کلما تحدث الناس عن أنظمة التلفون أو التلفزیون التی تعمل بالکوابل الأرضیة أو شبکات الانترنت اقترن الحدیث دوما بذکر الألیاف الضوئیة fiber optics فما هی الألیاف الضوئیة؟
الألیاف الضوئیة هی عبارة عن شعیرات طویلة من زجاج على درجة عالیة من النقاء یصل رفعها إلى حد أن تماثل شعرة رأس الانسان. تصطف هذه الشعیرات معا فی حزمة تسمى الحبل الضوئی (optical cable). إذا نظرت عن قرب لأحد هذه الألیاف الضوئیة ستجد انه یتکون من:
القالب Core وهو قلب من الزجاج الفائق النقاء یمثل المسار الذی ینتقل من خلاله الضوء.
القشرة الزجاجیة cladding و هو المادة الخارجیة التی تحیط بالقلب الزجاجی و هی مصنوعة من زجاج یختلف معامل انکساره عن معامل انکسار الزجاج الذی یصنع منه القلب ویعکس الضوء باستمرار لیظل فی داخل القالب الزجاجی
الغلاف الواقی Buffer coating و هو غلاف بلاستیکی یحمی القلب من الضرر
مئات أو ربما الآلاف من هذه الألیاف الضوئیة تصطف معا فی حزمة لتکون الحبل الضوئی الذی یحمى بغطاء خارجی یسمى جاکیت.
أنواع الآلیاف الضوئیة
الألیاف الضوئیة یمکن أن تقسم بصفة عامة إلى نوعین أساسیین:
الآلیاف الضوئیة ذات النمط الاحادی single mode fiber تنتقل من خلالها إشارة ضوئیة واحدة فقط فی کل لیفة ضوئیة من ألیاف الحزمة و هی تستخدم فی شبکات التلفون و کوابل التلفزیون. هذا النوع من الألیاف یتمیز بصغر نصف قطر القلب الزجاجی حیث یصل إلى حوالی micron 9 و تمر من خلاله أشعة اللیزر تحت الحمراء ذات الطول الموجی 1.3-1.55 nm.
الآلیاف الضوئیة ذات النمط المتعدد multi -mode fibers و بها یتم نقل العدید من الإشارات الضوئیة من خلال اللیفة الضوئیة الواحدة مما یجعل استخدامها أفضل لشبکات الحاسوب. هذا النوع من الألیاف یکون نصف قطره اکبر حیث یصل إلى 62.5micron و تنتقل من خلاله الأشعة تحت الحمراء.
کیف تعمل الألیاف الضوئیة و کیف تنقل الضوء خلالها؟
افترض انک ترید أن توصل ومضة ضوئیة خلال مسار طویل مستقیم کل ما علیک هو أن توجه الضوء خلال هذا المسار ولان الضوء ینتقل فی خطوط مستقیمة فانه سیصل للطرف الآخر بلا مشاکل. لکن ماذا لو کان المسار به انحناء؟ بسهولة یمکن أن تتغلب على ذلک بوضع مرآة عند الانحناء لتعکس الضوء إلى داخل المسار مرة أخرى. و بنفس الطریقة تحل المشکلة لو کان المسار کثیر الانحناءات حیث تصف مرایا على طول المسار لتعکس الضوء باستمرار من جانب الأخر لیبقى فی مساره. هذه بالضبط هی فکرة عمل الألیاف الضوئیة. حیث ینتقل الضوء بواسطة الانعکاس المستمر عن الجدار المحاذی للقالب الزجاجی (cladding) انعکاسا داخلیا کلیا. و لان هذا الجدار لا یمتص أی من الضوء الساقط علیه فان الإشارة الضوئیة یمکن أن تسافر مسافات طویلة. و لکن یحدث أحیانا أن یفقد جزء من الضوء حیث تمتصه الشوائب الموجودة فی القلب الزجاجی.
لکی تحدث الانعکاسات المستمرة على جدار الغلاف الواقی داخل الآلیاف الضوئیة فإن هذا یعتمد على ظاهرة فیزیائیة تسمى ظاهرة الإنعکاس الداخلی الکلی total internal reflection فما هی هذه الظاهرة وکیف تعمل؟
الأساس الفیزیائی لنقل الضوء خلال الآلیاف البصریة
ظاهرة الإنعکاس الداخلی الکلی total internal reflection هی الأساس الفیزیائی لتکنولوجیا نقل الضوء عبر الآلیاف الزحاجیة حیث ان أننا ذکرنا سابقا أن کلا من القالب الزجاجی والقشرة الزجاجیة من الزجاج ولکن معامل انکسارهما مختلف. فلماذا کان معامل الانکسار مختلف ولماذا وجدت طبقتین من الزجاج؟
تخیل لو اننا قمنا بالتجربة الموضحة فی الشکل التالی والتی تمثل شعاع من اللیزر فی حوض من الماء وتشکل حافة الماء حاجز بین وسطین هما الماء الذی معامل انکساره اکبر من وسط الهواء، فعندما یسقط شعاع اللیزر عمودیا على الحاجز فإنه ینفذ بالکامل، اما اذا زادت الزاویة تدریجیاً کما فی الشکل التالی:
نلاحظ أن جزء من الشعاع ینفذ والجزء الأخر ینعکس داخل الماء وکلما زادت زاویة السقوط کلما قلت شدة الشعاع النافذ وازدادت شدة الشعاع المنعکس، وعند زاویة (تقریباً 48.6 درجة) تسمى الزاویة الحرجة یخرج الشعاع موازیاً لسطح الماء واذا زادت زاویة السقوط قلیلاً عن الزاویة الحرجة فإن الشعاع ینعکس بالکامل ولا ینفذ منه شیئاً وهذه الحالة تسمى الإنعکاس الکلی الداخلی total internal reflection.
