الألياف الضوئية - Optical Fiber

لقد تعودنا على فكرة نقل المعلومات بطرق مختلفة وعندما نتحدث إلى هاتف أرضي فإنّه ينقل كابل سلكي الأصوات من صوتنا إلى مقبس في الحائط حيث ينقله كابل آخر إلى مقسم الهاتف المحلي، وتعمل الهواتف المحمولة بطريقة مختلفة فهي ترسل وتستقبل المعلومات باستخدام موجات الراديو غير المرئية، وهي تقنية تسمّى اللاسلكية لأنّها لا تستخدم أي كبلات.

ما هي الألياف الضوئية – Optical Fiber؟

الألياف الضوئية (Optical Fiber): هي تقنية مرتبطة بنقل البيانات باستخدام نبضات ضوئية تنتقل مع ألياف طويلة تصنع عادةً من البلاستيك أو الزجاج، تُفضل الأسلاك المعدنية للإرسال في اتصالات الألياف الضوئية حيث تنتقل الإشارات بأضرار أقل، ولا تتأثر الألياف الضوئية بالتداخل الكهرومغناطيسي حيث يستخدم كابل الألياف الضوئية تطبيق الانعكاس الداخلي الكلي للضوء.

تم تصميم الألياف بحيث تسهل انتشار الضوء اعتماداً على متطلبات الطاقة ومسافة الإرسال، وتُستخدم الألياف أحادية الوضع للإرسال لمسافات طويلة بينما تُستخدم الألياف متعددة الأوضاع لمسافات أقصر، أمّا بالنسبة إلى الكسوة الخارجية لهذه الألياف تحتاج إلى حماية أفضل من الأسلاك المعدنية.

تعمل الألياف الضوئية بطريقة ثالثة حيث تُرسل معلومات مشفرة في شعاع من الضوء أسفل أنبوب زجاجي أو بلاستيكي، وتم تطويره في الأصل للمناظير الداخلية في الخمسينيات من القرن الماضي لمساعدة الأطباء على رؤية ما بداخل جسم الإنسان دون الحاجة إلى فتحه أولاً، أمّا في الستينيات وجد المهندسون طريقة لاستخدام نفس التقنية لنقل المكالمات الهاتفية بسرعة الضوء (عادةً ما تكون 186000 ميل أو 300000 كم في الثانية في الفراغ ولكنّها تبطئ إلى حوالي ثلثي هذه السرعة في كابل الألياف الضوئية).

أجزاء كابل الألياف الضوئية:

• النواة (Core): هي مركز زجاجي رقيق من الألياف حيث ينتقل الضوء.
  
• الكسوة (Cladding): هي مادة بصرية خارجية تحيط باللب وتعكس الضوء مرة أخرى في القلب.
  
• طلاء عازلة (Buffer coating): هي طلاء بلاستيكي يحمي الألياف من التلف والرطوبة.

يتم ترتيب مئات أو آلاف من هذه الألياف الضوئية في حزم في الكابلات البصرية والحزم محمية بواسطة الغطاء الخارجي للكابل والذي يسمّى الغلاف.

أنواع الألياف الضوئية – Optical Fiber:

تعتمد أنواع الألياف الضوئية على معامل الانكسار والمواد المستخدمة وطريقة انتشار الضوء.

تصنيف الألياف الضوئية المعتمد على معامل الانكسار:

• ألياف مؤشر الخطوة (Step Index Fibers): تتكون من نواة محاطة بالكسوة والتي لها دليل موحد للانكسار.
  
• ألياف مؤشر متدرج (Graded Index Fibers): يتناقص مؤشر الانكسار للألياف الضوئية مع زيادة المسافة الشعاعية من محور الألياف.
  

تصنيف الألياف الضوئية القائم على المواد المستخدمة:

• الألياف الضوئية البلاستيكية (Plastic Optical Fibers): تُستخدم مادة البولي ميثيل ميثاكريلات كمواد أساسية لنقل الضوء.
  
• ألياف زجاجية (Glass Fibers): تتكون من ألياف زجاجية دقيقة للغاية.

تصنيف الألياف الضوئية القائم على طريقة انتشار الضوء:

• ألياف أحادية الوضع (Single-Mode Fibers): تُستخدم هذه الألياف لنقل الإشارات لمسافات طويلة.
  
• الألياف متعددة الأوضاع (Multimode Fibers): تستخدم هذه الألياف لنقل الإشارات لمسافات قصيرة.
  

أنواع الألياف الضوئية بالاعتماد على طريقة الانتشار ومعامل الانكسار:

• خطوة ألياف وضع مؤشر واحد (Step index-single mode fibers).
  
• ألياف وضع الفهرس الفردي المتدرج (Graded index-Single mode fibers).
  
• مؤشر الخطوة – الألياف متعددة الأوضاع (Step index-Multimode fibers).
  
• ألياف متدرجة مؤشر متعدد الأنماط (Graded index-Multimode fibers).
  

