الألياف الضوئية (Optical fiber)

الألياف الضوئية، والمعروفة أيضًا باسم الألياف الضوئية، عبارة عن شريط مرن من الزجاج أو البلاستيك مصمم لنقل الضوء من أحد الأطراف إلى الطرف الآخر. تجد هذه الألياف تطبيقًا واسع النطاق في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية، مما يسهل نقل البيانات عبر مسافات أكبر وبعروض نطاق ترددي فائقة (معدلات نقل البيانات) مقارنة بالكابلات الكهربائية التقليدية. يعتمد اعتمادها على الأسلاك المعدنية على انخفاض توهين الإشارة والحصانة المتأصلة للتداخل الكهرومغناطيسي الذي توفره. علاوة على ذلك، تخدم الألياف الضوئية أغراضًا في الإضاءة والتصوير؛ غالبًا ما يتم تجميعها، فهي تتيح نقل الضوء إلى المناطق المحظورة أو خارجها، وهو ما يتمثل في مناظير الألياف. تعمل تصميمات الألياف المتخصصة على توسيع نطاق فائدتها لتشمل تطبيقات متنوعة، بما في ذلك مستشعرات الألياف الضوئية وأشعة الليزر الليفية.

إن الألياف الضوئية، أو الألياف الضوئية، عبارة عن ألياف زجاجية أو بلاستيكية مرنة يمكنها نقل الضوء من طرف إلى آخر. تُستخدم هذه الألياف على نطاق واسع في اتصالات الألياف الضوئية، حيث تسمح بالنقل لمسافات أطول وبنطاقات ترددية أعلى (معدلات نقل البيانات) من الكابلات الكهربائية. يتم استخدام الألياف بدلاً من الأسلاك المعدنية لأن الإشارات تنتقل عبرها مع فقدان أقل وتكون محصنة ضد التداخل الكهرومغناطيسي. تُستخدم الألياف أيضًا للإضاءة والتصوير، وغالبًا ما يتم لفها في حزم بحيث يمكن استخدامها لنقل الضوء إلى الأماكن الضيقة أو إخراجها، كما في حالة منظار الألياف. تُستخدم الألياف المصممة خصيصًا أيضًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات الأخرى، مثل أجهزة استشعار الألياف الضوئية وأشعة الليزر الليفية.

يتم تصنيع الألياف الضوئية الزجاجية عادةً من خلال عملية السحب، في حين يمكن إنتاج الألياف البلاستيكية إما عن طريق السحب أو البثق. ومن المميز أن الألياف الضوئية تشتمل على نواة مركزية مغلفة بمادة تكسية شفافة تمتلك معامل انكسار أقل. يتم حصر الضوء داخل القلب من خلال مبدأ الانعكاس الداخلي الكلي، والذي يجعل الألياف تعمل كدليل موجي. يتم تصنيف الألياف القادرة على دعم مسارات انتشار متعددة أو أوضاع عرضية على أنها ألياف متعددة الأوضاع، على عكس الألياف أحادية الوضع (SMF)، التي تستوعب وضعًا واحدًا فقط. تتميز الألياف متعددة الأوضاع عادةً بقطر أساسي أكبر ويتم استخدامها في روابط الاتصالات قصيرة المسافة والسيناريوهات التي تتطلب نقلًا عاليًا للطاقة. على العكس من ذلك، يتم استخدام الألياف أحادية الوضع لغالبية روابط الاتصالات التي يتجاوز طولها 1050 مترًا (3440 قدمًا).

تعد القدرة على ربط الألياف الضوئية مع الحد الأدنى من فقدان الإشارة أمرًا بالغ الأهمية في اتصالات الألياف الضوئية. هذه العملية أكثر تعقيدًا من توصيل الأسلاك أو الكابلات الكهربائية، مما يستلزم شقًا دقيقًا للألياف، والمحاذاة الدقيقة لقلوبها، والاقتران اللاحق لهذه النوى المتوافقة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب اتصالًا دائمًا، يعد الربط بالانصهار طريقة سائدة، حيث يستخدم قوسًا كهربائيًا لإذابة ودمج أطراف الألياف. هناك تقنية شائعة بديلة وهي الربط الميكانيكي، حيث يتم الحفاظ على نهايات الألياف على اتصال من خلال القوة الميكانيكية. تعمل موصلات الألياف الضوئية المتخصصة على تسهيل الاتصالات المؤقتة أو شبه الدائمة. يُطلق على المجال متعدد التخصصات للعلوم التطبيقية والهندسة المخصص لتصميم وتطبيق الألياف الضوئية اسم الألياف الضوئية. وقد نشأ هذا المصطلح من قبل الفيزيائي الهندي الأمريكي ناريندر سينغ كاباني.

السياق التاريخي

في أوائل أربعينيات القرن التاسع عشر، قدم دانييل كولادون وجاك بابينيه العرض الأولي لتوجيه الضوء من خلال الانكسار في باريس، وهو مبدأ أساسي تقوم عليه الألياف الضوئية. وبعد اثني عشر عامًا من ذلك، قام جون تيندال بدمج عرض لهذه الظاهرة في محاضراته العامة في لندن. في عام 1870، أوضح تيندال بشكل أكبر خاصية الانعكاس الداخلي الكلي ضمن أطروحة تمهيدية عن طبيعة الضوء، قائلاً:

عندما يمر الضوء من الهواء إلى الماء، ينحني الشعاع المنكسر باتجاه العمودي... عندما ينتقل الشعاع من الماء إلى الهواء فإنه ينحني من المتعامد... إذا كانت الزاوية التي يحصرها الشعاع في الماء مع العمودي على السطح أكبر من 48 درجة، فلن يخرج الشعاع من الماء على الإطلاق: سيكون منعكس كليًا على السطح... الزاوية التي تحدد الحد الذي يبدأ عنده الانعكاس الكلي تسمى الزاوية الحدية للوسط. بالنسبة للمياه، تبلغ هذه الزاوية 48°27′، وبالنسبة لزجاج الصوان فهي 38°41′، أما بالنسبة للألماس فهي 23°42′.

في أواخر القرن التاسع عشر، استخدم مجموعة من أطباء فيينا قضبان زجاجية منحنية لتوجيه الضوء لإضاءة تجاويف الجسم الداخلية. وفي أوائل القرن العشرين، ظهرت تطبيقات عملية، بما في ذلك الإضاءة الداخلية الموضعية لإجراءات طب الأسنان. في عشرينيات القرن العشرين، قام كل من مجرب الراديو كلارنس هانسيل ورائد التلفاز جون لوجي بيرد بعرض نقل الصور من خلال الهياكل الأنبوبية بشكل مستقل. بعد ذلك، في ثلاثينيات القرن العشرين، أظهر هاينريش لام القدرة على نقل الصور عبر حزمة من الألياف الضوئية غير المكسوة، مستخدمًا ذلك في الفحوصات الطبية الداخلية؛ ومع ذلك، تم التغاضي عن مساهماته إلى حد كبير.

في عام 1953، كان العالم الهولندي برام فان هيل رائدًا في نقل الصور باستخدام حزم من الألياف الضوئية المغطاة بغلاف شفاف. في وقت لاحق من ذلك العام، قام هارولد هوبكنز وناريندر سينغ كاباني في إمبريال كوليدج في لندن بتطوير هذه التكنولوجيا من خلال إنشاء حزم نقل الصور التي تحتوي على أكثر من 10000 ألياف، وبالتالي تحقيق نقل الصور من خلال حزمة طولها 75 سم تتكون من عدة آلاف من الألياف. تم تسجيل براءة اختراع أول منظار معدة من الألياف الضوئية الوظيفية وشبه المرنة في عام 1956 من قبل الباحثين في جامعة ميشيغان باسل هيرشويتز، وسي. ويلبر بيترز، ولورانس إي. كيرتس. أثناء تطوير منظار المعدة هذا، ابتكر كيرتس من خلال إنتاج أول ألياف زجاجية؛ استخدمت الألياف الضوئية السابقة الهواء أو الزيوت والشموع الأقل عملية كمواد تكسية ذات مؤشر منخفض. يعود الفضل إلى ناريندر سينغ كاباني في صياغة مصطلح الألياف الضوئية بعد مقالته التي نشرها عام 1960 في مجلة Scientific American، والتي قدمت الموضوع إلى شريحة واسعة من القراء. قام لاحقًا بتأليف الكتاب الافتتاحي حول هذا التخصص الناشئ.