تحدث ظاهرة الانعکاس الکلی الداخلی اذا تحقق الشرطین التالیین:
(1) ان ینتقل الضوء من وسط ذو کثافة ضوئیة أعلى (معامل انکساره کبیر) إلى وسط أقل کثافة ضوئیة (معامل انکساره اقل).
(2) ان تکون زاویة السقوط اکبر من الزاویة الحرجة.
کتطبیق على ظاهرة الانعکاس الکلی الداخلی قم بتسلیط شعاع لیزر على ماء مندفع من فتحة صغیرة کما فی الشکل، وستجد ان مسار اللیزر ینحرف مع انسیاب الماء، والسبب فی ذلک ان اللیزر ینعکس على السطح الداخل للماء حیث یفصل هذا السطح بین وسطین مختلفین فی معامل الانکسار.
نفس الظاهرة تحدث فی اللیزر عبر الالیاف الضوئیة حیث أن الضوء بمجرد عبوره إلى داخل القالب الزجاجی core سینعکس على السطح الداخلی للقشرة الزجاجیة لان معامل انکسارها اکبر من القالب ویستمر اللیزر بالانعکاس على جانبی القالب بغض النظر اذا کانت الالیاف الضوئیة مستقیمة أو منحنیة.
یتکون نظام الألیاف الضوئیة من ثلاث أجزاء أساسیة هی:
المرسل transmitter
و هو الذی ینتج و یشفر الإشارة الضوئیة حیث یکون الجزء الأساسی به هو المصدر الضوئی الذی قد یکون لیزر أو الدایود الضوئی، فإذا أردنا مثلا نقل إشارة تلفزیونیة أو أی معلومة فانه من الضروری تحویر الشارة الضوئیة طبقا للمعلومة المراد نقلها. تحویر الإشارة الضوئیة قد یتم بتغییر شدتها ارتفاعا و انخفاضا analogue modulation أو إشعالها و إطفائها فی تتابع و هو ما یعرف بـ digital modulation
الآلیاف البصریة fiber-optic
و هو الذی یقوم بتوصیل الإشارة الضوئیة عبر المسافات و هو الجزء الذی تم شرحه مسبقاً.
المستقبل receiver
یستقبل الإشارة الضوئیة و یفک شفرتها لیحولها إلى إشارة کهربیة ترسل إلى المستخدم الذی قد یکون التلفزیون أو التلفون
ممیزات الألیاف الضوئیة
لقد أحدثت الألیاف الضوئیة ثورة فی عالم الاتصالات لتمیزها على أسلاک التوصیل العادیة فهی:
أکثر قدرة على حمل المعلومات لأن الألیاف الضوئیة ارفع من الأسلاک العادیة فانه یمکن وضع عدد کبیر منها داخل الحزمة الواحدة مما یزید عدد خطوط الهاتف أو عدد قنوات البث التلفزیونی فی حبل واحد. یکفی أن تعرف إن عرض النطاق للألیاف الضوئیة یصل إلى 50THz فی حین إن اکبر عرض نطاق یحتاجه البث التلفزیونی لا یتجاوز 6MHz.
اقل حجما حیث أن نصف قطرها أقل من نصف قطر الأسلاک النحاسیة التقلیدیة، فمثلا یمکن استبدال سلک نحاسی قطره 7.62سم بآخر من الألیاف الضوئیة قطره لا یتجاوز 0.635سم و هذا یمثل أهمیة خاصة عند مد الأسلاک تحت الأرض.
اخف وزنا فیمکن استبدال أسلاک نحاسیة وزنها 94.5کجم بأخرى من الألیاف الضوئیة تزن فقط 3.6کجم.
فقد اقل للإشارات المرسلة فی الآلیاف الضوئیة منه فی الأسلاک النحاسیة.
عدم إمکانیة تداخل الإشارات المرسلة من خلال الألیاف المتجاورة فی الحبل الواحد مما یضمن وضوح الإشارة المرسلة سواء أکانت محادثة تلفونیة أو بث تلفزیونی. کما إنها لا تتعرض للتداخلات الکهرومغناطیسیة مما یجعل الإشارة تنتقل بسریة تامة مما له أهمیة خاصة فی الأغراض العسکریة.
