الالياف الضوئية

موضوع: الالياف الضوئية السبت يونيو 05, 2010 1:22 am

العمود الفقري لنقل البيانات والاتصالات... شعرة سحرية

الالياف الضوئية ( الالياف البصرية )

ليفة زجاجية قطرها يقل عن قطر شعرة الإنسان، استطاعت خلال الثلاثين سنة
الماضية أن تغير شكل العالم الذي نعيش فيه الآن. إن فكرة نقل المعلومات
بالضوء لمسافات بعيدة فكرة قديمة استغرقت وقتًا طويلا حتى تحققت في أوائل
السبعينيات بواسطة كابلات الألياف الزجاجية؛ كي تحل محل نقل المعلومات
بالإشارات الكهربائية بواسطة الكابلات النحاسية مثل الـ Coaxial .

هذا التطور بإنتاج الألياف الزجاجية -بجانب التطور في أجهزة الإرسال
باستخدام الليزر التي تحوِّل الإشارة الكهربية إلى إشارة ضوئية من ناحية،
وأجهزة الاستقبال التي تحوِّل الإشارة الضوئية ثانية إلى إشارة كهربائية من
الناحية الأخرى- استطاع تفجير ثورة في شبكة الاتصالات، وسرعة نقل
المعلومات.

وخلال العقود الثلاثة الماضية تم بناء شبكات الاتصالات في جميع أنحاء
العالم بكابلات الألياف الزجاجية على شكل كابلات أرضية أو هوائية، أو
كابلات للاستخدامات تحت البحار والمحيطات. إلا أن أطراف الشبكة -أي من 1
إلى 3 كيلومترات- قبل نقطة المشترك تركت كابلات أسلاك نحاسية؛ وذلك لأن سعة
نقل المعلومات في هذه المنطقة غير أساسية، وأيضًا بسبب التكاليف.

حكاية الليفة البصرية

رغم أن عمر الليف الزجاجي قصير نسبيًّا فإنه مَرَّ بالعديد من مراحل
التطوير؛ ففي أوائل السبعينيات استطاعت شركة "كورنينج" (corning) بالولايات
المتحدة إنتاج أول ليفة زجاجية تصلح للاستخدام في نقل الخطوط التليفونية.
وكان مستوى الفقد في شدة الضوء بهذا الوقت تصل إلى حوالي 20 ديسيبل في
الكيلومتر. أما اليوم فلا يتعدى هذا الفقد 0.2 ديسيبل في الكيلومتر، علمًا
بأن 3 ديسيبلات فقد في الكيلومتر يعادل 50% فقد لشدة الضوء.

برج سحب الألياف الزجاجية

والليفة الزجاجية fiber glass -التي تسمى أيضا الليفة البصرية fiber optic -
تتكون من قلب من الزجاج النقي قطره 10 ميكرومترات، وغلاف محيط أيضًا من
الزجاج النقي، ولكن معامل انكساره (النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ وسرعة
الضوء في هذه المادة) أقل من معامل انكسار القلب الذي يصل قطره إلى 125
ميكرومترا. وهذا الاختلاف في معاملي الانكسار هو ما يؤدي إلى سريان ضوء
الليزر الذي يضخ في قلب الليفة لمئات الكيلومترات قبل أن يفقد شدته. وتغلف
الليفة الزجاجية بمادة البلاستيك؛ وذلك لحمايتها وجعلها مرنة.

ولصناعة ليفة زجاجية يُصنع أولا عمود سميك من الزجاج النقي، مكون من القلب
والغلاف الزجاجي، ثم يسخن طرف هذا العمود الزجاجي إلى درجات حرارة عالية
(2000 درجة مئوية) حتى ينصهر الزجاج، ويسحب إلى أسفل في برج يسمى برج السحب
(drawing tower) حتى يصل قطره إلى الأبعاد المطلوبة، ثم توضع طبقة
البلاستيك حول الليفة الزجاجية، ثم يلف على بكرات بالطول المطلوب. هذه
البكرات تستخدم بعد ذلك في تصنيع كابلات الألياف الزجاجية.

