اقرأ في هذا المقال
- مبدأ عمل الألياف الزجاجية
- تطبيقات الألياف الزجاجية
- مكونات الألياف الضوئية الزجاجية
- ما هي خصائص الألياف الضوئية الزجاجية
عندما يتم إجراء مكالمة هاتفية سريعة أو نتحقق من موقع ويب أو ننزّل مقطع فيديو في عالم اليوم المتصل بشكل كبير فإنّ كل ذلك أصبح ممكناً بفضل أشعة الضوء، والتي ترتد باستمرار عبر خيوط رقيقة من الألياف الضوئية، كما ظهر الابتكار كواحد من أعظم قصص نجاح كورنينج عندما طور العلماء في عام 1970م طريقة لنقل الضوء عبر الألياف دون فقد الكثير منه على طول الطريق.
مبدأ عمل الألياف الزجاجية
عندما يكون لدى جهاز مثل جهاز الكمبيوتر الخاص بك معلومات لإرسالها فإنّ هذه البيانات تبدأ كطاقة كهربائية، كما يقوم الليزر الموجود في الكمبيوتر بتحويل الإشارات إلى فوتونات أي جزيئات صغيرة من الطاقة الكهرومغناطيسية، والمعروفة باسم الضوء ويرسلها في تتابع سريع إلى أسفل الألياف الرقيقة كالشعر.
تنتقل الفوتونات في موجات عبر اللب الداخلي للألياف، ونظراً لأنّ هذه المنطقة الأساسية تحتوي على مؤشر انكسار أعلى أي ينتقل الضوء بشكل أبطأ من الغلاف الخارجي للألياف، فإنّ إشارة الضوء تتركز داخل اللب وتمنع من الإشعاع خارج الألياف، وبالإضافدة إلى ذلك فإنّ نوى الألياف مصنوعة من مواد عالية النقاوة أي عادةً السيليكا والجرمانيا لضمان عدم امتصاص الطاقة الضوئية أو تناثرها بواسطة الشوائب.
الإشعاع والامتصاص والتشتت كلها أشكال من فقدان الطاقة والمعروفة أيضاً باسم التوهين، ومن خلال الحفاظ على هذه الخسائر منخفضة قدر الإمكان، تسمح الألياف للضوء والمعلومات التي تحملها بالسفر لمسافات كبيرة من المصدر الأصلي، ولكن إذا كان اللب هو المكون الوحيد للألياف فإنّ الطاقة الضوئية ستتسرب في النهاية ممّا يؤدي إلى إضعاف الإشارة في عملية تُعرف باسم التوهين.
لذلك تشتمل الألياف الضوئية أيضاً على طبقة خارجية أو كسوة مصنوعة من تركيبة زجاجية مختلفة، كما تحتوي مادة الكسوة على معامل انكسار منخفض، ومصمم لعكس الضوء مرة أخرى إلى القلب دون السماح له بالهروب، وعندما تصل الفوتونات إلى وجهتها يقوم جهاز استقبال بصري مزود بخلايا ضوئية بفك تشفير إشارات الضوء الرقمية وتحويلها مرة أخرى إلى كهرباء، وعرض البيانات على جهاز الكمبيوتر أو التلفاز أو أي جهاز آخر للمستخدم الآخر.
من ناحية أخرى تحتوي الألياف متعددة الأوضاع على نواة أكبر يصل قطرها إلى “62.5 ميكرون”، حيث إنّه مصمم للإشارات الضوئية، والتي يجب أن تنتقل عبر العديد من المسارات المختلفة في وقت واحد وعادةً عبر مسافات تقل عن ميل واحد، كما تفضل مراكز البيانات وبعض الشبكات المتصلة بالمنزل على سبيل المثال الألياف متعددة الأوضاع، حيث يمكنها التعامل مع كميات كبيرة جداً من البيانات بطريقة فعالة من حيث التكلفة والمساحة.
تطبيقات الألياف الزجاجية
في حين أن العديد من ميزات الألياف قد تحسنت بشكل كبير في الخمسين عاماً منذ ذلك الحين فإنّ المبادئ الأساسية لنقل البيانات لا تزال كما هي، وبعض مجالات التطبيق الرئيسية للألياف الضوئية الزجاجية هي:
1- الاتصالات
يعد نقل الصوت والبيانات والفيديو هي الاستخدامات الأكثر شيوعاً للألياف البصرية، وتشمل هذه:
- أنظمة التحكم الصناعية.
- أنظمة الكترونية.
- أنظمة القيادة والسيطرة والاتصالات العسكرية.
ملاحظة:“LAN” هي اختصار لـ “local area network”.
2- الاستشعار
- يمكن استخدام الألياف الضوئية لتوصيل الضوء من مصدر بعيد إلى جهاز الكشف للحصول على الضغط أو درجة الحرارة أو المعلومات الطيفية.
- يمكن أيضاً استخدام الألياف مباشرة كمحول طاقة لقياس عدد من التأثيرات البيئية، مثل الإجهاد والضغط والمقاومة الكهربائية ودرجة الحموضة.
- تؤثر التغييرات البيئية على شدة الضوء أو طوره أو استقطابه بطرق يمكن اكتشافها في الطرف الآخر من الألياف.
