الأليـاف البصريـة

وسيلة الاتصال في العصر الحديث، تقنية الألياف البصرية!…

جعلت الألياف البصرية الملايين من المشتركين يحصلون على خدمات رائدة في الاتصالات خلال دقائق ،

ونقلت الإنترنت إلى  القارات عبر البحار.

ما هي الألياف البصرية؟

الألياف البصرية هي مجموعة من  ألياف مصنوعة من الزجاج النقي طويلة ورفيعة لا يتعدى سمكها سمك الشعرة يجمع العديد من هذه الألياف في حزم ، أي مئات أو ربما الآلاف من هذه الألياف الضوئية، تصطف معا في حزمة لتكوِّن الحبل الضوئي الذي يُحمى بغطاء خارجي، وتستخدم في نقل الإشارات الضوئية لمسافات بعيدة جداً، مئات أو آلاف الكيلومترات،  وهي تستعمل بالخصوص في شبكات الاتصال.

الألياف البصرية هي إحدى التطبيقات العملية لظاهرة الانعكاس الكلي.

ما هي مكونات الليف البصري؟

يتكون الليف البصري من :

القلب: عبارة عن زجاج رفيع ينتقل فيه الضوء ، قرينة انكساره أكبر من قرينة انكسار الغلاف الخارجي (n _c  > n_g)

العاكس: مادة تحيط باللب الزجاجي وتعمل على عكس الضوء مرة أخرى إلى داخل الليف البصري.

الغطاء الواقي : غلاف بلاستيكي يحمي الليف البصري من الرطوبة أو ويحميه من الضرر و الكسر.

مئات أو ربما الآلاف من هذه الألياف البصرية تصطف معا في حزمة لتكون الحبل الضوئي الذي ُيحمى بغطاء خارجي.

أنـواع الأليـاف البصريـة

 تنقسم الألياف الضوئية بصفة عامة إلى نوعين أساسيين:

-1 الألياف البصرية أحادية الإشارة الضوئية: تنتقل من خلالها إشارة ضوئية واحدة فقط في كل ليفة ضوئية من ألياف الحزمة وهي تستخدم في شبكات التلفون وأسلاك النقل في التلفزيون. هذا النوع من الألياف يتميز بصغر نصف قطر القلب الزجاجي حيث يصل إلى حوالي micron   9، و تمر من خلاله أشعة الليزر تحت الحمراء. 

  2- الألياف البصرية متعددة الإشارة الضوئية: و بها يتم نقل العديد من الإشارات الضوئية خلال الليفة الضوئية الواحدة مما يجعل استخدامها أفضل لشبكات الحاسوب. هذا النوع من الألياف يكون نصف قطره اكبر حيث يصل إلى micron 62.5  وتنتقل من خلاله الأشعة تحت الحمراء.

كيف تعمل الألياف الضوئية ؟ و كيف تُوصل الضوء؟

إن الضوء ينتقل وفق خطوط مستقيمة، فإنه عند توجيه ومضة ضوئية خلال مسار طويل مستقيم، فإنها ستصل للطرف الثاني من دون مشكل. ولكن ماذا لو كان بالمسار انحناء؟

بسهولة يمكن أن تتغلب على ذلك بوضع مرآة عند الانحناء لتعكس الضوء إلى داخل المسار مرة أخرى . و بنفس الطريقة تحل المشكلة لو كان المسار كثير الانحناءات حيث تُصف مرايا على طول المسار لتعكس الضوء باستمرار من جانب لأخر ليبقى في مساره. هذه بالضبط هي فكرة عمل الألياف الضوئية. حيث ينتقل الضوء بواسطة الانعكاس المستمر عن الجدار المحاذي للقلب الزجاجي انعكاسا داخليا كليا. و لان هذا الجدار لا يمتص أي من الضوء الساقط عليه فان الإشارة الضوئية يمكن أن تسافر مسافات طويلة دون تغير في شدتها.

يتكون نظام الألياف الضوئية من ثلاث أجزاء أساسية:

1- الباعث ( المرسل): وهوالدي ينتج و يشفر الإشارة الضوئية ،حيث يكون الجزء الأساسي به هو المصدر الضوئي الذي قد يكون منبعا ضوئيا من الليزر، أو صمام ثنائي ضوئي، فإذا أردنا مثلا، نقل إشارة تلفزيونية أو أي معلومة فانه من الضروري تحوير الشارة الضوئية طبقا للمعلومة المراد نقلها،بتغيير شدتها ارتفاعا وانخفاضا أوإشعالها وإطفائها في تتابع .

2- الليف البصري :وهوالدي يقوم بتوصيل الإشارة الضوئية بتكرار انعكاسها، وهو الجزء الذي تم شرحه سابقا بالتفصيل.

