كيف تعمل الألياف البصرية

إنها خيوط طويلة رفيعة من الزجاج شديد الوضوح حول قطر شعرة الإنسان، مرتبة في حزم تسمى الكابلات الضوئية وتستخدم لنقل الإشارات الضوئية عبر مسافات طويلة.

مكونات الألياف البصرية

النواة – مركز زجاجي رفيع من الألياف حيث ينتقل الضوء.
الكسوة – مادة بصرية خارجية تحيط باللب وتعكس الضوء مرة أخرى إلى القلب.
طلاء عازل – إنه مصنوع من طلاء بلاستيكي يحمي الألياف من التلف والرطوبة.
يتم ترتيب المئات أو الآلاف من هذه الألياف الضوئية في حزم في الكابلات الضوئية. الحزم محمية بواسطة الغطاء الخارجي للكابل، والذي يسمى الغلاف.

أنواع الألياف الضوئية

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 ليزر الأشعة تحت الحمراء (الطول الموجي = 1300 إلى 1550 نانومتر). تحتوي الألياف متعددة الوسائط على نوى أكبر (حوالي 2.5 × 10-3 بوصات أو 62.5 ميكرومتر في القطر) وتنقل ضوء الأشعة تحت الحمراء (الطول الموجي = 850 إلى 1300 نانومتر) من الثنائيات الباعثة للضوء (المصابيح).

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 كبل الألياف الضوئية عبر القلب (الإدخال) عن طريق الارتداد المستمر عن الكسوة (الجدران المبطنة بالمرآة)، وهو مبدأ يسمى الانعكاس الداخلي الكلي لأن الكسوة لا تمتص أي ضوء من القلب، وهو موجة ضوئية يمكن أن يسافر لمسافات طويلة.

ومع ذلك، تتحلل بعض الإشارات الضوئية 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 في المائة / كم ؛ 1300 نانومتر = 50 إلى 60 بالمائة / كم ؛ 1550 نانومتر أكبر من 50 بالمائة / كم) تُظهر بعض الألياف الضوئية المميزة انخفاضًا أقل في الإشارة – 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 – تنتقل الإشارات الضوئية عبر مسافة.
المُجدد البصري – قد يكون ضروريًا لتحسين إشارة الضوء (مسافات طويلة).
جهاز الاستقبال البصري – يستقبل الإشارات الضوئية ويفك تشفيرها.

الارسال

يستقبل الجهاز البصري ويوجهه لتشغيل الضوء و “إيقاف تشغيله” بالتسلسل الصحيح، وبالتالي توليد إشارة ضوئية، يكون المرسل قريبًا من الألياف الضوئية وقد يحتوي على عدسة لتركيز الضوء على الألياف، كما أن الليزر يحتوي على طاقة أكبر من مصابيح LED، ولكنها تختلف بدرجة أكبر مع تغيرات درجة الحرارة تكون 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 البصرية

يحدث بعض فقدان الإشارة عندما ينتقل الضوء عبر الألياف، خاصة لمسافات طويلة (أكثر من نصف ميل، أو حوالي كيلومتر واحد) مثل الكابلات الموجودة تحت سطح البحر. لذلك، يتم ربط واحد أو أكثر من المولدات الكهروضوئية بطول الكابل لتعزيز إشارات الضوء المتدهورة.

يتكون المجدد البصري من ألياف بصرية بطبقة خاصة (منشط)، ويتم “ضخ” الجزء المخدر من الليزر عندما تدخل الإشارة المتدهورة إلى الغلاف المخدر، وتسمح الطاقة المنبعثة من الليزر للجزيئات المخدرة بأن تصبح ليزرًا بنفسها، ثم تنبعث الجزيئات المخدرة إشارة ضوئية جديدة أقوى لها نفس خصائص الإشارة، في الأساس ضوء وارد ضعيف، المجدد هو مكبر ليزر للإشارة الواردة.

استقبال بصري

جهاز استقبال بصري مثل البحار الموجود على سطح السفينة المستقبلة، يأخذ إشارات الضوء الرقمية الواردة ويفك تشفيرها ويرسل الإشارة الكهربائية إلى كمبيوتر المستخدم أو التلفزيون أو الهاتف (قبطان السفينة المستقبلة). يستخدم المستقبل خلية ضوئية أو الثنائي الضوئي لاكتشاف الضوء.

