تبسيط الألياف الضوئية

حدثا تحدث الناس عن أنظمة التلفون أوالتلفزيون التي تعمل بالكوابل الأرضية أوشبكات الانترنت اقترن الحديث دوما بذكر الألياف الضوئية fiber optics فما هي الألياف الضوئية ؟الألياف الضوئية هي تعبير عن شعيرات طويلة من زجاج على درجة عالية من النقاء يصل حملها إلى حد حتى تماثل شعرة رأس الانسان. تصطف هذه الشعيرات معا في حزمة تسمى الحبل الضوئي (optical cable). إذا نظرت عن قرب لأحد هذه الألياف الضوئية ستجد انه يتكون من:

النطقبCore وهوقلب من الزجاج الفائق النقاء يمثل المسار الذي ينتقل من خلاله الضوء.

القشرة الزجاجية cladding وهوالمادة الخارجية التي تحيط بالقلب الزجاجي وهي مصنوعة من زجاج يختلف معامل انكساره عن معامل انكسار الزجاج الذي يصنع منه القلب ويعكس الضوء باستمرار ليظل في داخل النطقب الزجاجي

الغلاف الواقيBuffer coating وهوغلاف بلاستيكي يحمي القلب من الضرر

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

كتطبيق على ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي قم بتسليط شعاع ليزر على ماء مندفع من فتحة صغيرة كما في الشكل، وستجد ان مسار الليزر ينحرف مع انسياب الماء، والسبب في ذلك ان الليزر ينعكس على السطح الداخل للماء حيث يفصل هذا السطح بين وسطين مختلفين في معامل الانكسار.

أنواع الآلياف الضوئية

الألياف الضوئية يمكن حتى تقسم بصفة عامة إلى نوعين أساسيين:

الآلياف الضوئية ذات النمط الاحادي single mode fiber تنتقل من خلالها إشارة ضوئية واحدة فقط 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.

الآلياف الضوئية ذات النمط المتعدد multi -mode fibers وبها يتم نقل الكثير من الإشارات الضوئية من خلال الليفة الضوئية الواحدة مما يجعل استخدامها أفضل لشبكات الحاسوب. هذا النوع من الأليافقد يكون نصف قطره اكبر حيث يصل إلى 62.5micron وتنتقل من خلاله الأشعة تحت الحمراء.

كيف تعمل الألياف الضوئية وكيف من الممكن أن تنقل الضوء خلالها؟

افترض انك ترغب حتى توصل ومضة ضوئية خلال مسار طويل مستقيم جميع ما عليك هوحتى توجه الضوء خلال هذا المسار ولان الضوء ينتقل في خطوط مستقيمة فانه سيصل للطرف الآخر بلا مشاكل. لكن ماذا لوكان المسار به انحناء،يا ترى؟ بسهولة يمكن حتى تتغلب على ذلك بوضع مرآة عند الانحناء لتعكس الضوء إلى داخل المسار مرة أخرى. وبنفس الكيفية تحل المشكلة لوكان المسار كثير الانحناءات حيث تصف مرايا على طول المسار لتعكس الضوء باستمرار من جانب الأخر ليبقى في مساره. هذه بالضبط هي فكرة عمل الألياف الضوئية. حيث ينتقل الضوء بواسطة الانعكاس المستمر عن الجدار المحاذي للنطقب الزجاجي (cladding) انعكاسا داخليا كليا. ولان هذا الجدار لا يمتص أي من الضوء الساقط عليه فان الإشارة الضوئية يمكن حتى تسافر مسافات طويلة. ولكن يحدث أحيانا حتى يفقد جزء من الضوء حيث تمتصه الشوائب الموجودة في القلب الزجاجي.

لكي تحدث الانعكاسات المستمرة على جدار الغلاف الواقي داخل الآلياف الضوئية فإن هذا يعتمد على ظاهرة فيزيائية تسمى ظاهرة الإنعكاس الداخلي الكلي total internal reflection فما هي هذه الظاهرة وكيف تعمل؟

نفس الظاهرة تحدث في الليزر عبر الالياف الضوئية حيث حتى الضوء بمجرد عبوره إلى داخل النطقب الزجاجي core سينعكس على السطح الداخلي للقشرة الزجاجية لان معامل انكسارها اكبر من النطقب ويستمر الليزر بالانعكاس على جانبي النطقب بغض النظر اذا كانت الالياف الضوئية مستقيمة أومنحنية.

