تويت
ليف ضويي Optical fiber - Fibre optique
الليف الضوئي
انتشرت الألياف الضوئية optical fibers اليوم انتشاراً واسعاً في نظم الاتصالات ونقل المعلومات، ولا يستغنى عنها في نقل المكالمات الهاتفية والإشارات التلفزيونية والمعلومات عبر الشابكة (الإنترنت) والبريد الإلكتروني بمعدلات نقل عالٍ. كما دخلت بقوة في مجال الحساسات، ويوجد اليوم في الأسواق حساسات متنوعة مثل حساسات للحرارة، وللتيار الكهربائي، وللجهد الكهربائي وللسرعة الزاوية.
مزايا الألياف الضوئية
تمتاز الألياف الضوئية بالنسبة إلى وسائط النقل الأخرى (الأسلاك النحاسية والكبلات المحورية وغيرها)؛ بالمزايا الآتية:
الشكل (1) الليف الضوئي
أ - القدرة على نقل كمية هائلة من المعلومات (أي عرض حزمة ترددية واسع).
ب - تخميد قليل للإشارة.
جـ - صعوبة سرقة الإشارة من الليف.
د- توافر المواد الأولية لصناعتها.
هـ - خفة الوزن وصغر الحجم نسبياً.
تعريف الليف الضوئي
يبدو الليف الضوئي في مظهره الخارجي بشكل شعيرة من الزجاج النقي، قطرها يساوي تقريباً قطر شعرة الرأس، ويتألف من الأجزاء الآتية (الشكل 1):
القلب core: هو أسطوانة مصنوعة من الزجاج النقي، ينتشر فيه معظم الضوء الناقل للمعلومات، يراوح قطره بين 9 و62.5 ميكروناً وأحياناً أكثر.
اللحاء cladding: وهو أسطوانة زجاجية ثانية تحيط بالأولى ومتمركزة معها، قرينة انكسارها أصغر من قرينة انكسار القلب، وبذلك توفر الشرط اللازم لانتشار معظم الضوء داخل القلب. يبلغ قطر اللحاء 125 ميكروناً في معظم الألياف.
التغليف الأولي primary coating or buffer: وهو غلاف من البلاستيك يتوضَّع فوق اللحاء ويبلغ قطره نحو 250 ميكروناً. ويفيد هذا الغلاف في حماية الليف من الكسر والرطوبة، وفي إكسابه المرونة اللازمة ليتم التعامل معه بسهولة.
يستخدم الليف بهذا الشكل في المخابر فقط. أما من أجل الاستخدام الحقلي، فتجري عمليات تقوية أخرى للّيف كي يقاوم الظروف المناخية والانقطاع السهل والقوارض والإنحناءات. وبالنتيجة يتم الحصول على كبل ألياف ضوئية، يحوي مجموعة من الألياف، يتمكن كل واحد منها من نقل اتصالات ومعلومات مختلفة. ويبين الشكل (2) صورة حقيقية لكبلات ألياف ضوئية.
الشكل (2) صورة حقيقية لكبلات ألياف ضوئية
أنواع الألياف الضوئية
تطورت أنواع الألياف الضوئية عبر السنوات، وفرضت ظروف الاستخدام في الاتصالات والحساسات وتغير التقانة، ظهور بعض الأنواع الجديدة واختفاء أخرى.
كانت الألياف المنخفضة الضياع الأولى التي صنعت، مثلاً، وحيدة النمط وصغيرة القلب، وكانت هناك صعوبة كبيرة في حقن الاستطاعة الضوئية داخلها. و قد أدت هذه الصعوبة إلى تطوير ألياف ذات قلب أكبر ومتعددة الأنماط وذات قرينة انكسار متدرجة graded index multimode fiber وسعة نقل معلومات أعلى من مثيلاتها ذات قرينة الانكسار الدرجية step index.
