تقنية الاتصال عبر الألياف البصرية

سوف نتعرف في هذا المقال على أبرز النقاط التالية:

1. مفهوم الألياف الضوئية ( البصرية )، أو ما يعرف بمصطلح ( Fiber Optic ).
2. آلية عمل الألياف الضوئية.
3. أنواع الألياف الضوئية والكابلات.
4. فرق الألياف الضوئية مقابل الكابلات النحاسية.
5. أبرز المزايا و العيوب في الألياف الضوئية.
6. تطبيقات على الألياف الضوئية.

أولاً: مفهوم الألياف الضوئية ( البصرية ) أو ما يعرف بمصطلح ( Fiber Optic ):

الألياف الضوئية ( الألياف البصرية ): عبارة عن خيوط رفيعة وطويلة من الزجاج النقي جداً، يتم ترتيبها في حزم تسمى الكابلات الضوئية وتستخدم لنقل إشارات الضوء عبر مسافات طويلة.

إذا نظرت عن كثب إلى ألياف بصرية واحدة، فسترى أنها تحتوي على الأجزاء التالية:

1. النواة Core: هي مركز زجاجي رقيق من الألياف حيث ينتقل الضوء.
2. الكسوة Cladding: هي مادة بصرية خارجية تحيط باللب وتعكس الضوء مرة أخرى إلى القلب.
3. طلاء عازل Buffer: وهو طلاء بلاستيكي يحمي الألياف من التلف والرطوبة.
4. الغلاف Jacket: وهو الغطاء الخارجي للكابل يقوم بحماية الحزم وترتيب المئات أو الآلاف من هذه الألياف الضوئية في الكابلات الضوئية.

الشكل (١): أجزاء بناء الألياف البصرية.

ثانياً: آلية عمل الألياف الضوئية أو البصرية:

تحتوي أجهزة إرسال الألياف الضوئية على دائرة واجهة، ودائرة محرك مصدر، بالإضافة إلى مصدر ضوئي.

دائرة الواجهة تستقبل الإشارات الكهربائية، و تقوم دائرة محرك المصدر بتحويل هذه الإشارات إلى إشارات ضوئية وتقوم بتشغيل الصمام الثنائي (LED) أو الصمام الثنائي الليزر الذي يرسل بعد ذلك إشارات أشعة الشمس إلى كابل الألياف الضوئية، كما في الشكل التالي:

الشكل (٢): عملية عمل الألياف البصرية.

” هنا فيديو توضيحي كيفية عمل كابلات الألياف البصرية – مترجم للعربية “

بخصوص مصادر الإضاءة هناك نوعان رئيسيان من أجهزة إرسال الألياف البصرية التي يتم استخدامها اليوم، كلاهما يعتمد على تقنية أشباه الموصلات:

1. الثنائية الباعثة للضوء ( LEDs ): تُستخدم مصابيـح الـ LED بشكل أساسي لمسافات الإرسال القصيرة إلى المتوسطة؛ لأنها تحتوي على مناطق انبعاث كبيرة نسبيًا، كما تكلف الأشياء اللامعة أقل من ثنائيات الليزر ولكنها تمتلك نطاقًا ترددياً محدوداً.
2. ثنائية الليزر ( Laser diodes ): يمكن لثنائيات الليزر مضاعفة طاقة الألياف الضوئية عدة مرات مقارنة بمصابيح LED، إذ أنها أغلى ثمناً لكنها مطلوبة للتطبيقات التي يجب أن تنقل الإشارات عبر مسافات طويلة.

الشكل (٣): مقارنة توضيحية بين ثنائية LEDs & Laser.

ثالثاً: أنواع الألياف الضوئية والكابلات:

تأتي الألياف الضوئية في نوعين رئيسيين، وهما:

1. الألياف أحادية الوضع ( SMF ): تحتوي الألياف أحادية الوضع على نوى صغيرة، وبالتالي تُستخدم مع مصادر الليزر للحصول على روابط بعيدة المدى بسرعة قصوى، كما ينقلون ضوء الليزر بالأشعة تحت الحمراء (IR) بطول موجة من (١٣٠٠) إلى(٥٥٠) نانومتر على الأقل.
2. الألياف متعددة الأوضاع ( MMF ): تحتوي الألياف متعددة الأوضاع على نوى أكبر وتستخدم بشكل أساسي مع مصادر LED من أجل روابط أقل سرعة وأقصر مسافة، كما إن سرعة النقل النموذجية وحدود المسافة هي (١٠٠ ميجابت/ثانية) لحوالي تقريباً (٢ كم)، و (١ جيجابت/ثانية) إلى (٢٢٠–٥٥٠ م )، و (١٠ جيجابت / ثانية) إلى (٣٠٠ م).

