يتم الكشف عن نظام الألياف الضوئية الذي يتضمن مصدراً للإشعاع الكهرومغناطيسي مثل الليزر في الاتصال البصري مع الألياف الضوئية الزجاجية هاليد متعددة المكونات، حيث يتميز هذا النظام عن الأنظمة السابقة من حيث أنّه في سياق النظام الابتكاري تُظهر الألياف الزجاجية هاليد متعددة المكونات خسارة جوهرية أقل، ممّا كانت عليه عند استخدامها في مثل هذه الأنظمة السابقة، ويتم تحقيق ذلك عن طريق اختيار المصدر.
أساسيات ألياف الهالايد halide fiber
وفيما يتعلق بتكوين الألياف يكون الطول الموجي لجزء على الأقل من الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من المصدر مساوياً إلى حد كبير للحد الأدنى لطول موجة الخسارة الجوهرية للألياف، وعلى النحو المحدد باستخدام عنصر جديد يكون الإجراء أكثر دقة.
الأنظمة البصرية التي تستخدم الألياف الضوئية كوسائط نقل تستخدم الآن على نطاق واسع أو تم اقتراحها لمجموعة متنوعة من الاستخدامات، بما في ذلك الاتصالات والاستشعار ونقل الطاقة الضوئية كما تشتمل هذه الأنظمة عادةً على مصدر للإشعاع الكهرومغناطيسي، وعلى سبيل المثال الليزر بالإضافة إلى الألياف الضوئية التي تعمل على نقل جزء على الأقل من الإشعاع المنبعث من المصدر إلى الجسم الذي يتم التأثير عليه بالإشعاع وعلى سبيل المثال كاشف بصري.
أحد العوامل المهمة في تصميم أنظمة الألياف الضوئية هو فقد الطاقة الضوئية الناتج عن الألياف الضوئية كما يتم قياس هذه الخسارة عادةً من خلال ربط الطاقة الضوئية للإدخال “Pi” بإخراج الطاقة “Po”، وفي حالة على سبيل المثال أنظمة اتصالات الألياف الضوئية يؤدي فقد الطاقة الضوئية الناتج عن الألياف إلى إضعاف الإشارات الضوئية المرسلة بواسطة الألياف، ونتيجةً لذلك يتم وضع أجهزة تسمى أجهزة إعادة الإرسال على فترات منتظمة بطول الألياف لتجديد الإشارات الضوئية المخففة.
وبشكل ملحوظ فإنّ معامل الخسارة “α” للألياف يحدد إلى حد كبير الحد الأقصى للتباعد بين المكررات وفي الوقت الحاضر تُعد الألياف المستخدمة في مثل هذه الأنظمة، هي عبارة عن ألياف زجاجية من السيليكا عالية النقاء “SiO₂”، والتي تظهر خسارة دنيا تبلغ حوالي “0.2 ديسيبل / كم” عند طول موجة يبلغ حوالي “1.55 ميكرومتر”، كما تحدد قيمة الحد الأدنى من الخسارة الحد الأقصى للمسافة بين أجهزة إعادة الإرسال بما لا يزيد عن “100 كم”.
ومن أجل تحقيق خسائر بصرية أقل وبالتالي على سبيل المثال مسافات مكرر أكبر وتم وضع أنظمة بصرية تستخدم ألياف زجاجية هاليد متعددة المكونات، وزجاج هاليد متعدد المكونات عبارة عن زجاج مشتق على سبيل المثال من مصهور يحتوي على مكونات تشتمل على اثنين أو أكثر من هاليدات.
كما تستند هذه على الاعتقاد بأنّ زجاج الهاليد متعدد المكونات يظهر حداً أدنى في خسائره الجوهرية أي خسائر بسبب عوامل أخرى غير الشوائب والاختلافات والعيوب التركيبية، وبأطوال موجية تتراوح بين حوالي “2 ميكرومتر” وحوالي “10 ميكرومتر”، وهي أقل بكثير من الحد الأدنى للفقد الذي يظهره زجاج السيليكا.
تطور عمل ألياف الهالايد halide fiber
أدت تقنيات التصنيع الحالية إلى وجود مستويات شوائب لزجاج هاليد متعدد المكونات ممّا ينتج عنه خسائر بصرية كبيرة نسبياً في مناطق مختلفة من الطول الموجي، بما في ذلك مناطق الطول الموجي للطيف الكهرومغناطيسي، حيث من المتوقع أن تحقق ألياف هاليد متعددة المكونات الحد الأدنى من الخسائر الجوهرية.
ونتيجة لذلك فإنّ الحد الأدنى من أطوال موجات الخسارة الجوهرية أي الفراغ “λ” هو دقيقة، ومعاملات الخسارة المقابلة “αmin” لهذه الألياف محجوبة، أي ليست في الوقت الحالي قابلة للقياس بشكل مباشر.