تم عرض نظام نقل البيانات التشغيلي الأولي عبر الألياف الضوئية في عام 1965 من قبل الفيزيائي الألماني مانفريد بورنر في مختبرات أبحاث تيليفونكن في أولم، مع تقديم أول طلب براءة اختراع لهذه التكنولوجيا في عام 1966. وبحلول عام 1968، قامت ناسا بدمج الألياف الضوئية في كاميرات التلفزيون المنتشرة في المهام القمرية. تم بعد ذلك تصنيف هذا التطبيق داخل الكاميرات على أنه سري، مما يستلزم أن يخضع الأفراد الذين يتعاملون مع المعدات لإشراف أفراد يمتلكون التصاريح الأمنية المناسبة.

في عام 1965، كان تشارلز ك. كاو وجورج أ. هوكهام، التابعان لشركة Standard Telephones and Cables (STC) البريطانية، أول من دعا إلى التخفيض المحتمل لتوهين الألياف الضوئية إلى أقل من 20 ديسيبل لكل كيلومتر (ديسيبل/كم)، وبالتالي إنشاء الألياف كوسيلة اتصال فعالة. وافترضوا أن التوهين السائد في الألياف يعزى إلى الشوائب القابلة للإزالة، وليس إلى الظواهر الفيزيائية المتأصلة مثل التشتت. وصف إطارهم النظري بدقة وبشكل منهجي خصائص فقدان الضوء للألياف الضوئية وحدد زجاج السيليكا عالي النقاء باعتباره المادة المثالية. أدى هذا العمل التأسيسي إلى حصول كاو على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2009. وقد تم تحقيق عتبة التوهين الحرجة البالغة 20 ديسيبل/كم لأول مرة في عام 1970 من قبل روبرت د. مورير، ودونالد كيك، وبيتر سي شولتز، وفرانك زيمار، وهم باحثون في الشركة الأمريكية Corning Glass Works. لقد توصلوا إلى ألياف ذات توهين 17 ديسيبل/كم من خلال تطعيم التيتانيوم بزجاج السيليكا. بعد ذلك، قاموا بتطوير ألياف تظهر فقط 4 ديسيبل/كم من خلال استخدام ثاني أكسيد الجرمانيوم باعتباره المادة المشابهة الأساسية. بحلول عام 1981، نجحت شركة جنرال إلكتريك في تصنيع سبائك الكوارتز المنصهرة القادرة على سحبها إلى خيوط يبلغ طولها 25 ميلاً (40 كم).

في البداية، كان إنتاج الألياف الضوئية عالية الجودة مقتصرًا على معدل مترين في الثانية. في عام 1983، انضم المهندس الكيميائي توماس منساه إلى شركة Corning وقام بتسريع عملية التصنيع بشكل كبير لتتجاوز 50 مترًا في الثانية، مما جعل كابلات الألياف الضوئية أكثر فعالية من حيث التكلفة من بدائل النحاس التقليدية. افتتحت هذه التطورات عصر اتصالات الألياف الضوئية. تعاون مركز الأبحاث الإيطالي CSELT مع شركة Corning لتصميم كابلات الألياف الضوئية العملية، مما أدى إلى نشر أول كابل ألياف بصرية حضري في تورينو في عام 1977. كما كان CSELT رائدًا في طريقة مبكرة لربط الألياف الضوئية تُعرف باسم Springroove.

تظهر الكابلات الضوئية المعاصرة توهينًا أقل بكثير مقارنة بالكابلات النحاسية الكهربائية، مما يتيح اتصالات ألياف طويلة المدى بمدى مكرر يتراوح من 70 إلى 150 كيلومترًا (43-93 ميل). في عامي 1986 و1987، قام فريقان مستقلان، بقيادة ديفيد ن. باين في جامعة ساوثهامبتون وإيمانويل ديسورفير في مختبرات بيل، على التوالي، بتطوير مضخم الألياف المشبع بالإربيوم. أدى هذا الابتكار إلى خفض تكلفة أنظمة الألياف طويلة المدى بشكل كبير عن طريق تقليل أو تجنب الحاجة إلى أجهزة إعادة الإرسال الضوئية والكهربائية الضوئية.

وقد سهّل مجال البلورات الضوئية الناشئ تطوير الألياف البلورية الضوئية عام 1991، وهي تقنية توجه الضوء من خلال الحيود من بنية دورية، على النقيض من آلية الانعكاس الداخلي الكاملة للألياف التقليدية. بدأ التوافر التجاري للألياف البلورية الضوئية الأولى في عام 2000. وتوفر هذه الألياف مزايا مثل قدرات نقل الطاقة الأعلى مقارنة بالألياف التقليدية وتمتلك خصائص تعتمد على الطول الموجي والتي يمكن تصميمها لتحسين الأداء. ومن الجدير بالذكر أن بعض الألياف البلورية الضوئية تتميز بنوى مجوفة.

التطبيقات

الاتصالات

تعمل الألياف الضوئية كوسيلة نقل للاتصالات وشبكات الكمبيوتر نظرًا لمرونتها وقدرتها على التجميع في الكابلات. إنه يوفر مزايا خاصة للاتصالات بعيدة المدى، حيث يواجه ضوء الأشعة تحت الحمراء توهينًا أقل بكثير عند الانتشار عبر الألياف مقارنة بالكهرباء في الكابلات الكهربائية التقليدية. تتيح هذه الخاصية تغطية مسافات واسعة مع أقل عدد ممكن من مكررات الإشارة.

تحقق أنظمة التشغيل عادةً معدلات نقل بيانات تبلغ 10 أو 40 جيجابت في الثانية (Gbit/s).

تسمح تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي (WDM) للألياف الضوئية الواحدة بإرسال العديد من القنوات المستقلة، كل منها يستخدم طول موجة ضوئي مميز. يتم حساب معدل البيانات الفعال لكل ليف، باستثناء البايتات العلوية، عن طريق طرح حمل تصحيح الخطأ الأمامي (FEC) من معدل البيانات لكل قناة ثم ضرب هذه القيمة في إجمالي عدد القنوات. اعتبارًا من عام 2008، دعمت أنظمة WDM التجارية الكثيفة عادةً ما يصل إلى 80 قناة.

في تطبيقات المسافات القصيرة، مثل شبكات المباني المكتبية، توفر كابلات الألياف الضوئية فوائد توفير المساحة داخل قنوات الكابلات. تنبع هذه الميزة من قدرة ألياف بصرية واحدة على نقل بيانات أكثر بكثير من البدائل الكهربائية، مثل كابلات الفئة 5 القياسية، والتي تعمل عادةً بسرعات 100 ميجابت/ثانية أو 1 جيجابت/ثانية. علاوة على ذلك، يتم استخدام الألياف الضوئية بشكل متكرر للتوصيلات البينية للأجهزة قصيرة المدى. على سبيل المثال، تشتمل العديد من أجهزة التلفزيون عالية الوضوح على اتصال صوتي رقمي بصري، مما يسهل تدفق الصوت عبر الضوء باستخدام بروتوكول S/PDIF عبر اتصال TOSLINK.

التطبيقات العسكرية

تم نشر طائرات بدون طيار تعمل بالألياف الضوئية في الحرب الروسية الأوكرانية منذ مارس 2024. وتتمتع هذه المركبات الجوية بدون طيار بحصانة ضد التداخل الكهرومغناطيسي ولا تتأثر بأنظمة الحرب الإلكترونية.

