الرئيسية
تعتبر الألياف الضوئية (Fiber Optics) أحد أسرع طرق نقل البيانات المستخدمة اليوم على نطاق تجاري واسع، فناهيك عن استخدامها في مجال شبكات نقل البيانات على اختلافها تستخدم الألياف الضوئية اليوم أيضاً في الكثير من الصناعات العالية الدقة كأجهزة التصوير الطبي الدقيقة؛ والمجسات الدقيقة؛ دون أنن ننسى بالطبع قطاع علوم الفضاء والاستخدامات العسكرية.
ماهي الألياف الضوئية؟ ومم تتكون؟
الألياف الضوئية عبارة عن شعيرات زجاجية (مصنوعة من الزجاج النقي)؛ طويلة وفي غاية الدقة (بمستوى دقة شعرة الإنسان تقريباً)، تنتقل عبرها إشارة ضوئية (ليزرية في معظم الأحيان) تحمل بدورها معلومات رقمية عبر مسافات بعيدة جداً .
وهذه الشعيرات تكون محزّمة في كوابل تعرف بالـ كوابل الضوئية؛ قد يضم الواحد مئات الألياف الضوئية دفعةً واحدة.
أجزاء الكبل الضوئي
الكبل الضوئي هذا يتألف من عدة طبقات:
- النواة " Core" : مركز زجاجي دقيق؛ وهي عملياً المسار الذي يتم انتقال الإشارة الضوئية فيه.
- القشرة " Cladding" : الطبقة الخارجية المحيطة بالنواة؛تمتلك قرينة انكسار مختلفة عن قرينة انكسار النواة وبالتالي فإنها تقوم بعكس الضوء باستمرار بحيث يبقى ضمن حدود النواة الزجاجية.
- الغلاف العازل " Buffer coating": وهو غلاف بلاستيكي عازل، يحمي اللّيف الضوئي من التلف ويعزله عن غيره من الألياف ضمن الحزمة الواحدة.
- السترة ""jacket : العديد من الألياف الضوئية تصطف معا في حزمة واحدة لتكون كما قلنا منذ قليل الكابل الضوئي؛ هذا الكابل الضوئي يُحمى بغطاء خارجي يدعى السترة "Jacket".
مميزات الألياف الضوئية
أحدثت الألياف الضوئية ثورة في عالم الاتصالات وانتشر استخدامها على نطاق واسع بفضل الميزات العدية التي تقدمها مقارنةً بالأسلاك النحاسية التقليدية:
• تستطيع حمل كم هائل من المعلومات مقارنة بالأسلاك العادية.. حيث أنها دقيقة جداُ وبالتالي يمكن وضع عدد كبير منها داخل الحزمة الواحدة مما يزيد عدد خطوط الهاتف أو عدد قنوات البث التلفزيوني التي يمكن أن يضمها الكابل الواحد. ويكفي هنا أن نعرف أن عرض الحزمة "Bandwidth" الذي يمكن أن تؤمنه الألياف الضوئية يصل إلى 50THz (تيراهرتز) في حين أن أكبر عرض حزمة يحتاجه البث التلفزيوني العادي لا يتجاوز الـ 6MHz؛ علماً ان التيراهرتز الواحد يعادل مليون ميغاهرتز).
• أقل حجماً.. حيث أن نصف قطرها أقل من نصف قطر الأسلاك النحاسية التقليدية، فمثلاً يمكن استبدال سلك نحاسي قطره 7.62سم بآخر من الألياف الضوئية قطره لا يتجاوز 0.635سم!! و هذا الفارق في الحجم يكتسب أهميةً خاصةً عند مد الأسلاك تحت الأرض.
• أخف وزناً.. حيث يمكن استبدال أسلاك نحاسية وزنها 94.5كغ بأخرى من الألياف الضوئية تزن فقط 3.6كغ!!
• احتمال فقدان الإشارة المرسلة أقل بكثير منه في الأسلاك النحاسية.
• عدم إمكانية تداخل الإشارات المرسلة من خلال الألياف المتجاورة في الكابل الواحد.. وهو ما يضمن وضوح الإشارة المرسلة سواء أكانت مكالمةً هاتفية أو بثاً تلفزيونياً. كما أنها لا تتعرض للتداخلات والتشويشات الكهرومغناطيسية مما يساعد على انتقال الإشارة بسريةٍ تامة؛ وهذا له أهمية خاصة في الأغراض العسكرية.
• غير قابلة للاشتعال مما يقلل من خطر الحرائق.
