اقرأ في هذا المقال
- ما هو التوهين في الألياف الضوئية
- أساسيات التوهين في الألياف الضوئية
- ما هو الامتصاص في الألياف الضوئية
- ما هو التشتت في الألياف الضوئية
- ما هي خسارة الانحناء في الألياف الضوئية
يصف فقدان الإشارة وعرض النطاق الترددي للنظام كمية البيانات المنقولة عبر طول معين من الألياف كما تعمل العديد من خصائص الألياف الضوئية على زيادة فقدان الإشارة، وتقليل عرض النطاق الترددي للنظام وأهم الخصائص التي تؤثر على أداء النظام هي توهين الألياف وتشتتها.
ما هو التوهين في الألياف الضوئية
التوهين في الألياف الضوئية: هو فقدان الطاقة الضوئية أثناء انتقال الضوء على طول الألياف وهو ناتج عن خسائر الامتصاص والتشتت والانحناء، كما يتم تعريف توهين الإشارة على أنّه نسبة طاقة الإدخال البصري “Pi” إلى طاقة الناتج البصري “Po”، وقوة الإدخال البصري هي الطاقة التي يتم حقنها في الألياف من مصدر بصري وطاقة الناتج الضوئية هي الطاقة المتلقاة في نهاية الألياف أو الكاشف البصري.
أساسيات التوهين في الألياف الضوئية
يقلل التوهين من كمية الطاقة الضوئية التي تنقلها الألياف، كما يتحكم التوهين في المسافة التي يمكن أن تقطعها الإشارة الضوئية أي النبضة، وبمجرد أن يتم تقليل قوة النبضة الضوئية إلى نقطة يتعذر فيها على المستقبل اكتشاف النبض يحدث خطأ، والتوهين ناتج بشكل أساسي عن امتصاص الضوء وتشتت وفقدان الانحناء.
ينشر التشتت النبضة الضوئية أثناء انتقالها على طول الألياف، وهذا الانتشار لنبضة الإشارة يقلل من عرض النطاق الترددي للنظام أو قدرة الألياف على نقل المعلومات، كما يحد التشتت من سرعة نقل المعلومات ويحدث خطأ عندما يتعذر على جهاز الاستقبال التمييز بين نبضات الإدخال الناتجة عن انتشار كل نبضة، وتزداد تأثيرات التوهين والتشتت مع انتقال النبضة بطول الألياف
توهين الإشارة هو علاقة لوغاريتمية ويتم التعبير عن الطول (L) بالكيلومترات، لذلك فإنّ وحدة التوهين هي “ديسيبل / كيلومتر”، وكما يحدث التوهين بسبب خسائر الامتصاص والتشتت والانحناء وتتأثر كل آلية من آليات الخسارة بخصائص مادة الألياف وبنية الألياف، ومع ذلك فإنّ الفقد موجود أيضاً في وصلات الألياف.
ما هو الامتصاص في الألياف الضوئية
تؤدي العيوب في التركيب الذري إلى الامتصاص من خلال وجود جزيئات مفقودة أو عيوب في الأكسجين كما يحدث الامتصاص أيضاً عن طريق انتشار جزيئات الهيدروجين في الألياف الزجاجية.
يعد الامتصاص سبباً رئيسياً لفقدان الإشارة في الألياف الضوئية، كما يُعرَّف الامتصاص بأنّه جزء التوهين الناتج عن تحويل الطاقة الضوئية إلى شكل طاقة آخر مثل الحرارة، ويتم تفسير الامتصاص في الألياف الضوئية بثلاثة عوامل منها عيوب في التركيب الذري لمادة الألياف.
أولاً: الخصائص الجوهرية أو الأساسية للمواد الليفية
يحدث الامتصاص الجوهري بسبب خصائص مادة الألياف الأساسية، حيث إذا كانت الألياف الضوئية نقية تماماً بدون عيوب أو شوائب فسيكون كل الامتصاص جوهرياً، كما يحدد الامتصاص الداخلي الحد الأدنى من الامتصاص، وفي الألياف الضوئية تستخدم ألياف السيليكا أي الزجاج النقي في الغالب، كما تُستخدم ألياف السيليكا بسبب انخفاض امتصاصها للمواد الجوهرية عند الأطوال الموجية للعملية.
في زجاج السيليكا تتراوح الأطوال الموجية للعملية من “700 نانومتر” إلى “1600 نانومتر”، كما يقع هذا الطول الموجي للعملية بين منطقتي امتصاص جوهريين، والمنطقة الأولى هي المنطقة فوق البنفسجية أقل من “400 نانومتر” الطول الموجي، والمنطقة الثانية هي منطقة الأشعة تحت الحمراء أي فوق “2000 نانومتر” من الطول الموجي.
السبب الرئيسي للامتصاص الجوهري في منطقة الأشعة تحت الحمراء هو تردد الاهتزاز المميز للروابط الذرية، وفي زجاج السيليكا يحدث الامتصاص بسبب اهتزاز روابط السيليكون والأكسجين “Si-O”، حيث يؤدي التفاعل بين الرابطة المهتزة والمجال الكهرومغناطيسي للإشارة الضوئية إلى امتصاص جوهري تنتقل الطاقة الضوئية من المجال الكهرومغناطيسي إلى الرابطة.
ويحدث الامتصاص الجوهري في منطقة الأشعة فوق البنفسجية بسبب نطاقات الامتصاص الإلكترونية كما يحدث الامتصاص بشكل أساسي عندما يتفاعل جسيم خفيف أي الفوتون مع الإلكترون، ويثيره إلى مستوى طاقة أعلى.