تقنيات الاستشعار

تستخدم الألياف الضوئية على نطاق واسع في تطبيقات الاستشعار عن بعد. في بعض التكوينات، تعمل الألياف نفسها كجهاز استشعار، حيث تقوم بتوجيه الضوء البصري إلى وحدة المعالجة التي تحلل التغيرات في خصائص الضوء. وبدلاً من ذلك، تعمل الألياف على ربط المستشعر بنظام قياس أوسع. يمكن تكييف الألياف الضوئية لقياس معلمات مثل الإجهاد ودرجة الحرارة والضغط والكميات الفيزيائية الأخرى عن طريق تعديل الألياف بحيث تعدل الخاصية المقاسة شدة الضوء أو طوره أو استقطابه أو طوله الموجي أو وقت عبوره. تعد أجهزة استشعار تعديل الشدة هي الأسهل في التنفيذ، ولا تتطلب سوى مصدر ضوء أساسي وكاشف. من المزايا الملحوظة لمستشعرات الألياف الضوئية هذه قدرتها على توفير استشعار موزع على مسافات تصل إلى متر واحد، إذا لزم الأمر، مع كون الاستشعار الصوتي الموزع توضيحًا رئيسيًا.

على العكس من ذلك، يمكن تحقيق قياسات محلية للغاية من خلال دمج عناصر الاستشعار المصغرة مباشرة على طرف الألياف. يمكن تصنيع هذه العناصر باستخدام تقنيات التصنيع الدقيقة والنانوية المتنوعة، مما يضمن عدم تجاوزها الأبعاد المجهرية لطرف الألياف. يسهل هذا التصميم تطبيقات مثل الإدخال في الأوعية الدموية عبر إبرة تحت الجلد.

تستخدم مستشعرات الألياف الضوئية الخارجية كبل ألياف بصرية، عادةً ما يكون من النوع متعدد الأوضاع، لنقل الضوء المشكل الناشئ إما من مستشعر بصري غير ألياف أو مستشعر إلكتروني مرتبط بجهاز إرسال بصري. تكمن الميزة الكبيرة لأجهزة الاستشعار الخارجية في قدرتها على الوصول إلى المواقع التي لا يمكن الوصول إليها بطريقة أخرى. على سبيل المثال، يمكنهم قياس درجة الحرارة الداخلية للمحركات النفاثة عن طريق نقل الإشعاع عبر الألياف إلى البيرومتر الخارجي. وبالمثل، فإن أجهزة الاستشعار الخارجية فعالة في مراقبة درجة الحرارة الداخلية للمحولات الكهربائية، حيث تمنع المجالات الكهرومغناطيسية الشديدة استخدام طرق قياس بديلة. هذه المستشعرات قادرة على قياس الاهتزاز والدوران والإزاحة والسرعة والتسارع وعزم الدوران والالتواء. كما تم تطوير جيروسكوب الحالة الصلبة، الذي يستفيد من تداخل الضوء. يعمل جيروسكوب الألياف الضوئية (FOG) بدون أجزاء متحركة ويستخدم تأثير Sagnac لاكتشاف الدوران الميكانيكي.

يتم دمج مستشعرات الألياف الضوئية بشكل شائع في أنظمة الأمان المتقدمة لاكتشاف التسلل. في مثل هذه التطبيقات، يتم نقل الضوء من خلال كابل استشعار الألياف الضوئية المثبت على طول السياج أو خط الأنابيب أو البنية التحتية للاتصالات. تتم مراقبة الإشارة العائدة بشكل مستمر وتحليلها بحثًا عن الحالات الشاذة. تتيح المعالجة الرقمية لإشارة الإرجاع هذه اكتشاف الاضطرابات وإطلاق إنذار عند تحديد التطفل. علاوة على ذلك، يتم استخدام الألياف الضوئية على نطاق واسع كعناصر مكونة في أجهزة الاستشعار الكيميائية البصرية وأجهزة الاستشعار الحيوية البصرية.

نقل الطاقة

تسهل الألياف الضوئية نقل الطاقة عن طريق استخدام الخلايا الكهروضوئية لتحويل الضوء إلى طاقة كهربائية. على الرغم من أن طريقة توصيل الطاقة هذه تظهر كفاءة أقل مقارنة بالطرق التقليدية، إلا أنها تثبت أنها مفيدة بشكل خاص في السياقات التي تكون فيها الموصلات المعدنية غير مرغوب فيها، مثل القرب من أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، التي تولد مجالات مغناطيسية مكثفة. تشمل التطبيقات الإضافية توفير الطاقة للمكونات الإلكترونية ضمن مصفوفات هوائيات عالية الطاقة والأجهزة المستخدمة في أنظمة النقل ذات الجهد العالي.

تطبيقات متنوعة

تعمل الألياف الضوئية كقنوات ضوئية في التطبيقات الطبية ومختلف التطبيقات الأخرى التي تتطلب إضاءة مكثفة للأهداف التي لا يوجد بها خط رؤية مباشر. تشتمل العديد من المجاهر على مصادر ضوء من الألياف الضوئية لتوفير إضاءة قوية للعينات قيد الفحص.

تجد الألياف الضوئية أيضًا تطبيقًا في التصوير البصري. تشكل حزم الألياف المتماسكة، التي يتم دمجها أحيانًا مع العدسات، أدوات تصوير ممدودة ونحيلة تُعرف باسم المناظير الداخلية، والتي تتيح رؤية الأشياء من خلال فتحات محدودة. تُستخدم المناظير الداخلية الطبية في التدخلات التشخيصية أو الجراحية ذات التدخل الجراحي البسيط. تُستخدم المناظير الداخلية الصناعية لفحص المناطق التي يصعب الوصول إليها، مثل المكونات الداخلية للمحركات النفاثة.

في بعض التصميمات المعمارية، يتم استخدام الألياف الضوئية لتوجيه ضوء الشمس من أسطح المنازل إلى الأقسام الداخلية المختلفة للمبنى. توفر مصابيح الألياف الضوئية الإضاءة لأغراض الديكور، بما في ذلك اللافتات والمنشآت الفنية والألعاب وأشجار عيد الميلاد الاصطناعية. علاوة على ذلك، تشكل الألياف الضوئية جزءًا لا يتجزأ من LiTraCon، وهي مادة بناء خرسانية تنقل الضوء. تُستخدم الألياف الضوئية أيضًا في مراقبة الصحة الهيكلية، حيث يمكن لهذا النوع من المستشعرات تحديد الضغوط التي قد تسبب تدهورًا هيكليًا على المدى الطويل. ويعتمد تشغيله على قياس التوهين التناظري.

في مجال التحليل الطيفي، تسهل حزم الألياف الضوئية نقل الضوء من مقياس الطيف إلى عينة لا يمكن استيعابها مباشرة داخل الجهاز، وبالتالي تمكين التحليل التركيبي. تقوم أجهزة قياس الطيف عادةً بتحليل المواد عن طريق عكس الضوء ونقله من خلالها. يسمح تكامل الألياف الضوئية بالتحقيق عن بعد في الأجسام باستخدام التقنيات الطيفية.

تعمل الألياف الضوئية الممزوجة بعناصر أرضية نادرة معينة، مثل الإربيوم، كوسيط كسب في ليزر الألياف أو مكبرات الصوت الضوئية. تعمل هذه الألياف الضوئية النادرة المطلية بالأرض على تمكين تضخيم الإشارة من خلال دمج جزء قصير من الألياف المخدرة في وصلة ألياف ضوئية قياسية (غير منشطة). تخضع الألياف المخدرة لضخ بصري بطول موجة ليزر ثانوي، والذي يقترن بالخط بجانب موجة الإشارة. ينتشر كلا الطولين الموجيين عبر الألياف المخدرة، مما يسهل نقل الطاقة من الطول الموجي للمضخة إلى موجة الإشارة. تعتمد عملية التضخيم بشكل أساسي على الانبعاث المحفز.

تُستخدم الألياف الضوئية على نطاق واسع كوسيلة غير خطية. يدعم التركيب الزجاجي العديد من التفاعلات الضوئية غير الخطية، كما تتيح أطوال التفاعل الممتدة التي يمكن تحقيقها داخل الألياف مجموعة متنوعة من الظواهر، والتي يتم الاستفادة منها في كل من التطبيقات العملية والأبحاث الأساسية. على العكس من ذلك، يمكن أن تؤثر عدم خطية الألياف بشكل ضار على الإشارات الضوئية، مما يستلزم اتخاذ تدابير للتخفيف من هذه التأثيرات غير المرغوب فيها. في التجارب الفيزيائية، يتم استخدام الألياف الضوئية المزودة بمبدل طول موجي لجمع ضوء التلألؤ. علاوة على ذلك، تشتمل مناظير الألياف الضوئية للأسلحة النارية، بما في ذلك المسدسات والبنادق والبنادق، على أجزاء من الألياف الضوئية لتعزيز رؤية علامات البصر.