• تحتاج إلى طاقة أقل في المولدات باعتبار أن احتمال فقد المعلومات المرسلة قليل جداً.
أنواع الألياف الضوئية:
- الآلياف الضوئية ذات النمط الأحادي (Single Mode Fiber) :
تنتقل من خلالها إشارة ضوئية واحدة فقط في كل ليفة ضوئية من ألياف الحزمة و هي تستخدم في شبكات الهواتف و كوابل التلفاز. هذا النوع من الألياف يتميز بصغر نصف قطر القلب الزجاجي حيث يصل إلى حوالي 9micron فقط!! و تمر من خلاله أشعة الليزر تحت الحمراء ذات الطول الموجي 1.3-1.55 نانومتر.
الآلياف الضوئية ذات النمط المتعدد (Multi-Mode Fibers) :
و فيها يتم نقل العديد من الإشارات الضوئية عبر الليفة الضوئية الواحدة مما يجعل استخدامها أفضل لشبكات الحواسب. هذا النوع من الألياف يكون نصف قطره اكبر حيث يصل إلى 62.5micron!!
كيف تعمل الألياف الضوئية و كيف تنقل الضوء خلالها؟
عند نقل الإشارة أو الومضة الضوئية خلال مسار طويل، كل ما علينا القيام به هو توجيه الضوء خلال المسار وستنتقل الإشارة إلى الجهة الأخرى دون مشاكل في حال كان هذا المسار مستقيماً.. ولكن ماذا لو كان هذا المسار منحنياً؟ هنا يمكن أن نتغلب على ذلك بوضع مرآة عند الانحناء لتعكس الضوء إلى داخل المسار مرة أخرى. و في حال كان المسار كثير الانحناءات ينبغي أن نقوم بصف المرايا عند كل انحناء لتعكس الضوء بحيث يبقى في مساره.
هذه بالضبط هي فكرة عمل الألياف الضوئية. بما أن قرينة انكسار طبقة القشرة "Cladding" تختلف عن قرينة انكسار النواة الزجاجية فتبعاً لقانون الانعكاس الداخلي الكلي "Total Internal reflection" المعروف في الفيزياء؛ يتحول الجدار المحاذي لطبقة القشرة عملياً إلى مرآةٍ عاكسة تمتد على طول الليف الضوئي. بما أن هذا الجدار لا يمتص أياً من الضوء الساقط عليه فإن الإشارة الضوئية يمكن أن تسافر لمسافات طويلة دون أن تفقد شيئاً تقريباً من قوتها. وإن كان قسم من الضوء يفقد أحياناً بسبب الشوائب التي قد تتواجد في النواة الزجاجية.
نظام شبكات الألياف الضوئية
يتكون نظام الألياف الضوئية من ثلاث عناصر أساسية هي:
- المرسل Transmitter
و هو الذي يقوم بإعادة تشفير المعلومات الرقمية وإرسالها على شكل إشارة ضوئية.. الجزء الأساسي فيه هو المصدر الضوئي الذي قد يكون ليزراً أو ديوداً ضوئياً.
الآلياف الضوئية Fiber-Optics
و هي العنصر المسؤول عن توصيل الإشارة الضوئية من المرسل إلى المستقبل.
المستقبل Receiver
يستقبل الإشارة الضوئية ويفك شيفرتها ليعيدها إلى صيغتها الأصلية ثم يرسلها إلى المستخدم الذي قد يكون حاسباً أو هاتفاً أو تلفازاً.
الاستخدامات الحديثة للألياف الضوئية:
- تستخدم الأياف الضوئية اليوم على نطاق واسع في عمليات تمديد البنية التحتية الخاصة بالاتصال العريض الحزمة بشبكة الإنترنت (Broadband Internet)؛ بحيث تمكنت الشبكات الأحدث من هذا الطراز والتي تم تركيبها في اليابان مؤخراً من تقديم اتصال إنترنت خارق السرعة من مرتبة 1Gbps (أي 1 جيغابت في الثانية الواحدة)!!
- بفضل مرونة الألياف الضوئية و دقتها فقد دخلت في صناعة الكاميرات الرقمية الدقيقة المستخدمة في التصوير الطبي الدقيق عن طريق التنظير.
- كما دخلت في تصنيع الكاميرات المستخدمة في الصناعات الميكانيكية لفحص اللحام و الوصلات في الأنابيب و المولدات. و لفحص أنابيب المجاري الطويلة من الداخل.