آلية عمل الألياف الضوئية:

تعمل الألياف الضوئية على مبدأ الانعكاس الداخلي الكلي ويمكن استخدام أشعة الضوء لنقل كمية هائلة من البيانات، ولكن هناك مشكلة أنّها تنتقل أشعة الضوء في خطوط مستقيمة؛ لذلك إذا لم يكن لدينا سلك طويل مستقيم بدون أي انحناءات على الإطلاق فإنّ الاستفادة من هذه الميزة سيكون مملاً للغاية، وبدلاً من ذلك تم تصميم الكابلات الضوئية بحيث تثني جميع أشعة الضوء إلى الداخل (باستخدام TIR)، تنتقل أشعة الضوء بشكل مستمر وترتد عن جدران الألياف الضوئية وتنقل البيانات من طرف إلى طرف.

كيف تصنع الألياف الضوئية؟

الألياف الضوئية مصنوعة من زجاج نقي جداً ويتكون قلب الزجاج أو المركز من السيليكا ويتم تنقيته لتقليل فقد الإشارة ثم يتم تغطيتها لحماية الألياف واحتواء الإشارات الضوئية، وتتكون الإشارات الضوئية التي يحملها الكبل الضوئي من إشارات كهربائية تم تحويلها أو تحويلها إلى طاقة ضوئية، ويتم اتباع العمليات التالية لتصنيع الألياف الضوئية:

1. تصنيع فراغ التشكيل:

يجب تنقية السيليكا أولاً قبل أن يتم غزلها إلى ألياف زجاجية وتستغرق هذه العملية وقتاً طويلاً ويتم تسخين السيليكا إلى درجات حرارة عالية جداً ثم تقطيرها لتنقيتها، يتم تسخين الرمال إلى درجة حرارة تحول السيليكا إلى حالة غازية ثم يتم دمج السيليكا مع مواد أخرى تسمّى (dopants) والتي سوف تتفاعل مع السيليكا (في حالتها الغازية) لتشكيل الألياف، يتم إزالة جميع الشوائب الصلبة ويتم تبريد الغاز لتشكيل مادة الألياف.

يتم استخدام عملية تسمّى ترسيب البخار الكيميائي المعدل (MCVD) لتغيير الزجاج إلى فراغ التشكيل ومن خلال هذه العملية يتم ضخ الأكسجين من خلال محاليل كلوريد السيليكون (SiCl4) وكلوريد الجرمانيوم (GeCl4) والمواد الكيميائية الأخرى، يتم توجيه أبخرة الغاز إلى داخل أنبوب كوارتز السيليكا الاصطناعي في مخرطة خاصة لتشكيل الكسوة وأثناء دوران المخرطة يتم تحريك اللهب المحترق للخلف وللأمام على السطح الخارجي للأنبوب.

تسبب الحرارة الشديدة من الموقد ما يلي:

1. يتفاعل السليكون والجرمانيوم مع الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) وثاني أكسيد الجرمانيوم (GeO2).
   
2. يستقر ثاني أكسيد السيليكون وثاني أكسيد الجرمانيوم في داخل الأنبوب ويندمج معاً لتشكيل الزجاج.
   تدور المخرطة باستمرار للسماح بطلاء فراغ التشكيل بالتساوي وللحفاظ على نقاء الزجاج يتم استخدام البلاستيك المقاوم للتآكل للتحكم بدقة في التدفق وهيكل الخليط حيث تستغرق عملية تصنيع فراغ التشكيل هذا بضع ساعات، يتم تبريد فراغ التشكيل ويتم فحص جودته من خلال عملية الفحص والتحكم.
   

2. سحب الألياف من Preform Blank:

بعد اختبار التشكيل يتم وضعه في برج سحب من الألياف ويتم إنزال فراغ التشكيل في الفرن ويتم تسخينه بين (1900 درجة مئوية إلى 2200 درجة مئوية) حتى يبدأ الطرف في إذابة النقطة المنصهرة في السقوط، وعندما يسقط فإنّه يبرد ويشكل حبلاً ويتم سحب هذه الخصلة من خلال سلسلة من أكواب الطلاء (أدوات تطبيق العازلة) وأفران المعالجة باستخدام الأشعة فوق البنفسجية ثم يتم لفها على بكرة يتم التحكم فيها بواسطة الجرار، يتم التحكم في هذه العملية بدقة باستخدام ميكرومتر ليزر لقياس سمك الألياف ثم يتم إرسال هذه المعلومات مرة أخرى إلى آلية الجرار، تقوم آلية الجرار بسحب الألياف بمعدل (10 إلى 20 م/ثانية) ويتم لف المنتج النهائي على بَكَرَة حيث يمكن أن يحتوي التخزين المؤقت على أكثر من (2.2 كم) من الألياف الضوئية.

3. اختبار الألياف الضوئية النهائية:

بمجرد تصنيع الألياف الضوئية فإنّها تمر بعملية الاختبار يتم إجراء الاختبارات التالية:

• مقاومة الشد (Tensile strength): يجب أن تتحمل الألياف 100000 بوصة أو أكثر.
  
