ثالثاً: الألياف الضوئية:
الألياف الضوئية OPTICAL FIBER عبارة عن أسطوانة شفافة مصنوعة لتوجيه الضوء خلالها.
(اُنظر شكل الألياف الضوئية)
وحتى لا "يتسلل" شعاع الضوء من الألياف، نتيجة لظاهرة الانكسار، يراعى إسقاط الشعاع على جدارها بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة.
وبذلك، يضمن انعكاس الشعاع انعكاساً كلياً، داخل الألياف.
وحتى لا ينتقل الشعاع إلى الألياف المجاورة، فإنها تُحاط بكسوة عازلة، ذات معامل انكسار صغير؛ فيُضمن عدم وصوله إلى سطحها الخارجي.
1. مكونات الألياف الضوئية:
تتكون الألياف الضوئية من قلب (Core)، له معامل انكسار، ومحاط بكسوة عازلة، لها معامل انكسار أقل قليلاً من؛ وذلك للحصول على انعكاس كلي للشعاع على السطح الفاصل.
(اُنظر شكل المكونات الأساسية للألياف).
2. أنواع الألياف الضوئية:
هناك نوعان رئيسيان من الألياف، هما:
أ. ألياف ذات معامل "خطوه" Step Index) ( وفيها نجد معامل الانكسار لمادة القلب متجانسة، ولا تعتمد على المسافة القطرية من محور الكبل.
(اُنظر شكل ألياف ذات معامل "خطوة")
ويسير الضوء فيها بنظرية الانعكاس الداخلي الكلي.
وينقسم هذا النوع من الألياف إلى:
(1) ألياف أحادية النشاط (Single – Mode).
(2) ألياف متعددة النشاط (Multi – Mode).
والفرق الظاهر بينهما أن النشاط الأحادي، له نصف قطر أقلّ بكثير من المتعدد (نحو 2 ميكرومتر).
(اُنظر جدول بعض القيم الفعلية لأبعاد الألياف)
وتصنع ألياف الخطوة على ثلاثة أشكال مختلفة، بحسب المادة المستخدمة في تصنيع القلب والكسوة، كالآتي:
(1) إما أن تكون جميعها من الزجاج.
(2) أو تكون من قلب زجاجي محاط بكسوة من البلاستيك.
(3) أو تكون جميعها من البلاستيك. (اُنظر جدول المقارنة بين أشكال ألياف الخطوة)
ب. والنوع الآخر من الألياف، هو الألياف ذات معامل الانكسار المتدرج (Graded – Index)
وفيها يقلّ معامل الانكسار لمادة القلب، كلما ابتعد عن محور الكبل.
ويسير الضوء فيها، أساساً، بنظرية الانكسار، وليس الانعكاس الداخلي الكلي، كما في معامل الخطوة؛
.
3. (اُنظر جدول مقارنة بين نوعي الألياف)
4. الاضمحلال والفقد في الألياف
يُعَدّ الاضمحلال في الألياف الضوئية، عاملاً مهماً جداً في تصميم نُظُم الاتصالات بالألياف.
وعندما أمكن تقليل هذا الاضمحلال إلى أقل من 20 ديسيبل، في أواخر الستينيات، صارت أنظمة الاتصالات بالألياف ممكنة وذات جدوى.
ومن الضروري، دائماً، التأكد أن القدرة المستقبلة من الألياف، أكبر من الحد الأدنى اللازم للمستقبل، لاكتشاف المعلومات والتقاطها جيداً.
ومن الطبيعي، أن تعتمد هذه القدرة على مقدار الاضمحلال في قناة الاتصالات.
مصادر الفقد في الألياف:
يحدث الفقد في الألياف الضوئية الزجاجية، نتيجة للآتي:
أ. الامتصاص (Absorption):
هناك ثلاثة أنواع من الامتصاص:
(1) داخلي: بسبب الخواص الطبيعية للمادة.
(2) شوائب: بسبب الأيونات المعدنية وغيرها، والموجودة في الزجاج، أثناء التصنيع.
(3) عيوب ذرية: نتيجة للعناصر المؤكسدة غير المطلوبة، والناتجة من عملية التصنيع أو الإشعاع.
ب. التشتت (Scattering):
هناك نوعان من التشتت:
(1) تشتت داخلي: ويسمى، عادة، تشتت "ريلي" (Reyleigh).
(2) تشتت نتيجة عدم التجانس: وهو إما تشتت يعتمد على الزاوية، أو تشتت يعتمد على طول الموجة.
