الألياف الضوئية أساس الثورة المعلوماتية

من طرف **ياسر احمد** الخميس أكتوبر 14, 2010 9:04 am

الألياف الضوئية أساس الثورةالمعلوماتيةإعدادأ / ياسر أحمد عبدالواحد محمد
E-mail: _yasserAhmed2100@yahoo.com

تعد تكنولوجياالمعلومات المنقولة عبر الانترنت من أهم الوسائل التكنولوجية التي تسهم بدور فعالفي عملية التعلم وخاصة مع انتشار التعلم الذاتي(Self-Learning) عبر الانترنت الفائق السرعة(Hyper Speed), ويعد اختراع الألياف الضوئية(Fiber Optics) من أكثر العوامل التي ساعدت علىالقيام بنقل المعلومات بأشكالها المختلفة (فيديو, صوت, صور, رسوم متحركة, نص .. ألخ) بشكل أكثر سرعة عما سبق .

اولاً :تعريف الألياف الضوئية (Definition of Fiber Optics) :

تعرف الأليافالضوئية بأنها " عبارة عن شعيرات طويلةمن زجاج على درجة عالية من النقاء يصل رفعها إلى حد أن تماثل شعرة رأس الإنسان تصطفهذه الشعيرات معا في حزمة تسمى الحبل الضوئي (Optical Cable) ".

ثانياً : مكونات الألياف الضوئية (Fiber Optics) :القالب(Core) : وهو قلب من الزجاج الفائق النقاء يمثل المسارالذي ينتقل من خلاله الضوء.

القشرة الزجاجية (Cladding) : و هو المادة الخارجيةالتي تحيط بالقلب الزجاجي وهي مصنوعة من زجاج يختلف معامل انكساره عن معامل انكسارالزجاج الذي يصنع منه القلب ويعكس الضوء باستمرار ليظل في داخل القالب الزجاجي .

الغلافالواقي(Buffer Coating) : غلافبلاستيكي يحمي القلب من الضرر مئات أو ربما الآلاف من هذه الألياف الضوئية تصطف معافي حزمة لتكون الحبل الضوئي .

ثالثاً : أنواع الألياف الضوئية (Fiber Optics) :النوعالمنفرد (الاحادى)( Single Mode Fiber) ,وهو الذى تنقل من خلالة معلومة واحدة على هيئة إشارة ضوئية, وبمعنى أخر تنتقل منخلالها إشارة ضوئية واحدة فقط في كل ليفه ضوئية من ألياف الحزمة وهي تستخدم فيشبكات التلفون وكبلات التلفزيون, هذا النوع من الألياف يتميز بصغر نصف قطر القلبالزجاجي حيث يصل إلى حوالي 9 ميكرون (Micron), وتمر من خلاله أشعة الليزر تحتالحمراء ذات الطول الموجي 1.3-1.55 nm.

النوع المتعدد (الحزم المعلوماتية) (Multi Mode Fibers) : وبها يتم نقل العديد من الإشارات الضوئية من خلال الليفة الضوئية الواحدةمما يجعل استخدامها أفضل لشبكات الحاسوب والانترنت, هذا النوع من الألياف يكون نصفقطره اكبر حيث يصل إلى 62.5 ميكرون (Micron), وتنتقل من خلاله الأشعة تحت الحمراء .

رابعاً: مكونات نظم الألياف الضوئية :يتكون نظام الألياف الضوئية من ثلاث أجزاء أساسية هى :المترجم (المشفر) (Transmitter) :و هو الذي ينتج ويشفر الإشارةالضوئية حيث يكون الجزء الأساسي به هو المصدر الضوئي الذي قد يكون ليزر أو الدايودالضوئي فإذا أردنا مثلا نقل إشارة تلفزيونية أو أي معلومة فانه من الضروري تحويرالشارة الضوئية طبقا للمعلومة المراد نقلها. تحوير الإشارة الضوئية قد يتم بتغييرشدتها ارتفاعا و انخفاضا analogue modulation أو إشعالها و إطفائها في تتابع و هوما يعرف ب digital modulation

الكابل (الليف الضوئى) (Fiber-Optic) : وهوالذي يقوم بتوصيل الإشارة الضوئية عبر المسافات و هو الجزء الذي تم شرحهبالتفصيل.

الخادم(المستقبل) (Receiver) : يستقبل الإشارة الضوئية ويفكشفرتها ليحولها إلى إشارة كهربية ترسل إلى المستخدم الذي قد يكون التلفزيون أوالتلفون .