3-المستقبل عبارة عن صمام ثنائي ضوئي، يستقبل الإشارة الضوئية ليحولها إلى إشارة كهربائية ترسل إلى المستخدم الذي قد يكون التلفزيون أو التلفون.

مميزات الألياف الضوئية:

 تتميّز الألياف البصرية عن أسلاك التوصيل الكهربائية العادية بأنها:

1-أكثر قدرة على حمل المعلومات، لان الألياف الضوئية ارفع من الأسلاك العادية فانه يمكن وضع عدد كبير منها داخل الحزمة الواحدة مما يزيد عدد خطوط الهاتف أو عدد قنوات البث التلفزيوني في حبل واحد. يكفي أن تعرف ان عرض النطاق للألياف الضوئية يصل إلى   THZ 50 في حين أن اكبر عرض نطاق يحتاجه البث التلفزيوني لا يتجاوزMhz 6

2- أقل حجما حيث أن نصف قطرها اقل من نصف قطر الأسلاك النحاسية التقليدية فمثلا يمكن استبدال سلك نحاسي قطره cm 7.62 باخر من الألياف الضوئية قطره لا يتجاوزcm0.635   وهذا يمثل أهمية خاصة عند مد الأسلاك تحت الأرض.

3- أخف وزنا فيمكن استبدال أسلاك نحاسية وزنها kg 94.5 بأخرى من الألياف الضوئية تزن فقط kg 3.6.

4- أقل ضياع للإشارات الضوئية المرسلة.

5- عدم إمكانية تداخل الإشارات المرسلة من خلال الألياف المتجاورة في الحبل الواحد، مما يضمن وضوح الإشارة المرسلة، سواء أكانت محادثة تلفونية أو بث تلفزيوني. كماانها لا تتعرض للتداخلات، مما يجعل الإشارة تنتقل بسرية تامة، مما له أهمية خاصة في الأغراض العسكرية.

6- غير قابلة للاشتعال، مما يقلل من خطر الحرائق

7- تحتاج إلى طاقة أقل في المولدات، لان الفقد خلال عملية التوصيل قليل، بسبب هذه المميزات فان الألياف الضوئية دخلت في الكثير من الصناعات و خصوصا الاتصالات وشبكات الكمبيوتر.كما تستخدم في التصوير الطبي بأنواعه و في المجسات عالية الجودة للتغير في درجة الحرارة و الضغط بما له من تطبيقات في التنقيب في باطن الأرض.

8- تحدي اقتصادي، حيث الألياف البصرية أقل تكلفة من نظام أسلاك التوصيل الكهربائي

كيف تصنع الألياف الضوئية؟

ُيمرر الأكسوجين على محلول كلوريد السيليكون وكلوريد الجرمانيوم ثم تمرر الأبخرة الناتجة داخل أنبوب من الكوارتز، وبدرجة الحرارة المرتفعة يترسب أوكسيد السيليكون وأوكسيد الجرمانيوم على الجدران الداخلية للأنبوب ويندمجان معا لتكوين الزجاج الخام المطلوب في صناعة الألياف البصرية، ويمكن التحكم في درجة نقاء وصفات الزجاج المتكون من خلال التحكم في مكونات الخليط وتفاعلات أبخرته، ثم يتم سحب الزجاج على شكل ألياف في فرن كربوني درجة حرارته 1900-2200 درجة مئوية، بسرعة  m/s10 – 20 ، مع الحرص على ثبات نصف القطر.

ما هي أسس اختبار الألياف البصرية؟

يتم اختبار الألياف البصرية من حيث:

-       قرينة الانكسار

-       الشكل الهندسي، أساسا نصف القطر

-       تشتت الإشارة الضوئية

-       سعة حمل المعلومات

-       تحملها لدرجات الحرارة

-       إمكانية توصيل الإشارات الضوئية تحت الماء

ما مكان الألياف البصرية في سلم التكنولوجيات الحديثة؟

استحوذ استخدام الألياف البصرية على نقل المعلومات عبر المسافات الطويلة ، إلا أنها تستخدم أيضا لنقل المعلومات لمسافات قصيرة، مثل : تبادل المعلومات بين الكمبيوتر الرئيسي والكمبيوترات الجانبية أو الطابعة في شبكات الاتصال. ونتيجة لمرونة الألياف البصرية ودقتها، أدخلت في صناعة الكاميرات الرقمية المتعددة المستخدمة في التصوير الطبي كالمنظار وكذلك في التصوير الميكانيكي لفحص اللحام والوصلات داخل أنابيب المجاري الطويلة.كما استخدمت الألياف البصرية كمجسات لتحديد درجات الحرارة والضغط نظرا لحساسيتها الصغيرة ودقة أدائها.

 مثال: مجسات على جدران وأجنحة بعض الطائرات لتنبيه الطيار عن الضغط المسلط على جسم أو أجنحة الطائرة.