كثيرا ما نسمع عن الألياف الضوئية أو “الفايبر” دون أن يعرف البعض مدلولها أو استخداماتها، إلا أنها فى الحقيقة هى ألياف شفافة مصنوعة من الزجاج النقى، بقطر أصغر من شعر الإنسان، ويجرى استخدامها فى الاتصالات الضوئية البصرية، خاصة أنها تتميز بالقدرة على البث لمسافات طويلة وتتيح معدل نقل بيانات كبير للغاية مقارنة بكابلات السلك التقليدية.
تستخدم الألياف الضوئية بدلا من الأسلاك المعدنية، حيث تسافر فيها البيانات بمستوى أمان أعلى من الأسلاك التقليدية من حيث خطر فقدانها، كما أنها محمية ضد التداخلات الإلكترومغناطيسية التى تعانى منها الأسلاك المعدنية بشكل كبير، وقد تم استخدامها أول مرة لنقل الاتصالات الهاتفية فى عام 1977، كما تستخدم الألياف الضوئية لنقل الصور من الأماكن الصغيرة الضيقة التى يصعب الوصول إليها، كما فى حالة الفايبر سكوب الذى يستخدم فى المجال الصناعى لفحص ومراقبة واكتشاف التلف فى الآلات والمسبوكات الصناعية بأنواعها المختلفة، وكذلك فى المجال الطبى داخل جسم الإنسان.
فكرة نقل الضوء
افترض انك تريد أن توصل ومضة ضوئية خلال مسار طويل مستقيم كل ما عليك هو أن توجه الضوء خلال هذا المسار ولان 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 الأخر ليبقى في مساره. هذه بالضبط هي فكرة عمل الألياف الضوئية. حيث ينتقل الضوء بواسطة الانعكاس المستمر عن الجدار المحاذي للقالب 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.
لكي تحدث الانعكاسات المستمرة على جدار الغلاف الواقي داخل الآلياف الضوئية فإن هذا يعتمد على ظاهرة فيزيائية تسمى ظاهرة الإنعكاس الداخلي الكلي total internal reflection.
الأنعكاس الداخلى الكلى والزاوية الحرجة
تعتمد الألياف الضوئية على ظاهرة الإنعكاس الداخلي الكلي total internal reflection فهي الأساس الفيزيائي لتكنولوجيا نقل الضوء عبر الألياف الزجاجية حيث ان أننا ذكرنا سابقا أن كلا من القالب الزجاجي والقشرة الزجاجية من الزجاج ولكن معامل انكسارهما مختلف. فلماذا كان معامل الانكسار مختلف ولماذا وجدت طبقتين من الزجاج؟
تخيل لو اننا قمنا بالتجربة الموضحة في الشكل التالي والتي تمثل شعاع من الليزر في حوض من الماء وتشكل حافة الماء حاجز بين وسطين هما الماء الذي معامل انكساره اكبر من وسط الهواء، فعندما يسقط شعاع الليزر عموديا على الحاجز فإنه ينفذ بالكامل، اما اذا زادت الزاوية تدريجياً . نلاحظ أن جزء من الشعاع ينفذ والجزء الأخر ينعكس داخل الماء وكلما زادت زاوية السقوط كلما قلت شدة الشعاع النافذ وازدادت شدة الشعاع المنعكس، وعند زاوية (تقريباً 48.6 درجة) تسمى الزاوية الحرجة يخرج الشعاع موازياً لسطح الماء واذا زادت زاوية السقوط قليلاً عن الزاوية الحرجة فإن الشعاع ينعكس بالكامل ولا ينفذ منه شيئاً وهذه الحالة تسمى الإنعكاس الكلي الداخلي total internal reflection.
تحدث ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي اذا تحقق الشرطين التاليين:
– ان ينتقل الضوء من وسط ذو كثافة ضوئية أعلى (معامل انكساره كبير) إلى وسط أقل كثافة ضوئية (معامل انكساره اقل).
– ان تكون زاوية السقوط اكبر من الزاوية الحرجة.