(اُنظر جدول علاقة الفقد من الامتصاص والتشتت بطول الموجة)
ج. تأثيرات الشكل الهندسي
وهي المصدر الثالث للفقد في الألياف.
وينتج إما:
(1) من انحناءات الكبل، عند لفه على بكر، أو عند مروره حول الأركان.
(2) أو من التشوه المحوري في الألياف، عند تغطيتها بكبول الحماية.
5. إجراء تصنيع مادة الألياف
هناك وسائل عديدة لعملية التصنيع، تهدف جميعها إلى صهر مادة الزجاج، وتنقيتها من الشوائب، وجعلها سائلة.
وتختلف هذه الوسائل بعضها عن بعض، في التكنولوجيات المستخدمة في عملية الصهر والتنقية، وفي الأغراض التي تُعَدّ لها.
6. سحب الألياف
يلي سحب الألياف عملية تصنيع مادتها.
ويجري السحب، والزجاج سائل ساخن؛ إذ تُلَفّ الألياف على بكر خاص، يدور بسرعة محسوبة، تعتمد على قطر الألياف المطلوب.
7. قياس خواص الألياف وتحديدها:
يُعْمدَ إليه لتحديد الآتي:
أ. القدرة الضوئية للألياف: وهي معدل مرور طاقه الضوء على نقطة معينة، في وقت محدد.
ب. الاضمحلال: لتحديد مقدار الإشارة الضوئية، التي تفقد في الألياف.
ج. عرض النطاق (B.W) ومعدل البيانات: ويعبران، أساساً، عن معكوس تشتت النبضة في الألياف.
د. الفتحة الرقمية: (NA) وتحدد قدرة الألياف على التقاط الضوء الساقط على مدى كبير من الزوايا وتجميعه.
هـ. التشتت بأنواعه.
و. طول الموجة النهائي: (Cut Off W. L) وعنده تبدأ الألياف في تداول النشاط الموجي الثاني (Second Mode)، أي أنه يوضح حدود العمل الموجي للألياف.
8. توصيل الألياف وتجميعها:
الهدف منهما الوصول إلى نظام ألياف ضوئية متكامل. ويشمل ذلك الآتي:
أ. توصيل ألياف بألياف أخرى.
ب. توصيل المصدر الضوئي بالألياف.
ج. توصيل نهاية الألياف بالكواشف.
رابعاً: مكونات أنظمة الألياف والإشارات المستخدمة فيها:
1. كبل الألياف:
بعد تصنيع الألياف وسحبها على البكر، فإنها تحتاج إلى طبقات حماية إضافية، حتى يمكن تداولها بسلام؛ ولذلك، تُجْعَل في كُبُول.
وعدد الألياف في الكبول، يختلف باختلاف استخدام الكبل؛ فقد تكون شعيرة ليفية واحدة، أو عدة آلاف من الألياف.
وكبول الألياف الضوئية، تشابه الكبول المعدنية التقليدية؛ إلا أنها لا تحتاج إلى عزل كهربائي بين الألياف والكبول؛ إذ إن تلك الألياف غير موصلة، كهربائياً.
وكذلك، هي أصغر حجماً من الكبول المعدنية، ذات السعة نفسها من قنوات الاتصال؛ نظراً إلى قدرتها الفائقة على حمل العديد من القنوات، مجتمعة.
ويمكن تلخيص أسباب تصنيع الألياف في صورة كُبُل، في الآتي:
أ. لسهولة الاستخدام؛ إذ إن:
(1) صغر حجم الألياف، يجعلها صعبة التداول.
(2) الألياف شفافة، يصعب رؤيتها على معظم الأسطح.
ب. الحماية، ضد الآتي:
(1) الإجهاد، على طول الألياف.
(2) أي احتمالات للسحق، بالأقدام أو المركبات أو ضغط المياه، وخلافه.
(3) تآكل الألياف وتعريتها.
ج. أنواع الكبول
(اُنظر شكل بعض أنواع الكبول):
تقسم كبول الألياف إلى الأنواع الآتية، طبقاً للاستخدام:
(1) كبل داخلي، في معدة أو جهاز: ويكون صغير الحجم، بسيط التركيب، ورخيص الثمن.
(2) كبل بين المكاتب: للاستخدام داخل المبنى الواحد.
ويحتوي، عادة، على شعيرة واحدة أو اثنتين من الألياف.
