بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله ابتدا تاریخچه صنعت مخابرات الکترونی را مرور میکند، سپس به تحولی اشاره میکند که با شناخت منابع همدوس نوري در این صنعت بهوجود آمد. کوانتاهاي نور یعنی فوتونها در موجبرهاي نوري و المانهاي اپتیکی همان نقش حاملهاي بار الکتریکی در سیم رسانا و قطعات الکترونیکی را ایفا میکنند و سعی دارند تا سرعت انتقال اطلاعات را به سرعت نور نزدیک کنند. این مقاله سعی دارد تا نشان دهد که با تعمق و درك اصول به کار گرفته شده در مخابرات سیمی و ادوات الکترونیکی مربوطه میتوان به ایدههاي کاملاً مشابهی براي ساخت و به کارگیري ادوات فوتونی رسید، همچنین میتوان نقشه راه تحول ادوات نوري مخابراتی را پیش بینی و به این ترتیب براي طراحی ادوات جدید ایدهپردازي کرد.
١- مقدمه
مهمترین دستاورد دو قرن اخیر، ارتباطات و مخابرات است که با درآمد بیلیون دلاري خود بر اقتصاد جهانی اعمال نیرو میکند.[1] بررسی چگونگی پیشرفت مخابرات سیمی و بیسیم بر بستر تلگراف و رسیدن به مخابرات نوري به پژوهشگران، علیالخصوص دانشجویان تحصیلات تکمیلی کمک میکند تا بتوانند براي ایجاد مسئلههاي تازه در مخابرات نوري و حسگرهاي نسل جدید از ایدههاي قبلی به کار رفته در مخابرات و علوم الکترونیک کمک بگیرند. براي آشنایی با این طرز فکر ابتدا سیر تحول مخابرات را در چهار دوره اصلی طبقهبندي میکنیم
-1-1 عصر الکترومغناطیس
از وقتی که اورستد1 کشف کرد که جریان الکتریکی میتواند میدان مغناطیسی تولید کند، عصر الکترومغناطیس آغاز شد - حدود1820م. - . مفهوم الکترومغناطیس در هر دو سیستم تلگرافی که بهطور مستقل در1837 اختراع شد، مورد بهرهبرداري قرارگرفت: سیستم آنالوگ کوك و وتستون2 در بریتانیا و سیستم دیجیتال ساموئل مورس3 در ایالات متحده. در آن زمان الکساندرگراهام بل4 مقارن با کاري که روي »تلگراف ترکیبی تسهیمشده5« - ایده اصلی سیستمهاي - 6WDM انجاممیداد، در سال 1875 بهطور تصادفی کشفکرد که جریانهاي ناشی از فرکانس صدا میتواند بهوسیله میلهاي مغناطیسی روي یک آهنرباي الکتریکی ارتعاش کند. او در 1876 تلفن خود را ثبت کرد. در شک1 تلفنی که توسط بل اختراع شده بود، را میبینید.
شکل:1 اولین تلفن اختراع شده توسط الکساندر گراهام بل- اولین بار در سوم ژوئن 1885 صدا از این چوبهي دار مخابره شد
جِیمز کِلِرك ماکسوِل1 معادلههاي یکپارچه حاکم بر الکترومغناطیس را در 1864 ارائه کرد که در سال 1880 بهوسیله هاینریش هرتز2 تجربه شد و در همانسال هیویساید3 با استفاده از نظریه ماکسول نشانداد که انتشار »جریانصحبت4« در سرتاسر سامانههاي تلفن باید بر مبناي انتشار موج دانسته شود.
مبناي مخابرات تلفنی بر اساس سامانه فنآوري تلگراف بود ، یعنی یک تک سیمآهنی براي هر جریان به علاوه یک مسیر برگشت مدار به نام "مدار فلزي" وجود داشت. در سال 1884لُردریلی5 نشان داد که چنین جریانهایی میتوانند بهصورت نمایی در کابلهاي تلگراف تضعیف شوند و محاسبه کرد که یک سیگنال 600Hz با ضریب کاهش 0/135 پس از طی 20 مایل افت میکند 27dB/Km -
بنابراین براي حل مساله اتلاف مخابرات دیجیتال در »خطوط انتقال«6 به نوع خاصی از تکرار کننده7ها نیاز داشتند که سیگنالهاي تضعیف شده را دریافت، تقویت، و دوباره آنها را مخابرهکنند؛ شبیه به کاري که سالها در مخابرات تلگرافی استفاده میشد و از ایستگاههاي متعدد بینراهی براي مخابرة مجدد کمک میگرفتند.
در سال 1905 نوعی از تکرارکنندههاتوسط شرکت اِي تی اَند تی8 ارایهشد که چنین عمل میکرد: یک گیرنده تلفنی در مقابل یک میکروفن کربنی قرار میگرفت. میکروفن کربنی جریان نسبتا زیادي را به وسیله »القاي صحبت9« سوارسازي10 میکرد. نتیجه بهدست آمده از ارتعاشهاي تقویتشده به کمک جریان سوارسازي، اصول یک تقویتکننده را تشکیلمیداد. در مدارهاي آنالوگ، تقویت کننده ها وظیفه تکرار کنندهها را بر عهده داشتند.