كيفية عمل منظومة الألياف الضوئية
كابلات الفايبر أو الألياف الضوئية هى كابلات تستخدم الضوء لنقل المعلومات والبيانات من خلال الزجاج وفى بعض الاحيان تستخدم نوع من انواع البلاستيك على عكس الكابلات النحاسية التى تستخدم مادة النحاس لنقل الاشارات الكهربائية، حالياً اصبحت الألياف الضوئية اكثر انتشاراً وخاصة فى الحالات التى تحتاج إلى سرعات عالية، واستمرار فى نقل البيانات بدون توقف او تقطع مثل المجال الطبى وداخل الطائرات والغواصات وغيرها من المجالات الاخرى.
والألياف الضوئية تستخدم تقنيات تختلف عن الكابلات النحاسية فى ارسال واستقبال البيانات حيث يتم ارسال البيانات الرقمية (1 و 0) فى الألياف الضوئية على شكل نبضات ضوئية، حيث (0) يمثل فتح لمصدر الضوء اما (1) يمثل غلق لمصدر الضوء، ومصدر الضوء فى الألياف الضوئية إما ان يكون من الليزر Laser او من الثنائى الباعث للضوء LED.
يتم إرسال البيانات من خلال الألياف الضوئية من خلال ثلاث مكونات رئيسية:
– المرسل: هو مصدر المعلومات المراد ارسالها، أولاً إذا كانت البيانات تمثيلية ، يتم إرسالها إلى دائرة تشفير أو محول والتي تحول الإشارة التناظرية إلى نبضات رقمية من 0،1،0،1 … (اعتمادًا على كيفية البيانات) وتمرير دائرة الارسال مصدر الضوء. وإذا كان الإدخال رقميًا ، فإنه يتم إرساله مباشرة عبر دائرة إرسال مصدر الضوء التي تحول الإشارة على شكل موجات ضوئية.
– كابل الألياف الضوئية: يتم الآن إرسال موجات الضوء المستلمة من دائرة الإرسال إلى كابل الألياف الضوئية من موقع المصدر إلى الوجهة ويتم استقبالها عند كتلة جهاز الاستقبال.
– المستقبل: هو الواجهة المراد ارسال المعلومات إليها، فتستقبل الخلية الكهروضوئية ، المعروفة أيضًا باسم كاشف الضوء ، موجات الضوء من كابل الألياف الضوئية ، وتضخمها باستخدام دائرة تكبير ثم تحويلها إلى إشارة رقمية مناسبة. الآن إذا كان مصدر الإخراج رقميًا ، فلن يتم تغيير الإشارة أكثر ، وإذا كان مصدر الإخراج يحتاج إلى إشارة تناظرية ، فسيتم تحويل النبضات الرقمية مرة أخرى إلى إشارة تمثيلية باستخدام دائرة فك التشفير.
مكونات الألياف الضوئية الأساسية
القلب الداخلى (Core) وهو عبارة عن قلب من الزجاج الفائق النقاء ويقوم بتمثيل المسار الذى ينتقل من خلاله الضوء.
الكساء الخارجية (Cladding): فهى الطبقة الخارجية التى تحيط بالقلب الداخلى وهو مصنوع من زجاج يختلف معامل انكساره عن معامل انكسار الزجاج المصنوع منه القلب (Core) ويقوم بعكس الضوء باستمرار وذلك من اجل ان يظل الضوء داخل القلب الزجاجى.
غلاف الحماية (Coating): وهو عبارة عن الغلاف البلاستيكى الذى يقوم بدور حماية شعره الليفة الضوئية من الضرر.
وقد نجد المئات وربما الالاف من هذه الالياف الضوئية تقوم بالاصطفاف معا فى حزمة واحده من اجل ان تقوم بتكوين الحبل الضوئى الذى يتم حمايته بغطاء خارجى يسمى الجاكيت.
أنواع كابلات الألياف الضوئية (الفايبر)
تنقسم الألياف الضوئية لعدة انواع من حيث النمط (شكل شعاع الضوء) او طريقة ارسال المعلومات والبيانات.