تعمل الألياف الضوئية كمكونات أساسية في المنسوجات الإلكترونية. كان هاري وينرايت رائدًا في هذا التطبيق في الثمانينيات، والذي استخدم بشكل خاص الألياف الضوئية لتصميم سترة من النوع الثقيل تصور تنينًا ينبعث منه ألسنة اللهب ويتحول إلى طائر.

مبدأ التشغيل

تتكون الألياف الضوئية من دليل موجي عازل أسطواني، وتحديدًا دليل موجي غير موصل، مصمم لنشر الضوء على طول محوره الطولي عبر الانعكاس الداخلي الكلي. تتكون الألياف من نواة مركزية مغلفة بطبقة كسوة، وكلاهما مصنوع من مواد عازلة. ومن أجل حجز الإشارة الضوئية بشكل فعال داخل القلب، يجب أن يتجاوز معامل انكسارها معامل انكسار الكسوة. يمكن أن تكون الواجهة بين القلب والكسوة إما مفاجئة، أو مميزة للألياف ذات مؤشر متدرج، أو تدريجية، كما لوحظ في الألياف ذات مؤشر متدرج. عادةً ما يقترن الضوء بالألياف الضوئية باستخدام ثنائيات الليزر أو الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs).

تتميز الألياف الضوئية بأنها مقاومة للتداخل الكهربائي، مما يمنع تداخل الإشارة بين الكابلات المميزة ويمنع التقاط الضوضاء المحيطة. علاوة على ذلك، تُظهر البيانات المنقولة عبر الألياف الضوئية مرونة ضد النبضات الكهرومغناطيسية الناشئة عن التفجيرات النووية.

تعد كابلات الألياف غير موصلة للكهرباء، مما يجعلها مفيدة لحماية البنية التحتية للاتصالات ضمن إعدادات الجهد العالي، مثل محطات توليد الطاقة أو السياقات المعرضة لتفريغ البرق. يعمل هذا العزل الكهربائي المتأصل أيضًا على تخفيف المشكلات المرتبطة بالحلقات الأرضية. ونظرًا لأن غياب التيار الكهربائي داخل الكابلات الضوئية يحول دون توليد الشرر، فهي مناسبة للنشر في الأجواء التي تحتوي على أبخرة متطايرة أو متفجرة. علاوة على ذلك، فإن الاعتراض غير المشروع للبيانات، وخاصة التنصت على الألياف، يمثل تحديات أكبر من التوصيلات الكهربائية التقليدية. لا تعد كابلات الألياف الضوئية عادةً أهدافًا لسرقة المعادن. وعلى العكس من ذلك، فإن أنظمة الكابلات النحاسية، التي تحتوي على كميات كبيرة من النحاس، كانت مستهدفة بشكل متكرر للسرقة منذ ازدهار السلع الأساسية في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين.

معامل الانكسار

يعد معامل الانكسار مقياسًا أساسيًا لقياس سرعة الضوء داخل المادة. ينتشر الضوء بسرعته القصوى في الفراغ، وهو ما يمثله الفضاء الخارجي. وتبلغ هذه السرعة حوالي 300000 كيلومتر (186000 ميل) في الثانية. يتم اشتقاق معامل الانكسار لأي وسط معين عن طريق قسمة سرعة الضوء في الفراغ على سرعته في هذا الوسط المحدد. وبالتالي، يتم تعريف معامل الانكسار للفراغ على أنه 1. على سبيل المثال، تتميز الألياف القياسية أحادية الوضع المستخدمة في الاتصالات السلكية واللاسلكية عادةً بكسوة مكونة من السيليكا النقية، وتظهر مؤشر 1.444 عند 1500 نانومتر، ونواة من السيليكا المنشطات بمؤشر تقريبي 1.4475. يرتبط مؤشر الانكسار المرتفع بانخفاض سرعة انتشار الضوء داخل الوسط. بناءً على هذه المبادئ، يشير التقريب العملي إلى أن الإشارات المرسلة عبر الألياف الضوئية لأغراض الاتصالات تنتقل بسرعة 200000 كيلومتر تقريبًا في الثانية. وبالتالي، فإن المكالمة الهاتفية التي تمر عبر وصلة ألياف ضوئية بطول 16000 كيلومتر بين سيدني ونيويورك ستؤدي إلى زمن وصول لا يقل عن 80 مللي ثانية (تقريبًا 10§ 12 {\displaystyle {\tfrac {1}{12}}} من ثانية) من لحظة تحدث أحد المشاركين حتى يدرك الآخر الصوت.

إجمالي الانعكاس الداخلي

يحدث الانعكاس الداخلي الكلي عندما يواجه الضوء المنتشر عبر وسط أكثر كثافة بصريًا حدًا عند زاوية سقوط تتجاوز الزاوية الحرجة، مما يؤدي إلى انعكاس كامل للضوء. هذه الظاهرة أساسية بالنسبة للألياف الضوئية، مما يتيح حبس الضوء داخل قلبها. تتميز غالبية الألياف الضوئية المعاصرة بأنها ضعيفة التوجيه، مما يعني وجود اختلاف بسيط في معامل الانكسار بين القلب والكسوة، وعادةً ما يكون أقل من 1%. ينتشر الضوء على طول قلب الألياف من خلال سلسلة من الانعكاسات خارج الواجهة بين القلب والكسوة.

نظرًا لمتطلبات اصطدام الضوء بالحدود بزاوية تتجاوز الزاوية الحرجة، فإن الضوء الذي يدخل الألياف ضمن نطاق زاوي محدد فقط هو الذي يمكن أن ينتشر على طوله دون توهين بسبب التسرب. يشكل هذا النطاق الزاوي المحدد مخروط قبول الألياف. توجد زاوية قصوى بالنسبة لمحور الألياف، حيث ينتشر الضوء الساقط بنجاح داخل قلب الألياف. يحدد جيب هذه الزاوية القصوى الفتحة العددية (NA) للألياف. تتطلب الألياف التي تمتلك NA أكبر بشكل عام دقة أقل صرامة أثناء الربط والتعامل مقارنة بتلك التي تحتوي على NA أصغر. تعتمد أبعاد مخروط القبول هذا بشكل مباشر على فرق معامل الانكسار بين قلب الألياف والكسوة. وتتميز الألياف أحادية النمط بفتحة عددية صغيرة.

ألياف متعددة الأوضاع

الألياف الضوئية التي تتميز بقطر أساسي كبير (يتجاوز 10 ميكرومتر) قابلة للتحليل باستخدام البصريات الهندسية. تم تصنيف هذه الألياف على أنها ألياف متعددة الأوضاع، وهو تصنيف مشتق من التحليل الكهرومغناطيسي. في الألياف متعددة الأوضاع ذات مؤشر تدريجي، يتم توجيه أشعة الضوء داخل قلب الألياف عبر الانعكاس الداخلي الكلي. الأشعة التي تصطدم بواجهة الكسوة الأساسية بزاوية (بالنسبة إلى الحد الطبيعي) تتجاوز الزاوية الحرجة تخضع لانعكاس كامل. تعتمد هذه الزاوية الحرجة على فرق معامل الانكسار بين مكونات القلب والكسوة. وعلى العكس من ذلك، تنكسر الأشعة التي تواجه الحدود بزاوية ضحلة خارج القلب وداخل الكسوة، حيث يتوقف انتشارها. تحدد الزاوية الحرجة زاوية قبول الألياف، والتي يتم قياسها في كثير من الأحيان على أنها الفتحة العددية. تعمل الفتحة الرقمية الكبيرة على تسهيل انتشار الضوء داخل الألياف، وتستوعب الأشعة بالقرب من المحور المركزي وفي زوايا متنوعة، وبالتالي تمكين الاقتران البصري الفعال. ومع ذلك، تؤدي الفتحة العددية المرتفعة إلى تفاقم التشتت، نظرًا لأن الأشعة التي تنتقل بزوايا متباينة تجتاز أطوال مسارات مختلفة وبالتالي تتطلب أوقات عبور مختلفة عبر الألياف.

