ما هى الألياف الضوئية او كابلات الفايبر اوبتك وما هو الفايبر اوبتك

موضوع مهم احدث ثوره فى عالم تكنولوجيا المعلومات وهو الألياف الضوئية  ما هى الألياف الضوئية او كابلات الفايبر اوبتك وما هو الفايبر اوبتك

الألياف البصرية : هي ألياف مصنوعة من الزجاج النقي ، طويلة ورفيعة لا تتعدى سمكها سمك الشعرة ، وتستخدم في نقل الإشارات الضوئية لمسافات بعيدة جدا وبسرعات عالية .

أحدثت الألياف البصرية ثورة في عالم الاتصالات بعد دخوله مجال تقنية الاتصالات ببداية القرن الحادي والعشرين ، وعلى عكس أنواع الكابلات والأسلاك الأخرى التي تعتمد في نقل البيانات على الذبذبات الكهربائية فإن الكابلات المكونة من الألياف البصرية تنقل البيانات عبر نبضات ضوئية.

مما تتكون كابلات الألياف البصرية :

1.  القالب ( Core ) وهو إسطوانة رقيقة جدا من الزجاج الفائق النقاء ولا يتعدى سمكه سمك الشعرة ينتقل من خلاله الضوء.
2.  الصميم أو العاكس ( Cladding ) وهو التي تكسي الصميم يحيث تكون مصممة لعكس الضوء عليه باستمرار ليظل داخل القالب الزجاجي.
3.  الغلاف الواقي ( Buffer coating ) وهو غلاف بلاستيكي يغطي الصميم والقلب ويحميهما من الضرر.

أنواع الألياف الضوئية

الألياف الضوئية يمكن أن تقسم بصفة عامة إلى نوعين أساسيين:

الآلياف الضوئية ذات النمط الاحادي single mode fiber تنتقل من خلالها إشارة ضوئية واحدة فقط في كل ليفة ضوئية من ألياف الحزمة وهي النوع الأسرع نقلا للبيانات وتستخدم في شبكات التلفون و كوابل التلفزيون.
هذا النوع من الألياف يتميز بصغر نصف قطر القلب الزجاجي حيث يصل إلى حوالي micron 9 ( حيث 1 ميكرومتر تساوي 0.001 ملليمتر ) و تمر من خلاله أشعة الليزر تحت الحمراء ذات الطول الموجي 1.3-1.55 nm.

الآلياف الضوئية ذات النمط المتعدد multi -mode fibers و بها يتم نقل العديد من الإشارات الضوئية من خلال الليفة الضوئية الواحدة مما يجعل استخدامها أفضل لشبكات الحاسوب. هذا النوع من الألياف يكون نصف قطره اكبر حيث يصل إلى 62.5micron و تنتقل من خلاله الأشعة تحت الحمراء.

كيف تعمل الألياف الضوئية :

لنفترض اننا نريد ان نرسل حزم من الأشعة الضوئية عبر مسار ما, يمكننا ذلك بأن نوجه الضوء عبر هذا المسار بما أن الضوء يسير عبر خطوط مستقيمة. المشكلة التي يمكن ان تصادفنا هي اذا كان هذا المسار يحتوي على نقطة إنعطاف, ما العمل في مثل هذه الحالة؟ الحل أن نضع مرآة عند نقطة الإنعطاف (Bending) تلك لكي تعكس الضوء عند هذه الزاوية وتعيده الى المسار. كيف إذا كان المسار يحتوي على العديد من نقاط الانعطاف؟ في هذه الحالة يلزمنا مرآة عند كل انعطاف, وتوضع المرآة بزاوية معينة لكي تسمح بإعادة الضوء الى القلب عند كل زاوية على طول المسار. هذا بالضبط ما يحدث داخل الألياف الضوئية. فالضوء يسافر خلال اللب ( المسار) مع قفزات منتظمة من الغلاف (المرآة) عند نقاط الانعطاف حسب ما يسمى بالإنعكاس الداخلي الكلي (Total Internal Reflection), ولأن الغلاف لا يمتص أي من الإشارات الضوئية المتنقلة داخل القلب, فإن الإشارات الضوئية يمكن أن تنتقل لمسافات بعيدة. لكن بعض هذه الإشارات تضعف داخل الألياف بسبب عدم نقاوة الزجاج وتلوثه مثلا والمدى الذي يمكن أن تضعف فيه هذه الإشارات يعتمد على درجة نقاوة الزجاج الذي تصنع منه الألياف وأيضا يعتمد الطول الموجي للضوء المرسل خلاله ( مثلاً 850 نانوميتر يضعف بمقدار يتراوح بين 60 إلى 75 بالمائة لكل كيلو متر) و بعض الألياف يضعف الإشارة فيها بمقدار اقل ( 10% لكل كيلومتر عند الطول الموجي 1550 نانوميتر).