وفيما بعد، ونتيجة التطورات في تقانة حقن الضوء في الليف، عاد الاهتمام بالألياف وحيدة النمط التي يمكنها نقل معلومات بسعات أكبر، وهي المسيطرة اليوم في نظم الاتصالات، وأصبحت الألياف متعددة الأنماط ومتدرجة قرينة الانكسار قليلة الاستعمال.
ويمكن على سبيل المثال ذكر الأنواع الآتية للألياف:
أ- الألياف المتعددة الأنماط ذات قرينة الانكسار الدرجية.
ب - الألياف المتعددة الأنماط ذات قرينة الانكسار المتدرجة graded index، وهي ألياف قلبها زجاجي ولحاؤها زجاجي أو بلاستيكي.
جـ - ألياف الأشعة فوق البنفسجية UV optical fibers المستخدمة في بعض الأجهزة لنقل الأشعة فوق البنفسجية لمسافات قصيرة عموماً.
د- الألياف البلاستيكية، وهي عموماً ألياف متعددة الأنماط مصنوعة من مواد بلاستيكية كاملاً.
صنع الألياف الضوئية
إن صنع الألياف عملية معقدة وتتطلب تجهيزات خاصة. أول خطوتها هي صنع قضيب من الزجاج عالي النقاوة يسمى بالشكل الأولي preform. وهذا الشكل الأولي يمتلك القلب واللحاء معاً، بعد ذلك يتم سحب الشكل الأولي في برج السَّحب على شكل ألياف رفيعة تغطى بدورها بطبقة حماية بلاستيكية مباشرة في أثناء سحبها.
الشكل (3) تصنيع الشكل الأولي
الشكل (4) برج سحب الألياف الضوئية
هناك طرائق متعددة لكيفية صنع الشكل الأولي؛ أما الخطوات الأخرى في الصنع فهي متشابهة بالنسبة إلى جميع الألياف.
يبين الشكل (3) إحدى طرائق صنع الشكل الأولي. في هذه الطريقة تُؤكسد أبخرة عالية النقاوة من كلور السليسيوم SiCl4 وكلور الجرمانيوم GeCl4 تحت درجة حرارة عالية توفرها شعلة وينتج من ذلك عنصر السيليكاSiO2 وهو الزجاج، ومادة الجرمانيا GeO2 التي تغير قرينة الانكسار، وتوضع هذه النواتج على قضيب دوَّار كما يبين الشكل (3).
إن إدخال مادة أخرى في تفاعل مع كلور السليسيوم يغير تركيب المادة الناتجة المتوضعة على القضيب الدوار.
وبهذه الطريقة تصنع في البداية مادة القلب، ثم تغير المواد للحصول على مادة اللحاء.
يؤخذ الناتج بعدها عن قضيب التصنيع ويعالج حرارياً ليعطي التركيب الكثيف المطلوب.
تسمى هذه الطريقة بتوضع الأبخرة الخارجي outside vapor deposition.
يبين الشكل (4) المرحلة التالية من صنع الليف، وهو برج سحب الألياف drawing tower حيث يوضع الشكل الأولي عمودياً داخل فرن وترفع درجة حرارته حتى ينصهر، وعندها تبدأ إمكانية سحب ألياف رفيعة منه. إن نسبة القلب إلى اللحاء في الليف المسحوب هي كنسبتها في الشكل الأولي. ولابد، في أثناء صنع الشكل الأولي، من مراعاة ذلك.
وحتى يتم ضبط أبعاد الليف توجد في برج السحب، الشكل (4)، أداة لقياس قطر الليف قبل حمايته بالبلاستيك من أجل ضبط قطره، بعد ذلك يُغلف بالبلاستيك ثم يلف على بكرة.
تطبيقات الألياف في مجال الحساسات sensors
هناك تطبيقات كثيرة للألياف الضوئية في مجال الحساسات يؤدي فيها الليف أدواراً مختلفة. وأبسط استخدامات الليف كحساس هي استخدامه كمجس لكشف تغيرات الضوء خارجه. فإذا وضع الليف لجمع الضوء من نقطة معينة لمعرفة فيما إذا كان جسم ما موجوداً أم لا، عمل الليف كحساس لوجود هذا الجسم أو عدم وجوده.