في الألياف ذات معامل الانكسار المتدرج، يتضاءل معامل الانكسار داخل القلب تدريجيًا من المحور المركزي نحو الكسوة. يؤدي هذا التكوين إلى انحناء تدريجي لأشعة الضوء عند اقترابها من الكسوة، على النقيض من الانعكاس المفاجئ الذي لوحظ في واجهة الكسوة الأساسية ذات مؤشر الدرجات. تعمل هذه المسارات المنحنية على تخفيف التشتت متعدد المسارات، حيث تعبر الأشعة ذات الزاوية العالية نطاقًا أكبر من المحيط الأساسي ذي المؤشر المنخفض مقارنةً بالمنطقة المركزية ذات المؤشر الأعلى. تم تصميم ملف الفهرس المحدد لتقليل التناقضات في سرعات الانتشار المحوري بين الأشعة المتنوعة داخل الألياف. يقترب ملف تعريف الفهرس الأمثل بشكل وثيق من دالة القطع المكافئ التي تربط معامل الانكسار بالمسافة الشعاعية من المحور المركزي للألياف.

ألياف أحادية الوضع

الألياف الضوئية التي يبلغ قطرها الأساسي أقل من عشرة أضعاف الطول الموجي للضوء المنتشر تقريبًا لا يتم تصميمها بدقة بواسطة البصريات الهندسية. بدلاً من ذلك، يتطلب سلوكها التحليل كبنية دليل موجي كهرومغناطيسي، وفقًا لمعادلات ماكسويل، وتحديدًا كما هو مبسط في معادلة الموجة الكهرومغناطيسية. تعمل الألياف كدليل موجي بصري، وتدعم واحدًا أو أكثر من الأوضاع العرضية المحصورة، مما يتيح انتشار الضوء على طولها. يُطلق على الألياف التي تدعم وضعًا واحدًا فقط اسم الوضع الفردي. يكشف تحليل الدليل الموجي أن الطاقة الضوئية داخل الألياف لا تقتصر على القلب فقط. وبدلاً من ذلك، وخاصة في الألياف أحادية النمط، ينتشر جزء كبير من طاقة النمط المرتبط داخل الكسوة كموجة سريعة الزوال. يتميز متغير الألياف أحادي الوضع السائد بقطر أساسي يتراوح من 8 إلى 10 ميكرومتر، وهو مصمم لتطبيقات الأشعة تحت الحمراء القريبة. وفي المقابل، يتم إنتاج الألياف متعددة الأوضاع بأقطار أساسية تتراوح من 50 ميكرومتر إلى عدة مئات من الميكرومترات.

الألياف ذات الأغراض الخاصة

يتم تصنيع بعض الألياف الضوئية المتخصصة بطبقات قلب أو كسوة غير أسطوانية، وعادة ما تظهر مقاطع عرضية بيضاوية أو مستطيلة. تشمل الأمثلة الألياف التي تحافظ على الاستقطاب المستخدمة في مستشعرات الألياف الضوئية والألياف المصممة خصيصًا لمنع انتشار وضع المعرض الهمسي.

تتميز الألياف البلورية الضوئية بتغير دوري في معامل انكسارها، والذي يتم تنفيذه بشكل متكرر على شكل فتحات هواء أسطوانية تمتد على طول المحور الطولي للألياف. يستخدم هذا النوع من الألياف ظواهر الحيود، إما بشكل حصري أو بالاشتراك مع الانعكاس الداخلي الكلي، لحصر الضوء داخل قلبه. يمكن تخصيص الخصائص البصرية لهذه الألياف بدقة لمجموعة متنوعة من التطبيقات.

آليات التوهين

يشير التوهين في الألياف الضوئية، والذي يشار إليه أيضًا بفقد الإرسال، إلى انخفاض كثافة الإشارة الضوئية أثناء عبورها وسط إرسال. عادةً ما يتم قياس معاملات التوهين في أنظمة الألياف الضوئية بالديسيبل لكل كيلومتر (ديسيبل / كم). يتكون وسط النقل عادة من ألياف زجاج السيليكا المصممة لحصر شعاع الضوء الساقط. يمثل التوهين عاملاً حاسماً يقيد إرسال الإشارات الرقمية لمسافات طويلة. ونتيجة لذلك، ركزت الأبحاث المكثفة على تخفيف التوهين وزيادة تضخيم الإشارة الضوئية. على مدار أربعة عقود، تم تحقيق انخفاض بمقدار أربعة مستويات في توهين الألياف الضوئية السيليكا من خلال التقدم المستمر في عمليات التصنيع، ونقاء المواد الخام، وتصميم التشكيل، وتكوينات الألياف، مما مكن هذه الألياف من الاقتراب من حد التوهين الأدنى النظري.

يمكن تصميم الألياف الضوئية أحادية الوضع لإظهار خسارة منخفضة بشكل استثنائي. على سبيل المثال، تُظهر ألياف Corning's Vascade® EX2500، وهي ألياف أحادية الوضع محسنة للأطوال الموجية للاتصالات، توهينًا اسميًا قدره 0.148 ديسيبل/كم عند 1550 نانومتر. جزء بطول 10 كيلومتر من هذه الألياف قادر على نقل ما يقرب من 71% من الطاقة الضوئية عند 1550 نانومتر.

ينتج التوهين في الألياف الضوئية بشكل أساسي عن ظاهرتي التشتت والامتصاص. في الألياف المكونة من زجاج الفلورايد، مثل ZBLAN، يكون الحد الأدنى من التوهين مقيدًا بامتصاص الشوائب. ومع ذلك، فإن الغالبية العظمى من الألياف الضوئية تعتمد على السيليكا، حيث يكون امتصاص الشوائب ضئيلًا. في ألياف السيليكا، يخضع التوهين في الغالب لآليات جوهرية، وتحديدًا تشتت رايلي وامتصاص الأشعة تحت الحمراء داخل المصفوفة الزجاجية التي ينتشر الضوء من خلالها. يزداد امتصاص السيليكا بشكل ملحوظ عند الأطوال الموجية التي تتجاوز 1570 نانومتر. بالنسبة للأطوال الموجية الأكثر صلة بالاتصالات، يشكل تشتت رايلي آلية الخسارة السائدة. عند 1550 نانومتر، يتم تفصيل مكونات التوهين للألياف منخفضة الخسارة على النحو التالي: خسارة تشتت رايلي: 0.1200 ديسيبل/كم، خسارة امتصاص الأشعة تحت الحمراء: 0.0150 ديسيبل/كم، خسارة امتصاص الشوائب: 0.0047 ديسيبل/كم، وفقدان عيب الدليل الموجي: 0.0010 ديسيبل/كم.

تشتت الضوء

يعتمد انتشار الضوء داخل قلب الألياف الضوئية إما على الانعكاس الداخلي الكلي للموجة الضوئية، من منظور بصريات هندسية، أو على مفهوم الأوضاع الموجهة، ضمن إطار الدليل الموجي الكهرومغناطيسي. في الألياف الضوئية النموذجية أحادية الوضع، ينتشر ما يقرب من 75% من الضوء عبر المادة الأساسية، التي تمتلك معامل انكسار أعلى، بينما ينتشر حوالي 25% عبر الكسوة، التي تتميز بمعامل انكسار أقل. الواجهة بين الزجاج الأساسي والكسوة سلسة بشكل استثنائي، وبالتالي تمنع فقدان التشتت الكبير أو فقدان عيب الدليل الموجي. ينشأ المصدر الرئيسي لفقدان التشتت من تشتت رايلي الذي يحدث داخل الجزء الأكبر من المواد الزجاجية التي تشتمل على قلب الألياف والكسوة.