-2-1 عصر الکترون
در سال 1904 اولین »دیود تخلیه ترمویونیک11« بهوسیله فلمینگ12 اختراعشد که یک آشکارساز 13 عالی براي سیگنالهاي تلگراف بیسیم مارکونی1896 - 14 م. - بوداِچ. دي آرنولد یکی از دانشجویان رابرت میلیکان15 ، استاد دانشگاه شیکاگو در سال 1911 با ساخت یکتقویتکننده لامپ تخلیه که میتوانست در بخش خدمات مخابراتی بهکار رود، سامانههاي "تسهیم چند رسانهاي"16 ارزانقیمت و دوربرد را تحققبخشیددر. این روشِ مخابره، تعدادي از مکالمهها را همزمان در یک جفت سیم مخابرات ارسال میکردند و به این ترتیب از سوارکردن حاملهایی با فرکانسهاي مختلف و بهطور مستقل استفاده میکردند.
-3-1 عصر نیمه رساناها و مکانیک کوانتمی
مدارهاي الکترونیکی شامل مجموعهاي از اجزاي الکتریکی از جمله مقاومتها،خازنها، سلفها، ترانزیستورها و از این قبیل است که به این ترتیب یک مدار پیچیده داراي حجم و ابعاد نسبتا بزرگی میشود. سرعت عملکرد چنین مداري علاوه بر آنکه مربوط به سرعت الکترون در رسانا است با طول مدار نیز متناسب است. براي کوچک شدن ابعاد چنین مدارهایی و در نتیجه افزایش سرعت و کارآیی آنها دانشمندان راه حل هاي مختلفی را بررسی میکردند. پیشرفت مکانیک کوانتمی برخی از این راه حلها را به ارمغان داشت. ریشههاي فیزیک بنیادي در این دوره با رشد انفجاري مکانیک کوانتومی در سالهاي 1920 در اروپا آغازشد.
در یک حرکت فراموشنشدنی در اواخر قرن، مِروین کِلِی1 سرپرست تحقیقات آزمایشگاههاي بل، نسلی از بهترین فیزیکدانان حالت جامد را فراخواند تا قابلیتهاي نیمهرساناها را براي بهکارگیري در سیستمهاي مخابراتی- به طور مثال بررسی تقویتکنندهها یا کلیدهاي حالت جامد-2 بکاوند. بالاخره » ترانزیستور نقطه تماسی3« طی مدت زمان دو سال در 1947 به ملثه ظهور رسید و کاربرد آن، مخابراتی را که در آن زمان قدمتی پنجاه ساله داشت، متحول کرد. با اختراع و پیشرفت قطعات نیمرساناي دیگر، بسیاري از قسمتهاي اندازهگیر، تحلیلگر یا منطقی مدار در قطعاتی موسوم به مدار مجتمع4 یا IC خلاصه شد. در شکل 2 یک مدار الکتریکی و یک مدار مجتمع را آوردهایم.
شکل:2 مدارهاي مجتمع یا آي سیها داراي حجم کوچکتر و در نتیجه سرعت و کارآیی بیشتري هستند.
مفهوم مخابرات صوتی دیجیتال اولین بار در 1947 با عنوان »پی سی ام« یا »سوارسازي کدهاي پالس5« در آزمایشگاههاي بل شرحدادهشد. پس از اختراع ترانزیستور در1962 اولین سامانه مخابراتی دیجیتال موسوم به »دستگاهکاریِر تی-6«1 معرفیشد که 24 کانال صوتی دیجیتال را با سرعت انتقال کل 1/5Mbit/Sec انتقال میداد.
یکی دیگر از محدودیتهایی که همواره پیش روي ساخت مدارها با ابعاد کوچکتر بوده و هست، دفع گرماي ایجاد شده - توان اتلافی - قطعات بوده است. افزایش تعداد ترانزیستورها در سطح ثابتی از تراشه نیز مطابق تئوري "مور" با محدودیت هایی از جمله مشکل دفع حرارت روبهرو است. به همین دلیل براي رفع مشکل دفع حرارت مجبور شدیم به سراغ مدارهاي کوانتمی و حتی جایگزینهاي نوري آنها برویم.
-4-1 عصر اپتیک کوانتمی، اختراع لیزرها و گذار به مخابرات تار نوري
عصر اپتیک کوانتمی و نانوالکترونیک ازسال 1958میلادي آغاز شده بود. البته، الکساندر گراهام بل »فوتوفون7« را در سال 1880 درست چند سال پس از تلفن اختراعکرد. این وسیله از یک دیافراگم بازتابی8 براي سوارسازي پرتو نور خورشید بر »نوسانهاي صحبت« بهره میبرد که با سوارسازي جریان الکتریکی در تلفنش قابل قیاس بود و گیرنده آن، فوتوسل سلنیومی بود که در 1876 کشف شده بود.