أولاً: أنواع كابلات الفايبر من حيث النمط
– كابل فايبر أحادى النمط Single Mode (SM): فى هذا النوع يكون القلب الداخلى (Core) صغير جدا يصل قطره إلى (9μm)، وأما الكساء الخارجى (Cladding) يصل قطره إلى (125μm) وتكتب فى مواصفات الكابل (9/125μm) وهى تعبر عن (Core/Cladding diameter)، ويستخدم ثنائى الليزر Laser Diode لتوليد الأشارة الضوئية المرسلة عبر القلب Core بطول موجى Wavelength يتراوح مابين 1310nm و 1550nm، ويستخدم هذا النوع مساراً ضوئياً واحداً لنقل الأشارة ويستخدم الليف أحادى النمط عندما نحتاج إلى سرعات عالية ومسافات كبيرة قد تصل إلى 100 كيلومتر، ويُستخدم فى الشبكات بين المبانى وايضا فى شبكات الهاتف والأنترنت بين المدن والدول.
– كابل فايبر متعدد النمط Multi Mode (MM): فى هذا النوع يكون القلب الداخلى (Core) كبير نسبياً يصل قطره إلى (50μm) أو (62.5μm) “وهو الأكثر شيوعاً”، وأما الكساء الخارجى (Cladding) يصل قطره إلى (125μm) وتكتب فى مواصفات الكابل (50/125μm) أو (62.5/125μm) حسب نوع الكابل المستخدم، وهى تعبر عن (Core/Cladding diameter)، ويستخدم الثنائى الباعث للضوء LED لتوليد الأشارة الضوئية المرسلة عبر القلب Core بطول موجى Wavelength يتراوح مابين 850nm و 1300nm، ويستخدم هذا النوع عدة مسارات ضوئية لنقل الأشارة ويستخدم الليف متعدد النمط لنقل البيانات لمسافات أقل من النوع السابق قد تصل إلى 2000 متر دون الحاجة لتكبير الأشارة، ويُستخدم فى الشبكات الداخلية (LAN Networks)، وتتواجد كابلات متعددة النمط فى صورة عدة انواع وهى OM1 و OM2 و OM3 و OM4.
ثانياً: طريقة ارسال المعلومات والبيانات
– كابل فايبر الأحادى Simplex Fiber Optic Cable: هو الكابل الذى يحتوى على ليف ضوئى واحد فقط ويستخدم فى حالة اذا اردنا ارسال البيانات والمعلومات فى اتجاه واحد فقط ولا يمكن عكس الأتجاه، من الممكن أن يكون Single Core أو Multi Core.
– كابل فايبر مزدوج Duplex Fiber Optic Cable: هو الكابل الذى يحتوى على ليفين ضوئيين داخل غلاف خارجى واحد، من الممكن أن يكون Single Core أو Multi Core. وينقسم إلى نوعان:
-كابل فايبر Half Duplex: فى هذا النوع يمكن إرسال البيانات او المعلومات فى الإتجاهين ولكن ليس فى الوقت نفسه، أى أنه يمكننا إرسال المعلومات فى وقت ما ثم بعدها يمكننا إستقبال معلومات أخرى، أى ان عملية الارسال والاستقبال لا تتم فى نفس الوقت.
– كابل فايبر Full Duplex: فى هذا النوع يمكن إرسال البيانات او المعلومات فى الإتجاهين معاً، أى أنه يمكننا إرسال وإستقبال المعلومات فى نفس الوقت.