ثانياً: الخواص الخارجية للمواد الليفية أي وجود الشوائب
الامتصاص الخارجي يحدث بسبب الشوائب التي تدخل في مادة الألياف، كما يتم إدخال شوائب المعادن النزرة مثل الحديد والنيكل والكروم في الألياف أثناء التصنيع، كما يحدث الامتصاص الخارجي بسبب الانتقال الإلكتروني لهذه الأيونات المعدنية من مستوى طاقة إلى آخر.
يحدث الامتصاص الخارجي أيضاً عند إدخال أيونات الهيدروكسيل “OH-” في الألياف، ويشكل الماء في زجاج السيليكا رابطة سيليكون-هيدروكسيل “Si-OH”، وهذه الرابطة لها امتصاص أساسي عند “2700 نانومتر” ومع ذلك فإنّ التوافقيات أو الدلالات للامتصاص الأساسي تحدث في منطقة التشغيل.
كما تعمل هذه التوافقيات على زيادة الامتصاص الخارجي عند “1383 نانومتر” و”1250 نانومتر” و”950 نانومتر”، كما تحدد قمم الامتصاص ثلاث مناطق أو نوافذ للعملية المفضلة وتتركز النافذة الأولى عند “850 نانومتر”، والنافذة الثانية تتمحور حول “1300 نانومتر” والنافذة الثالثة تتمحور حول “1550 نانومتر” وتعمل أنظمة الألياف الضوئية بأطوال موجية تحددها إحدى هذه النوافذ.
يجب أن تكون كمية شوائب الماء “OH-” الموجودة في الألياف أقل من بضعة أجزاء لكل مليار، حيث يتأثر توهين الألياف الناتج عن الامتصاص الخارجي بمستوى الشوائب “OH-” الموجودة في الألياف، حيث إذا تم تقليل كمية الشوائب في الألياف يتم تقليل توهين الألياف.
ما هو التشتت في الألياف الضوئية
في الأساس تنتج خسائر التشتت عن تفاعل الضوء مع تقلبات الكثافة داخل الألياف، كما تحدث تغيرات الكثافة عند تصنيع الألياف الضوئية، حيث أثناء التصنيع يتم إنشاء مناطق ذات كثافة جزيئية أعلى وأقل أي نسبة إلى متوسط كثافة الألياف، كما يتفاعل الضوء الذي يمر عبر الألياف مع مناطق الكثافة ثم ينتشر الضوء جزئياً في كل الاتجاهات.
في الألياف التجارية التي تعمل بين “700 نانوميتر” و1600 نانوميتر” من الطول الموجي ويسمى المصدر الرئيسي للخسارة تشتت “Rayleigh”، وتشتت رايلي هو آلية الخسارة الرئيسية بين مناطق الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء، كما يحدث تشتت رايلي عندما يكون حجم تذبذب الكثافة أي عيب الألياف أقل من عُشر الطول الموجي التشغيلي للضوء، والخسارة الناجمة عن تشتت رايلي تتناسب مع القوة الرابعة لطول الموجة “1 / λ 4″، ومع زيادة الطول الموجي تتناقص الخسارة الناتجة عن تشتت رايلي.
إذا كان حجم الخلل أكبر من عُشر الطول الموجي للضوء فإنّ آلية التشتت تسمى تشتت مي، وتشتت مي الناجم عن هذه العيوب الكبيرة في نواة الألياف وتشتت الضوء من قلب الألياف، ومع ذلك في الألياف التجارية فإنّ تأثيرات تشتت مي ضئيلة ويتم تصنيع الألياف الضوئية مع عدد قليل جداً من العيوب الكبيرة.
ما هي خسارة الانحناء في الألياف الضوئية
يؤدي ثني الألياف أيضاً إلى التوهين، كما يتم تصنيف خسارة الانحناء وفقاً لنصف قطر الانحناء للانحناء أي فقد “micro bend” أو خسارة “macro bend”، والانحناءات الدقيقة هي انحناءات مجهرية صغيرة لمحور الألياف تحدث بشكل أساسي عندما يتم ربط الألياف بكابل، أمّا الانحناءات الكبيرة هي انحناءات لها نصف قطر كبير من الانحناء بالنسبة لقطر الألياف.
تعتبر خسائر “Micro bend” و”macro bend” آليات خسارة مهمة للغاية ويمكن أن يحدث فقدان الألياف الناجم عن “micro bending” حتى لو تم توصيل الألياف بشكل صحيح، وأثناء التثبيت إذا تم ثني الألياف بشكل حاد للغاية فستحدث خسائر كبيرة، وتحدث خسائر “Micro bend” بسبب الانقطاعات الصغيرة أو العيوب في الألياف وتؤدي تطبيقات الطلاء غير المستوية وإجراءات الكابلات غير المناسبة إلى زيادة فقدان النطاقات الصغيرة.
القوى الخارجية هي أيضا مصدر “Micro bend”، وتعمل قوة خارجية على تشويه الغلاف الكابلي المحيط بالألياف ولكنها تسبب فقط انحناءاً صغيراً في الألياف، كما تقوم الميكروبات بتغيير المسار الذي تسلكه أوضاع الانتشار ويزيد فقدان “Micro bend” من التوهين؛ لأنّ أوضاع الترتيب المنخفض تصبح مقترنة بأنماط عالية الترتيب التي يتم فقدانها بشكل طبيعي.
