگيز به اندازه قطر موي انسان است.اين مقاله داستان تلاش هاي دانشمنداني است كه موفق شدند اولين بار اطلاعات را از طريق اين رشته هاي باريك به تمامي دنيا صادر كنند.اگر تلاش هاي آنها نبود قطعا زندگي بدون هيچ ارتباطي در دنياي امروز امكان پذير نبود.

تولد رابرت مائورر
 

20 جولاي (29 تير) 1924
از سال 1854 كه جان تيندال در انجمن سلطنتي توانست اثبات كند كه امواج نوري مي توانند خم شوند و در طول يك مسير انتقال پيدا كنند، تلاش هاي بسيار زيادي صورت گرفت تا اين ايده به صورت عملي هم اجرا شود.در سال 1880 الكساندر گراهام بل دستگاه «تلفن نوري» را كشف كرد .اين دستگاه اين قابليت را داشت كه امواج صوتي را از طريق يك پرتو نوري انتقال دهد.بل نور خورشيد را روي يك آينه تجمع داد و بعد توسط يك مكانيسم خاص، صوت را از طريق اين امواج نوري به انتهاي مسيري كه انتخاب كرده بود انتقال داد.ولي كار او داراي نقص ها و مشكلات زيادي بود كه نتوانست به صورت كامل اجرا شود.
در خلال سال هاي 1880 تا 1898 محققان بسياري كوشيدند تا امواج نوري را از طريق كابل ها انتقال دهند كه برخي از آنها منجر به اختراعاتي نظير چراغ هاي اتاق عمل، تلويزيون و لامپ هاي قوس الكتريكي شدند.
در سال 1930 يك دانشجوي پزشكي آلماني به نام هاينريش لم موفق شد تا از طريق نور يك لامپ تصاويري از وضعيت درون بدن بيمار تهيه كند.تلاش هاي او منجر به شكل گيري دستگاه آندوسكوپي اوليه شدند.ولي كيفيت تصاوير او چندان قابل قبول نبود.در سال هاي 1954 تا 1964 تحقيقات بيشتري روي انتقال سيگنال هاي نوري انجام گرفت اما تمامي اين تحقيقان از نقطه ضعف بزرگي رنج مي برد و آن از بين رفتن مقدار زيادي از سيگنال هاي نوري در طول مسير و در نتيجه هدر رفت اطلاعات بود.اغلب انتقال هاي نوري ارائه شده تا آن زمان از طريق لامپ بود تا اينكه يك دانشمند آمريكايي به نام الياس سينتر نظريه اي ارائه كرد كه با استفاده از يك فيبر با سطح مقطع خيلي كوچك، نور مي تواند به راحتي منتقل شده و كمتر از بين رود.اين پيشنهاد براي دستگاه هاي پزشكي چون آندوسكوپي موثر بود ولي براي انتقال امواج مخابرات هنوز هم هدر رفتن سيگنال زياد بود.

فيبر سيليكوني متولد مي شود
 

سال 1964 بود و دكتر كائوي انگليسي كه در بخش مخابرات و كابل هاي تلفن مشغول به كار بود، تازه نظريه خود را در مورد دستگاه هاي انتقال اطلاعات نوري دوربرد ارائه كرده بود.نظريه او بيان مي داشت كه در استفاده از لامپ هاي نوري حداقل 10 تا 20 دسي بل از امواج نوري در هر کيلومتر هدر مي رود.
او در نظريه خود پيشنهاد كرده بود كه اگر از شيشه خالص در ساختار اين دستگاه ها استفاده شود، مشكلات به حداقل مي رسد.اين ايده در حد حرف باقي ماند تا سال 1966 فرا رسيد و دكتر رابرت مائورر درگير اين پروژه شد.دكتر مائورر يك فيزيكدان آمريكايي بود كه چند سالي رئيس بخش فيزيك كمپاني شيشه كورنينگ بود.دكتر مائورر مدرك دكتراي فيزيك خود را از دانشگاه ام آي تي دريافت كرده بود و تصميم داشت كه با توجه به پيشنهاد كائو و با استفاده از سيليكون، يك فيبرنوري جديد طراحي كند.
در سال 1970 او و همكارانش دونالد كك و پيتر شولتز موفق شدند اولين فيبر نوري مخابراتي را با روشي جديد كه بر مبناي پوشاندن لايه اي سيليكون به روي تيتانيوم و قرار دادن درون يك لوله كوارتزي بود، توليد كنند.فيبر نوري كه مائور و دستيارانش اختراع كردند، از جهات بسيار زيادي حائز اهميت بود.اما مهم ترين ويژگي آن رفع تمام مشكلاتي بود كه محققاني چون كائو و قبل تر از او نتوانسته بودند راهي برايشان پيدا كنند.فيبر نوري مائور و همكارانش 65000 بار بيشتر از يك سيم مسي اطلاعات را انتقال مي داد.اين به معني آن بود كه هدر مي رفت سيگنال هاي نوري به كمترين حد ممكن مي رسد.اختراع اين گروه سبب تحولي در كابل هاي مخابراتي و سيستم هاي انتقال اطلاعات شد.دكتر مائورر و همكارانش توانستند اين كار را به صورت پتنت ثبت كنند.و دكتر مائورر توانست افتخارات زيادي را با كشف خود به دست بياورد.

1854
 

جان تيندال در انجمن سلطنتي اثبات كرد، امواج نوري را با خم كردن مي توان انتقال داد.

1880
 

الكساندر گراهام بل اولين تلاش ها را براي كشف دستگاه تلفن نوري انجام داد ولي مدل موفقي را نتوانست براي اجرا پيشنهاد كند.