الأساس الفيزيائي لنقل الضوء خلال الآلياف البصرية

ظاهرة الإنعكاس الداخلي الكلي total internal reflection هي الأساس الفيزيائي لتكنولوجيا نقل الضوء عبر الآلياف الزحاجية حيث ان أننا ذكرنا سابقا حتى كلا من النطقب الزجاجي والقشرة الزجاجية من الزجاج ولكن معامل انكسارهما مختلف. فلماذا كان معامل الانكسار مختلف ولماذا وجدت طبقتين من الزجاج؟

تخيل لواننا قمنا بالتجربة المشروحة في الشكل التالي والتي تمثل شعاع من الليزر في حوض من الماء وتشكل حافة الماء حاجز بين وسطين هما الماء الذي معامل انكساره اكبر من وسط الهواء، فعندما يسقط شعاع الليزر عموديا على الحاجز فإنه ينفذ بالكامل، اما اذا زادت الزاوية تدريجياً . نلاحظ حتى جزء من الشعاع ينفذ والجزء الأخر ينعكس داخل الماء وحدثا زادت زاوية السقوط حدثا قلت شدة الشعاع النافذ وازدادت شدة الشعاع المنعكس، وعند زاوية (تقريباً 48.6 درجة) تسمى الزاوية الحرجة يخرج الشعاع موازياً لسطح الماء واذا زادت زاوية السقوط قليلاً عن الزاوية الحرجة فإن الشعاع ينعكس بالكامل ولا ينفذ منه شيئاً وهذه الحالة تسمى الإنعكاس الكلي الداخلي total internal reflection.

تحدث ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي اذا تحقق الشرطين التاليين:

(1) ان ينتقل الضوء من وسط ذوكثافة ضوئية أعلى (معامل انكساره كبير) إلى وسط أقل كثافة ضوئية (معامل انكساره اقل).

(2) ان تكون زاوية السقوط اكبر من الزاوية الحرجة.

كيف تعمل الألياف البصرية

القشرة الزجاجية cladding وهوالمادة الخارجية التي تحيط بالقلب الزجاجي وهي مصنوعة من زجاج يختلف معامل انكساره عن معامل انكسار الزجاج الذي يصنع منه القلب ويعكس الضوء باستمرار ليظل في داخل النطقب الزجاجي

الغلاف الواقيBuffer coating وهوغلاف بلاستيكي يحمي القلب من الضرر

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

أنواع الآلياف الضوئية

الألياف الضوئية يمكن حتى تقسم بصفة عامة إلى نوعين أساسيين:

الآلياف الضوئية ذات النمط الاحادي single mode fiber تنتقل من خلالها إشارة ضوئية واحدة فقط 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.

الآلياف الضوئية ذات النمط المتعدد multi -mode fibers وبها يتم نقل الكثير من الإشارات الضوئية من خلال الليفة الضوئية الواحدة مما يجعل استخدامها أفضل لشبكات الحاسوب. هذا النوع من الأليافقد يكون نصف قطره اكبر حيث يصل إلى 62.5micron وتنتقل من خلاله الأشعة تحت الحمراء.

كيف تعمل الألياف الضوئية وكيف من الممكن أن تنقل الضوء خلالها؟

مكونات نظام الآلياف البصرية

يتكون نظام الألياف الضوئية من ثلاث أجزاء أساسية هي:

المرسل transmitter

وهوالذي ينتج ويشفر الإشارة الضوئية حيثقد يكون الجزء الأساسي به هوالمصدر الضوئي الذي قد يحدث ليزر أوالدايود الضوئي، فإذا أردنا مثلا نقل إشارة تلفزيونية أوأي معلومة فانه من الضروري تحوير الشارة الضوئية طبقا للمعلومة المراد نقلها. تحوير الإشارة الضوئية قد يتم بتغيير شدتها ارتفاعا وانخفاضا analogue modulation أوإشعالها وإطفائها في تتابع وهوما يعهد بـ digital modulation

الآلياف البصرية fiber-optic

وهوالذي يقوم بتوصيل الإشارة الضوئية عبر المسافات وهوالجزء الذي تم شرحه مسبقاً.

المستقبل receiver

يستقبل الإشارة الضوئية ويفك شفرتها ليحولها إلى إشارة كهربية ترسل إلى المستخدم الذي قد يحدث التلفزيون أوالتلفون

مميزات الألياف الضوئية

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

أكثر قدرة على حمل المعلومات لأن 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 اكبر عرض نطاق يحتاجه البث التلفزيوني لا يتجاوز 6MHz.

اقل 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 يتجاوز 0.635سم وهذا يمثل أهمية خاصة عند أعطى الأسلاك تحت الأرض.

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

فقد اقل للإشارات المرسلة في الآلياف الضوئية منه في الأسلاك النحاسية.

