ألياف ضوئية

الألياف الضوئية optical fiber وأحياناً يُنطق لها اختصاراً fiber هي ألياف مصنوعة من الزجاج أوالپلاستيك، مصممة لتوجيه الضوء ليسير بطولها. ضوئيات الألياف هوتراكب الفهم التطبيقي والهندسة فيما يختص بتصميم وتطبيقات الألياف الضوئية. وتستخدم الألياف الضوئية على نطاق واسع في اتصالات الألياف الضوئية، التي تتيح نقل الإشارات لمسافات أبعد وبمعدلات نقل بيانات أعلى بكثير من وسائل الاتصالات الأخرى. وتـُستخدم الألياف بدلاً من الأسلاك المعدنية لأن الإشارات تسافر فيهم (على طولهم) بفقدان أقل، وبعصمة من التداخل الكهرومغناطيسي. الألياف تـُستخدم كذلك في تشكيل مجسات، وفي الكثير من التطبيقات الأخرى.

والليفة الضوئية تكون طويلة ورفيعة ولا يتعدى سمكها سمك الشعرة. يجمع الكثير من هذه الألياف في حزم داخل الكابلات الضوئية، وتستخدم في نقل الإشارات الضوئية لمسافات بعيدة جداً.

تاريخ

قاعدة توجيه الضوء خلف الألياف الضوئية استعرضها لأول مرة جان دانيال كولادون وجاك بابينيه في عقد 1840, مع المخترع الأيرلندي جون تيندال معطين عروضاً للعامة باستخدام نوافير مياه بعد عشرة سنين من ذلك. التطبيقات العملية, مثل الإضاءة الداخلية عن قرب أثناء طب الأسنان, ظهرت في مطلع القرن العشرين. نقل الصور خلال أنابيب تم عرضه في تجربتين مستقلتين عن بعضهما البعض من قبل مجرِّب الراديوكلارنس هانسل ورائد التلفزيون جون لوجي بيرد في عقد 1920. المبدأ تم استخدامه لأول مرة للفحص الطبي الباطني من قبل هاينريش لام في العقد اللاحق. وفي 1952, قام الفيزيائي ناريندر سنغ كـَپاني بإجراء تجارب أدت إلى اختراع الألياف الضوئية, معتمداً على دراسات تيندال السابقة; الألياف الضوئية الحديثة, حيث تـُغطى الألياف الزجاجية بغطاء شفاف transparent cladding لتعطي معامل انكسار refractive index أكثر مناسبةً, ظهرت لاحقاً في هذا العقد. أعمال التطوير ركزت على حـِزم الأليافلنقل الصور. The first fiber optic semi-flexible gastroscope was patented by Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters, and Lawrence E. Curtiss, researchers at the University of Michigan, in 1956. In the process of developing the gastroscope, Curtiss produced the first glass-clad fibers; previous optical fibers had relied on air or impractical oils and waxes as the low-index cladding material. A variety of other image transmission applications soon followed. The advent of ultrapure silicon for semiconductor devices made low-loss silica fiber practical.

The erbium-doped fiber amplifier, which reduced the cost of long-distance fiber systems by reducing or even in many cases eliminating the need for optical-electrical-optical repeaters, was co-developed by teams led by David Payne of the University of Southampton, and Emmanuel Desurvire at Bell Laboratories in 1986. The more robust optical fiber commonly used today utilizes glass for both core and sheath and is therefore less prone to aging processes. It was invented by Gerhard Bernsee in 1973 by Schott Glass in Germany.[1]

مكونات الليف البصري

القلب (Core): وهوتعبير عن زجاج رفيع ينتقل فيه الضوء.

العاكس (Cladding): مادة تحيط باللب الزجاجي وتعمل على عكس الضوء مرة أخرى إلى 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.

أساس التشغيل

ألياف عديدة المنوال Multi-mode fibers

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

Optical fiber types.

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 أكبر حيث يصل إلى 62.5 ميكرون وتنتقل من خلاله الأشعة تحت الحمراء.

ألياف أحادية المنوال Single-mode fiber

A typical single-mode optical fiber, showing diameters of the component layers.

تنتقل من خلالها إشارة ضوئية واحدة فقط في جميع ليفة ضوئية من ألياف الحزمة وهي تستخدم في شبكات الهاتف وكابلات التلفزيون. هذا النوع من الألياف يتميز بصغر نصف قطر القلب الزجاجي حيث يصل إلى حواليتسعة ميكرون micron وتمر من خلاله أشعة الليزر تحت الحمراء ذات الطول الموجي 1.3-1.55 نانومتر nm .

ألياف الأغراض الخاصة

التصنيع

نظام الألياف الضوئية

(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 ب digital modulation

fiber-optic وهوالذي يقوم بتوصيل الإشارة الضوئية عبر المسافات وهوالجزء الذي تم شرحه بالتفصيل.

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 لان الألياف الضوئية أحمل 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 يتجاوزستة ميگاهرتس Mhz .

أقل حجما حيث حتى نصف قطرها أقل من نصف قطر الأسلاك النحاسية التقليدية فمثلا يمكن استبدال سلك نحاسي قطره 7.62 سم بآخر من الألياف الضوئية قطره لا يتجاوز 0.635 سم 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.

مرئيات

المصادر

^ Bates, Regis J (2001). Optical Switching and Networking Handbook. New York: McGraw-Hill. pp. p10. ISBN 007137356X.CS1 maint: extra text (link)
^ http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber
^ http://electronics.howstuffworks.com/fiber-optic.htm
^ http://www.xainoo.com/?p=36