تكشف حساسات الألياف أيضاً تغيرات الضوء الذي ينتشر داخل الليف نفسه، عندما يؤثر في الليف مؤثر خارجي.
يبين الشكل (5) أحد استخدامات حساسات الألياف على خط إنتاج لعد القطع المنتَجة، فعند مرور كل قطعة تتغير الإضاءة في ليف الخرج.
من مزايا هذه الطريقة أن الليف يستقبل الضوء بزوايا صغيرة، فهو لا يتأثر بتغيرات الإضاءة الأخرى مثل الأنوار الكهربائية، ويمكن نقل معلوماتها إلى مكان بعيد، كغرفة التحكم مثلاً.
الشكل (5) حساس ألياف لعدة قطع ميكانيكية (في الرسم اليساري لا بنفذ الضوء بينما ينفذ في الرسم اليميني)
يمكن استخدام بعض الآثار الضوئية، مثل التداخل، لكشف آثار صغيرة جداً على طول ألياف طويلة، وهذا الأثر يمكّن من كشف تغيرات في درجة الحرارة، أو الضغط، أو الحقول المغنطيسية على طول الليف.
تطبيقات الألياف في مجال الاتصالات
يتألف النظام الأساسي للاتصال بالألياف الضوئية من المكونات الآتية (الشكل 6):
أ- المرسل الضوئي: وهو العنصر الذي يولِّد الإشارة الضوئية التي تُحقن في الليف، وعليه أن يوفر على الأقل الاستطاعة الكافية والسرعة اللازمة.
في نظم الاتصال الحديثة (الرقمية) تُرمَّز المعلومات وتُولَّد سلسلة من النبضات الكهربائية الموافقة للمعلومات يقوم المرسل بتحويلها إلى نبضات ضوئية، أي كل نبضة كهربائية تقابلها دفقة ضوئية، تحقن في الليف وتنقل عبره إلى المستقبِل في الطرف الثاني.
الشكل (6)نظام الاتصال الأساسي بالألياف الضوئية
وأشهر أنواع المرسلات المستخدمة في نظم الألياف هي ما يعرف بالديودات المصْدِرة للضوء وتختصر بـ(LED) أو الديودات الليزرية (LD) وكلا النوعين مصنّع من مواد نصف ناقلة، تصدر ضوءاً عند تمرير تيار كهربائي فيها.
تعطي هذه المرسلات استطاعة ضوئية نحو الميلي واط وترددات تصل إلى 40 GHz.
ب - الليف الضوئي: مهمة الليف، كما هو واضح، أن ينقل الإشارة بين جهتي الإرسال والاستقبال، ولضمان وثوقية الاتصال لابد من أن يكون الليف المستخدم محمياً بما يوافق ظروف الاستثمار، كما يجب أن يوفر الليف عرض الحزمة الترددية المناسبة؛ وألا يكون تخميده للإشارة المطلوب نقلها كبيراً ليسمح بكشف جيد للإشارة في جهة الاستقبال.
ج- المستقبِل الضوئي: يتلخص دور المستقبل في كشف الإشارة الضوئية وتحويلها إلى إشارة كهربائية؛ ومن ثم فك ترميز الإشارة و توزيعها إلى مداخل خطوط المستثمرين.
يتألف المستقبل الضوئي بصفة أساسية من جزأين:
- الكاشف الضوئي: وهو العنصر الذي يتلقّى الإشارة الضوئية من الليف ويحوِّلها إلى إشارة كهربائية وهو عموماً عبارة عن ديود نصف ناقل.
- إلكترونيات معالجة: مهمتها تضخيم الإشارة الكهربائية الناتجة من الكاشف وفك ترميزها وجعلها صالحة للاستخدام من قبل المستثمرين.