غیر قابلة للاشتعال مما یقلل من خطر الحرائق.
تحتاج إلى طاقة اقل فی المولدات لان الفقد خلال عملیة التوصیل قلیل.
بسبب هذه الممیزات فان الألیاف الضوئیة دخلت فی الکثیر من الصناعات و خصوصا الاتصالات و شبکات الکمبیوتر. کما تستخدم فی التصویر الطبی بأنواعه و کمجسات عالیة الجودة للتغیر فی درجة الحرارة والضغط بما له من تطبیقات فی التنقیب فی باطن الأرض.
کیف تصنع الألیاف الضوئیة
کما سبق و ذکرنا تصنع الألیاف الضوئیة من زجاج على درجة عالیة من النقاء حیث وصفت إحدى الشرکات ذلک بان قالت لو کان هناک محیط من الألیاف الضوئیة یصل للعدید من الأمیال و نظرت من على سطحه للقاع یجب أن تراه بوضوح. وتتم صناعة الألیاف الضوئیة على النحو التالی:
1-عمل اسطوانة زجاجیة غیر مشکلة
2-سحب الألیاف الضوئیة من هذه الاسطوانة الزجاجیة
3-اختبار الألیاف الضوئیة
الزجاج المستخدم فی عمل الاسطوانة الغیر مشکلة یصنع من خلال عملیة تسمى modified chemical vapour deposition حیث یمرر الأکسجین على محلول من کلورید السلیکون و کلورید الجرمانیوم کیماویات أخرى ثم تمرر الأبخرة المتصاعدة داخل أنبوب من الکوارتز موضوع فی مخرطة خاصة عندما تدار یتحرک مجمر حول أنبوب الکوارتز حیث تتسبب الحرارة العالیة فی حدوث شیئین
(1) یتفاعل السلیکون و الجرمانیوم مع الأکسجین لتکوین أکسید السلیکون و أکسید الجرمانیوم
(2) یترسب أکسید السلیکون و أکسید الجرمانیوم على جدار الأنبوب من الداخل و یندمجان معا لتکوین الزجاج الخام المطلوب حیث یمکن التحکم بدرجة نقاء و صفات الزجاج المتکون من خلال التحکم بالخلیط.
الآن یتم سحب الألیاف من هذه اسطوانة الخام الغیر مشکلة بوضعها فی أداة السحب حیث ینزل الزجاج الخام فی فرن کربونی درجة حرارته 1,900-2,200 درجة سلیزیة فتبدأ المقدمة فی الذوبان حتى ینزل الذائب بتأثیر الجاذبیة و بمجرد سقوطه یبرد مکونا الجدیلة الضوئیة. هذه الجدیلة تعالج بتغلیف متتابع أثناء سحبها بواسطة جرار مع قیاس مستمر لنصف القطر باستخدام میکرومتر لیزری. تسحب الألیاف من القالب الخام بمعدل 20m/s.
یتم بعد ذلک اختبار الألیاف من ناحیة: معامل الانکسار، الشکل الهندسی و خصوصا نصف القطر، تحملها للشد، تشتت الإشارات الضوئیة خلالها، سعة حمل المعلومات، تحملها لدرجات الحرارة و إمکانیة توصیل الضوء تحت الماء
تطبیقات عملیة على استخدامات الالیاف الضوئیة
رغم إن استخدام الألیاف الضوئیة لنقل المعلومات عبر المسافات الطویلة استحوذ على معظم الاهتمام إلا أنها تستخدم لنقل المعلومات عبر المسافات القصیرة أیضا حیث تصل بین الکمبیوتر الرئیسی و الکمبیوترات الجانبیة أو الطابعة. بعیدا عن مجال الاتصالات ظهرت هناک استخدامات أخرى عدیدة و مهمة لهذه الألیاف فمثلا نتیجة لمرونتها و دقتها دخلت فی صناعة الکامیرات الرقمیة المتعددة المستخدمة فی التصویر الطبی مثل التصویر الشعبی و المناظیر. کما دخلت فی تصنیع الکامیرات المستخدمة فی التصویر المیکانیکی لفحص اللحام و الوصلات فی الأنابیب و المولدات. و لفحص أنابیب المجاری الطویلة من الداخل.
استخدمت الألیاف الضوئیة أیضا کمجسات لتحدید التغیر فی درجات الحرارة و الضغط strain حیث تفضل على المجسات العادیة لصغر حجمها و حساسیتها للتغیرات الصغیرة و دقة أدائها. احد التطبیقات المهمة لها کمجسات لقیاس strain یکون بإدخالها فی صناعة جدار بعض الطائرات مما یمنح الطائرة جدار ممیز یحذر الطیار من الضغط الواقع على أجنحة أو جسم الطائرة .
المصدر : تحقیق راسخون
/ج
