كيف تعمل الألياف البصرية

الألياف البصرية هي خيوط طويلة ورفيعة من الزجاج النقي على شكل شعر الإنسان. يتم ترتيبها في حزم تسمى كابلات بصرية وتستخدم لنقل إشارات الضوء على مسافات طويلة .

مكونات الألياف البصرية

• النواة هي مركز زجاجي رقيق مصنوع من الألياف حيث يتم نقل الضوء .
• الكسوة هي المادة البصرية الخارجية التي تحيط بالنواة وتعكس الضوء إلى القلب .
• يتم تغطية الألياف البصرية بطلاء بلاستيكي عازل يحميها من التلف والرطوبة .
• يتم ترتيب مئات أو آلاف الألياف الضوئية في حزم داخل الكابلات الضوئية، حيث يتم حماية هذه الحزم بواسطة الغلاف الخارجي للكابل والذي يعرف باسم الحماية .

أنواع الألياف البصرية

تأتي الألياف الضوئية في نوعين:

• ألياف أحادية الوضع .
• ألياف متعددة الأوضاع .

تحتوي الألياف أحادية الوضع على نوى صغيرة (قطرها حوالي 3.5 × 10-4 بوصات أو 9 ميكرون) وتنقل ضوء الليزر تحت الأحمر (الطول الموجي = 1300 إلى 1550 نانومتر). تحتوي الألياف متعددة الأوضاع على نوى أكبر (حوالي 2.5 × 10-3 بوصات أو 62.5 ميكرون في القطر) وتنقل ضوء الأشعة تحت الحمراء (الطول الموجي = 850 إلى 1300 نانومتر) من الثنائيات الباعثة للضوء (LED) .

يمكن تصنيع بعض الألياف الضوئية من البلاستيك، وتحتوي هذه الألياف على نواة كبيرة (قطرها 0.04 بوصة أو 1 مم)، وتنقل الضوء الأحمر المرئي (الطول الموجي = 650 نانومتر) من المصابيح .

كيف تنقل الألياف الضوئية الضوء

يتم نقل الضوء في كابل الألياف الضوئية من خلال الانعكاس المستمر على جدران الكابل المغطاة بالمرآة، ويسمى هذا المبدأ الانعكاس الداخلي الكلي، حيث لا يتم امتصاص أي ضوء من الكابل، ويمكن للإشارة الضوئية أن تسافر لمسافات بعيدة .

ومع ذلك ، قد يحدث تدهور للإشارة الضوئية داخل الألياف البصرية نتيجة وجود شوائب في الزجاج. يعتمد مدى تدهور الإشارة على نقاء الزجاج وطول الموجة للضوء المرسل. على سبيل المثال، عندما يكون طول الموجة 850 نانومتر، يتدهور حوالي 60-75 بالمائة لكل كيلومتر، وعندما يكون طول الموجة 1300 نانومتر، يتدهور حوالي 50-60 بالمائة لكل كيلومتر، وعندما يكون طول الموجة 1550 نانومتر، يتدهور بنسبة أكبر من 50 في المائة لكل كيلومتر. بعض الألياف البصرية الممتازة تظهر تدهورا أقل للإشارة، أقل من 10 بالمائة لكل كيلومتر عند طول الموجة 1550 نانومتر .

أنظمة ترحيل الألياف الضوئية

تتكون أنظمة ترحيل الألياف الضوئية مما يلي:

• جهاز الإرسال ينتج ويشفر الإشارات الضوئية .
• تنتقل إشارات الضوء عبر الألياف البصرية على مسافة .
• قد يكون الجهاز المجدد البصري ضروريًا لتعزيز إشارة الضوء على المسافات الطويلة .
• يقوم جهاز الاستقبال البصري بتلقي الإشارات الضوئية وفك تشفيرها .

جهاز الإرسال

يتم استقبال الجهاز البصري وتوجيهه لتشغيل الضوء وإيقافه بالتسلسل الصحيح، وبالتالي توليد إشارة ضوئية. يمكن أن يكون جهاز الإرسال قريبا من الألياف الضوئية وقد يحتوي على عدسة لتركيز الضوء على الألياف. تتمتع أشعة الليزر بقدرة أكبر من مصابيح LED، ولكنها تتأثر بشكل أكبر بتغيرات درجة الحرارة وتكلفة أعلى. أطوال الموجة الأكثر شيوعا للإشارات الضوئية هي 850 نانومتر و 1300 نانومتر و 1550 نانومتر (الأشعة تحت الحمراء وأجزاء غير مرئية من الطيف) .

الألياف الضوئية

يحدث فقد بعض الإشارة عندما ينتقل الضوء عبر الألياف الضوئية، خاصةً عبر مسافات طويلة (أكثر من نصف ميل أو حوالي كيلومتر واحد)، مثل الكابلات الموجودة تحت سطح البحر. لذلك، يتم ربط واحد أو أكثر من المولدات الضوئية على طول الكابل لتعزيز إشارات الضوء المتدهورة .

يتكون المُجدد البصري من ألياف بصرية بطبقة خاصة (منشطات) يتم “ضخ” الجزء المخدر بالليزر عندما تأتي الإشارة المتدهورة إلى الغلاف المخدر ، فإن الطاقة من الليزر تسمح للجزيئات المخدرة بأن تصبح ليزرًا بنفسها ، ثم تنبعث الجزيئات المخدرة إشارة ضوئية جديدة أقوى لها نفس خصائص إشارة الضوء الضعيفة الواردة في الأساس ، المجدد هو مكبر ليزر للإشارة الواردة .