شكري مقداد
الليف الضوئي
انتشرت الألياف الضوئية optical fibers اليوم انتشاراً واسعاً في نظم الاتصالات ونقل المعلومات، ولا يستغنى عنها في نقل المكالمات الهاتفية والإشارات التلفزيونية والمعلومات عبر الشابكة (الإنترنت) والبريد الإلكتروني بمعدلات نقل عالٍ. كما دخلت بقوة في مجال الحساسات، ويوجد اليوم في الأسواق حساسات متنوعة مثل حساسات للحرارة، وللتيار الكهربائي، وللجهد الكهربائي وللسرعة الزاوية.
مزايا الألياف الضوئية
تمتاز الألياف الضوئية بالنسبة إلى وسائط النقل الأخرى (الأسلاك النحاسية والكبلات المحورية وغيرها)؛ بالمزايا الآتية:
الشكل (1) الليف الضوئي
أ - القدرة على نقل كمية هائلة من المعلومات (أي عرض حزمة ترددية واسع).
ب - تخميد قليل للإشارة.
جـ - صعوبة سرقة الإشارة من الليف.
د- توافر المواد الأولية لصناعتها.
هـ - خفة الوزن وصغر الحجم نسبياً.
تعريف الليف الضوئي
يبدو الليف الضوئي في مظهره الخارجي بشكل شعيرة من الزجاج النقي، قطرها يساوي تقريباً قطر شعرة الرأس، ويتألف من الأجزاء الآتية (الشكل 1):
القلب core: هو أسطوانة مصنوعة من الزجاج النقي، ينتشر فيه معظم الضوء الناقل للمعلومات، يراوح قطره بين 9 و62.5 ميكروناً وأحياناً أكثر.
اللحاء cladding: وهو أسطوانة زجاجية ثانية تحيط بالأولى ومتمركزة معها، قرينة انكسارها أصغر من قرينة انكسار القلب، وبذلك توفر الشرط اللازم لانتشار معظم الضوء داخل القلب. يبلغ قطر اللحاء 125 ميكروناً في معظم الألياف.
التغليف الأولي primary coating or buffer: وهو غلاف من البلاستيك يتوضَّع فوق اللحاء ويبلغ قطره نحو 250 ميكروناً. ويفيد هذا الغلاف في حماية الليف من الكسر والرطوبة، وفي إكسابه المرونة اللازمة ليتم التعامل معه بسهولة.
يستخدم الليف بهذا الشكل في المخابر فقط. أما من أجل الاستخدام الحقلي، فتجري عمليات تقوية أخرى للّيف كي يقاوم الظروف المناخية والانقطاع السهل والقوارض والإنحناءات. وبالنتيجة يتم الحصول على كبل ألياف ضوئية، يحوي مجموعة من الألياف، يتمكن كل واحد منها من نقل اتصالات ومعلومات مختلفة. ويبين الشكل (2) صورة حقيقية لكبلات ألياف ضوئية.
الشكل (2) صورة حقيقية لكبلات ألياف ضوئية
أنواع الألياف الضوئية
تطورت أنواع الألياف الضوئية عبر السنوات، وفرضت ظروف الاستخدام في الاتصالات والحساسات وتغير التقانة، ظهور بعض الأنواع الجديدة واختفاء أخرى.
كانت الألياف المنخفضة الضياع الأولى التي صنعت، مثلاً، وحيدة النمط وصغيرة القلب، وكانت هناك صعوبة كبيرة في حقن الاستطاعة الضوئية داخلها. و قد أدت هذه الصعوبة إلى تطوير ألياف ذات قلب أكبر ومتعددة الأنماط وذات قرينة انكسار متدرجة graded index multimode fiber وسعة نقل معلومات أعلى من مثيلاتها ذات قرينة الانكسار الدرجية step index.