1930
 

يك دانشجوي پزشكي آلماني به نام هاينريش لم اولين از طريق يك لامپ حبابي از انتقال امواج براي تصويربرداري از داخل بدن انسان استفاده كرد كه اساس كار آندوسكوپي شد.

1961
 

يك دانشمند آمريكايي به نام سينتر نظريه اي ارائه كرد كه طي آن با استفاده از يك فيبر با سطح مقطع خيلي كوچك انتقال امواج ميسر بود ولي روش او براي انتقال اطلاعات مخابراتي جوابگو نبود.
1964
دكتر كائوي انگليسي پيشنهاد استفاده از شيشه را در فيبر مور نظر سينتر مطرح كرد.

فوايد استفاده از فيبرهاي نوري
 

از آنجا كه جنس اصلي اين فيبرها خيلي گران قيمت نيست در مقايسه با سيم هاي مسي قيمت تمام شده آنها كمتر است.بنابراين در مسافت هاي طولاني هزينه هاي كمتري را براي مصرف كنندگان تلويزيون و اينترنت خواهند شد.
از طرفي باريك بودن فيبرنوري در مقابل سيم مسي باعث مي شود تا در يك كابل تعداد بيشتري فيبرنوري در قياس با سيم مسي قرار بگيرد.پس امكان خدمات دهي مخابراتي از طريق اين فيبرها بيشتر بوده و در آن واحد تعداد بيشتري خطوط تلفن و اينترنت در يك منطقه پوشش داده مي شود.كاهش هدر رفت سيگنال هاي نوري هم در فيبرهاي نوري نسبت به سيم هاي مسي باعث مي شود تا سيگنال ها با هم تداخل نداشته باشند و همچنين از ولتاژهاي كمتري براي انتقال جريان الكتريسيته استفاده شود كه به شدت هزينه ها را كاهش مي دهد.جنس شيشه اي اين فيبرها هم سبك و قابل انعطاف بوده و به راحتي آتش نمي گيرند.
از جمله كاربردهاي بسيار مهم فيبرهاي نوري دستگاه هاي تصويربرداري پزشكي نظير آندوسكوپي و لاپاروسكوپي و نيز تصويربرداري مكانيكي كه براي تصويربرداري از درون لوله هاي آب و فاضلاب و نيز سيستم هاي موشك و ماهواره به كار مي روند، هستند.

فيبر نوري چيست؟
 

فيبرنوري يك رشته شيشه خالص بسيار دراز و باريك به اندازه قطر موي انسان است كه قابليت انتقال امواج نوري تا هزاران كيلومتر را دارد.بخش هاي اصلي يك فيبرنوري عبارتند از:

روكش فلزي
 

ماده خارجي حساس به نوري است كه هسته را در برگرفته و نور را به هسته باز مي تاباند.

هسته
 

قسمت مركزي فيبر كه اطلاعات از آن طريق منتقل مي شوند.

پوشش پلاستيكي
 

فيبر را از آسيب ديدگي و رطوبت گرفتن حفظ مي كند.
فيبرهاي نوري به دو دسته تقسيم مي شوند:

مدل هاي تكي و مدل هاي چند تايي
 

مدل هاي تكي هسته كوچك تري دارند و امواجي با طول موج مادون قرمز از نوع ليزري را عبور مي دهند.مدل هاي هاي چند تايي هسته بزرگ تري داشته و براي امواج مادون قرمز با انرژي هاي بيشتر هستند.هر دو مدل اين انتقال ها را از طريق ديودهاي تابشي ال اي دي انجام مي دهند.

فيبرهاي نوري
 

سيگنال ها را چطور انتقال مي دهند؟
فرض كنيد مي خواهيد يك پرتو را از درون يك راهروي باريك عبور دهيد، اگر مسير خميده باشد براي اينكه نور را به مسير اصلي و مستقيم برگردانيد چه مي كنيد؟ اگر از يك آينه استفاده كنيد، در قسمتي كه خميدگي وجود دارد نور بازتابيده شده و دوباره وارد مسير مي شود و اگر پيچ و خم زياد باشد بايد تعداد آينه ها و زاويه قرار گرفتن آنها نسبت به يكديگر را هم بررسي كنيد.در يك فيبرنوري هسته همان راهروي باريك و پوشش فلزي نقش آينه ها را دارند.پوشش فلزي به هيچ وجه نوري جذب نمي كند بلكه تمام آن را باز مي تاباند.براي جلوگيري از هدر رفت سيگنال ها در اين فيبرها بايد از ناخالصي ها شيشه اجتناب كرد؛ به همين دليل جنس شيشه و طول موج در فيبرهاي نوري بايد به دقت مورد بررسي قرار بگيرند.

1966
 

دكتر مائورر شروع به بررسي استفاده از سيليكون در ساختار فيبر كرد.
1970
دكتر مائورر و همكارانش فناوري فيبرنوري سيليكوني را كشف كردند.
1975
ايالات متحده براي اولين بار از فيبرنوري درساخت كامپيوتر استفاده كرد
1977
براي اولين بار در شهر شيكاگو اولين سيستم مخابراتي فيبرنوري استفاده شد و از طريق آن 672 كانال صوتي منتقل شد.
2011
امروزه بيش از 80 درصد حجم انتقال اطلاعات دنيا از طريق فيبرهاي نوري است.مائورر و همكارانش به اندازه 25 ميليون كيلومتر در پيشرفت هاي ارتباطاتي بشر نقش مهمي دارند.
منبع:همشهري دانستنيها شماره32