عدم إمكانية تداخل الإشارات المرسلة من خلال الألياف المتجاورة في الحبل الواحد مما يضمن وضوح الإشارة المرسلة سواء أكانت محادثة تلفونية أوبث تلفزيوني. كما إنها 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 اقل في المولدات لان الفقد خلال عملية التوصيل قليل. بسبب هذه المميزات فان الألياف الضوئية دخلت في الكثير من الصناعات وخصوصا الاتصالات وشبكات الكمبيوتر. كما تستخدم في التصوير الطبي بأنواعه وفي كمجسات عالية الجودة للتغير في درجة الحرارة والضغط بما له من تطبيقات في التنقيب في باطن الأرض.

كيف تصنع الألياف الضوئية

كما تجاوز وذكرنا تصنع الألياف الضوئية من زجاج على درجة عالية من النقاء حيث وصفت إحدى الشركات ذلك بان نطقت لوكان هناك محيط من الألياف الضوئية يصل للعديد من الأميال ونظرت من على سطحه للقاع يجب حتى تراه بوضوح. وتتم صناعة الألياف الضوئية على النحوالتالي:

1-عمل اسطوانة زجاجية غير مشكلة

2-سحب الألياف الضوئية من هذه الاسطوانة الزجاجية

3-اختبار الألياف الضوئية

الزجاج المستخدم في عمل الاسطوانة الغير معضلة يصنع من خلال عملية تسمى modified chemical vapour deposition حيث يمرر الأكسجين على محلول من كلوريد السليكون وكلوريد الجرمانيوم كيماويات أخرى ثم تمرر الأبخرة المتصاعدة داخل أنبوب من الكوارتز موضوع في مخرطة خاصة عندما تدار يتحرك مجمر حول أنبوب الكوارتز حيث تتسبب الحرارة العالية في حدوث شيئين

(1) يتفاعل السليكون والجرمانيوم مع الأكسجين لتكوين أكسيد السليكون وأكسيد الجرمانيوم

(2) يترسب أكسيد السليكون وأكسيد الجرمانيوم على جدار الأنبوب من الداخل ويندمجان معا لتكوين الزجاج الخام المطلوب حيث يمكن التحكم بدرجة نقاء وصفات الزجاج المتكون من خلال التحكم بالخليط.

الآن يتم سحب الألياف من هذه اسطوانة الخام الغير معضلة بوضعها في أداة السحب حيث ينزل الزجاج الخام في فرن كربوني درجة حرارته 1,900-2,200 درجة سليزية فتبدأ المقدمة في الذوبان حتى ينزل الذائب بتأثير الجاذبية وبمجرد سقوطه يبرد مكونا الجديلة الضوئية. هذه الجديلة تعالج بتغليف متتابع أثناء سحبها بواسطة جرار مع قياس مستمر لنصف القطر باستخدام ميكرومتر ليزري. تسحب الألياف من النطقب الخام بمعدل 20m/s. يتم بعد ذلك اختبار الألياف من ناحية: معامل الانكسار ، الشكل الهندسي وخصوصا نصف القطر ، تحملها للشد، تشتت الإشارات الضوئية خلالها، سعة حمل المعلومات، تحملها لدرجات الحرارة وإمكانية توصيل الضوء تحت الماء

تطبيقات عملية على استخدامات الالياف الضوئية

رغم إذا استخدام الألياف الضوئية لنقل المعلومات عبر المسافات الطويلة استحوذ على معظم الاهتمام إلا أنها تستخدم لنقل المعلومات عبر المسافات القصيرة أيضا حيث تصل بين الكمبيوتر الرئيسي والكمبيوترات الجانبية أوالطابعة. بعيدا عن مجال الاتصالات ظهرت هناك استخدامات أخرى عديدة ومهمة لهذه الألياف فمثلا نتيجة لمرونتها ودقتها دخلت في صناعة الكاميرات الرقمية المتعددة المستخدمة في التصوير الطبي مثل التصوير الشعبي والمناظير. كما دخلت في تصنيع الكاميرات المستخدمة في التصوير الميكانيكي لفحص اللحام والوصلات في الأنابيب والمولدات. ولفحص أنابيب المجاري الطويلة من الداخل. استخدمت الألياف الضوئية أيضا كمجسات لتحديد التغير في درجات الحرارة والضغط strain حيث تفضل على المجسات العادية لصغر حجمها وحساسيتها للتغيرات الصغيرة ودقة أدائها. احد التطبيقات المهمة لها كمجسات لقياس strainقد يكون بإدخالها في صناعة جدار بعض الطائرات مما يمنح الطائرة جدار مميز يحذر الطيار من الضغط الواقع على أجنحة أوجسم الطائرة