ألياف بصرية

حزمة من الألياف البصرية

A TOSLINK fiber optic audio cable being illuminated on one end

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

فرع من فهم الفيزياء يرتكز على ظاهرة انتنطق الضوء عبر ألياف شفافة من الزجاج أوالبلاستيك. وتستطيع هذه الألياف البصرية، حتى تحمل الضوء عبر مسافات تتراوح بين سنتيمترات قليلة وأكثر من 160كم. ومثل هذه الألياف يُمْكن حتى تعمل بشكل فردي أوفي شكل حزَم، وبعض الألياف الفردية يبلغ طول قطرها أقل من 0,004مللم.

والألياف البصرية لها لُبٌ من الزجاج أواللدائن، ولها درجة عالية من الشفافية ومحاطة بغطاء يسمى الغلاف.

ويصل الضوء الصادر من جهاز الليزر، أومن مصباح كهربائي، أومن بعض المصادر الضوئية الأخرى إلى إحدى نهايتي الليف البصري. وعندما ينتقل عبر اللُب، يحبسه الغلاف في الداخل. ويقوم الغلاف بعملية ثني أوعكس ـ إلى الداخل ـ لأشعة الضوء المصطدمة بسطحها الداخلي.

وعند النهاية الأخرى لليف يستَقْبل الضَوء كشافٌ مثل نبيطة حساسة للضوء أوالعين البشرية.

التاريخ

Daniel Colladon first described this "light fountain" or "light pipe" in an 1842 article entitled On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream. This particular illustration comes from a later article by Colladon, in 1884.

التطبيقات

الألياف البصرية في الاتصالات

مكونات الليف البصري

اللب(Core): وهوتعبير عن زجاج رفيع ينتقل فيه الضوء.
الحاجب (Cladding): مادة تحيط باللب الزجاجي وتعمل على حفظ الضوء في مركز الليف البصري
الغطاء الواقي (Buffer Coating): غلاف بلاستيكي يحمي الليف البصري من الرطوبة أوويحميه من الضرر والكسر.

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

مجسات الألياف البصرية

استخدامات أخرى للألياف البصرية

A frisbee illuminated by fiber optics

للألياف البصرية استعمالات كثيرة. منها ما يستعمل في أنظمة اتصالات الألياف البصرية، حيث يقوم جهاز ليزر خاص بنقل الرسائل المُشفَّرة عن طريق ومضات ضوئية عالية السرعة. وتنتقل الرسائل عبر الألياف البصرية إلى نبائط حل شفرة الرسائل التي تحولها إلى الإشارة الأصلية.

وأنظمة اتصالات الألياف البصرية لها عدة مميزات، تجعلها مُتفوِّقة على الأنظمة، التي تَستخدِم الأسلاك النحاسية التقليدية؛ إذ إذا لها قدرة على حمل معلومات أكبر. وهي كذلك ليست عُرضةً للتداخل الكهربائي،كما حتى الإشارات المُرْسلَة لمسافات طويلة عبر كبلات الألياف البصرية، بحاجة إلى تقوية أقل من الإشارات المرسلة عبر الكبلات النحاسية لمسافة مماثلة. وكثيرٌ من شركات الاتصالات أسست لها شبكة كبلات من الألياف البصرية. وتحمل أسلاك الألياف البصرية الإشارات تحت الماء عبر المحيطين الأطلسي والهادئ.

وكذلك فإن الألياف البصرية مناسبة جدًا للاستعمالات الطبية؛ حيث يمكن صناعتها على شكل خيوط مرنة ودقيقة جدًا لإدخالها في الأوردة الدموية والرئتين، وفي الأجزاء المجوفة الأخرى من الجسم.كما أنها تُستعْمَل في كثير من الأدوات التي تساعد الأطباء على رؤية الأجزاء الداخلية من الجسم دون حاجة إلى إجراء جراحة. انظر: تنظير المفاصل. كما تُستخدم الألياف البصرية في جراحة الليزر أوأجهزة قياس درجة الحرارة أوالضغط.

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

Principle of operation

مؤشر الإنكسار

إجمالي الإنعكاس الداخلي

Multi-mode fiber

The propagation of light through a multi-mode optical fiber.

A laser bouncing down an acrylic rod, illustrating the total internal reflection of light in a multi-mode optical fiber.

أنواع الألياف البصرية.

Single-mode fiber

The structure of a typical single-mode fiber.
1. Core: 8 µm diameter
2. Cladding: 125 µm dia.
3. Buffer: 250 µm dia.
4. Jacket: 400 µm dia.

Special-purpose fiber

Mechanisms of attenuation

Light attenuation by ZBLAN and silica fibers

Light scattering

Specular reflection

Diffuse reflection

UV-Vis-IR absorption

Normal modes of vibration in a crystalline solid.

التصنيع

المواد

السيلكا

Tetrahedral structural unit of silica (SiO₂).

The amorphous structure of glassy silica (SiO₂). No long-range order is present, however there is local ordering with respect to the tetrahedral arrangement of oxygen (O) atoms around the silicon (Si) atoms.