استقبال بصري

المستقبل البصري مثل البحار الموجود على سطح السفينة المستقبلة ، يأخذ الإشارات الضوئية الرقمية الواردة ويفك تشفيرها ويرسل الإشارة الكهربائية إلى كمبيوتر المستخدم أو التلفزيون أو الهاتف (قبطان السفينة المستقبلة) يستخدم جهاز الاستقبال خلية ضوئية أو ثنائي ضوئي للكشف عن الضوء .

مزايا الألياف البصرية

لماذا تمثل أنظمة الألياف الضوئية ثورة في مجال الاتصالات؟ يتميز الألياف الضوئية بالمقارنة مع الأسلاك المعدنية التقليدية (الأسلاك النحاسية) بالخصائص التالية:

• يمكن تحقيق توفير كبير من خلال استخدام كابلات بصرية بدلا من الأسلاك النحاسية، حيث يمكن توصيل مسافات أطول بتكلفة أقل، مما يوفر المال للعملاء في فواتير التلفزيون والإنترنت .
• يمكن سحب الألياف الضوئية إلى قطر أصغر من الأسلاك النحاسية .
• يمكن جمع المزيد من الألياف في كابل بقطر محدد بسبب أن الألياف الضوئية أرق من الأسلاك النحاسية، مما يزيد من قدرة التحمل العالية للكابل، ويسمح بمرور المزيد من خطوط الهاتف أو القنوات في نفس الكابل، وبإمكانية إدخاله في صندوق تلفزيون الكابل .
• تقليل الإشارة – يتم تقليل فقدان الإشارة في الألياف الضوئية أقل مما هو عليه في الأسلاك النحاسية .
• الإشارات الضوئية لا تتداخل بين الألياف في نفس الكابل كما يحدث مع الإشارات الكهربائية في الأسلاك النحاسية، وبالتالي فإنها تجعل المحادثات الهاتفية والاستقبال التلفزيوني أكثر وضوحا .
• بسبب تحلل الإشارات في الألياف الضوئية بشكل أقل، يمكن استخدام أجهزة الإرسال ذات الطاقة المنخفضة بدلا من أجهزة الإرسال الكهربائية عالية الجهد المطلوبة للأسلاك النحاسية. ومرة أخرى، يوفر هذا لك المال والكفاءة .
• الإشارات الرقمية، وخاصة الألياف الضوئية، مناسبة بشكل مثالي لنقل المعلومات الرقمية، وتستخدم بشكل خاص في شبكات الكمبيوتر .
• غير قابل للاشتعال بسبب عدم مرور الكهرباء عبر الألياف الضوئية، فلا يوجد خطر الحريق .
• يزن كابل الألياف الضوئية أقل من كبل الأسلاك النحاسية المماثلة، وتشغل كابلات الألياف الضوئية مساحة أقل في الأرض، مما يجعلها خفيفة الوزن .
• نظرا لأن الألياف الضوئية مرنة جدا وقادرة على نقل واستقبال الضوء ، فهي تستخدم في العديد من الكاميرات الرقمية المرنة .

استخدامات الألياف البصرية

• التصوير الطبي – في الأنظار الهوائية والمناظير .
• التصوير الميكانيكي هو فحص اللحامات الميكانيكية في الأنابيب والمحركات في الطائرات والصواريخ والمكوكات الفضائية والسيارات .
• السباكة – لفحص خطوط الصرف الصحي .

وبسبب المزايا المختلفة ترى الألياف البصرية في العديد من الصناعات ، وأبرزها الاتصالات وشبكات الكمبيوتر على سبيل المثال ، إذا اتصلت بأوروبا من الولايات المتحدة (أو العكس) وارتدت الإشارة من قمر اتصالات ، فغالبًا ما تسمع صدى على الخط. ولكن مع كابلات الألياف الضوئية عبر المحيط الأطلسي ، لديك اتصال مباشر بدون أصداء .

الانعكاس الداخلي الكلي في الألياف الضوئية

عندما يمر الضوء من وسيط بمؤشر انكسار واحد (m1) إلى وسط آخر بمؤشر انكسار أقل (m2)، ينحني أو ينكسر بعيدًا عن خط وهمي متعامد على السطح (الخط العادي)، عندما تصبح زاوية الحزمة التي تمر عبر m1 أكبر من الخط العادي، ينحني الضوء المنكسر خلال m2 بعيدًا عن الخط العادي .

عند زاوية معينة (زاوية حرجة) ، لن ينتقل الضوء المنكسر إلى متر مربع ، ولكن بدلاً من ذلك سوف ينتقل على طول السطح بين الوسيطتين (الجيب [الزاوية الحرجة] = n2 / n1 حيث n1 و n2 هما مؤشرا الانكسار [n1 أكبر من n2]) إذا كانت الحزمة عبر m1 أكبر من الزاوية الحرجة ، فسوف تنعكس الحزمة المنكسرة بالكامل مرة أخرى إلى m1 (الانعكاس الداخلي الكلي) ، على الرغم من أن m2 قد تكون شفافة .

في مجال الفيزياء، يتم وصف الزاوية الحرجة بالنسبة للخط العمودي في الألياف الضوئية، حيث يتم وصف الزاوية الحرجة فيما يتعلق بالمحور المتوازي الممتد تحت منتصف الألياف. ولذلك، يُعرف الزاوية الحرجة للألياف الضوئية بأنها (90 درجة – الزاوية الحرجة في الفيزياء) .

في الألياف الضوئية ، ينتقل الضوء عبر القلب (m1 ، مؤشر الانكسار العالي) من خلال الانعكاس المستمر من الكسوة (m2 ، مؤشر الانكسار السفلي) لأن زاوية الضوء دائمًا أكبر من الزاوية الحرجة ينعكس الضوء من الكسوة بغض النظر عن الزاوية التي تنحني بها الألياف نفسها ، حتى لو كانت دائرة كاملة .