ولتثبيت الكابلات الأرضية يتم الاستعانة ببكرات كبيرة تحتوي على حوالي 10
كيلومترات كابل ألياف زجاجية، وبعد تركيب الكابل في مكانه تحت الأرض يجب
لحام الألياف الزجاجية كل 10 كيلومترات، ويستخدم لهذا الغرض جهاز لحام
بالانصهار (fusion splicing). ولأن عملية اللحام تتم بحيث إن كل قلب لليفة
يلتحم بالقلب الآخر تمامًا (10 ميكرومترات)، يتم اللحام آليًّا بواسطة
كمبيوتر داخلي في جهاز اللحام.

ميزات الالياف الزجاجية

وتتميز الكابلات الزجاجية عن مثيلتها النحاسية في الكثير:
- فسعتها أكبر بكثير؛ بحيث يمكننا خلال ليفة زجاجية واحدة نقل أكثر من 150
ألف خط تليفوني في نفس الوقت.

- كما أن الفقد لكل كيلومتر أقل بكثير في الألياف الزجاجية مقارنة
بالكابلات النحاسية Coaxial ، وبالتالي لا نحتاج إلى أجهزة تقوية كثيرة،
وهذا يقلل التكاليف.

- كابلات الألياف الزجاجية أكثر مرونة، ووزنها أقل، وأبعادها أقل مقارنة
بالكابلات النحاسية، وبالتالي تقل تكاليف الإنتاج والتركيب والصيانة.

- الألياف الزجاجية لا تتأثر بالموجات الكهرومغناطيسية الخارجية، ومعنى هذا
أن المعلومات تنتقل بدون تشوهات.

- أيضًا من الصعب التنصت على كابلات الألياف الزجاجية، ولهذا يفضل
استخدامها في التطبيقات العسكرية والإستراتيجية.

الإنترنت والشعرة السحرية

كابل ألياف زجاجية

وفي أوائل التسعينيات ارتبطت أغلب شبكات الاتصال العالمية ببعضها البعض،
وأيضا بالشبكات المحلية؛ مثل مراكز الأبحاث والجامعات والشركات، وشبكات
الاتصال اللاسلكية؛ لتكون أساس تكوين البنية التحتية للإنترنت الذي صرح
باستخدامه للتطبيقات التجارية والخاصة في هذا الوقت.

فقبل هذا كان الإنترنت محدودًا استخدامه في بعض الشبكات المعزولة لأغراض
عسكرية وإستراتيجية في الولايات المتحدة. وفي نفس الوقت انتشر استخدام
أجهزة الكمبيوتر الخاصة انتشارًا كبيرًا في أنحاء العالم، وأصبحت سرعة نقل
المعلومات في الإنترنت تبدأ بـ56 كيلوبايت/ثانية في المنزل للمشترك الذي
يستخدم مضمن "modem" للاتصال بالإنترنت، وترتفع عندما تصل إلى خطوط
الكابلات بالألياف الزجاجية؛ كما هو الحال بين الدول و في الكابلات تحت
المحيطات إلى 80 جيجابايت لكل ثانية.

وبهذا عزيزي القارئ نرى أن فكرة ابتكار الليفة الزجاجية لنقل المعلومات
بالضوء فجَّرت ظهور الإنترنت الذي ينسج خيوطه حول العالم كشبكة العنكبوت،
ويستخدم في أغلب خيوطه الشعرة السحرية (الليفة الزجاجية) التي تنقل
المعلومات بسرعة فائقة؛ ليحوِّل العالم إلى قرية صغيرة.
كيف تعمل الألياف الضوئية و كيف توصل الضوء

