ألياف بصرية

حزمة من الألياف البصرية

A TOSLINK fiber optic audio cable being illuminated on one end

الألياف البصرية هي ألياف مصنوعة من الزجاج النقي، تكون طويلة ورفيعة ولا يتعدى سمكها سمك الشعرة. يجمع العديد من هذه الألياف في حزم داخل الكيبلات البصرية، وتستخدم في نقل الإشارات الضوئية لمسافات بعيدة جداً.

•  مقالة مفصلة: مبتكر الألياف البصرية

فرع من علم الفيزياء يرتكز على ظاهرة انتقال الضوء عبر ألياف شفافة من الزجاج أو البلاستيك. وتستطيع هذه الألياف البصرية، أن تحمل الضوء عبر مسافات تتراوح بين سنتيمترات قليلة وأكثر من 160كم. ومثل هذه الألياف يُمْكن أن تعمل بشكل فردي أو في شكل حزَم، وبعض الألياف الفردية يبلغ طول قطرها أقل من 0,004مللم.

والألياف البصرية لها لُبٌ من الزجاج أو اللدائن، ولها درجة عالية من الشفافية ومحاطة بغطاء يسمى الغلاف.

ويصل الضوء الصادر من جهاز الليزر، أو من مصباح كهربائي، أو من بعض المصادر الضوئية الأخرى إلى إحدى نهايتي الليف البصري. وعندما ينتقل عبر اللُب، يحبسه الغلاف في الداخل. ويقوم الغلاف بعملية ثني أو عكس ـ إلى الداخل ـ لأشعة الضوء المصطدمة بسطحها الداخلي.

وعند النهاية الأخرى لليف يستَقْبل الضَوء كشافٌ مثل نبيطة حساسة للضوء أو العين البشرية.

•  مقالة مفصلة: دفقة بيانات 100 تيرابايت/ثانية

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 التاريخ

Daniel Colladon first described this "light fountain" or "light pipe" in an 1842 article entitled On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream. This particular illustration comes from a later article by Colladon, in 1884.

 التطبيقات

 الألياف البصرية في الاتصالات

المقالة الرئيسية: الألياف البصرية في الإتصالات

 مكونات الليف البصري

• اللب(Core): وهو عبارة عن زجاج رفيع ينتقل فيه الضوء.
• الحاجب (Cladding): مادة تحيط باللب الزجاجي وتعمل على حفظ الضوء في مركز الليف البصري
• الغطاء الواقي (Buffer Coating): غلاف بلاستيكي يحمي الليف البصري من الرطوبة أو ويحميه من الضرر و الكسر.

مئات أو ربما الآلاف من هذه الألياف الضوئية تصطف معا في حزمة لتكون الحبل الضوئي الذي يحمى بغطاء خارجي يسمى جاكيت.

 مجسات الألياف البصرية

المقالة الرئيسية: مجس ليفة بصرية

 استخدامات أخرى للألياف البصرية

A frisbee illuminated by fiber optics

للألياف البصرية استعمالات كثيرة. منها ما يستعمل في أنظمة اتصالات الألياف البصرية، حيث يقوم جهاز ليزر خاص بنقل الرسائل المُشفَّرة عن طريق ومضات ضوئية عالية السرعة. وتنتقل الرسائل عبر الألياف البصرية إلى نبائط حل شفرة الرسائل التي تحولها إلى الإشارة الأصلية.

وأنظمة اتصالات الألياف البصرية لها عدة مميزات، تجعلها مُتفوِّقة على الأنظمة، التي تَستخدِم الأسلاك النحاسية التقليدية؛ إذ إن لها قدرة على حمل معلومات أكبر. وهي كذلك ليست عُرضةً للتداخل الكهربائي،كما أن الإشارات المُرْسلَة لمسافات طويلة عبر كبلات الألياف البصرية، تحتاج إلى تقوية أقل من الإشارات المرسلة عبر الكبلات النحاسية لمسافة مماثلة. وكثيرٌ من شركات الاتصالات أسست لها شبكة كبلات من الألياف البصرية. وتحمل أسلاك الألياف البصرية الإشارات تحت الماء عبر المحيطين الأطلسي والهادئ.

وكذلك فإن الألياف البصرية مناسبة جدًا للاستعمالات الطبية؛ حيث يمكن صناعتها على شكل خيوط مرنة ودقيقة جدًا لإدخالها في الأوردة الدموية والرئتين، وفي الأجزاء المجوفة الأخرى من الجسم.كما أنها تُستعْمَل في كثير من الأدوات التي تساعد الأطباء على رؤية الأجزاء الداخلية من الجسم دون حاجة إلى إجراء جراحة. انظر: تنظير المفاصل. كما تُستخدم الألياف البصرية في جراحة الليزر أو أجهزة قياس درجة الحرارة أو الضغط.

هناك أنواع حديثة للالياف البصرية اكتشفت مؤخرا وتسمى الالياف البلورية الفوتونية، لانها تصنع من البلورات الفوتونية التي تتميز بنقل الضوء فيها باقل خسارة.

