ما هي الألياف أحادية الوضع في اتصالات الألياف الضوئية Single mode fiber

تُعد الألياف أحادية الوضع نوعا شائعاً من الألياف الضوئية التي تُستخدم للإرسال عبر مسافات أطول، كما إنّه أحد نوعي الألياف الضوئية والآخر عبارة عن ألياف متعددة الأوضاع، والألياف أحادية الوضع هي خيط ليف زجاجي مفرد يستخدم لنقل وضع أحادي أو شعاع من الضوء.

ما هي الألياف أحادية الوضع

الألياف أحادية الوضع “Single mode fiber”: تسمى أيضاً الألياف أحادية النمط وهي ألياف بصرية مصممة بحيث تدعم فقط وضع انتشار واحد “LP01” لكل اتجاه استقطاب لطول موجة معين، كما لا توجد بعد ذلك أوضاع الترتيب الأعلى مثل “LP11″ و”LP20” وما إلى ذلك وفقط أوضاع الكسوة والتي لا تتمركز حول قلب الألياف.

عادةً ما تحتوي الألياف أحادية النمط على لب صغير نسبياً بقطر بضعة ميكرومتر فقط وفرق صغير في معامل الانكسار بين اللب والكسوة، وعادة ما يكون نصف قطر الوضع بضعة ميكرونات، ومع ذلك هناك أيضاً ألياف منطقة نمط كبيرة مع منطقة وضع كبيرة نسبياً.

أساسيات الألياف أحادية الوضع في الاتصالات

تتميز الألياف أحادية الوضع “Single mode fiber” بوضع إرسال واحد فقط، وبالمقارنة مع الألياف متعددة الأوضاع يمكن أن تحمل نطاقات أعلى ومع ذلك يجب أن يكون لها منتج ضوء بعرض طيفي ضيق، كما تُعد الألياف أحادية الوضع أيضاً باسم الألياف الضوئية أحادية الوضع والدليل الموجي الضوئي أحادي الوضع “Single-mode optical waveguide”.

توفر الألياف أحادية الوضع للمستخدمين معدل نقل أكبر بالإضافة إلى مسافة أطول بحوالي “50 مرة” مقارنة بالألياف متعددة الأوضاع، ومع ذلك فإنّ الألياف أحادية الوضع أكثر سعراً من الألياف متعددة الأوضاع ومن بين جميع الاختلافات بين الألياف أحادية الوضع ومتعددة الوضع، فإنّ أبسطها هو اختلاف الحجم في لب الألياف وكذلك الفقد أو التوهين المصاحب وعرض النطاق الترددي للألياف.

تشتمل الألياف الضوئية نفسها على ثلاثة أجزاء أساسية وهي اللب والغطاء والطلاء أو المخزن المؤقت والجزء الأكثر مركزية من الألياف الضوئية هو اللب، وهذا هو المكان الذي يمر الضوء من خلاله ويُعد جوهر الألياف أحادية الوضع أصغر بكثير من الألياف متعددة الأوضاع، وهناك ثلاثة أحجام قطر أساسية لأقطاب الألياف.

تتميز الألياف أحادية الوضع بقطر أساسي يبلغ “9 ميكرومتر” بينما تتميز الألياف متعددة الأوضاع غالباً بقطر أساسي يبلغ “62.5 ميكرومتر” أو “50 ميكرومتر”، كما يزيل القلب الصغير المقترن بموجة ضوئية واحدة أي تشوه ناتج عن تداخل نبضات الضوء ممّا يوفر الحد الأدنى من توهين الإشارة بالإضافة إلى أعلى سرعة إرسال.

في المقابل توفر الألياف متعددة الأوضاع للمستخدمين نطاقاً ترددياً عالياً بسرعات عالية عبر مسافات معتدلة، كما لا يجب بخلط الألياف ومطابقتها وإذا حاولت توصيل ليف أحادي الوضع بألياف متعددة الأوضاع فقد يؤدي ذلك إلى خسارة مقدارها “20 ديسيبل” وهو ما يمثل “99%” من إجمالي الطاقة.

الخاصية المميزة للألياف أحادية الوضع هي أن المظهر الجانبي للشدة العرضية عند ناتج الألياف له شكل ثابت وهو مستقل عن ظروف الإطلاق والخصائص المكانية للضوء المحقون، وعلى افتراض أنّه لا يمكن لأي أوضاع تكسية تحمل طاقة كبيرة إلى نهاية الألياف وتؤثر ظروف الإطلاق فقط على الكفاءة التي يمكن بها إقران الضوء في الوضع الموجه.

كما لا يمكن أن يحدث التشتت المتعدد الوسائط في الألياف أحادية النمط. هذه ميزة مهمة للتطبيق في اتصالات الألياف الضوئية بمعدلات بيانات عالية “Gbit / s متعددة” ولا سيما للمسافات الطويلة، ولهذا السبب بشكل أساسي وبسبب خسائر الانتشار المنخفضة مؤقتاً تُستخدم الألياف أحادية النمط حصرياً لنقل البيانات لمسافات طويلة ودائماً للتطبيقات الخارجية حتى على مسافات أقصر.

