نسمع عن كابلات الألياف الضوئية عندما نتحدث عن نظام الهاتف, تلفزيون الكابل وكذلك عن شبكة الانترنت. والألياف الضوئية هي عبارة عن اسلاك من الزجاج النقي وهي رقيقة - بمثل رقة شعر الإنسان- تحمل المعلومات الرقمية عبر مسافات طويلة. في الصفحات التالية سنقوم بالتعرف على هذه الأسلاك الرفيعة؛ كيف تنقل الضوء وكيف تٌصنَع.
تركيب الألياف الضوئية
أن الألياف الضوئية هي اسلاك رقيقة وطويلة من الزجاج النقي والتي ترتب في حزم تسمى الكابلات الضوئية (Optical Cables) لتستخدم في نقل الإشارات الضوئية لمسافات كبيرة.
إذا القينا نظرة فاحصة عن قرب لأحد الألياف الضوئية سنرى أنها تتكون من الأجزاء التالية:
-1 القلب أو اللب (Core): وهو مركز النسيج (fiber) وينتقل الضوء عبره.
-2 الغلاف (Cladding): وهو المادة الخارجية للنسيج والتي تحيط بالقلب ومهمتها أن تعكس الضوء الخارج من القلب وتعيده إليه
. 3) غطاء الحماية (Buffer Coating): وهو عباره عن غطاء من البلاستيك, ومهمته حمابة النسيج الضوئي من الضرر والرطوبة.
مئات الالاف من هذه الألياف الضوئية ترتب في حزم على شكل كابلات ضوئية. وهذه الحِزَم تحمى بواسطة الغلاف الخارجي للكابل وتسمى الغلاف (Jacket).
تنقسم الألياف الضوئية الى نوعين أساسيين, هما:
أ-الألياف ذات النمط المفرد (Single-Mode Fiber). وتكون ذات قلب صغير يصل قطره الى 9 ميكرون, وينقل إشارات الليزر تحت الحمراء ذات الطول الموجي يتراوح مابين 1300 الى 1550 نانوميتر.
ب- الألياف متعددة النمط (Multi-Mode Fiber). وهذه يكون القلب فيها ذا قطر أكبر يصل الى 62.5 ميكرون, وتقوم بحمل ونقل الاشارات تحت الحمراء التي يترواح قطرها مابين 850 الى 1300 نانوميتر والصادرة من الصمامات الالكترونية الباعثة للضوء (Light Emitting Diodes LED). بعض الألياف يمكن ان تصنع من البلاستيك ولكن الجزء الاساس فيها (Core) ذو قطر كبير نسبيا (1 مليميتر), وتصلح لنقل الضوء الذي يمكن رؤيته فقط والذي طوله الموجي اكبر من 650 نانوميتر, وهو الضوء المنبعث من الصمام الالكتروني (LED) ولا يصلح هذا النوع من الألياف لنقل الضوء الليزري ( المنبعث من جهاز اطلاق الليزر). وهنا يمكن ان نتساءل كيف يمكن لهذه الألياف ان تنقل الضوء (المعلومات الرقمية).
كيف تعمل الألياف الضوئية؟
لنفترض اننا نريد ان نرسل حزم من الأشعة الضوئية عبر مسار ما, يمكننا ذلك بأن نوجه الضوء عبر هذا المسار بما أن الضوء يسير عبر خطوط مستقيمة. المشكلة التي يمكن ان تصادفنا هي اذا كان هذا المسار يحتوي على نقطة إنعطاف, ما العمل في مثل هذه الحالة؟ الحل أن نضع مرآة عند نقطة الإنعطاف (Bending) تلك لكي تعكس الضوء عند هذه الزاوية وتعيده الى المسار. كيف إذا كان المسار يحتوي على العديد من نقاط الانعطاف؟ في هذه الحالة يلزمنا مرآة عند كل انعطاف, وتوضع المرآة بزاوية معينة لكي تسمح بإعادة الضوء الى القلب عند كل زاوية على طول المسار. هذا بالظبط ما يحدث داخل الألياف
الضوئية.
فالضوء يسافر خلال اللب ( المسار) مع قفزات منتظمة من الغلاف (المرآة) عند نقاط الانعطاف حسب ما يسمى بالإنعكاس الداخلي الكلي (Total Internal Reflection), ولأن الغلاف لا يمتص أي من الإشارات الضوئية المتنقلة داخل القلب, فإن الإشارات الضوئية يمكن أن تنتقل لمسافات بعيدة.
لكن بعض هذه الإشارات تضعف داخل الألياف – بسبب عدم نقاوة الزجاج وتلوثه مثلاً- والمدى الذي يمكن أن تضعف فيه هذه الإشارات يعتمد على درجة نقاوة الزجاج الذي تصنع منه الألياف وأيضا يعتمد الطول الموجي للضوء المرسل خلاله ( مثلاً 850 نانوميتر يضعف بمقدار يتراوح بين 60 إلى 75 بالمائة لكل كيلو متر) و بعض الألياف يضعف الإشارة فيها بمقدار اقل ( 10% لكل كيلومتر عند الطول الموجي 1550 نانوميتر).
نظام الإتصال عبر الألياف الضوئية
يتكون هذا النظام من العناصر التالية: جهاز الارسال (Transmitter): يقوم باستقبال وتوجيه الجهاز المصدر للضوء (LASER or LED) وتشغيله وإيقاف تشغيلِه حسب التسلسل الصحيح, وهكذا يتم توليد الاشارة الضوئية. وجهاز الإرسال يكون قريباً من الألياف الضوئية وقد يحتوي على عدسات ( focused lens) لكي تجمع وتركز الضوء بؤرياً داخل النسيج الضوئي.