خامساً: فكرة عمل الألياف الضوئية (Fiber Optics) :

افترض انك تريد أنتوصل ومضة ضوئية خلال مسار طويل مستقيم كل ما عليك هو أن توجه الضوء خلال هذاالمسار و لان الضوء ينتقل في خطوط مستقيمة فانه سيصل للطرف الآخر بلامشاكل. لكن ماذا لو كان المسار بهانحناء؟ بسهولة يمكن أن تتغلب على ذلك بوضع مرآة عند الانحناء لتعكس الضوء إلى داخلالمسار مرة أخرى . و بنفس الطريقة تحل المشكلة لو كان المسار كثير الانحناءات حيثتصف مرايا على طول المسار لتعكس الضوء باستمرار من جانب لأخر ليبقى في مساره. هذهبالضبط هي فكرة عمل الألياف الضوئية. حيث ينتقل الضوء بواسطة الانعكاس المستمر عنالجدار المحاذي للقلب الزجاجي(Cladding) انعكاسا داخليا كليا. و لان هذا الجدار لايمتص أي من الضوء الساقط عليه فان الإشارة الضوئية يمكن أن تسافر مسافات طويلة. ولكن يحدث أحيانا أن يفقد جزء من الضوء حيث تمتصه الشوائب الموجودة في القلبالزجاجي.

سادساً: الأساس الفيزيائي لنقل الضوء خلال الألياف البصرية :

ظاهرة الإنعكاسالداخلي الكلي total internal reflection هي الأساس الفيزيائي لتكنولوجيا نقل الضوءعبر الآلياف الزحاجية حيث ان أننا ذكرنا سابقا أن كلا من القالب الزجاجي والقشرةالزجاجية من الزجاج ولكن معامل انكسارهما مختلف. فلماذا كان معامل الانكسار مختلفولماذا وجدت طبقتين من الزجاج؟

تخيل لواننا قمنا بالتجربة الموضحة في الشكل التالي والتي تمثل شعاع من الليزر في حوض منالماء وتشكل حافة الماء حاجز بين وسطين هما الماء الذي معامل انكساره اكبر من وسطالهواء، فعندما يسقط شعاع الليزر عموديا على الحاجز فإنه ينفذ بالكامل، اما اذازادت الزاوية تدريجياً نلاحظ أن جزء من الشعاع ينفذ والجزء الأخر ينعكس داخل الماءوكلما زادت زاوية السقوط كلما قلت شدة الشعاع النافذ وازدادت شدة الشعاع المنعكس،وعند زاوية (تقريباً 48.6 درجة) تسمى الزاوية الحرجة يخرج الشعاع موازياً لسطحالماء واذا زادت زاوية السقوط قليلاً عن الزاوية الحرجة فإن الشعاع ينعكس بالكاملولا ينفذ منه شيئاً وهذه الحالة تسمى الإنعكاس الكلي الداخلي total internal reflection تحدث ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي اذا تحقق الشرطينالتاليين:

(1) أن ينتقل الضوءمن وسط ذو كثافة ضوئية أعلى (معامل انكساره كبير) إلى وسط أقل كثافة ضوئية (معاملانكساره اقل).(2) أن تكونزاوية السقوط اكبر من الزاوية الحرجة.

كتطبيق على ظاهرةالانعكاس الكلي الداخلي قم بتسليط شعاع ليزر على ماء مندفع من فتحة صغيرة كما فيالشكل، وستجد أن مسار الليزر ينحرف مع انسياب الماء، والسبب في ذلك ان الليزر ينعكسعلى السطح الداخل للماء حيث يفصل هذا السطح بين وسطين مختلفين في معاملالانكسار.
نفسالظاهرة تحدث في الليزر عبر الألياف الضوئية حيث أن الضوء بمجرد عبوره إلى داخلالقالب الزجاجي core سينعكس على السطح الداخلي للقشرة الزجاجية لان معامل انكسارهااكبر من القالب ويستمر الليزر بالانعكاس على جانبي القالب بغض النظر إذا كانتالألياف الضوئية مستقيمة أومنحنية.رابعاً: كيفتصنع الألياف الضوئية :

كما سبق و ذكرناتصنع الألياف الضوئية من زجاج على درجة عالية من النقاء حيث وصفت إحدى الشركات ذلكبان قالت لو كان هناك محيط من الألياف الضوئية يصل للعديد من الأميال و نظرت من علىسطحه للقاع يجب أن تراه بوضوح. صناعةالألياف الضوئية تتم كما يلي :

1-عمل اسطوانة زجاجية غير مشكلة .2-سحبالألياف الضوئية من هذه الاسطوانة الزجاجية .3-اختبارالألياف الضوئية .