وبالنسبة للاستخدام الداخلي لمسافات قصيرة تعد الألياف متعددة الأوضاع أكثر شيوعاً وذلك لأنّ ذلك يسمح في الغالب باستخدام أجهزة إرسال بيانات متعددة الوسائط أرخص، وتعتمد على الثنائيات الباعثة للضوء بدلاً من صمامات الليزر الثنائية.

كألياف قياسية أحادية الوضع للاستخدام في اتصالات الألياف الضوئية في منطقة الطول الموجي “1.3 ميكرومتر” أو “1.5 ميكرومتر” فإنّ “SMF-28” أو الإصدار المحسن “SMF-28e” شائع، كما يبلغ قطرها الأساسي “8.2 ميكرومتر” وفتحة عددية تبلغ “0.14”، ويبلغ قطر مجال الوضع حوالي “9.2 ميكرومتر” عند “1310 نانومتر” أو “10.4 ميكرومتر” عند “1550 نانومتر” ويكون القطع أحادي الوضع عند حوالي “1260 نانومتر”.

تطور الألياف أحادية الوضع في الاتصالات

شهد البحث والتطوير في مجال تكنولوجيا نقل الألياف الضوئية تقدماً هائلاً في السنوات العشر الأولى 1970م – 1980م، ومن أول ليزر ضوئي منخفض الفقد وأول ليزر حقن أشباه الموصلات في درجة حرارة الغرفة في المختبر إلى التجربة الميدانية لأنظمة نقل الألياف الضوئية، كما يُعد هذا المجال فريداً من نوعه في النشر السريع للتطورات المختبرية في تكنولوجيا المكونات والأنظمة للأنظمة التجارية.

لقد أحدثت أنظمة النقل القائمة على تكنولوجيا اتصالات الألياف الضوئية ثورة في مجال الاتصالات وتقود التغيير نحو شبكة رقمية بالكامل تعد بمجموعة متنوعة من الوظائف، والميزات الجديدة القائمة على مفهوم الشبكات الرقمية للخدمات المتكاملة ذات النطاق العريض “BISDN”.

كما تُعد “ISDN” ذات النطاق العريض بتقديم خدمات تشمل القياس عن بعد منخفض السرعة وبيانات عالية السرعة وصوت عالي الجودة، وتوزيع تلفزيوني عالي الدقة وفيديو ثنائي الاتجاه بالإضافة إلى خدمة الهاتف القديمة البسيطة “POTS” التي تتوفر اليوم.

عندما يكون قلب الألياف صغيراً جداً بحيث لا يمكن إلا لشعاع الضوء بزاوية سقوط “0 درجة” أن يمر بثبات عبر طول الألياف دون خسارة كبيرة، يُطلق على هذا النوع من الألياف اسم ليف أحادي النمط والمكون الأساسي للألياف أحادية النمط هو أن يكون اللب صغيراً بشكل كبير لمنع الإرسال في وضع أحادي.

كما يمكن أن ينتشر وضع التنظيم الأدنى هذا في جميع الألياف ذات النوى الأصغر طالما أنّ الضوء يمكن أن يدخل الألياف فعلياً، والنوع الأكثر معرفةً من الألياف أحادية الوضع يكون قطره الرئيسي من “8 ميكرومتر” إلى “10 ميكرومتر”، وهو مصمم للاستعمال في الأشعة تحت الحمراء المجاورة والأكثر انتشاراً هي “1310 نانومتر” و”1550 نانومتر”.

كما أنّ بنية الوضع تقوم على الطول الموجي للضوء المستعمل بحيث تدعم هذه الألياف فعلياً عدداً صغيراً من الأوضاع الإضافية بأطوال موجية مرئية، كما يتم إنشاء الألياف متعددة الأوضاع بأقطار أساسية صغيرة بحوالي “50 ميكرومتر” وكبيرة بحوالي إلى الميكرونات.

• “BISDN” هي اختصار لـ “Broadband Integrated Services Digital Network”.

• “ISDN” هي اختصار لـ “Integrated Services Digital Network”.

• “POTS” هي اختصار لـ “Plain old telephone service”.

مزايا الألياف أحادية الوضع في الاتصالات

• لا تحتوي الألياف أحادية الوضع على تشتت مشروط وضوضاء نمطية وتأثيرات أخرى تأتي مع النقل متعدد الأوضاع

• يمكن أن تحمل الألياف أحادية الوضع إشارات بسرعات أعلى بكثير من الألياف متعددة الأوضاع.

• إنّها خيار قياسي لمعدلات بيانات عالية أو اتصالات بعيدة المدى أي أطول من بضعة كيلومترات التي تستعمل معدات نقل الألياف الضوئية القائمة على الصمام الثنائي الليزري.

عيوب الألياف أحادية الوضع

• نظراً لأنّ نواة الألياف أحادية الوضع أصغر كثيراً من نواة الألياف متعددة الأوضاع، فإنّ اقتران الضوء بألياف أحادية النمط يتطلب تفاوتات أكثر إحكاماً من اقتران الضوء في النوى الأكبر للألياف متعددة الأوضاع.

• تُعد مكونات ومعدات الألياف أحادية الوضع أيضاً أكثر تكلفة من نظيراتها متعددة الوسائط، لذلك تُستخدم الألياف متعددة الوسائط على نطاق واسع في الأنظمة، والتي يجب أن تكون فيها التوصيلات غير مكلفة وتكون مسافات النقل والسرعات متواضعة.