ما هي الألياف البصرية ؟

الألياف البصرية هي ألياف مصنوعة من الزجاج النقي طويلة ورفيعة لا يتعدى سمكها سمك الشعرة يجمع العديد من هذه الألياف في حزم داخل الكيبلات البصرية وتستخدم في نقل الإشارات الضوئية لمسافات بعيدة جداً.

مكونات الليف البصري

-----

الألياف الضوئية Optical Fiber : وتتكون من اسطوانتين متحدتي المركز تسمى الأولى بالقلب Core محاطة باسطوانة أخرى تسمى الغلاف Cladding ثم الغطاء الواقي Buffer Coating والغلاف الخارجي للكابل (jacket)

القلب(Core): وهو عبارة عن زجاج رفيع (أسطواني) ينتقل فيه الضوء ويصنع من السليكا Silica المطعمة (بالجرمانيوم مثلا Ge-Silica).

الحاجب (Cladding): مادة تحيط باللب الزجاجي (أسطوانة أخرى محيطة) وتعمل على حفظ الضوء في مركز الليف البصري وهي مصنوعة من السليكا، وذلك لكي يكون معامل انكسار القلب أكبر من معامل انكسار الغلاف، وهو الشرط المطلوب لحصول عملية الانعكاس الداخلي الكلي Total Internal Reflection، الذي هو أساس توجيه الضوء في الألياف الضوئية، إذ ينعكس الضوء كليا وبتكرار الانعكاس ينتشر الضوء داخل قلب الليف الضوئي ويصل إلى النهاية الأخرى لليف.

الغطاء الواقي (Buffer Coating): غلاف بلاستيكي يحمي الليف البصري من الرطوبة ويحميه من الضرر والكسر.

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

تقسيمات الألياف الضوئية

-----

1 . (single mode fiber) تنتقل من خلالها إشارات ضوئية نسق ونمط موحد في كل ليفة ضوئية من ألياف الحزمة وهي تستخدم في شبكات التلفون وكوابل التلفزيون. هذا النوع من الألياف يتميز بصغر نصف قطر القلب الزجاجي حيث يصل إلى حوالي micron 9 وتمر من خلاله أشعة الليزر تحت الحمراء ذات الطول الموجي 1.3-1.55 nm.

2 . multi -mode fibersو بها يتم نقل العديد من الأنماط للإشارات الضوئية من خلال الليفة الضوئية الواحدة مما يجعل استخدامها أفضل لشبكات الحاسوب. هذا النوع من الألياف يكون نصف قطره أكبر حيث يصل إلى 62.5 micron وتنتقل من خلاله الأشعة تحت الحمراء.2

مميزات الألياف البصرية

-----

لقد أحدثت الألياف الضوئية ثورة في عالم الاتصالات لتميزها على أسلاك التوصيل العادية فهي

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 إن عرض النطاق للألياف الضوئية يصل إلى 50THZ في حين إن أكبر عرض نطاق يحتاجه البث التلفزيوني لا يتجاوز 6Mhz.

2.أقل حجما حيث أن نصف قطرها أقل من نصف قطر الأسلاك النحاسية التقليدية فمثلا يمكن استبدال سلك نحاسي قطره 7.62 سم بآخر من الألياف الضوئية قطره لا يتجاوز0.635 سم وهذا يمثل أهمية خاصة عند مد الأسلاك تحت الأرض.

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

4.فقد أقل للإشارات 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. كما أنها لا تتعرض للتداخلات الكهرومغناطيسية 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 لأن الفقد خلال عملية التوصيل قليل

بسبب هذه المميزات فإن الألياف الضوئية دخلت في الكثير من الصناعات وخصوصا الاتصالات وشبكات الكمبيوتر. كما تستخدم في التصوير الطبي بأنواعه وكذلك كمجسات عالية الجودة للتغير في درجة الحرارة والضغط بما له من تطبيقات في التنقيب في باطن الأرض.3

هناك أنواع حديثة للالياف البصرية اكتشفت مؤخرا وتسمى الألياف البلورية الفوتونية، لانها تصنع من البلورات الفوتونية التي تتميز بنقل الضوء فيها باقل خسارة..

1. تنقل البيانات بسرعات عالية جدا حيث تصل إلى أكثر من 100/MB megabytes ميغا بايت بالثانية.

آلية العمل

-----

تصنع الألياف الضوئية عادة من مواد ذات معامل انكسار كبير وتكون رفيعة لدرجة أنه لا يمكن للضوء أن يسقط على جدرانها بزاوية أقل من الزاوية الحرجة ، فتسقط الأشعة الضوئية بزاوية سقوط أكبر من الزاوية الحرجة فتنعكس انعكاس كلي داخلي في الأنبوب حتى تنفذ من الطرف الآخر.

استخدامات الألياف البصرية

1.في المجال الطبي، إجراء العمليات الجراحية الدقيقة ويمكن رؤية أجزاء الجسم الداخلية مثل (تنظير المعدة)

2.في مجال الاتصالات. وهو المجال الأوسع الذي يضم عشرات من التطبيقات مثل تطبيقات الاتصالات والتلفزيونات وغيرها.

3.في مجال الهندسة الوراثية، حيث يمكن تفكيك الشفرة الوراثية ومنع الأمراض الوراثية كالسكري ومتلازمة داون وفقر الدم....