 Principle of operation

 مؤشر الإنكسار

المقالة الرئيسية: مؤشر الإنكسار

 إجمالي الإنعكاس الداخلي

المقالة الرئيسية: إجمالي الإنعكاس الداخلي

 Multi-mode fiber

The propagation of light through a multi-mode optical fiber.

A laser bouncing down an acrylic rod, illustrating the total internal reflection of light in a multi-mode optical fiber.

المقالة الرئيسية: Multi-mode optical fiber

أنواع الألياف البصرية.

 Single-mode fiber

The structure of a typical single-mode fiber.
1. Core: 8 µm diameter
2. Cladding: 125 µm dia.
3. Buffer: 250 µm dia.
4. Jacket: 400 µm dia.

المقالة الرئيسية: Single-mode optical fiber

 Special-purpose fiber

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 Mechanisms of attenuation

Light attenuation by ZBLAN and silica fibers

المقالة الرئيسية: مواد شفافة

 Light scattering

Specular reflection

Diffuse reflection

انظر أيضاً: فيزياء الزجاج

 UV-Vis-IR absorption

Normal modes of vibration in a crystalline solid.

 التصنيع

 المواد

 السيلكا

Tetrahedral structural unit of silica (SiO₂).

The amorphous structure of glassy silica (SiO₂). No long-range order is present, however there is local ordering with respect to the tetrahedral arrangement of oxygen (O) atoms around the silicon (Si) atoms.

 الفوسفات

The P₄O₁₀ cagelike structure—the basic building block for phosphate glass.

 العملية

Illustration of the modified chemical vapor deposition (inside) process

 القضايا العملية

 كابلات الألياف البصرية

An optical fiber cable

المقالة الرئيسية: Optical fiber cable

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 الإنهاء والربط

ST connectors on multi-mode fiber.

 أنواع الألياف البصرية

يوجد نوعان رئيسيان من الألياف البصرية، هما الألياف الأحادية الشكل والألياف المتعددة النمط. وتُستَعْمل الألياف أحادية الشكل في عملية النقل طويل المسافة. ولهذه الألياف لُبٌّ صغير جدًا. وهي تتلقى الضوء في محاذاة المحور فقط. ونتيجة لهذا فإن الألياف أحادية الشكل تستلزم استعمال نوع خاص من أجهزة الليزر كمصدر للضوء، كما تحتاج كذلك إلى أن تكون مُتَّصلة بدقة بجهاز الليزر، وبنوع آخر من الألياف وبكشاف.

أما الألياف المتعددة النمط فلها لُب أكبر من لُب الألياف أحادية النمط، وهي تتقبل الضوء من زوايا مختلفة. وفي الألياف متعددة النمط يمكن استعمال أنواع أكثر من المصادر الضوئية، ومُوَصِّلات أرخص من تلك التي تُستعْمل في الألياف أحادية النمط، إلا أنها لايمكن استعمالها عبر مسافات طويلة.

1. (single mode fiber) تنتقل من خلالها إشارات ضوئية نسق ونمط موحد في كل ليفة ضوئية من ألياف الحزمة و هي تستخدم في شبكات التلفون و كوابل التلفزيون. هذا النوع من الألياف يتميز بصغر نصف قطر القلب الزجاجي حيث يصل إلى حوالي micron 9 و تمر من خلاله أشعة الليزر تحت الحمراء ذات الطول الموجي 1.3-1.55 nm .

1. multi -mode fibersو بها يتم نقل العديد من الأنماط للإشارات الضوئية من خلال الليفة الضوئية الواحدة مما يجعل استخدامها أفضل لشبكات الحاسوب. هذا النوع من الألياف يكون نصف قطره أكبر حيث يصل إلى 62.5 micron و تنتقل من خلاله الأشعة تحت الحمراء.

 مميزات الألياف الضوئية

لقد أحدثت الألياف الضوئية ثورة في عالم الاتصالات لتميزها على أسلاك التوصيل العادية فهي

1. أكثر قدرة على حمل المعلومات لان الألياف الضوئية ارفع من الأسلاك العادية فانه يمكن وضع عدد كبير منها داخل الحزمة الواحدة مما يزيد عدد خطوط الهاتف أو عدد قنوات البث التلفزيوني في حبل واحد. يكفي أن تعرف إن عرض النطاق للألياف الضوئية يصل إلى 50THZ في حين إن أكبر عرض نطاق يحتاجه البث التلفزيوني لا يتجاوز 6Mhz .

1. أقل حجما حيث أن نصف قطرها أقل من نصف قطر الأسلاك النحاسية التقليدية فمثلا يمكن استبدال سلك نحاسي قطره 7.62سم بآخر من الألياف الضوئية قطره لا يتجاوز0.635سم وهذا يمثل أهمية خاصة عند مد الأسلاك تحت الأرض.

1. أخف وزنا فيمكن استبدال أسلاك نحاسية وزنها 94.5كجم بأخرى من الألياف الضوئية تزن فقط 3.6كجم.