3- توفير الطاقة
يمكن أن توفر الألياف الضوئية مستويات عالية من الطاقة بشكل ملحوظ لمهام مثل القطع واللحام والنقش والحفر بالليزر.
4- الإضاءة
يمكن لمجموعة من الألياف المجمعة مع مصدر ضوء في أحد طرفيها أن تضيء المناطق التي يصعب الوصول إليها، وعلى سبيل المثال داخل جسم الإنسان بالاقتران مع منظار داخلي، وأيضاً يمكن استخدامها كعلامة عرض أو ببساطة كإضاءة زخرفية.
مكونات الألياف الضوئية الزجاجية
عادة ما يكون اللب مصنوعاً من الزجاج أو البلاستيك على الرغم من استخدام مواد أخرى في بعض الأحيان اعتماداً على طيف الإرسال المطلوب.
1- اللب
هو الجزء الذي ينقل الضوء من الألياف وعادة ما تكون الكسوة مصنوعة من نفس مادة اللب، ولكن بمؤشر انكسار أقل قليلاً وعادة حوالي “1%” أقل، كما يؤدي اختلاف المؤشر هذا إلى حدوث انعكاس داخلي إجمالي عند حدود الفهرس بطول الألياف، بحيث ينتقل الضوء إلى أسفل الألياف ولا يفلت من خلال الجدران الجانبية.
2- الطلاء
يتكون الطلاء عادة من طبقة أو أكثر من مادة بلاستيكية لحماية الألياف من البيئة المادية، وفي بعض الأحيان يتم إضافة أغلفة معدنية للطلاء لمزيد من الحماية المادية.
أحياناً ما يتم تخصيص الألياف الضوئية بالنسبة لحجمها ويُعطى مثل القطر الخارجي لللب “The diameter of the core” والكسوة والطلاء، وعلى سبيل المثال يشير “62.5 / 125/250” إلى ألياف ذات قلب بقطر “62.5 ميكرومتر” وكسوة بقطر “125 ميكرومتر” وطلاء خارجي بقطر “0.25 مم”.
ما هي خصائص الألياف الضوئية الزجاجية
تتميز المواد الضوئية بمؤشر انكسارها والمشار إليه بـ “n”، ومؤشر انكسار المادة هو نسبة سرعة الضوء في الفراغ إلى سرعة الضوء في المادة، وعندما يمر شعاع من الضوء من مادة إلى أخرى بمؤشر انكسار مختلف تنثني الحزمة أو تنكسر عند الواجهة.
1- أساليب عمل الألياف الضوئية الزجاجية
عندما يتم توجيه الضوء إلى أسفل الألياف، حيث يتم توجيه الموجات الدقيقة إلى أسفل الدليل الموجي وتحدث تحولات الطور عند كل حدود عاكسة، وهناك عدد محدود من المسارات المنفصلة أسفل الألياف الضوئية أي المعروفة باسم الأنماط التي تنتج تحولات طورية بناءة في الطور وبالتالي مضافة تعزز النقل.
نظراً لأنّ كل وضع يحدث بزاوية مختلفة لمحور الألياف، حيث تنتقل الحزمة على طول الطول فإنّ كل وضع ينتقل بطول مختلف عبر الألياف من الإدخال إلى الإخراج، ووضع واحد فقط ووضع الترتيب الصفري يسافر بطول الألياف دون انعكاسات من الجدران الجانبية، ويُعرف هذا باسم الألياف أحادية الوضع ويتم تحديد العدد الفعلي للأنماط التي يمكن نشرها في ألياف بصرية معينة من خلال الطول الموجي للضوء وقطر ومؤشر انكسار قلب الألياف.
2- هناك عدة أسباب للتوهين في الألياف الضوئية الزجاجية
1- تشتت رايلي
يمكن أن تتسبب التغيرات على نطاق مجهري في مؤشر انكسار المادة الأساسية في تشتت كبير في الحزمة ممّا يؤدي إلى خسائر كبيرة في القدرة الضوئية، كما يعتمد تشتت رايلي على الطول الموجي ويكون أقل أهمية عند الأطوال الموجية الأطول، وهذه هي أهم آلية خسارة في الألياف الضوئية الحديثة وهي تمثل بشكل عام ما يصل إلى “90%” من أي خسارة يتم التعرض لها.
2- الامتصاص
أدت طرق التصنيع الحالية إلى تقليل الامتصاص الناجم عن الشوائب وعلى الأخص الماء في الألياف إلى مستويات منخفضة جداً، وضمن النطاق الترددي لنقل الألياف تكون خسائر الامتصاص ضئيلة.
3- الانكسار
يمكن أن تنتج طرق التصنيع انحناءات دقيقة في هندسة الألياف، وفي بعض الأحيان تكون هذه الانحناءات كبيرة بما يكفي لإحداث وصول الضوء داخل القلب، وإلى الواجهة الأساسية أو الكسوة بأقل من الزاوية الحرجة بحيث يتم فقد الضوء في مادة الكسوة، كما يمكن أن يحدث هذا عندما تنحني الألياف في نصف قطر ضيق أي أقل من بضعة سنتيمترات على سبيل المثال، وعادة ما يتم التعبير عن حساسية الانحناء بدلالة خسارة “dB / km” لنصف قطر منحنى وطول موجة معينين.