في ظل توقع أنّ تقنيات التصنيع والتنقية الجديدة ستزيل قريباً الشوائب والعيوب غير المرغوب فيها، يقوم مصممو الأنظمة البصرية الآن بتصميم أنظمة ألياف ضوئية، بحيث تستخدم ألياف زجاجية هاليد متعددة المكونات، كما تستند هذه التصميمات إلى قيم “λmin” و”αmin” المشتقة باستخدام إجراءات الاستقراء التي تم تطويرها في الأصل من أجل الزجاج أحادي المكون وقابليته للتطبيق.
حيث في المنحنى نصف لوغاريتمي الذي يتضمن “α” مقابل 1 / لجسم زجاجي نقي بشكل مثالي وخالي من العيوب ومكون واحد، فإنّ إجمالي الفقد البصري أي الجوهري لمثل هذا الجسم هو مجموع ثلاث مساهمات، كما يتضمن أولها امتصاص الفوتونات الساقطة بواسطة إلكترونات نطاق التكافؤ والتي تعزز الإلكترونات في نطاق التوصيل أي طاقات الفوتونات الممتصة تساوي إلى حد كبير أو أكبر من فجوة الطاقة بين نطاقي التكافؤ والتوصيل.
وعادةً ما يكون هذا الامتصاص رنينياً أي الحد الأقصى في المنطقة فوق البنفسجية من الطيف، وينتقل إلى المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة بطريقة أسية تُعرف باسم حافة “Urbach”، وكذلك المساهمة الثانية في الخسارة الجوهرية ترجع إلى الامتصاص الذي يثير الفونونات القطبية البصرية أي الاهتزازات الأيونية التي تنطوي على تكوين ثنائيات أقطاب كهربائية.
وهذا النوع الثاني من الامتصاص عادة ما يكون رنينياً في منطقة الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء البعيدة، وينتقل إلى المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء والمرئية بطريقة أسية بشكل أساسي يُشار إليها باسم حافة متعددة الأضلاع، والمساهمة الثالثة في الخسارة الجوهرية ناتجة عن تشتت الضوء من خلال تغيرات معامل الانكسار الكامنة في المادة، بما في ذلك:
- انتشار اختلافات معامل الانكسار الناتجة عن الفونونات الصوتية أي الإثارات الاهتزازية الأيونية التي تظهر الموجات الصوتية.
- نشر اختلافات معامل الانكسار الناتجة عن الفونونات البصرية.
- تغيرات معامل الانكسار الساكن بسبب تقلبات الكثافة التي كانت في حالة توازن حراري منتشر في المصهور ولكنّها تجمدت في الزجاج عند التزجيج.
وعلى الرغم من أن آليات التشتت تنتج إشعاعاً مبعثراً يتم إزاحته في الطول الموجي من الطول الموجي الساقط أي الفراغ، فإنّ التحولات صغيرة ونتيجةً لذلك يكون معامل الخسارة المرتبط بمجموع آليات الانتثار الجوهرية الثلاثة.
عند تقدير قيم “λmin” و”αmin” لألياف هاليد متعددة المكونات باستخدام منحنيات شبه لوغارية للقيم المقاسة لـ “α” مقابل، حيث يتم حجب “λmin” و”αmin” بسبب الخسائر الخارجية فاستخدم مصممو النظام البصري تقنيات موازية تمامًا لتلك المطبقة على زجاج مكون واحد، أي أنّ هؤلاء المصممين افترضوا أنّ منحنى أسي واحداً وبالتالي قيمة واحدة للأس، وكافية لتحديد حافة متعددة الأضلاع لأي زجاج هاليد متعدد المكونات في كل من المناطق غير المحجوبة والمظلمة للقياس “α” مقابل “λ⁻¹” منحنى.
وبناءً على هذا الافتراض قام هؤلاء المصممون بتركيب أسي واحد للبيانات غير المحجوبة ووسعوا هذا الأسي إلى المنطقة المحجوبة، وبالإضافة إلى ذلك باستخدام تقنيات تشتت الضوء لتحديد قيمة المعلمة وسع مصممو النظام بالمثل جزء منحنى الخسارة، والذي يُعزى بوضوح إلى تشتت “Rayleigh” في المنطقة المحجوبة، كما تم استخدام نقطة تقاطع هذين المنحنيين لتحديد “λmin” و”αmin” وهو ما يعادل إلى حد كبير إجراء التمايز.
وبالتالي فإنّ أولئك المنخرطين في تصميم وتطوير أنظمة الألياف الضوئية التي تستخدم ألياف زجاجية هاليد متعددة المكونات قد سعوا وما زالوا يبحثون عن تقنيات محسنة لتحديد “λmin” و”αmin”.
