تاریخچه فیبر نوری و دسترسی پهنای باند
تاریخچه فیبر نوری و دسترسی پهنای باند
مانند بسیاری از دستاوردهای فناوری، ارتباطات فیبر نوری از مجموعهای از تلاشها و اکتشافات به ظاهر نامرتبط شکل گرفت. مطالعه تاریخچه فیبر نوری مهم است زیرا نشان میدهد که این فناوری در شکل امروزی اش نسبتاً جدید و همچنان در حال تکامل است.
این مقاله به بررسی دستاوردهای کلیدی میپردازد که منجر به تولید فیبرهای نوری با کیفیت و استفاده از آنها در ارتباطات پرسرعت و انتقال داده شد، همچنین نحوه ادغام آنها در شبکههای ارتباطی موجود را شرح میدهد.
اهداف یادگیری این مقاله:
- درک شکست نور
- شناخت بازتاب داخلی کلی
- تشخیص تداخل نوری (کراستاک) بین فیبرهای نوری
- شناسایی تضعیف سیگنال در فیبر نوری
تکامل نور در ارتباطات
صدها میلیون سال پیش، اولین موجودات زیستتاب با کنترل واکنش های شیمیایی در سلولهای تخصصیافته خود، برای جلب توجه جفت یا شکار از نور استفاده میکردند. به مرور زمان، این موجودات الگوهای دوحالته (روشن/خاموش) را برای ارتباط سریع و دقیق توسعه دادند. برخی از آنها سیستمهای پیچیدهای از نورها و رنگهای چشمک زن را برای انتقال حداکثر اطلاعات در یک نگاه تکامل دادند. این موجودات اولین موارد استفاده از نور برای ارتباطات بودند—امری که برای آنها غریزی، اما برای تمدن مدرن تا همین اواخر دستنیافتنی به نظر میرسید.
اشکال اولیه ارتباطات نوری
از اولین تلاشهای انسان برای ارتباط با نور میتوان به آتشهای علامتدهی روی تپهها یا فانوسهای دریایی اشاره کرد که برای هشدار درباره حمله دشمن یا راهنمایی کشتیها استفاده میشدند. سرعت فوقالعاده نور (حدود ۳۰۰,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه) باعث میشد انتقال پیام در مسافتهای طولانی تقریباً آنی به نظر برسد.
یک پیشرفت مهم در این سیستمهای ابتدایی، معرفی سیستمهای رله برای افزایش برد بود. در برخی موارد، برجهای علامتدهی در فواصل صدها کیلومتری قرار میگرفتند و هر برج در دید برج بعدی بود. با این روش، یک پیام در مدت زمانی که هر نگهبان برای روشن کردن آتش نیاز داشت (چند دقیقه) منتقل میشد، در حالی که سریعترین روشهای حمل و نقل ممکن بود روزها طول بکشد.
در قرن چهارم میلادی، امپراتور هلنا، مادر کنستانتین، از یک سیستم رله برای ارسال پیام از اورشلیم به قسطنطنیه در یک روز استفاده کرد. اصل این سیستمها هنوز هم امروزه در تکرارکنندههای نوری (ریپیترها) به کار میرود که سیگنالهای تضعیفشده در فیبر نوری را تقویت میکنند.
با این حال، سیستمهای اولیه علامتدهی تنها قادر به ارسال پیامهای ساده بودند. مثلاً در شروع انقلاب آمریکا، یک فانوس در کلیسای قدیمی بوستون به معنای حمله انگلیس از راه خشکی و دو فانوس به معنای حمله از دریا بود.
تلاش برای انتقال دادهها
تا قرن نوزدهم، نور تنها برای ارسال اطلاعات ساده در مسافتهای طولانی کاربرد داشت. برای پیشرفت بیشتر، به اکتشافات جدیدی نیاز بود:
- شکست نور: در سال ۱۶۲۱، ویلیبرورد اسنل (ریاضیدان هلندی) فرمولی برای شکست نور ارائه داد که نشان میداد نور هنگام عبور از یک ماده به ماده دیگر (مثل هوا به آب) خم میشود.
- بازتاب داخلی کلی: در سال ۱۸۴۰، ژان-دانیل کولادون و ژاک بابینه (فیزیکدانان سوئیسی و فرانسوی) نشان دادند که نور میتواند در جریان آب به دام افتاده و هدایت شود. جان تیندال (فیزیکدان ایرلندی) این پدیده را در سال ۱۸۵۴ به شهرت رساند.
- تلفن نوری: در سال ۱۸۸۰، الکساندر گراهام بل فتوفون را اختراع کرد که اولین دستگاه انتقال بیسیم صدا با نور بود. اما مشکلاتی مانند تداخل نور محیط، مانع از کاربرد گسترده آن شد.
تکامل فناوری ساخت فیبر نوری
در دهه ۱۹۵۰، پیشرفتهای کلیدی رخ داد:
- کلدینگ فیبر: برای کاهش تلفات نور، فیبرها با لایهای از ماده با ضریب شکست کمتر پوشانده شدند.
- فیبرهای پزشکی: در سال ۱۹۵۶، لارنس کورتیس (دانشجوی دانشگاه میشیگان) اولین فیبر نوری کاربردی برای آندوسکوپی را ساخت.
- کاهش تضعیف سیگنال: در سال ۱۹۶۶، چارلز کائو ثابت کرد که تلفات نور در فیبر ناشی از ناخالصیهاست، نه ذات شیشه. تا سال ۱۹۷۹، تلفات به ۰.۲ دسیبل بر کیلومتر کاهش یافت.
ادغام فیبر نوری در ارتباطات
از دهه ۱۹۷۰، فیبر نوری بهتدریج جایگزین مس در شبکههای ارتباطی شد:
- ۱۹۷۳: ناوگان آمریکا اولین سیستم تلفن فیبر نوری را روی کشتی USS Little Rock نصب کرد.
- ۱۹۷۷: شرکتهای AT&T و GTE اولین شبکههای تلفن تجاری فیبر نوری را راهاندازی کردند.
- دهه ۱۹۹۰: فیبر نوری در صنایع کنترل، رایانهها و سیستمهای اطلاعاتی گسترش یافت.
پهنای باند از آغاز قرن تا امروز
پهنباند به دسترسی پرسرعت اینترنت همیشه روشن اشاره دارد که بسیار سریعتر از Dial-up است. فناوریهای رایج پهنی باند شامل:
- فیبر نوری
- بیسیم (Wi-Fi و 4G)
- مودم کابلی
- ماهوارهای
- DSL
- BPL (پهنباند روی خطوط برق)
آمار پهنای باند در آمریکا:
- سال ۲۰۰۰: فقط ۴.۴٪ خانوارها پهنباند (۲۰۰ کیلوبیت بر ثانیه) داشتند.
- سال ۲۰۱۳: ۹۴٪ خانوارها حداقل ۱۰ مگابیت بر ثانیه دسترسی داشتند و ۳٪ به سرعت ۱ گیگابیت بر ثانیه دسترسی یافتند.
نقش فیبر نوری در پهنای باند امروزی
فیبر نوری ستون فقرات شبکه جهانی ارتباطات است. بدون آن، پهنای باند به شکل امروزی امکانپذیر نبود. حتی دکلهای مخابراتی بیسیم نیز از فیبر نوری برای اتصال به شبکه استفاده میکنند.