مزايا الألياف الضوئية

لماذا تُحدث أنظمة الألياف الضوئية ثورة في الاتصالات بالمقارنة مع الأسلاك المعدنية التقليدية (الأسلاك النحاسية)، تتمتع الألياف الضوئية بالمزايا التالية

أقل تكلفة – يمكن جعل عدة أميال من الكبلات الضوئية أرخص من أطوال مماثلة من الأسلاك النحاسية وهذا 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 الكبل أو المزيد من القنوات لإدخال الكبل في صندوق تلفزيون الكابل.
انخفاض إشارة أقل – 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 الكبل. هذا يعني محادثات هاتفية أو استقبال تلفزيوني أوضح.
طاقة منخفضة – نظرًا لأن الإشارات في الألياف الضوئية تتحلل إلى حد أقل، يمكن استخدام أجهزة الإرسال منخفضة الطاقة بدلاً من أجهزة الإرسال الكهربائية عالية الجهد اللازمة للأسلاك النحاسية. مرة أخرى، هذا يوفر لك مزود الخدمة وأموالك.
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 نشوب حريق.
خفيف الوزن – يزن الكبل البصري أقل من كبل الأسلاك النحاسية المماثل، ويشغل كابل الألياف الضوئية مساحة أقل في الأرض.
مرنة – نظرًا لأن الألياف الضوئية مرنة جدًا ويمكنها نقل الضوء واستقباله، فهي تُستخدم في العديد من الكاميرات الرقمية المرنة.

استخدامات الألياف الضوئية

التصوير الطبي – في تنظير القصبات والتنظير الداخلي.
التصوير الميكانيكي – فحص اللحامات الميكانيكية في الأنابيب والمحركات (في الطائرات والصواريخ والمكوكات الفضائية والسيارات).
السباكة – لفحص خطوط الصرف الصحي.

نظرًا للمزايا المختلفة التي تراها الألياف البصرية في العديد من الصناعات، وأبرزها الاتصالات السلكية واللاسلكية وشبكات الكمبيوتر، على سبيل المثال، إذا اتصلت بأوروبا من الولايات المتحدة (أو العكس) وارتدت الإشارة من قمر صناعي للاتصالات، فغالبًا ما تسمع صدى على الخط. ولكن مع كبلات الألياف الضوئية عبر المحيط الأطلسي، لديك اتصال مباشر بدون أصداء.

الانعكاس الداخلي الكلي في الألياف الضوئية

عندما يمر الضوء من وسيط بمؤشر انكسار واحد (م 1) إلى وسط آخر بمعامل انكسار منخفض (م 2)، فإنه ينثني أو ينكسر بعيدًا عن خط وهمي عمودي على السطح (خط عادي) عندما تصبح زاوية الشعاع عبر م 1 أكبر بالنسبة للخط العادي، ينكسر الضوء خلال متر مربع 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 مؤشرات انكسار [n1 أكبر من n2]) إذا كانت الحزمة عبر m1 أكبر من الزاوية الحرجة، فسوف تنعكس الحزمة المنكسرة بأكملها مرة أخرى إلى m1 (الانعكاس الداخلي الكلي)، على الرغم من أن m2 قد تكون شفافة.

في الفيزياء، يتم وصف الزاوية الحرجة فيما يتعلق بالخط العمودي في الألياف الضوئية، ويتم وصف الزاوية الحرجة فيما يتعلق بالمحور الموازي الممتد لأسفل منتصف الألياف، وبالتالي فإن الزاوية الحرجة للألياف الضوئية = (90 درجة) – الزاوية الحرجة للفيزياء).

في الألياف الضوئية، ينتقل الضوء عبر اللب (m1، معامل الانكسار العالي) من خلال الانعكاس المستمر من الكسوة (م 2، معامل الانكسار المنخفض) لأن زاوية الضوء دائمًا أكبر من الزاوية الحرجة، ينعكس الضوء من الكسوة بغض النظر عن الزاوية التي تنثني بها الألياف نفسها، حتى لو كانت دائرة كاملة.

ال