كيف تعمل الألياف البصرية
الالياف الضوئية
هي خيوط طويلة ورفيعة من الزجاج النقي للغاية حول قطر شعر الإنسان ، يتم ترتيبها في حزم تسمى الكابلات البصرية وتستخدم لنقل إشارات الضوء لمسافات طويلة .
مكونات الألياف البصرية
- النواة – مركز زجاجي رفيع من الألياف حيث ينتقل الضوء .
- الكسوة – مادة بصرية خارجية تحيط بالنواة تعكس الضوء إلى القلب .
-
طلاء عازلة – يتم
تغطية الالياف البصرية
بطلاء بلاستيكي يحمي الألياف من التلف والرطوبة . - يتم ترتيب مئات أو آلاف من هذه الألياف الضوئية في حزم في الكابلات الضوئية ، تتم حماية الحزم بواسطة الغطاء الخارجي للكابل ، والذي يسمى الغلاف .
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 تحتوي 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
ينتقل الضوء الموجود في كابل الألياف الضوئية عبر القلب (المدخل) عن طريق الارتداد المستمر من الكسوة (الجدران المبطنة بالمرآة) ، وهو مبدأ يسمى الانعكاس الداخلي الكلي لأن الكسوة لا تمتص أي ضوء من القلب ، يمكن للموجة الضوئية أن تسافر لمسافات كبيرة .
ومع ذلك ، فإن بعض الإشارات الضوئية تتحلل داخل الألياف ، ويرجع ذلك في الغالب إلى الشوائب في الزجاج يعتمد مدى تدهور الإشارة على نقاء الزجاج والطول الموجي للضوء المرسل (على سبيل المثال ، 850 نانومتر = 60 إلى 75 بالمائة / كم ؛ 1300 نانومتر = 50 إلى 60 بالمائة / كم ؛ 1550 نانومتر أكبر من 50 في المئة / كم) تُظهر بعض الألياف الضوئية المتميزة تدهورًا أقل للإشارة – أقل من 10 بالمائة / كم عند 1550 نانومتر .
أنظمة ترحيل الألياف الضوئية
تتكون أنظمة ترحيل الألياف الضوئية مما يلي:
- جهاز الإرسال – ينتج ويشفر الإشارات الضوئية .
- الألياف الضوئية – تجري إشارات الضوء عبر مسافة .
- المُجدد البصري – قد يكون ضروريًا لتعزيز إشارة الضوء (لمسافات طويلة) .
- جهاز الاستقبال البصري – يستقبل الإشارات الضوئية ويفك تشفيرها .
جهاز الإرسال
يستقبل الجهاز البصري ويوجهه لتشغيل الضوء و “إيقافه” بالتسلسل الصحيح ، وبالتالي توليد إشارة ضوئية ، يكون جهاز الإرسال قريبًا من الألياف الضوئية وقد يحتوي على عدسة لتركيز الضوء على الألياف ، تتمتع أشعة الليزر بقدرة أكبر من مصابيح LED ، ولكنها تختلف بشكل أكبر مع تغيرات درجة الحرارة وتكون أكثر تكلفة ، الأطوال الموجية الأكثر شيوعًا للإشارات الضوئية هي 850 نانومتر و 1300 نانومتر و 1550 نانومتر (الأشعة تحت الحمراء والأجزاء غير المرئية من الطيف) .
الألياف الضوئية
يحدث بعض فقدان الإشارة عندما ينتقل الضوء عبر الألياف ، خاصة 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 تُحدث أنظمة الألياف الضوئية ثورة في مجال الاتصالات؟ بالمقارنة مع الأسلاك المعدنية التقليدية (الأسلاك النحاسية) ، فإن الألياف الضوئية تمتاز بالأتي :
-
أقل تكلفة
– يمكن جعل عدة أميال من الكابلات البصرية أرخص من أطوال مماثلة من الأسلاك النحاسية هذا يوفر مزودك (تلفزيون الكابل والإنترنت) وأموالك . -
قطر أصغر
– يمكن سحب الألياف الضوئية إلى أقطار أصغر من الأسلاك النحاسية . -
قدرة تحمل أعلى
– نظرًا لأن الألياف الضوئية أرق من الأسلاك النحاسية ، يمكن تجميع المزيد من الألياف في كبل بقطر معين أكثر من الأسلاك النحاسية يسمح هذا لمزيد من خطوط الهاتف بالمرور عبر نفس الكابل أو المزيد من القنوات لإدخال الكابل في صندوق تلفزيون الكابل . -
انخفاض أقل للإشارة
– يكون فقدان الإشارة في الألياف الضوئية أقل مما هو عليه في الأسلاك النحاسية . -
الإشارات الضوئية
– على عكس الإشارات الكهربائية في الأسلاك النحاسية ، لا تتداخل الإشارات الضوئية من أحد الألياف مع تلك الخاصة بالألياف الأخرى في نفس الكابل هذا يعني محادثات هاتفية أو استقبال تلفزيوني أوضح . -
طاقة منخفضة
– نظرًا لأن الإشارات الموجودة في الألياف الضوئية تتحلل بدرجة أقل ، يمكن استخدام أجهزة الإرسال منخفضة الطاقة بدلاً من أجهزة الإرسال الكهربائية عالية الجهد اللازمة للأسلاك النحاسية. مرة أخرى ، هذا يوفر موفر الخاص بك وأنت المال . -
الإشارات الرقمية
– الألياف الضوئية مناسبة بشكل مثالي لنقل المعلومات الرقمية ، وهي مفيدة بشكل خاص في شبكات الكمبيوتر . -
غير قابل للاشتعال
– نظرًا لعدم مرور الكهرباء عبر الألياف الضوئية ، فلا يوجد خطر الحريق . -
خفيف الوزن
– يزن الكابل البصري أقل من كبل الأسلاك النحاسية المماثلة وتشغل كابلات الألياف الضوئية مساحة أقل في الأرض . -
مرنة
– نظرًا لأن الألياف الضوئية مرنة جدًا ويمكنها نقل الضوء واستقباله ، يتم استخدامها في العديد من الكاميرات الرقمية المرنة .
استخدامات الألياف البصرية
- التصوير الطبي – في مناظير الشعب الهوائية والمناظير .
- التصوير الميكانيكي – 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 به مؤشر انكسار واحد (م 1) إلى وسط آخر بمؤشر انكسار أقل (م 2) ، فإنه ينحني أو ينكسر بعيدًا عن خط وهمي متعامد على السطح (خط عادي) عندما تصبح زاوية الحزمة عبر m1 أكبر بالنسبة للخط الطبيعي ، ينحني الضوء المنكسر خلال m2 بعيدًا عن الخط .
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 الفيزياء ، يتم وصف الزاوية الحرجة بالنسبة للخط العمودي في الألياف الضوئية ، يتم وصف الزاوية الحرجة فيما يتعلق بالمحور المتوازي الممتد أسفل منتصف الألياف لذلك ، الزاوية الحرجة للألياف الضوئية = (90 درجة – الزاوية الحرجة للفيزياء) .
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 . [1]