مما يتكون نظام الإتصال عبر الألياف الضوئية :

جهاز الارسال (Transmitter): يقوم باستقبال وتوجيه الجهاز المصدر للضوء (LASER or LED) وتشغيله وإيقاف تشغيلِه حسب التسلسل الصحيح, وهكذا يتم توليد الاشارة الضوئية. وجهاز الإرسال يكون قريباً من الألياف الضوئية وقد يحتوي على عدسات ( focused lens) لكي تجمع وتركز الضوء بؤرياً داخل النسيج الضوئي. ضوء الليزر يمتلك قوة أكبر من التي يمتلكها الضوء الصادر من الصمام الباعث ولكنه حساس أكثر للتغير في درجة الحرارة, كما أنه مكِلفٌ أكثر. الألياف الضوئية (Fiber Optics) وهي بيئة التواصل بين المرسل والمستقبل. جهاز إعادة توليد الإشارة (Optical Regenerator): اشرنا في ما سبق إلى حدوث بعض الفقد في الإشارة (Signal Loss) عندما ينتقل الضوء داخل الألياف لمسافات بعيدة -كما يحدث داخل الكابلات البحرية- ولهذا توصَّل المقويات وأجهزة إعادة توليد الإشارة على طول الكابل, لكي تعزز الإشارات الضعيفة. ويتكون هذا الجهاز من الياف ضوئية ذات تغطية خاصة مُطَعمة (doping) , ويعمل هذا القسم من الألياف كمضخة ليزر (pump)؛ فعندما تصل الإشارة الضعيفة الى هذا القسم فإن طاقة الليزر هنا تجعل جزيئات الاشارة الضوئية تعمل كما لو انها مصدر ليزر, فتقوم بإطلاق إشارات ضوئية جديدة وقوية ولكن بنفس خصائص الاشارة الضعيفة القادمة. وهذا يعني ان هذا الجهاز يعمل كما لو انه مضخم ليزري للإشارة القادمة إليه. جهاز الإستقبال (Optical Receiver): يأخذ الاشارة الضوئية الرقمية ويفك تشفيرها ويرسلها كإشارة كهربائية الى المستخدم سواءاَ كان جهاز حاسب أو تلفزيون الكابل أو جهاز هاتف. ويحتوى جهاز الإستقبال الضوئي على خلايا ضوئية (photocells) أو صمامات الكترونية ضوئية (photodiode) لكي تتحسس وتلاحظ الاشارة الضوئية. أفضلية الألياف الضوئية (Advantages ) لماذا أحدثت تكنولوجيا الألياف الضوئية ثورة في عالم الإتصالات مقارنة مع الأسلاك التقليدية الأخرى –أسلاك النحاس مثلاَ؟

السبب يظهر في النقاط التالية:
1. التكلفة القليلة نسبياَ.
2. رقة ودقة الألياف . وهذا يقود الى..

• - مقدرة عالية على النقل(Higher carrying capacity)بسبب رقة الألياف , فإن الكثير منها يمكن أن تحزم داخل كابل ذو قطر معين أكثر مما لو كانت أسلاك نحاسية في كابل له نفس القطر, مما يعني عدد أكبر من خطوط الهاتف الموصلة او قنوات التلفزيون المتاحة اذا كنا نتكلم عن نظام تلفزيون الكابل. 
• - فقد أقل في الإشارة. 
• - يحمل إشارات ضوئية. بعكس الأسلاك النحاسية التي تحمل إشارات كهربائية, الاشارات الضوئية لا تتداخل (interference) فيما بينها, مما يعني مكالمات هاتفية أو إستقبال تلفزيوني أوضح. 
• - قدرة إرسال أقل(Low Power). 
• - إشارات رقمية (Digital Signal). 
• الألياف الضوئية صممت أساساَ لنقل الاشارات الرقمية, وهذه مفيدة خاصة في شبكات الحاسب أو الانترنت.
•  - غير قابل للإشتعال. نظراً لعدم مرور تيار كهربائي فيه, لا توجد مخاطر للإحتراق. 
• - أخف وزناً (lightweight). مقارنة مع اسلاك النحاس. وتشغل حيزاً أقل عند تمريرها تحت سطح الأرض. 
• - مرنة (flexible). وبسبب مرونتها العالية وارسالها واستقبالها للضوء فإنها تستخدم في العديد من الكامرات الرقمية لأغراض التنظير الطبي (Medical Imaging), فحص وعمل اللحام داخل الانابيب والمحركات الميكانيكية التي يصعب الوصول إليها في الطائرات, السيارات والصواريخ, كما تستخدم في سباكة الانابيب الضيقة وتفحصها. 