- استخدمت الألياف الضوئية أيضا كمجسات لتحديد التغير في درجات الحرارة و الجهد(Strain)، حيث تفضل هنا على المجسات العادية لصغر حجمها و حساسيتها للتغيرات الصغيرة و دقة أدائها، وهو ما سمح باستخدامها في صناعة جدران الطائرات وأجنحتها!!
ماهي الألياف الضوئية؟ ومم تتكون؟
الألياف الضوئية عبارة عن شعيرات زجاجية (مصنوعة من الزجاج النقي)؛ طويلة وفي غاية الدقة (بمستوى دقة شعرة الإنسان تقريباً)، تنتقل عبرها إشارة ضوئية (ليزرية في معظم الأحيان) تحمل بدورها معلومات رقمية عبر مسافات بعيدة جداً .
وهذه الشعيرات تكون محزّمة في كوابل تعرف بالـ كوابل الضوئية؛ قد يضم الواحد مئات الألياف الضوئية دفعةً واحدة.
أجزاء الكبل الضوئي
 |
- النواة " Core" : مركز زجاجي دقيق؛ وهي عملياً المسار الذي يتم انتقال الإشارة الضوئية فيه.
- القشرة " Cladding" : الطبقة الخارجية المحيطة بالنواة؛تمتلك قرينة انكسار مختلفة عن قرينة انكسار النواة وبالتالي فإنها تقوم بعكس الضوء باستمرار بحيث يبقى ضمن حدود النواة الزجاجية.
- الغلاف العازل " Buffer coating": وهو غلاف بلاستيكي عازل، يحمي اللّيف الضوئي من التلف ويعزله عن غيره من الألياف ضمن الحزمة الواحدة.
- السترة ""jacket : العديد من الألياف الضوئية تصطف معا في حزمة واحدة لتكون كما قلنا منذ قليل الكابل الضوئي؛ هذا الكابل الضوئي يُحمى بغطاء خارجي يدعى السترة "Jacket".
مميزات الألياف الضوئية
أحدثت الألياف الضوئية ثورة في عالم الاتصالات وانتشر استخدامها على نطاق واسع بفضل الميزات العدية التي تقدمها مقارنةً بالأسلاك النحاسية التقليدية:
• تستطيع حمل كم هائل من المعلومات مقارنة بالأسلاك العادية.. حيث أنها دقيقة جداُ وبالتالي يمكن وضع عدد كبير منها داخل الحزمة الواحدة مما يزيد عدد خطوط الهاتف أو عدد قنوات البث التلفزيوني التي يمكن أن يضمها الكابل الواحد. ويكفي هنا أن نعرف أن عرض الحزمة "Bandwidth" الذي يمكن أن تؤمنه الألياف الضوئية يصل إلى 50THz (تيراهرتز) في حين أن أكبر عرض حزمة يحتاجه البث التلفزيوني العادي لا يتجاوز الـ 6MHz؛ علماً ان التيراهرتز الواحد يعادل مليون ميغاهرتز).
• أقل حجماً.. حيث أن نصف قطرها أقل من نصف قطر الأسلاك النحاسية التقليدية، فمثلاً يمكن استبدال سلك نحاسي قطره 7.62سم بآخر من الألياف الضوئية قطره لا يتجاوز 0.635سم!! و هذا الفارق في الحجم يكتسب أهميةً خاصةً عند مد الأسلاك تحت الأرض.
• أخف وزناً.. حيث يمكن استبدال أسلاك نحاسية وزنها 94.5كغ بأخرى من الألياف الضوئية تزن فقط 3.6كغ!!
• احتمال فقدان الإشارة المرسلة أقل بكثير منه في الأسلاك النحاسية.
• عدم إمكانية تداخل الإشارات المرسلة من خلال الألياف المتجاورة في الكابل الواحد.. وهو ما يضمن وضوح الإشارة المرسلة سواء أكانت مكالمةً هاتفية أو بثاً تلفزيونياً. كما أنها لا تتعرض للتداخلات والتشويشات الكهرومغناطيسية مما يساعد على انتقال الإشارة بسريةٍ تامة؛ وهذا له أهمية خاصة في الأغراض العسكرية.
• غير قابلة للاشتعال مما يقلل من خطر الحرائق.
• تحتاج إلى طاقة أقل في المولدات باعتبار أن احتمال فقد المعلومات المرسلة قليل جداً.