وفيما بعد، ونتيجة التطورات في تقانة حقن الضوء في الليف، عاد الاهتمام بالألياف وحيدة النمط التي يمكنها نقل معلومات بسعات أكبر، وهي المسيطرة اليوم في نظم الاتصالات، وأصبحت الألياف متعددة الأنماط ومتدرجة قرينة الانكسار قليلة الاستعمال.
ويمكن على سبيل المثال ذكر الأنواع الآتية للألياف:
أ- الألياف المتعددة الأنماط ذات قرينة الانكسار الدرجية.
ب - الألياف المتعددة الأنماط ذات قرينة الانكسار المتدرجة graded index، وهي ألياف قلبها زجاجي ولحاؤها زجاجي أو بلاستيكي.
جـ - ألياف الأشعة فوق البنفسجية UV optical fibers المستخدمة في بعض الأجهزة لنقل الأشعة فوق البنفسجية لمسافات قصيرة عموماً.
د- الألياف البلاستيكية، وهي عموماً ألياف متعددة الأنماط مصنوعة من مواد بلاستيكية كاملاً.
صنع الألياف الضوئية
إن صنع الألياف عملية معقدة وتتطلب تجهيزات خاصة. أول خطوتها هي صنع قضيب من الزجاج عالي النقاوة يسمى بالشكل الأولي preform. وهذا الشكل الأولي يمتلك القلب واللحاء معاً، بعد ذلك يتم سحب الشكل الأولي في برج السَّحب على شكل ألياف رفيعة تغطى بدورها بطبقة حماية بلاستيكية مباشرة في أثناء سحبها.
الشكل (3) تصنيع الشكل الأولي
الشكل (4) برج سحب الألياف الضوئية
هناك طرائق متعددة لكيفية صنع الشكل الأولي؛ أما الخطوات الأخرى في الصنع فهي متشابهة بالنسبة إلى جميع الألياف.
يبين الشكل (3) إحدى طرائق صنع الشكل الأولي. في هذه الطريقة تُؤكسد أبخرة عالية النقاوة من كلور السليسيوم SiCl4 وكلور الجرمانيوم GeCl4 تحت درجة حرارة عالية توفرها شعلة وينتج من ذلك عنصر السيليكاSiO2 وهو الزجاج، ومادة الجرمانيا GeO2 التي تغير قرينة الانكسار، وتوضع هذه النواتج على قضيب دوَّار كما يبين الشكل (3).
إن إدخال مادة أخرى في تفاعل مع كلور السليسيوم يغير تركيب المادة الناتجة المتوضعة على القضيب الدوار.
وبهذه الطريقة تصنع في البداية مادة القلب، ثم تغير المواد للحصول على مادة اللحاء.
يؤخذ الناتج بعدها عن قضيب التصنيع ويعالج حرارياً ليعطي التركيب الكثيف المطلوب.
تسمى هذه الطريقة بتوضع الأبخرة الخارجي outside vapor deposition.
يبين الشكل (4) المرحلة التالية من صنع الليف، وهو برج سحب الألياف drawing tower حيث يوضع الشكل الأولي عمودياً داخل فرن وترفع درجة حرارته حتى ينصهر، وعندها تبدأ إمكانية سحب ألياف رفيعة منه. إن نسبة القلب إلى اللحاء في الليف المسحوب هي كنسبتها في الشكل الأولي. ولابد، في أثناء صنع الشكل الأولي، من مراعاة ذلك.
وحتى يتم ضبط أبعاد الليف توجد في برج السحب، الشكل (4)، أداة لقياس قطر الليف قبل حمايته بالبلاستيك من أجل ضبط قطره، بعد ذلك يُغلف بالبلاستيك ثم يلف على بكرة.
تطبيقات الألياف في مجال الحساسات sensors
هناك تطبيقات كثيرة للألياف الضوئية في مجال الحساسات يؤدي فيها الليف أدواراً مختلفة. وأبسط استخدامات الليف كحساس هي استخدامه كمجس لكشف تغيرات الضوء خارجه. فإذا وضع الليف لجمع الضوء من نقطة معينة لمعرفة فيما إذا كان جسم ما موجوداً أم لا، عمل الليف كحساس لوجود هذا الجسم أو عدم وجوده.