• ملف تعريف معامل الانكسار (Refractive index profile): تحديد أن القطر الأساسي وأبعاد الكسوة وقطر الطلاء متجانسة وشاشة أيضاً للعيوب البصرية.
  
• التوهين (Attenuation): يستخدم لتحديد مدى تدهور أو تقليل الإشارات الضوئية ذات الأطوال الموجية المختلفة عبر مسافات معينة.
  
• سعة نقل المعلومات أي عرض النطاق الترددي (Information carrying capacity bandwidth): عدد الإشارات التي يمكن حملها في وقت واحد (ألياف متعددة الأوضاع).
  
• التشتت اللوني (Chromatic dispersion): انتشار أطوال موجية مختلفة من الضوء عبر القلب وهذا مهم جداً لعرض النطاق الترددي.
  
• نطاق درجة حرارة التشغيل أو الرطوبة (Operating temperature/humidity range): يحدد درجة الحرارة والرطوبة التي يمكن أن تتحملها الألياف.
  
• القدرة على توصيل الضوء تحت الماء وهو مهم للكابلات البحرية.
  

بمجرد اجتياز الألياف لعملية مراقبة الجودة يتم بيعها لشركات الهاتف وشركات الكابلات وموفري الشبكات، تقوم العديد من الشركات حالياً باستبدال أنظمتها القديمة القائمة على الأسلاك النحاسية بأنظمة جديدة قائمة على الألياف الضوئية لتحسين السرعة والسعة والوضوح.

مكونات نظام ترحيل الألياف الضوئية:

على الرغم من أنّ الإشارات الضوئية تتحلل على مسافات متدرجة اعتماداً على نقاء المادة المستخدمة فإنّ الخسارة أقل بكثير مقارنة باستخدام الكابلات المعدنية، ويتكون نظام ترحيل الألياف الضوئية من المكونات التالية:

• المرسل (Transmitter): ينتج الإشارات الضوئية ويشفرها لتناسب الإرسال.
  
• الألياف الضوئية ( Optical Fiber): الوسيلة لنقل نبضة الضوء (الإشارة).
  
• جهاز الاستقبال البصري (Optical Receiver): يستقبل نبضة الضوء المرسلة (الإشارة) ويفك تشفيرها لتكون مناسبة للاستخدام.
  
• المُجدد البصري (Optical Regenerator): يُعد هذا الجهاز ضروريٌ لنقل البيانات لمسافات طويلة.
  

مزايا اتصالات الألياف الضوئية:

• اقتصادية وفعّالة من حيث التكلفة.
  
• رقيقة وغير قابلة للاشتعال.
  
• استهلاك أقل للطاقة.
  
• انخفاض إشارة انخفاض.
  
• مرنة وخفيفة الوزن.
  

فوائد الألياف الضوئية:

• أمن البيانات ممتاز.
  
• إنّها فعالة من حيث التكلفة.
  
• لن تتأثر بالتدخل.
  

تطبيقات الألياف الضوئية:

تجد كابلات الألياف الضوئية العديد من الاستخدامات في مجموعة متنوعة من الصناعات والتطبيقات، وتتضمن بعض استخدامات كابلات الألياف الضوئية ما يلي:

• طبي (Medical): تستخدم كدليل ضوئي وأدوات تصوير وأيضاً كليزر للعمليات الجراحية.
  
• الدفاع أو الحكومة (Defense or Government): تستخدم كأجهزة مائية للموجات الزلزالية والسونار وكأسلاك في الطائرات والغواصات والمركبات الأخرى وأيضاً للشبكات الميدانية.
  
• مخزن البيانات (Data Storage): تستخدم لنقل البيانات.
  
• الإتصالات (Telecommunications): يتم وضع الألياف واستخدامها لأغراض الإرسال والاستقبال.
  
• الشبكات (Networking): يستخدم لتوصيل المستخدمين والخوادم في مجموعة متنوعة من إعدادات الشبكة والمساعدة في زيادة سرعة ودقة نقل البيانات.
  
• صناعي أو تجاري (Industrial or Commercial): تُستخدم للتصوير في المناطق التي يصعب الوصول إليها، مثل الأسلاك حيث يمثل التداخل الكهرومغناطيسي مشكلة كأجهزة حسية لإجراء درجات الحرارة والضغط والقياسات الأخرى وكأسلاك في السيارات وفي الأماكن الصناعية.
  
• البث أو الكيبل التلفزيوني (Broadcast or CATV): تستخدم شركات البث كابلات الألياف الضوئية لأسلاك (CATV وHDTV) والإنترنت والفيديو حسب الطلب والتطبيقات الأخرى.
  
• تستخدم كابلات الألياف الضوئية للإضاءة والتصوير وكمستشعرات لقياس ومراقبة مجموعة واسعة من المتغيرات، وتُستخدم كابلات الألياف الضوئية أيضاً في البحث والتطوير والاختبار في جميع الصناعات.