أنواع الألياف الضوئية:
- الآلياف الضوئية ذات النمط الأحادي (Single Mode Fiber) :
تنتقل من خلالها إشارة ضوئية واحدة فقط في كل ليفة ضوئية من ألياف الحزمة و هي تستخدم في شبكات الهواتف و كوابل التلفاز. هذا النوع من الألياف يتميز بصغر نصف قطر القلب الزجاجي حيث يصل إلى حوالي 9micron فقط!! و تمر من خلاله أشعة الليزر تحت الحمراء ذات الطول الموجي 1.3-1.55 نانومتر.
الآلياف الضوئية ذات النمط المتعدد (Multi-Mode Fibers) :
و فيها يتم نقل العديد من الإشارات الضوئية عبر الليفة الضوئية الواحدة مما يجعل استخدامها أفضل لشبكات الحواسب. هذا النوع من الألياف يكون نصف قطره اكبر حيث يصل إلى 62.5micron!!
كيف تعمل الألياف الضوئية و كيف تنقل الضوء خلالها؟
عند نقل الإشارة أو الومضة الضوئية خلال مسار طويل، كل ما علينا القيام به هو توجيه الضوء خلال المسار وستنتقل الإشارة إلى الجهة الأخرى دون مشاكل في حال كان هذا المسار مستقيماً.. ولكن ماذا لو كان هذا المسار منحنياً؟ هنا يمكن أن نتغلب على ذلك بوضع مرآة عند الانحناء لتعكس الضوء إلى داخل المسار مرة أخرى. و في حال كان المسار كثير الانحناءات ينبغي أن نقوم بصف المرايا عند كل انحناء لتعكس الضوء بحيث يبقى في مساره.
هذه بالضبط هي فكرة عمل الألياف الضوئية. بما أن قرينة انكسار طبقة القشرة "Cladding" تختلف عن قرينة انكسار النواة الزجاجية فتبعاً لقانون الانعكاس الداخلي الكلي "Total Internal reflection" المعروف في الفيزياء؛ يتحول الجدار المحاذي لطبقة القشرة عملياً إلى مرآةٍ عاكسة تمتد على طول الليف الضوئي. بما أن هذا الجدار لا يمتص أياً من الضوء الساقط عليه فإن الإشارة الضوئية يمكن أن تسافر لمسافات طويلة دون أن تفقد شيئاً تقريباً من قوتها. وإن كان قسم من الضوء يفقد أحياناً بسبب الشوائب التي قد تتواجد في النواة الزجاجية.
 |
يتكون نظام الألياف الضوئية من ثلاث عناصر أساسية هي:
- المرسل Transmitter
و هو الذي يقوم بإعادة تشفير المعلومات الرقمية وإرسالها على شكل إشارة ضوئية.. الجزء الأساسي فيه هو المصدر الضوئي الذي قد يكون ليزراً أو ديوداً ضوئياً.
الآلياف الضوئية Fiber-Optics
و هي العنصر المسؤول عن توصيل الإشارة الضوئية من المرسل إلى المستقبل.
المستقبل Receiver
يستقبل الإشارة الضوئية ويفك شيفرتها ليعيدها إلى صيغتها الأصلية ثم يرسلها إلى المستخدم الذي قد يكون حاسباً أو هاتفاً أو تلفازاً.
 |
- تستخدم الأياف الضوئية اليوم على نطاق واسع في عمليات تمديد البنية التحتية الخاصة بالاتصال العريض الحزمة بشبكة الإنترنت (Broadband Internet)؛ بحيث تمكنت الشبكات الأحدث من هذا الطراز والتي تم تركيبها في اليابان مؤخراً من تقديم اتصال إنترنت خارق السرعة من مرتبة 1Gbps (أي 1 جيغابت في الثانية الواحدة)!!
- بفضل مرونة الألياف الضوئية و دقتها فقد دخلت في صناعة الكاميرات الرقمية الدقيقة المستخدمة في التصوير الطبي الدقيق عن طريق التنظير.
- كما دخلت في تصنيع الكاميرات المستخدمة في الصناعات الميكانيكية لفحص اللحام و الوصلات في الأنابيب و المولدات. و لفحص أنابيب المجاري الطويلة من الداخل.
- استخدمت الألياف الضوئية أيضا كمجسات لتحديد التغير في درجات الحرارة و الجهد(Strain)، حيث تفضل هنا على المجسات العادية لصغر حجمها و حساسيتها للتغيرات الصغيرة و دقة أدائها، وهو ما سمح باستخدامها في صناعة جدران الطائرات وأجنحتها!!