4. في المجال العسكري، حيث انه من الصعب التجسس عليها وسحب الاشاره....

استخدام الألياف البصرية في الاتصالات

-----

تتكون وحدة الاتصالات بالألياف البصرية من:

•جهاز الإرسال(Transmitter): يرسل الإشارات الضوئية المشفرة.

•الألياف البصرية( Optical Fibers): تعمل هذه الألياف على توصيل ونقل المعلومات كإشارات ضوئية ولمسافات طويلة.

•مجدد أو معزز الإشارات الضوئية(Optical Regenerator): وهذا ضروري لتعزيز الإشارات وتقويتها حتى لا تضعف وتتلاشى خلال رحلتها الطويلة عبر الكيبلات البصرية.

•جهاز الاستقبال(Receiver): يستقبل الإشارات الضوئية ويحل تشفيرها.

جهاز الإرسال (Transmitter)

فيه تدار الأجهزة لتعطي سلسلة من الومضات الضوئية المتعاقبة التي تولد الشفرات أو الإشارات الضوئية المرسلة.

معزز الإشارات الضوئية(Optical Regenerator):

كما ذكر سابقاً أن هناك بعضاً من الإشارات الضوئية التي تفقد أو تضعف خاصة عندما تسير لمسافات طويلة كالذي يحدث في الكيبلات الممتدة تحت سطح البحر والتي تستخدم في أغراض الاتصالات بين السفن والغواصات، وبالتالي تعالج هذه الكيبلات البصرية بمعززات لهذه الإشارات تمتد على طول الكيبل وتعمل على تقوية الإشارات الضوئية .تتكون هذه المعززات من ألياف بصرية مغلفة بمادة خاصة،وعندما تسقط الإشارات الضوئية الضعيفة على جزيئات المادة فإنها تستثار لتعطي إشارات ضوئية قوية لها نفس خصائص الإشارات الضوئية الساقطة،أي أن الغلاف يعمل عمل الليزر(تفخيم الضوء الساقط) وهكذا تستمر عملية انتقال الضوء لمسافات طويلة دون أن تفقد.

المستقبل (Receiver):

تستخدم في هذه المستقبلات خلايا ضوئية( Photocell) أو الثنائيات الضوئية (Photodiode) التي تتعرف وتكشف الإشارات الضوئية المرسلة وتحل شفرتها إلى إشارات كهربية تدير الأجهزة المختلفة كالتلفزيون ،والكمبيوتر،والهاتف...وغيرها. مزايا وفوائد الألياف البصرية

أحدثت الألياف البصرية ثورة في عالم الاتصالات، فما هو سبب هذه الثورة ؟ ولماذا يفضل استخدامها عن الأسلاك المعدنية التقليدية؟

تتميز الألياف البصرية عن الأسلاك المعدنية بالخصائص التالية:

•غير مكلفة:

يمكن صنع أميال من الكيبلات الضوئية بتكلفة أقل مقارنة بتلك الكيبلات المصنوعة من المعادن كأسلاك النحاس.

رفيعة السمك:

تتميز الألياف البصرية بأنها رفيعة ودقيقة مقارنة بالأسلاك المعدنية. وبما أن هذه الألياف رفيعة فإنه يمكن تجميع العديد منها في حزم لتمتد في كيبلات أقطارها صغيرة وهذا لا يمكن عمله مع أسلاك النحاس.

•كفاءتها عالية:

فهناك القليل فقط من الإشارات الضوئية التي تفقد أو تضعف مقارنة بالأسلاك المعدنية.

•تستخدم الإشارات الضوئية لنقل المعلومات:

تنتقل المعلومات كإشارات ضوئية عبر الألياف البصرية على عكس الأسلاك النحاسية التي تستخدم الإشارات الكهربية وهذه الإشارات الضوئية المارة في أحد الألياف لا تتداخل مع إشارات الألياف الأخرى الموجودة معها في نفس الحزمة داخل الكيبل،وهذا يعني عدم تداخل الخطوط خلال المحادثات الهاتفية حيث يكون الصوت واضح ونقي.

•تنقل الإشارات الرقمية:

تعد الألياف البصرية مثالية وملائمة لنقل الإشارات الرقمية والمستخدمة في شبكات الكمبيوتر.

•أمنة ضد الحرائق:

لا تستخدم الألياف الضوئية أي إشارات كهربية،ولذلك تعتبر وسيلة آمنة لنقل المعلومات والإشارات الضوئية لمسافات طويلة دون الخوف من أضرار الحرائق الناجمة عن الشحنات الكهربية.

•خفيفة الوزن:

تعد الألياف البصرية خفيفة الوزن مقارنة بأسلاك النحاس،كما أنها تحتل مساحة صغيرة عند إمدادها تحت الأرض مقارن بالمساحة الكبيرة التي تحتلها كيبلات الأسلاك المعدنية.

•مرونتها عالية:

مما يميز الألياف البصرية أنها مرنة ولذلك فهي تستخدم في الكاميرات الرقمية للأغراض التالية:

- لالتقاط الصور الطبية عن طريق استخدامها في المناظير المختلفة(endoscope , laparoscope and bronchoscope).

- لتفحص عملية اللحام في أنابيب ومحركات الطائرات والسيارات والصواريخ..وغيرها.

ولذلك يفضل استخدام الألياف البصرية صناعياً وفي الاتصالات وأسلاك وخطوط الكمبيوترات.