ضوء الليزر يمتلك قوة أكبر من التي يمتلكها الضوء الصادر من الصمام الباعث ولكنه حساس أكثر للتغير في درجة الحرارة, كما أنه مكِلفٌ أكثر.
الألياف الضوئية (Fiber Optics) وهي بيئة التواصل بين المرسل والمستقبل. جهاز إعادة توليد الإشارة (Optical Regenerator): اشرنا في ما سبق إلى حدوث بعض الفقد في الإشارة (Signal Loss) عندما ينتقل الضوء داخل الألياف لمسافات بعيدة -كما يحدث داخل الكابلات البحرية- ولهذا توصَّل المقويات وأجهزة إعادة توليد الإشارة على طول الكابل, لكي تعزز الإشارات الضعيفة. ويتكون هذا الجهاز من الياف ضوئية ذات تغطية خاصة مُطَعمة (doping) , ويعمل هذا القسم من الألياف كمضخة ليزر (pump)؛ فعندما تصل الإشارة الضعيفة الى هذا القسم فإن طاقة الليزر هنا تجعل جزيئات الاشارة الضوئية تعمل كما لو انها مصدر ليزر, فتقوم بإطلاق إشارات ضوئية جديدة وقوية ولكن بنفس خصائص الاشارة الضعيفة القادمة. وهذا يعني ان هذا الجهاز يعمل كما لو انه مضخم ليزري للإشارة القادمة إليه.
جهاز الإستقبال (Optical Receiver): يأخذ الاشارة الضوئية الرقمية ويفك تشفيرها ويرسلها كإشارة كهربائية الى المستخدم سواءاَ كان جهاز حاسب أو تلفزيون الكابل أو جهاز هاتف.
ويحتوى جهاز الإستقبال الضوئي على خلايا ضوئية (photocells) أو صمامات الكترونية ضوئية (photodiode) لكي تتحسس وتلاحظ الاشارة الضوئية.
أفضلية الألياف الضوئية (Advantages )
لماذا أحدثت تكنولوجيا الألياف الضوئية ثورة في عالم الإتصالات مقارنة مع الأسلاك التقليدية الأخرى –أسلاك النحاس مثلاَ-؟
السبب يظهر في النقاط التالية:
- التكلفة القليلة نسبياَ.
- رقة ودقة الألياف . وهذا يقود الى:-
- مقدرة عالية على النقل(Higher carrying capacity)بسبب رقة الألياف , فإن الكثير منها يمكن أن تحزم داخل كابل ذو قطر معين أكثر مما لو كانت أسلاك نحاسية في كابل له نفس القطر, مما يعني عدد أكبر من خطوط الهاتف الموصلة او قنوات التلفزيون المتاحة اذا كنا نتكلم عن نظام تلفزيون الكابل.
- فقد أقل في الإشارة.
-يحمل إشارات ضوئية. بعكس الأسلاك النحاسية التي تحمل إشارات كهربائية, الاشارات الضوئية لا تتداخل (interfere) فيما بينها, مما يعني مكالمات هاتفية أو إستقبال تلفزيوني أوضح.
- قدرة إرسال أقل(Low Power).
- إشارات رقمية (Digital Signal). الألياف الضوئية صممت أساساَ لنقل الاشارات الرقمية, وهذه مفيدة خاصة في شبكات الحاسب أو الانترنت.
- غير قابل للإشتعال. نظراً لعدم مرور تيار كهربائي فيه, لا توجد مخاطر للإحتراق.
- أخف وزناً (lightweight). مقارنة مع اسلاك النحاس. وتشغل حيزاً أقل عند تمريرها تحت سطح الأرض.
- مرنة (flexible). وبسبب مرونتها العالية وارسالها واستقبالها للضوء فإنها تستخدم في العديد من الكامرات الرقمية لأغراض التنظير الطبي (Medical Imaging), فحص وعمل اللحام داخل الانابيب والمحركات الميكانيكية التي يصعب الوصول إليها في الطائرات, السيارات والصواريخ, كما تستخدم في سباكة الانابيب الضيقة وتفحصها.
كيف تصنع الألياف الضوئية؟
سبق وأن ذكرنا أن المادة الرئيسية في صنعها هي الزجاج -والذي تعتبر الرمال المصدر الأساسي له- نظراً لكثرة التفاصيل في هذا الموضوع سنذكره بإختصار. صناعة الألياف الضوئية تتطلب المرور بعدة مراحل؛
في البداية عمل إسطوانة زجاجية بواسطة عملية الترسيب البخاري الكيميائي المعدل (Modified Chemical Vapor Deposition) وهي عملية معقدة تتم تحت درجة حرارة عالية وظروف كيميائية خاصة, ويتم فيها تفاعل كلوريد السيليكون Sicl4 و كلوريد الجرمانيوم Gecl4 مع فقاعات الأوكسجين, لإنتاج أكسيد السيليكون Sio2 و اكسيد الجرمانيوم Geo2 اللذان يجمعا معاً ويذابا داخل الانابيب لتشكيل الزجاج أو مادة الألياف .
ومن ثم يتم سحبها على شكل أسلاك رفيعة وطويلة في الات تشبه المخارط (Lathe) وتكون خاصة ودقيقه جداً, تسمى أبراج سحب الألياف (Fiber Drawing Tower) ويتم تغطية الألياف بطبقة من البلاستيك لحمايتها.
بعد ذلك يتم فحص الألياف الضوئية من جوانب عدة مثل:
قوة الشد
انتظام قطر القلب وأبعاد أغلفة الحماية
مدى ضعف الاشارة مع زيادة الطول
عرض الحزمة (bandwidth)
درجة حرارة التشغيل ومدى الرطوبة وإرتباطهما بضعف الاشارة, وأخيراً قابلية التوصيل تحت الماء.