كيف تصنع الألياف الضوئية؟ 

سبق وأن ذكرنا أن المادة الرئيسية في صنعها هي الزجاج -والذي تعتبر الرمال المصدر الأساسي له- نظراً لكثرة التفاصيل في هذا الموضوع سنذكره بإختصار.

مراحل صناعة الألياف الضوئية

 صناعة الألياف الضوئية تتطلب المرور بعدة مراحل :
في البداية عمل إسطوانة زجاجية بواسطة عملية الترسيب البخاري الكيميائي المعدل (Modified Chemical Vapor Deposition) وهي عملية معقدة تتم تحت درجة حرارة عالية وظروف كيميائية خاصة, ويتم فيها تفاعل كلوريد السيليكون Sicl4 و كلوريد الجرمانيوم Gecl4 مع فقاعات الأوكسجين, لإنتاج أكسيد السيليكون Sio2 و اكسيد الجرمانيوم Geo2 اللذان يجمعا معاً ويذابا داخل الانابيب لتشكيل الزجاج أو مادة الألياف .

 ومن ثم يتم سحبها على شكل أسلاك رفيعة وطويلة في الات تشبه المخارط (Lathe) وتكون خاصة ودقيقه جداً, تسمى أبراج سحب الألياف (Fiber Drawing Tower) ويتم تغطية الألياف بطبقة من البلاستيك لحمايتها. 

بعد ذلك يتم فحص الألياف الضوئية من جوانب عدة مثل: قوة الشد, انتظام قطر القلب وأبعاد أغلفة الحماية, مدى ضعف الاشارة مع زيادة الطول, عرض الحزمة (bandwidth), درجة حرارة التشغيل ومدى الرطوبة وإرتباطهما بضعف الاشارة, وأخيراً قابلية التوصيل تحت الماء.

المميزات التي توفرها الألياف البصرية :

1.  سريعة جدا في نقل البيانات حيث بدأت بـ ( 100 ميجابت/ث ) وقد وصلت حاليا إلى أكثر من ( 200.000 ميجابت/ث ) .
2. مستوى الأمن التي تقدمه ضد التنصت عالية جدا لأنها تقوم بتحويل البيانات الرقمية إلى نبضات ضوئية فلا يمر بهذه الألياف أي إشارات كهربائية. شاهد هذا الموضوع  كيف التحويل من فايبر اوبتك الى ايثرنت
3. معدل انخفاض الإشارات منخفضة بشكل كبير مهما كانت طول السلك.
4. منيع ضد التداخل الكهرومغناطيسي التي تؤدي إلى تشويش الإشارات.
5. يمكن تمديد عدة ألياف بصري بداخل كابل واحد مما يسهل عملية التركيب
6. لا تتأثر بالماء بل أصبح الدول تستخدمها لتوصيل الانترنت بين المحيطات

ولهذا يمكن تمديد هذا الألياف على شكل كابلات كبيرة تحتوي على آلآف الأسلاك بداخلها دون أن تؤثر على جودة الاتصال

عيوب كابلات الفايبر اوبتك او الألياف الضوئية

أما العيب الرئيسي في هذه الكابلات أو الأسلاك هو أنها صعبة التركيب والصيانة ولأنها تعتمد على الزجاج فغالبا ما تنكسر النواة الزجاجي عند الانحنائات الشديدة إلا تلك المصنوعة حديثا من نواة بلاستيكية لكنها لا تستطيع حمل نبضات الضوء مسافات شاسعة كتلك المزودة بقالب زجاجي

مواضيع قد تهمك : 

كيف التحويل من فايبر اوبتك الى ايثرنت - Convert from Fiber Optic to Ethernet