افترض انك تريد أن توصل ومضة ضوئية خلال مسار طويل مستقيم كل ما عليك هو أن
توجه الضوء خلال هذا المسار و لان الضوء ينتقل في خطوط مستقيمة فانه سيصل
للطرف الآخر بلا مشاكل. لكن ماذا لو كان المسار به انحناء؟ بسهولة يمكن أن
تتغلب على ذلك بوضع مرآة عند الانحناء لتعكس الضوء إلى داخل المسار مرة
أخرى . و بنفس الطريقة تحل المشكلة لو كان المسار كثير الانحناءات حيث تصف
مرايا على طول المسار لتعكس الضوء باستمرار من جانب لأخر ليبقى في مساره.
هذه بالضبط هي فكرة عمل الألياف الضوئية. حيث ينتقل الضوء بواسطة الانعكاس
المستمر عن الجدار المحاذي للقلب الزجاجي(cladding) انعكاسا داخليا كليا. و
لان هذا الجدار لا يمتص أي من الضوء الساقط عليه فان الإشارة الضوئية يمكن
أن تسافر مسافات طويلة. و لكن يحدث أحيانا أن يفقد جزء من الضوء حيث تمتصه
الشوائب الموجودة في القلب الزجاجي.

مكونات نظام الالياف الضوئية
يتكون نظام الألياف الضوئية من ثلاث أجزاء أساسية
1- transmitter
و هو الذي ينتج و يشفر الإشارة الضوئية حيث يكون الجزء الأساسي به هو
المصدر الضوئي الذي قد يكون ليزر أو الدايود الضوئي فإذا أردنا مثلا نقل
إشارة تلفزيونية أو أي معلومة فانه من الضروري تحوير الشارة الضوئية طبقا
للمعلومة المراد نقلها. تحوير الإشارة الضوئية قد يتم بتغيير شدتها ارتفاعا
و انخفاضا analogue modulation أو إشعالها و إطفائها في تتابع و هو ما
يعرف ب digital modulation

2- fiber-optic
و هو الذي يقوم بتوصيل الإشارة الضوئية عبر المسافات و هو الجزء الذي تم
شرحه بالتفصيل.

3- receiver
يستقبل الإشارة الضوئية و يفك شفرتها ليحولها إلى إشارة كهربية ترسل إلى
المستخدم الذي قد يكون التلفزيون أو التلفون

نقل البيانات في المسافات الطويلة والقصيرة

رغم إن استخدام الألياف الضوئية لنقل المعلومات عبر المسافات الطويلة
استحوذ على معظم الاهتمام إلا أنها تستخدم لنقل المعلومات عبر المسافات
القصيرة أيضا حيث تصل بين الكمبيوتر الرئيسي و الكمبيوترات الجانبية أو
الطابعة. بعيدا عن مجال الاتصالات ظهرت هناك استخدامات أخرى عديدة و مهمة
لهذه الألياف فمثلا نتيجة لمرونتها و دقتها دخلت في صناعة الكاميرات
الرقمية المتعددة المستخدمة في التصوير الطبي مثل التصوير الشعبي و
المناظير. كما دخلت في تصنيع الكاميرات المستخدمة في التصوير الميكانيكي
لفحص اللحام و الوصلات في الأنابيب و المولدات. و لفحص أنابيب المجاري
الطويلة من الداخل.

مجسات لقياس درجات الحرارة والضغط

استخدمت الألياف الضوئية أيضا كمجسات لتحديد التغير في درجات الحرارة و
الضغط strain حيث تفضل على المجسات العادية لصغر حجمها و حساسيتها للتغيرات
الصغيرة و دقة أدائها. احد التطبيقات المهمة لها كمجسات لقياس strain يكون
بإدخالها في صناعة جدار بعض الطائرات مما يمنح الطائرة جدار مميز يحذر
الطيار من الضغط الواقع على أجنحة أو جسم الطائرة

» الالياف الغذائية
» الألياف الضوئية للأسقف فن من فنون عالم الخيال
» اتصالات الالياف البصريه