الزجاج المستخدم فيعمل الاسطوانة الغير مشكلة يصنع من خلال عملية تسمى modified chemical vapour deposition حيث يمرر الأكسجين على محلول من كلوريد السليكون وكلوريد الجرمانيوم كيماويات أخرى ثم تمرر الأبخرة المتصاعدة داخل أنبوب من الكوارتزموضوع في مخرطة خاصة عندما تدار يتحرك مجمر حول أنبوب الكوارتز حيث تتسبب الحرارةالعالية في حدوث شيئينيتفاعل السليكون والجرمانيوم مع الأكسجين لتكوين أكسيدالسليكون وأكسيد الجرمانيوم .يترسب أكسيد السليكون و أكسيد الجرمانيوم على جدارالأنبوب من الداخل و يندمجان معا لتكوين الزجاج الخام المطلوب حيث يمكن التحكمبدرجة نقاء وصفات الزجاج المتكون من خلال التحكم بالخليط. الآن يتم سحب الألياف من هذه اسطوانة الخام الغير مشكلةبوضعها في أداة السحب حيث ينزل الزجاج الخام في فرن كربوني درجة حرارته 1,900-2,200 درجة سليزية فتبدأ المقدمةفي الذوبان حتى ينزل الذائب بتأثير الجاذبية و بمجرد سقوطه يبرد مكونا الجديلةالضوئية. هذه الجديلة تعالج بتغليف متتابع أثناء سحبها بواسطة جرار مع قياس مستمرلنصف القطر باستخدام ميكرومترليزري. تسحب الألياف من القالب الخام بمعدل 10-20m/s .

يتم بعد ذلك اختبارالألياف من ناحية: معامل الانكسار،الشكل الهندسي و خصوصا نصف القطر، تحملها للشد، تشتت الإشارات الضوئية خلالها، سعةحمل المعلومات، تحملها لدرجات الحرارة و إمكانية توصيل الضوء تحت الماء .

ثامناً: مميزات الألياف الضوئية :

من الأسباب التيأدت إلى شهرة الألياف الضوئية وارتباطها بالثورة المعلوماتية وتكنولوجيا الاتصالاتما تمتاز به من خصائص ,ومن هذه الخصائصما يلي :1-القدرة الكبيرة على حمل المعلومات لان الألياف الضوئيةارفع من الأسلاك العادية فانه يمكن وضع عدد كبير منها داخل الحزمة الواحدة مما يزيدعدد خطوط الهاتف أو عدد قنوات البث التلفزيوني في حبل واحد. يكفي أن تعرف إن عرضالنطاق للألياف الضوئية اقل حجما حيث أن نصف قطرها اقل من نصف قطر الأسلاك النحاسيةالتقليدية فمثلا يمكن استبدال سلك نحاسي قطره 7.62سم بآخر من الألياف الضوئية قطرهلا يتجاوز0.635سم و هذا يمثل أهمية خاصة عند مد الأسلاك تحت الأرض.2-خفيفةالوزن فيمكن استبدال أسلاك نحاسية وزنها 94.5كجم بأخرى من الألياف الضوئية تزن فقط 3.6كجم.3- فقد اقل للإشارات المرسلة .4- عدمإمكانية تداخل الإشارات المرسلة من خلال الألياف المتجاورة في الحبل الواحد ممايضمن وضوح الإشارة المرسلة سواء أكانت محادثة تلفونية أو بث تلفزيوني. كما إنها لاتتعرض للتداخلات الكهرومغناطيسية مما يجعل الإشارة تنتقل بسرية تامة مما له أهميةخاصة في الأغراض العسكرية.5- غيرقابلة للاشتعال مما يقلل من خطر الحرائق .6- تحتاجإلى طاقة اقل في المولدات لان الفقد خلال عملية التوصيلقليل.

تاسعاً: استخدامات الألياف الضوئية :- رغم إناستخدام الألياف الضوئية لنقل المعلومات عبر المسافات الطويلة استحوذ على معظمالاهتمام إلا أنها تستخدم لنقل المعلومات عبر المسافات القصيرة أيضا حيث تصل بينالكمبيوتر الرئيسي و الكمبيوترات الجانبية أو الطابعة. بعيدا عن مجال الاتصالاتظهرت هناك استخدامات أخرى عديدة و مهمة لهذه الألياف فمثلا نتيجة لمرونتها و دقتهادخلت في صناعة الكاميرات الرقمية المتعددة المستخدمة في التصوير الطبي مثل التصويرالشعبي و المناظير. كما دخلت في تصنيع الكاميرات المستخدمة في التصوير الميكانيكيلفحص اللحام و الوصلات في الأنابيب و المولدات. و لفحص أنابيب المجاري الطويلة منالداخل.- استخدمت الألياف الضوئية أيضا كمجسات لتحديد التغير فيدرجات الحرارة و الضغط strain حيث تفضل على المجسات العادية لصغر حجمها و حساسيتهاللتغيرات الصغيرة و دقة أدائها. احد التطبيقات المهمة لها كمجسات لقياس strain يكونبإدخالها في صناعة جدار بعض الطائرات مما يمنح الطائرة جدار مميز يحذر الطيار منالضغط الواقع على أجنحة أو جسم الطائرة .- الأليافالضوئية دخلت في الكثير من الصناعات وخصوصا الاتصالات وشبكات الكمبيوتر, كما تستخدمفي التصوير الطبي بأنواعه و في كمجسات عالية الجودة للتغير في درجة الحرارة و الضغطبما له من تطبيقات في التنقيب في باطن الأرض .