الشكل (٤): الألياف الضوئية أحادية الوضع & متعددة الأوضاع.

يمكن أن تشمل أنواع كابلات الألياف الضوئية على:

1. الكابلات البسيطة Simplex: هي كابلات  ألياف ضوئية ذات ألياف بصرية واحدة يتم استخدامها في التطبيقات التي لا تتطلب سوى نقل البيانات في اتجاه واحد، كما أنها تتوفر في الوضع الفردي والوضع المتعدد.
2. كابلات الطباعة المزدوجة  Duplex: هي كابلات الألياف الضوئية ذات الألياف الضوئية يتم إعدادها عادةً جنباً إلى جنب، ويمكن استخدامها للتطبيقات التي تتطلب نقل بيانات متزامن ثنائي الاتجاه، الألياف المزدوجة متوفرة في الوضع الفردي والوضع المتعدد.
3. كابلات متعددة الألياف Multifiber: هو كابل ألياف بصرية به عدة ألياف بصرية.
4. سلك  Patch Cord: أسلاك التصحيح هي أطوال قصيرة من كابلات الألياف الضوئية مع موصلات يمكن توصيلها مباشرة بمعدات أخرى للتوصيل وإدارة الراحة.
5. كابلات الألياف العارية Bare Fiber Cable: تشير الألياف العارية إلى قلب الألياف الضوئية والكسوة فقط، تُستخدم هذه الألياف بشكل أساسي لتوصيل المعدات من أحد الأطراف بمصدر الضوء من الطرف الآخر.

للتنوية:

• مواصفات الأداء والمدخلات عند اختيار أجهزة إرسال الألياف الضوئية ستجد خمسة مواصفات أداء رئيسية:

1. معدل البيانات.
2. وقت صعود جهاز الإرسال.
3. الطول الموجي.
4. العرض الطيفي.
5. قدرة الإخراج الضوئية القصوى.

• تتضمن المدخلات (TTL و ECL و CMOS و RF) والفيديو.

رابعاً: فرق الألياف الضوئية مقابل الكابلات النحاسية:

كانت الكابلات النحاسية هي الخيار التقليدي للاتصالات السلكية واللاسلكية والشبكات وتوصيلات الكابلات لسنوات ومع مرور الوقت أصبحت الألياف الضوئية بديلاً شائعاً، لأن معظم خطوط المسافات الطويلة الخاصة بشركات الهاتف مصنوعة الآن من كابلات الألياف البصرية.

تحمل الألياف الضوئية معلومات أكثر من الأسلاك النحاسية التقليدية؛ بسبب عرض النطاق الترددي العالي والسرعات العالية نظراً لأن الزجاج لا يوصل الكهرباء فإن الألياف الضوئية لا تخضع للتداخل الكهرومغناطيسي ويتم تقليل فقد الإشارة إلى الحد الأدنى.

خامساً: أبرز المزايا و العيوب في الألياف الضوئية:

تشمل المزايا ما يلي:

1. دعم عرض النطاق الترددي العالي.
2. يقطع الضوء مسافات طويلة دون الحاجة إلى قدر كبير من تعزيز الإشارة.
3. أقل عرضة للتداخل مثل التداخل الكهرومغناطيسي.
4. يمكن غمرها في الماء.
5. تعتبر كابلات الألياف الضوئية أقوى وأرق وأخف وزناً من كابلات الأسلاك النحاسية.
6. لا تحتاج إلى صيانتها أو استبدالها بشكل متكرر.

تشمل هذه العيوب ما يلي:

1. الأسلاك النحاسية أرخص من الألياف البصرية.
2. تتطلب الألياف الزجاجية حماية أكبر داخل كابل خارجي أكثر من النحاس.
3. يتطلب تركيب الكابلات الجديدة عمالة كثيفة.
4. غالبًا ما تكون كابلات الألياف الضوئية أكثر هشاشة، على سبيل المثال يمكن أن تنكسر الألياف أو يمكن أن تفقد إشارة إذا كان الكابل منحنياً حول نصف قطر يبلغ بضعة سنتيمترات.

سادساً: تطبيقات على الألياف الضوئية:

تستخدم كابلات الألياف الضوئية في العديد من التطبيقات المهمة، مثل:

1. الاتصالات الهاتفية.
2. الاتصالات التلفزيونية.
3. المحطات الكهربائية لنقل المعلومات.
4. المجال العسكري؛ لخفة وزنها وسهولة نقلها وصيانتها.