الفلوريدات

الفوسفات

The P₄O₁₀ cagelike structure—the basic building block for phosphate glass.

Chalcogenides

العملية

Illustration of the modified chemical vapor deposition (inside) process

القضايا العملية

كابلات الألياف البصرية

An optical fiber cable

الإنهاء والربط

ST connectors on multi-mode fiber.

Free-space coupling

Fiber fuse

أنواع الألياف البصرية

يوجد نوعان رئيسيان من الألياف البصرية، هما الألياف الأحادية الشكل والألياف المتعددة النمط. وتُستَعْمل الألياف أحادية الشكل في عملية النقل طويل المسافة. ولهذه الألياف لُبٌّ صغير جدًا. وهي تتلقى الضوء في محاذاة المحور فقط. ونتيجة لهذا فإن الألياف أحادية الشكل تستلزم استعمال نوع خاص من أجهزة الليزر كمصدر للضوء، كما بحاجة كذلك إلى حتى تكون مُتَّصلة بدقة بجهاز الليزر، وبنوع آخر من الألياف وبكشاف.

أما الألياف المتعددة النمط فلها لُب أكبر من لُب الألياف أحادية النمط، وهي تتقبل الضوء من زوايا مختلفة. وفي الألياف متعددة النمط يمكن استعمال أنواع أكثر من المصادر الضوئية، ومُوَصِّلات أرخص من تلك التي تُستعْمل في الألياف أحادية النمط، إلا أنها لايمكن استعمالها عبر مسافات طويلة.

(single mode fiber) تنتقل من خلالها إشارات ضوئية نسق ونمط موحد في جميع 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 micronتسعة وتمر من خلاله أشعة الليزر تحت الحمراء ذات الطول الموجي 1.3-1.55 nm .

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

نظام الألياف الضوئية

مميزات الألياف الضوئية

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

أكثر قدرة على حمل المعلومات لان الألياف الضوئية احمل من الأسلاك العادية فانه يمكن وضع عدد كبير منها داخل الحزمة الواحدة مما يزيد عدد خطوط الهاتف أوعدد قنوات البث التلفزيوني في حبل واحد. يكفي حتى تعهد إذا عرض النطاق للألياف الضوئية يصل إلى 50THZ في حين إذا أكبر عرض نطاق يحتاجه البث التلفزيوني لا يتجاوز 6Mhz .

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

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

فقد أقل للإشارات المرسلة

عدم إمكانية تداخل الإشارات المرسلة من خلال الألياف المتجاورة في الحبل الواحد مما يضمن وضوح الإشارة المرسلة سواء أكانت محادثة تلفونية أوبث تلفزيوني. كما أنها لا تتعرض للتداخلات الكهرومغناطيسية مما يجعل الإشارة تنتقل بسرية تامة مما له أهمية خاصة في الأغراض العسكرية.

غير قابلة للاشتعال مما يقلل من خطر الحرائق

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.

انظر أيضا

Cable jetting
كابل بيانات
Fiber Bragg grating
Glass transition
Gradient index optics
Leaky mode
Optical communication
Optical fiber connector
فيزياء الزجاج
SFP transceiver
Sol-gel
قوة الزجاج
Submarine communications cables
Transparent materials
Viscoelasticity
XENPAK

الهوامش

^ الموسوعة المعهدية الكاملة
^ http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber
^ http://electronics.howstuffworks.com/fiber-optic.htm
^ http://www.xainoo.com/?p=36

المصادر

الموسوعة المعهدية الكاملة

Gambling, W. A., "The Rise and Rise of Optical Fibers", IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, pp. 1084–1093, Nov./Dec. 2000.
Hecht, Jeff, Understanding Fiber Optics, 4th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, USA 2002 (ISBN 0-13-027828-9).
Mirabito, Michael M.A; and Morgenstern, Barbara L., The New Communications Technologies: Applications, Policy, and Impact, 5th. Edition. Focal Press, 2004. (ISBN 0-24-080586-0).
Nagel S. R., MacChesney J. B., Walker K. L., "An Overview of the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) Process and Performance", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, No. 4, p. 459, April 1982.
Ramaswami, R., Sivarajan, K. N., Optical Networks: A Practical Perspective, Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, 1998 (ISBN 1-55860-445-6).

قراءات إضافية

Friedman, Thomas L. (2007). The World is Flat. Picador. ISBN . The book discusses how fiberoptics has contributed to globalization, and has revolutionized communications, business, and even the distribution of capital among countries.

وصلات خارجية

The Fiber Optic Association
FOA color code for connectors
Lennie Lightwave's Guide To Fiber Optics
"Fibers", article in RP Photonics' Encyclopedia of Laser Physics and Technology
How Fiber Optics are made In video
"Fibre optic technologies", Mercury Communications Ltd, August 1992.
"Photonics & the future of fibre", Mercury Communications Ltd, March 1993.
"Fiber Optic Tutorial" Educational site from Arc Electronics