1. فقد أقل للإشارات المرسلة

1. عدم إمكانية تداخل الإشارات المرسلة من خلال الألياف المتجاورة في الحبل الواحد مما يضمن وضوح الإشارة المرسلة سواء أكانت محادثة تلفونية أو بث تلفزيوني. كما أنها لا تتعرض للتداخلات الكهرومغناطيسية مما يجعل الإشارة تنتقل بسرية تامة مما له أهمية خاصة في الأغراض العسكرية.

1. غير قابلة للاشتعال مما يقلل من خطر الحرائق

1. تحتاج إلى طاقة أقل في المولدات لأن الفقد خلال عملية التوصيل قليل

بسبب هذه المميزات فإن الألياف الضوئية دخلت في الكثير من الصناعات وخصوصا الاتصالات وشبكات الكمبيوتر. كما تستخدم في التصوير الطبي بأنواعه وكذلك كمجسات عالية الجودة للتغير في درجة الحرارة والضغط بما له من تطبيقات في التنقيب في باطن الأرض.

 عيوب الألياف الضوئية

كما انا للألياف الضوئية مميزات فان لها بعض العيوب التالية:

 الصيانة

تعتبر صيانة الألياف الضوئية اكثر تعقيدا من صيانة الاسلاك النحاسية , ويرجع السبب في ذلك لتكوين وتركيبة الالياف الضوئية الدقيق, ولان الانحنائات الشديدة قد تؤدي الى كسر النواة الداخلية وبالتالي تلف الليف الضوئي وعدم قدرته على اداء مهمة نقل البيانات بشكل سليم.

 التكلفة

تعتبر التكلفة من اهم العوامل المهمة في استخدام الالياف الضوئية او عدم استخداماها وفي هذه الحال فان التكلفة قد تكون مشكلة وعيب في استخدام الالياف الضوئية او قد تكون ايجابية قياسا على فترة استخدامها كما يلي :

 التكلفة على المدى القريب

تعتبر التكلفة على المدى القريب تكلفة باهظة ومرتفعة وقد يكون استخدام الالياف الضوئية غير مجدي , لانك لن تسترد راس المال الذي تم انفاقه في شراء هذه الالياف وفي تركيبها وفي صيانتها خلال الفترة الزمنية القصيرة على المدى القريب.

 التكلفة على المدى البعيد

تعتبر التكلفة على المدى البعيد في البداية تكلفة مرتفعة , لكنها في المستقبل سوف تستعد تلك الاموال المستثمرة في شرائها سواء في مشروع اتصالات او غيرها.

 اتجاه النقل

عندما نتحدث عن اتجاه النقل فاننا نقصد بذلك اتجاه نقل البيانات اذ ان الليف الضوئي الواحد غير قادر على نقل البيانات باتجاهين مختلفين في نفس الوقت , لذلك لا يمكن استخدام الالياف الضوئية في الاتصالات خاصة في تقنية الاتصال الثنائي الذي يمكن المستخدم من الارسال والاستقبال في ان واحد , للتغلب على هذه المشكلة فانه تم استخدام ليفين بصريين يعملان كليف بصري واحد لنقل البيانات وارسالها واستقبالها في الاتصالات الثنائية وبالتالي يتم النقل في كلا الاتجاهين.

 انظر أيضا

• Cable jetting
• كابل بيانات
• Fiber Bragg grating
• Glass transition
• Gradient index optics
• Leaky mode
• Optical communication
• Optical fiber connector
• فيزياء الزجاج
• SFP transceiver
• Sol-gel
• قوة الزجاج
• Submarine communications cables
• Transparent materials
• Viscoelasticity
• XENPAK
• تركيب الالياف البصرية

 المصادر

• الموسوعة المعرفية الشاملة

• Gambling, W. A., "The Rise and Rise of Optical Fibers", IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, pp. 1084–1093, Nov./Dec. 2000.
• Hecht, Jeff, Understanding Fiber Optics, 4th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, USA 2002 (ISBN 0-13-027828-9).
• Mirabito, Michael M.A; and Morgenstern, Barbara L., The New Communications Technologies: Applications, Policy, and Impact, 5th. Edition. Focal Press, 2004. (ISBN 0-24-080586-0).
• Nagel S. R., MacChesney J. B., Walker K. L., "An Overview of the Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) Process and Performance", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, No. 4, p. 459, April 1982.
• Ramaswami, R., Sivarajan, K. N., Optical Networks: A Practical Perspective, Morgan Kaufmann Publishers, San Francisco, 1998 (ISBN 1-55860-445-6).

 قراءات إضافية

• Friedman, Thomas L. (2007). The World is Flat. Picador. ISBN 978-0312425074. The book discusses how fiberoptics has contributed to globalization, and has revolutionized communications, business, and even the distribution of capital among countries.

 وصلات خارجية

• The Fiber Optic Association
• FOA color code for connectors
• Lennie Lightwave's Guide To Fiber Optics
• "Fibers", article in RP Photonics' Encyclopedia of Laser Physics and Technology
• How Fiber Optics are made In video
• "Fibre optic technologies", Mercury Communications Ltd, August 1992.
• "Photonics & the future of fibre", Mercury Communications Ltd, March 1993.
• "Fiber Optic Tutorial" Educational site from Arc Electronics