يُعزى تشتت الضوء في الألياف الزجاجية ذات الدرجة البصرية إلى عدم انتظام المستوى الجزيئي، وتحديدًا التقلبات التركيبية، داخل الهيكل الزجاجي. في الواقع، يفترض المنظور النظري الناشئ أن الزجاج يمثل الحالة المحدودة للمادة الصلبة متعددة البلورات. ضمن هذا الإطار المفاهيمي، تعمل النطاقات التي تظهر درجات متفاوتة من الترتيب قصير المدى بمثابة لبنات البناء الأساسية للمعادن والزجاج والسيراميك على حدٍ سواء. توفر عيوب البنية الدقيقة، الموزعة بين هذه المجالات وداخلها، المواقع الأكثر ملائمة لتشتت الضوء.

تتوقف ظاهرة التشتت على كل من الطول الموجي للضوء الساقط وأبعاد مراكز التشتت. تتماشى ملاحظات الاعتماد الزاوي لشدة الضوء المنتشرة من الألياف الضوئية مع خصائص تشتت رايلي، مما يشير إلى أن مراكز التشتت تمتلك أبعادًا أصغر بكثير من الطول الموجي للضوء المنتشر. ينشأ هذا التشتت في المقام الأول من تقلبات الكثافة داخل الزجاج، والتي تتأثر بدرجة حرارته الوهمية، ومن تقلبات تركيز المواد المشابهة الموجودة في كل من مناطق القلب والكسوة. يتم التعبير رياضيًا عن معامل تشتت رايلي، الذي يُشار إليه بـ R، كمجموع مكونين: $${\displaystyle R=R_{\text{d}}+R_{\text{c}}}$$، حيث R_d يقيس كمية تشتت رايلي المنسوب إلى تقلبات الكثافة، ويحدد R_c كمية تشتت رايلي الناتج عن تقلبات تركيز المنشطات. يتم دمج المنشطات، بما في ذلك ثاني أكسيد الجرمانيوم والفلور، لإنشاء فرق معامل الانكسار المطلوب بين القلب والكسوة، وبالتالي تسهيل تكوين هيكل الدليل الموجي. مكون تشتت رايلي الناتج عن تقلبات الكثافة، 83§ ν §8990§ n §100101§ p §108109§ β c k B T f {\displaystyle R_{\text{d}}={\frac {8\pi ^{3}}{3\lambda ^{4}}}n^{8}p^{2}\beta _{\text{c}}k_{\text{B}}T_{\text{f}}} ، يتم تعريفه بواسطة المعلمات التالية: lect (الطول الموجي)، n (معامل الانكسار)، p (معامل المرونة الضوئية)، β_c (الانضغاطية متساوية الحرارة)، k_B (ثابت بولتزمان)، وT_f (درجة الحرارة الوهمية). من بين هذه المتغيرات، تعتبر درجة الحرارة الوهمية للزجاج هي العامل الوحيد المهم ماديًا الذي يؤثر على التشتت بسبب تقلبات الكثافة؛ تؤدي درجة الحرارة الوهمية المنخفضة إلى إنتاج بنية زجاجية أكثر تجانسًا وبالتالي تقليل تشتت رايلي. يمكن خفض درجة الحرارة الافتراضية بشكل كبير عن طريق دمج ما يقرب من 100 جزء من الوزن لكل مليون (بالوزن جزء في المليون) من مادة أكسيد القلوي في قلب الألياف، أو عن طريق تنفيذ نظام تبريد أبطأ أثناء عملية سحب الألياف. يتم استخدام مثل هذه المنهجيات لتصنيع الألياف الضوئية التي تظهر الحد الأدنى من التوهين، خاصة تلك المخصصة لتطبيقات كابلات الاتصالات البحرية.

عند تركيزات منخفضة من المنشطات، يُظهر مكون تشتت رايلي المنسوب إلى تقلبات التركيز، R_c، التناسب مع x(dn/dx)§1314§، حيث يشير x إلى الكسر المولي للمنشط داخل يمثل الزجاج المعتمد على SiO§1819§، و n معامل انكسار الزجاج. يؤدي دمج ثاني أكسيد الجرمانيوم (GeO§2223§) كمادة منشطة لزيادة معامل الانكسار لنواة الألياف بشكل متزامن إلى رفع مكون تقلب التركيز في تشتت رايلي، وبالتالي زيادة توهين الألياف. وبالتالي، فإن الألياف الضوئية المصممة للحد الأدنى من التوهين تتجنب عادةً استخدام GeO§2425§ في القلب، وبدلاً من ذلك تستخدم الفلور في الكسوة لتحقيق التخفيض المطلوب في معامل انكسار الكسوة. في ألياف السيليكا الأساسية النقية، يتناسب مكون تقلب التركيز في تشتت رايلي، R_c، بشكل مباشر مع تكامل التداخل بين وضع LP01 ومكون تقلب التركيز الناجم عن الفلور الموجود في الكسوة.

داخل قلب ألياف السيليكا النقية المشبعة بالبوتاسيوم (KPSC)، تشكل تقلبات الكثافة العامل الأساسي الذي يؤثر على الخواص البصرية، بالنظر إلى الحد الأدنى من تركيزات K₂O والفلور والكلور. يتم تخفيف تقلبات الكثافة الأساسية هذه بسبب انخفاض درجة الحرارة الوهمية الناجمة عن تعاطي المنشطات البوتاسيوم وتتضاءل بشكل أكبر من خلال التلدين أثناء عملية سحب الألياف. وهذا يتناقض مع الكسوة، حيث تساهم مستويات الفلور المرتفعة وتقلبات التركيز اللاحقة في زيادة الفقد البصري. وبالتالي، يُظهر الضوء المنتشر عبر قلب هذه الألياف تشتتًا أقل وتوهينًا أقل مقارنةً بالضوء الذي يعبر الكسوة.

في ظل ظروف الطاقة الضوئية العالية، يمكن أن تنشأ ظواهر التشتت أيضًا من عمليات بصرية غير خطية تحدث داخل الألياف.

امتصاص الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء

بعيدًا عن تشتت الضوء، يمكن أيضًا أن ينشأ التوهين البصري أو فقدان الإشارة من الامتصاص الانتقائي لأطوال موجية معينة. تشتمل خصائص المواد الأساسية التي تحكم هذه الظاهرة على تفاعلات إلكترونية وجزيئية، وهي مفصلة على النحو التالي:

• على المستوى الإلكتروني، يعتمد الامتصاص على التباعد أو التكميم لمدارات الإلكترون، مما يحدد قدرتها على امتصاص كم من الضوء (الفوتون) عند طول موجي أو تردد محدد داخل الأشعة فوق البنفسجية أو الطيف المرئي. وهذه الآلية مسؤولة بشكل أساسي عن إدراك اللون.
• على المستوى الذري أو الجزيئي، يتأثر الامتصاص بالترددات المميزة للاهتزازات الذرية أو الجزيئية، وطبيعة الروابط الكيميائية، وكثافة تعبئة الذرات أو الجزيئات، ووجود أو عدم وجود ترتيب بعيد المدى. تحدد هذه العوامل الجماعية قدرة المادة على إرسال أطوال موجية أطول عبر مناطق الأشعة تحت الحمراء (IR)، والأشعة تحت الحمراء البعيدة، والراديو، والميكروويف من الطيف الكهرومغناطيسي.

تتطلب هندسة أي جهاز شفاف بصريًا اختيارًا حكيمًا للمواد، مستنيرًا بفهم شامل لخصائصه وحدوده الجوهرية. على وجه التحديد، فإن خصائص الامتصاص المرتبطة بالبنية البلورية في مناطق التردد المنخفض (نطاق الطول الموجي المتوسط ​​إلى البعيد للأشعة تحت الحمراء) تحدد حد شفافية الطول الموجي الطويل للمادة. تنشأ هذه الخصائص من الاقتران التفاعلي بين الاهتزازات المستحثة حرارياً للذرات والجزيئات المكونة للشبكة الصلبة والإشعاع الكهرومغناطيسي الساقط. وبالتالي، تظهر جميع المواد مناطق امتصاص محدودة، تعزى في المقام الأول إلى الاهتزازات الذرية والجزيئية (على سبيل المثال، تمدد الروابط) في طيف الأشعة تحت الحمراء البعيدة (أطوال موجية تتجاوز 10 ميكرومتر).