تكشف حساسات الألياف أيضاً تغيرات الضوء الذي ينتشر داخل الليف نفسه، عندما يؤثر في الليف مؤثر خارجي.
يبين الشكل (5) أحد استخدامات حساسات الألياف على خط إنتاج لعد القطع المنتَجة، فعند مرور كل قطعة تتغير الإضاءة في ليف الخرج.
من مزايا هذه الطريقة أن الليف يستقبل الضوء بزوايا صغيرة، فهو لا يتأثر بتغيرات الإضاءة الأخرى مثل الأنوار الكهربائية، ويمكن نقل معلوماتها إلى مكان بعيد، كغرفة التحكم مثلاً.
الشكل (5) حساس ألياف لعدة قطع ميكانيكية (في الرسم اليساري لا بنفذ الضوء بينما ينفذ في الرسم اليميني)
يمكن استخدام بعض الآثار الضوئية، مثل التداخل، لكشف آثار صغيرة جداً على طول ألياف طويلة، وهذا الأثر يمكّن من كشف تغيرات في درجة الحرارة، أو الضغط، أو الحقول المغنطيسية على طول الليف.
تطبيقات الألياف في مجال الاتصالات
يتألف النظام الأساسي للاتصال بالألياف الضوئية من المكونات الآتية (الشكل 6):
أ- المرسل الضوئي: وهو العنصر الذي يولِّد الإشارة الضوئية التي تُحقن في الليف، وعليه أن يوفر على الأقل الاستطاعة الكافية والسرعة اللازمة.
في نظم الاتصال الحديثة (الرقمية) تُرمَّز المعلومات وتُولَّد سلسلة من النبضات الكهربائية الموافقة للمعلومات يقوم المرسل بتحويلها إلى نبضات ضوئية، أي كل نبضة كهربائية تقابلها دفقة ضوئية، تحقن في الليف وتنقل عبره إلى المستقبِل في الطرف الثاني.
الشكل (6)نظام الاتصال الأساسي بالألياف الضوئية
وأشهر أنواع المرسلات المستخدمة في نظم الألياف هي ما يعرف بالديودات المصْدِرة للضوء وتختصر بـ(LED) أو الديودات الليزرية (LD) وكلا النوعين مصنّع من مواد نصف ناقلة، تصدر ضوءاً عند تمرير تيار كهربائي فيها.
تعطي هذه المرسلات استطاعة ضوئية نحو الميلي واط وترددات تصل إلى 40 GHz.
ب - الليف الضوئي: مهمة الليف، كما هو واضح، أن ينقل الإشارة بين جهتي الإرسال والاستقبال، ولضمان وثوقية الاتصال لابد من أن يكون الليف المستخدم محمياً بما يوافق ظروف الاستثمار، كما يجب أن يوفر الليف عرض الحزمة الترددية المناسبة؛ وألا يكون تخميده للإشارة المطلوب نقلها كبيراً ليسمح بكشف جيد للإشارة في جهة الاستقبال.
ج- المستقبِل الضوئي: يتلخص دور المستقبل في كشف الإشارة الضوئية وتحويلها إلى إشارة كهربائية؛ ومن ثم فك ترميز الإشارة و توزيعها إلى مداخل خطوط المستثمرين.
يتألف المستقبل الضوئي بصفة أساسية من جزأين:
- الكاشف الضوئي: وهو العنصر الذي يتلقّى الإشارة الضوئية من الليف ويحوِّلها إلى إشارة كهربائية وهو عموماً عبارة عن ديود نصف ناقل.
- إلكترونيات معالجة: مهمتها تضخيم الإشارة الكهربائية الناتجة من الكاشف وفك ترميزها وجعلها صالحة للاستخدام من قبل المستثمرين.
شكري مقداد