(3) كبل بين المباني: يمر على الجدران، ويحتوى على عدة ألياف.
(4) كبل متعدد: يحتوي على كبول فرعية.
(5) كبل خاص بين المباني، بمواصفات ضد الحريق والدخان.
(6) كبل هوائي خارجي، بين أعمدة أو في أنفاق أرضية.
(7) كبل أنفاق مدرع.
(8) كبل الدفن المباشر، ذو طبقة خارجية مدرعة.
(9) كبل غواصات مائي: للاستخدام في المياه، العذبة أو المالحة.
2. المصادر الضوئية المستخدمة في الألياف:
يجب أن تتميز مصادر الضوء المستخدم في الألياف، بالخواص الآتية:
أ. صغر الحجم، كي توافق الألياف.
ب. استهلاك ضئيل للطاقة.
ج. عرض نطاق طيفي ضيق (Spectral B.W).
د. قدرة خرج كافية.
هـ. طول الموجة، يجب أن يقع في نافذة السماحية الموجية للألياف.
و. قلة النفقة.
ز. اعتمادية كبيرة.
أنواع مصادر الضوء المستخدمة في الألياف:
أشهر المصادر الضوئية، هي:
أ. الثنائيات المشعة للضوء (Light Emitting Diodes) (LEDs)
وتصنع من أشباه الموصلات (Semiconductor p-njunction)
وتتميز باعتمادية كبيرة، ودوائر تغذية بسيطة، ونفقات قليلة.
وتلائم الطاقة الضوئية المتولدة منها، اطراداً، شدة التيار الموجب المار بها.
وعند التعديل السعوي ( AM ) للضوء، تُغذَّى بإشارة التعديل، إضافة إلى تيار ثابت آخر.
وتنقسم الثنائيات إلى:
(1) مشعات سطحية (Surface emit).
(2) مشعات حرفية (Edge emit) .
(3) مشعات فائقة الإشعاعية (Superluminescent).
ب. ثنائيات الليزر (Laser Diodes-LD)
ويمتاز شعاع الليزر بأنه أحادي التردد، تقريباً (نطاق موجي ضيق جداً)؛ وأنه متناسق ( Coherent )، أي أن موجاته يقوي بعضها بعضاً؛ إذ ترتبط بعلاقة طورية ثابتة.
وكذلك انتشاره في خطوط مستقيمة ذات زاوية انفراج ضيقة، على المسافات الكبيرة.
وتنقسم ثنائيات الليزر إلى:
(1) ثنائيات ليزر الحقن (Injection LD).
(2) ثنائيات ليزر التغذية العكسية.
(اُنظر شكل الفتحة الرقمية)
يوضح علاقة القدرة المشعة لكلٍّ من الثنائيات والليزر، بالفتحة الرقمية للألياف.
وتعمل هذه المصادر، عند استخدامها في الألياف، في حيز الأشعة تحت الحمراء، عموماً؛ إذ تشع الثنائيات حول الطول الموجي 830 نانومتر (910 متر).
بينما يشع الليزر عند 780 نانومتر، تقريباً.
ويُربَط المصدر بالألياف، إما مباشرة، أو باستخدام العدسات المحدبة، أو طرف الكبل الكروي نفسه؛ وذلك لزيادة كفاءة التوافق بين المصدر والألياف.
ويستخدم الليزر، عادة، عند الحاجة إلى السرعة والقدرة الضوئية العالية.
كما يؤدي استخدامه إلى ميزة تقليل الفقد في النظام، من طريق زيادة كفاءة الربط مع الألياف.
(اُنظر شكل الفتحة الرقمية) و(جدول المقارنة بين مصادر الليزر والثنائيات المشعة)
3. كواشف الألياف الضوئية:
مهمتها تحويل الإشارات الضوئية المستقبلة في نهاية الألياف، والتي تكون، عادة، ضعيفة ـ إلى إشارات كهربائية ضعيفة مناظرة.
ويتضمن تصميم أنظمة الكواشف، في المستقبلات الخاصة، بالألياف الضوئية، الآتي:
أ. اختيار نوع الكاشف الملائم، والذي يكون، عادة (فوتو دايو)، من أشباه الموصلات.
ب. استخدام عناصر بصرية (عدسات وخلافه)، لتوجيه الموجات الضوئية إلى الكاشف.
ج. تصميم دوائر إلكترونية، لربط خرج الكاشف مع المراحل اللاحقة.
يتبع إن شاء الله...