بشكل أساسي، يحدث الامتصاص الانتقائي لضوء الأشعة تحت الحمراء (IR) بواسطة مادة معينة عندما يتوافق تردد موجة الضوء الساقطة بدقة مع، أو يكون مضاعفًا صحيحًا (توافقيًا) للتردد الاهتزازي الطبيعي للمادة الجزيئات المكونة. ونظرًا لأن الذرات والجزيئات المتميزة تمتلك ترددات اهتزازية طبيعية فريدة، فإنها ستظهر بالتالي امتصاصًا انتقائيًا لترددات مختلفة أو أجزاء طيفية من ضوء الأشعة تحت الحمراء.

على العكس من ذلك، تنشأ ظواهر انعكاس موجة الضوء وانتقالها عندما لا تتوافق ترددات الضوء الساقط مع ترددات اهتزازات الرنين الطبيعي لمكونات المادة. عندما يصطدم ضوء الأشعة تحت الحمراء (IR) بترددات غير رنانة بجسم ما، فإن طاقته إما تنعكس أو تنتقل.

ميزانية الخسارة البصرية

يتم زيادة التوهين الإجمالي عبر مقطع كابل الألياف الضوئية بشكل كبير من خلال دمج الموصلات والوصلات. وبالتالي، عند حساب التوهين المسموح به، أو "ميزانية الخسارة"، بين جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال، يجب مراعاة العوامل التالية:

• خسارة الديسيبل (dB) التي تعزى إلى نوع وطول كابل الألياف الضوئية المحدد،
• خسارة الديسيبل التي تتكبدها الموصلات، و
• خسارة الديسيبل الناتجة عن التوصيلات.

تساهم الموصلات المصقولة جيدًا عمومًا بحوالي 0.3 ديسيبل من الخسارة لكل اتصال، في حين تقدم الوصلات عادة أقل من 0.2 ديسيبل لكل لصق.

يمكن حساب الخسارة البصرية الإجمالية باستخدام الصيغة التالية:

الخسارة = (خسارة ديسيبل لكل موصل × عدد الموصلات) + (خسارة ديسيبل لكل لصق × عدد الوصلات) + (خسارة ديسيبل لكل كيلومتر × كيلومتر من الألياف)،

حيث تكون خسارة الديسيبل لكل كيلومتر متغيرًا يعتمد على نوع الألياف، الذي تحدده الشركة المصنعة عادةً. على سبيل المثال، تُظهر الألياف القياسية أحادية الوضع بطول 1550 نانومتر توهينًا يبلغ حوالي 0.3 ديسيبل لكل كيلومتر.

تعمل ميزانية الخسارة المحسوبة هذه كمرجع مهم أثناء اختبار النظام للتحقق من أن الخسارة البصرية المقاسة تظل ضمن المعلمات التشغيلية المقبولة.

التصنيع

المواد

تشكل السيليكا في الغالب أليافًا بصرية زجاجية؛ ومع ذلك، يتم استخدام مواد بديلة مثل الفلوروزيركونات، والفلوروألومينات، ونظارات الكالكوجينيد، جنبًا إلى جنب مع المواد البلورية مثل الياقوت، في تطبيقات متخصصة، خاصة في نقل الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي الأطول. في حين أن زجاج السيليكا والفلورايد تظهر عادةً مؤشرات انكسار تبلغ حوالي 1.5، فإن بعض المواد، بما في ذلك مركبات الكالكوجينيدات، يمكن أن تحقق مؤشرات تصل إلى 3. ويظل فرق معامل الانكسار بين قلب الألياف والكسوة بشكل عام أقل من واحد بالمائة.

تتميز الألياف الضوئية البلاستيكية (POF) عادةً بأنها ألياف متعددة الأوضاع ذات مؤشر متدرج، ويبلغ قطر قلبها 0.5 ملم أو أكثر. تظهر هذه الألياف بشكل عام معاملات توهين أعلى مقارنة بالألياف الزجاجية، وغالبًا ما تتجاوز 1 ديسيبل/م، مما يؤدي بالتالي إلى تقييد النطاق التشغيلي للأنظمة القائمة على POF.

السيليكا

تظهر السيليكا انتقالًا بصريًا جديرًا بالثناء عبر نطاق واسع من الأطوال الموجية. في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة (بالقرب من الأشعة تحت الحمراء)، وتحديدًا حوالي 1.5 ميكرومتر، يمكن للسيليكا أن تحقق امتصاصًا منخفضًا بشكل استثنائي وخسائر تشتت، تقريبًا 0.2 ديسيبل/كم. يتطلب تحقيق الحد الأدنى من الخسائر استخدام السيليكا فائقة النقاء. تتوقف الشفافية المثلى في نطاق 1.4 ميكرومتر على الحفاظ على تركيز منخفض من مجموعات الهيدروكسيل (OH)، في حين أن التركيز الأعلى من OH يكون أكثر فائدة لنقل الأشعة فوق البنفسجية (UV).

السيليكا قابلة لسحب الألياف عند درجات حرارة مرتفعة بشكل معتدل وتمتلك نطاق تحويل زجاجي واسع نسبيًا. تكمن الميزة المهمة في الفعالية النسبية لربط وتقسيم ألياف السيليكا. علاوة على ذلك، تظهر ألياف السيليكا قوة ميكانيكية كبيرة ضد ضغوط الشد والانحناء، ويتوقف ذلك على سمك الألياف المناسب وإعداد السطح الدقيق أثناء التصنيع. حتى التقطيع البدائي لنهايات الألياف يمكن أن يؤدي إلى أسطح مستوية مقبولة بصريًا. كيميائيًا، تعتبر السيليكا خاملة بشكل ملحوظ، والأهم من ذلك أنها غير قابلة للاسترطاب، مما يعني أنها لا تمتص الماء.

يمكن تعديل زجاج السيليكا من خلال التطعيم بمواد مختلفة. أحد الأهداف الأساسية للتطعيم هو ضبط معامل الانكسار، إما عن طريق زيادته بمواد مثل ثاني أكسيد الجرمانيوم (GeO₂) أو أكسيد الألومنيوم (Al₂O§45§)، أو عن طريق تقليله باستخدام عوامل مثل الفلور أو ثالث أكسيد البورون (B§6_7§O§89§). بالإضافة إلى ذلك، فإن التطعيم بالأيونات النشطة بالليزر، والتي تتمثل في الألياف النادرة المشبعة بالأرض، يتيح إنشاء ألياف نشطة مناسبة لتطبيقات مثل مضخمات الألياف أو الليزر. عادةً، يخضع كل من قلب الألياف والكسوة للتشويب، مما يؤدي إلى تجميع حيث يشكل القلب والكسوة مركبًا موحدًا بشكل فعال، مثل زجاج الألومينوسيليكات أو الجرمانوسيليكات أو الفوسفوسليكات أو زجاج البورسليكات.

بالنسبة لتطبيقات الألياف النشطة، تثبت السيليكا النقية عمومًا أنها زجاج مضيف غير مناسب بسبب قابليتها المحدودة للذوبان في أيونات الأرض النادرة، والتي يمكن أن تؤدي إلى تأثيرات التبريد الناجمة عن تجمع أيون dopant. تقدم Aluminosilicates أداءً محسنًا بشكل كبير في هذا الصدد. علاوة على ذلك، تمتلك ألياف السيليكا عتبة عالية للتلف البصري، وهي خاصية تقلل من الميل إلى الانهيار الناجم عن الليزر. تعد هذه السمة بالغة الأهمية بشكل خاص لمضخمات الألياف المستخدمة في تضخيم النبضات القصيرة.

وبالتالي، فإن ألياف السيليكا هي المادة المفضلة للعديد من التطبيقات البصرية، بما في ذلك الاتصالات السلكية واللاسلكية (باستثناء عمليات نشر الألياف الضوئية البلاستيكية لمسافات قصيرة جدًا)، وأشعة الليزر الليفية، ومضخمات الألياف، وأجهزة استشعار الألياف الضوئية. أدت جهود البحث والتطوير المكثفة المخصصة لمختلف أنواع ألياف السيليكا إلى زيادة مزايا أدائها مقارنة بالمواد البديلة.