أنواع واشكال مختلفة لكابلات الألياف الضوئية (الفايبر)
هناك ايضاً اشكال اخرى لكابلات الفايبر تختلف عن بعضها البعض على حسب استخدامتها
– كابل الفايبر ذو الثنائى الملتصق Zipcord Fiber Optic Cable: هو كابل ليف ضوئى يحتوى على كابلين Simplex ملتصقين مع بعض، ممكن ان يكون احادى او مزدوج النمط
– كابل وصلة فايبر Fiber Optic Patch Cord Cable: هى وصلات جاهزة مُوصل بها النهايات وموصلات الليف الضوئى وتأتى بأطوال مختلفة، ممكن ان يكون احادى او مزدوج النمط
– كابل الفايبر الموزع Distribution Fiber Optic Cable: هو كابل ليف ضوئى يحتوى على عدد من الأنابيب الضيقة (قد تصل إلى 144 انبوبة أو فرعة) وكل أنبوبة تحتوى على ليف ضوئى واحد ويحيط بجميع الأنابيب الضيقة مادة داعمة واحدة، تستخدم للتمديدات عبر الأسقف والحوائط داخل المبانى لأنه مرن وسهل
– كابل الفايبر المجزئ Breakout Fiber Optic Cable: هو كابل ليف ضوئى يحتوى على اثنين او اكثر من الأنابيب الضيقة، وكل أنبوبة تحتوى على ليف ضوئى واحد، والمادة الداعمة تكون داخل كل أنبوبة على حدة، يستخدم للتوصيل المباشر للموصلات ولوحات التوصيل داخل المبانى
– كابل الفايبر المسلح Armored Optical Fiber Cable: هو كابل فايبر ذو أنبوبة واسعة، تحتوى على أكثر من ليف ضوئى، ويتميز بوجود طبقة معدنية تحت الغلاف الخارجى للكابل، ويستخدم فى التمديدات داخل المبانى وخارجها، ويمتاز بمقاومتة للكسر
انواع موصلات الألياف الضوئية
هناك العديد من الأنواع المختلفة لموصل الألياف الضوئية Fiber Optic Connectors، حيث يعتمد تحديد النوع الصحيح من موصل الألياف الضوئية على المعدات ونوع الألياف الضوئية التي تقوم بتثبيتها، حيث تتوفر المحولات ولكن من الأسهل دائماً تحديد كل من نوع الألياف ونمط الموصل مسبقاً.
– موصل LC: هو موصل بحلقة “1.25 مم”، أي نصف حجم موصل SC أو ST، حيث تُستخدم موصلات بشكل متكرر نظراً لأنّ حجمها الصغير يجعلها مثالية للتركيبات عالية الكثافة، وبالمثل غالباً ما تتطلب وحدات الصغيرة القابلة للتوصيل بعامل الشكل “SFP” وموسعات الألياف الضوئية هذه الموصلات، على الرغم من أنّه يختلف باختلاف الشركة المصنعة، كما إنّها أصغر حجماً وتتميز بتصميم مشبك
– موصل SC: هو موصل إضافي “2.5 مم”، حيث كان هذا أول موصل تم اختياره لمعيار “TIA-568” وهو موصل إضافي يتم تثبيته بحركة دفع وسحب بسيطة، وهي أكبر من موصلات “LC”، حيث تُستخدم الموصلات مع بعض أنماط موسعات الألياف الضوئية، على الرغم من أنّ “LC” يميل إلى أن يكون أكثر شيوعاً.
– موصلات ST: هي موصل مصمم من نوع “AT & T” مقاس “2.5 مم”، حيث يحتوي على حربة “bayonet” وحلقة أسطوانية طويلة لحمل الألياف، كما أنّ معظم الحلقات من السيراميك، لكن بعضها معدن أو بلاستيك.
– موصلات FC: هو موصل ليفي ضوئي به جسم ملولب “2.5 مم” ، تم تصميمه للاستخدام في البيئات عالية الاهتزاز، يستخدم عادة مع كل من الألياف الضوئية، تستخدم موصلات FC في البيانات والاتصالات ومعدات القياس وأجهزة الليزر أحادية الوضع. أصبحت أقل شيوعًا ، حيث تم إزاحتها بواسطة موصلات SC و LC.
محولات كابلات الألياف الضوئية
هى وصلة او جسر لربط موصلين مع بعضهما البعض من نفس النوع وتسمى مقرنة Coupler او موصلين من نوعان مختلفان وتسمى محول Adapter، ولها انواع كثيرة تعتمد على نوع الموصلين