زجاج الفلورايد

يشكل زجاج الفلورايد فئة من النظارات البصرية غير المؤكسدة المصنوعة من فلوريدات معدنية مختلفة. ونظرًا لللزوجة المنخفضة بطبيعتها، فإن منع التبلور تمامًا أثناء المعالجة من خلال التزجج أو سحب الألياف من المصهور يمثل تحديًا كبيرًا. ونتيجة لذلك، على الرغم من التوهين البصري المنخفض للغاية الذي تظهره نظارات فلوريد المعادن الثقيلة (HMFG)، فإن تعقيد تصنيعها، وهشاشتها المتأصلة، وقابليتها للرطوبة وغيرها من التدهور البيئي تجعلها مشكلة. الميزة الأكثر بروزًا هي عدم وجود نطاق امتصاص مجموعة الهيدروكسيل (OH) (3,200-3,600 سم⁻¹، أي ما يعادل 2,777-3,125 نانومتر أو 2.78-3.13 ميكرومتر)، وهو ما يميز جميع النظارات المعتمدة على الأكسيد تقريبًا. ومع ذلك، فإن هذه الخسائر المنخفضة نظريًا لم يتم تحقيقها عمليًا، وقد أدت الهشاشة وارتفاع تكلفة إنتاج ألياف الفلورايد إلى تقليل قابليتها للتطبيق كمرشح أساسي للتطبيقات واسعة النطاق.

تجد ألياف الفلورايد تطبيقات في التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء المتوسطة (منتصف الأشعة تحت الحمراء)، واستشعار الألياف الضوئية، وقياس الحرارة، والتصوير الطبي. تعتبر هذه الألياف أيضًا مناسبة لنقل الموجات الضوئية الموجهة، خاصة مع ليزر YAG (عقيق الألومنيوم الإيتريوم) الذي يعمل عند 2.9 ميكرومتر، وهو أمر ضروري لمختلف الإجراءات الطبية، بما في ذلك طب العيون وطب الأسنان.

تمثل مجموعة زجاج ZBLAN، التي تتكون من الزركونيوم والباريوم واللانثانوم والألمنيوم وفلوريد الصوديوم، نظارات فلوريد المعادن الثقيلة. تكمن فائدتها التكنولوجية الأساسية في تطبيقها كأدلة موجية بصرية، وهي متاحة في كل من التكوينات المستوية والألياف. توفر هذه النظارات مزايا خاصة ضمن طيف الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، والتي تتراوح على وجه التحديد من 2000 إلى 5000 نانومتر.

زجاج الفوسفات

يشكل زجاج الفوسفات فئة من النظارات البصرية المشتقة من ميتافوسفات المعادن المتنوعة. على عكس رباعي الأسطح SiO₄ الذي يشكل البنية الصلبة الشبكية لزجاج السيليكات، فإن الوحدة الهيكلية الأساسية لزجاج الفوسفات هي خامس أكسيد الفوسفور (P₂O₅)، والذي يظهر التبلور في أربعة أشكال متعددة الأشكال مميزة على الأقل. يتميز تعدد الأشكال الأكثر شهرة ببنية تشبه القفص، وتحديدًا P§6_7§O10.

توفر نظارات الفوسفات مزايا مقارنة بنظارات السيليكا، خاصة بالنسبة للألياف الضوئية التي تتطلب تركيزات عالية من أيونات الأرض النادرة المخدرة. تنتج مادة هجينة، تُعرف باسم زجاج الفلوروفوسفات، من الجمع بين تركيبات زجاج الفلورايد والفوسفات.

زجاج الكالكوجينيد

تخضع مركبات الكالكوجينات، وهي عناصر من المجموعة 16 من الجدول الدوري - وتحديدًا الكبريت (S)، والسيلينيوم (Se)، والتيلوريوم (Te) - لتفاعلات مع عناصر أكثر إيجابية كهربية، مثل الفضة، لإنتاج مركبات الكالكوجينيدات. تُظهر هذه المركبات تنوعًا ملحوظًا، حيث تظهر على شكل بلورية أو غير متبلورة، أو معدنية أو شبه موصلة، وقادرة على توصيل الأيونات أو الإلكترونات. يُستخدم زجاج الكالكوجينيد في تصنيع الألياف المصممة لنقل الأشعة تحت الحمراء البعيدة.

العملية

التشكيل

يبدأ تصنيع الألياف الضوئية القياسية ببناء تشكيل ذو قطر كبير، يتميز بمؤشر انكسار يتم التحكم فيه بدقة. يتم بعد ذلك سحب هذا التشكيل للحصول على ألياف ضوئية ممدودة ونحيلة. يتم تصنيع القوالب عادةً باستخدام ثلاث منهجيات مختلفة لترسيب البخار الكيميائي: ترسيب البخار الداخلي، ترسيب البخار الخارجي، والترسيب المحوري للبخار. في عملية ترسيب البخار الداخلي، ينشأ التشكيل على شكل أنبوب زجاجي مجوف، يبلغ طوله حوالي 40 سم (16 بوصة)، ويتم وضعه أفقيًا وتدويره ببطء على مخرطة. يتم إدخال الغازات، مثل رابع كلوريد السيليكون (SiCl§1213§) أو رابع كلوريد الجرمانيوم (GeCl§1415§)، مع الأكسجين في أحد طرفي الأنبوب. يقوم بعد ذلك موقد هيدروجيني خارجي بتسخين هذه الغازات، مما يؤدي إلى رفع درجة حرارتها إلى 1900 كلفن (1600 درجة مئوية، 3000 درجة فهرنهايت). عند درجة الحرارة هذه، تتفاعل رباعيات الكلوريدات مع الأكسجين، وتنتج جزيئات السيليكا أو ثاني أكسيد الجرمانيوم. عندما يتم اختيار ظروف التفاعل على وجه التحديد لتسهيل هذا التفاعل طوال مرحلة الغاز داخل حجم الأنبوب بالكامل - وهو خروج عن التقنيات السابقة حيث حدثت التفاعلات فقط على السطح الزجاجي - يُطلق على هذه الطريقة اسم ترسيب البخار الكيميائي المعدل. تتكتل جزيئات الأكسيد الناتجة بعد ذلك، لتشكل سلاسل جسيمات واسعة النطاق تترسب لاحقًا على شكل سخام على جدران الأنبوب. تُعزى ظاهرة الترسيب هذه إلى الرحلان الحراري، وهي عملية يحركها الفارق الكبير في درجة الحرارة بين قلب الغاز والجدار، مما يدفع الجسيمات إلى الخارج. يتم بعد ذلك عبور شعلة الموقد على طول الأنبوب لضمان ترسيب موحد للمواد. وعند الوصول إلى نهاية الأنبوب، تعود الشعلة إلى وضع البداية، ويتم صهر الجزيئات المترسبة لتشكل طبقة صلبة. يتم تكرار هذا التسلسل حتى يتم إيداع كمية كافية من المواد. لكل طبقة متتالية، يمكن تعديل التركيبة بدقة عن طريق تغيير خليط الغاز، وبالتالي تمكين التحكم الدقيق في الخصائص البصرية النهائية للألياف. في كل من ترسيب البخار الخارجي والترسيب المحوري للبخار، يحدث تكوين الزجاج عن طريق التحلل المائي باللهب. يتضمن هذا التفاعل أكسدة رابع كلوريد السيليكون ورابع كلوريد الجرمانيوم من خلال تفاعلهما مع الماء داخل لهب أوكسي هيدروجين. أثناء ترسيب البخار الخارجي، يتم ترسيب الزجاج على قضيب صلب، والذي تتم إزالته لاحقًا قبل إجراء المزيد من المعالجة. على العكس من ذلك، يستخدم الترسيب المحوري للبخار قضيب بذرة قصيرًا، حيث يتم بناء قالب مسامي في نهايته، مع عدم تقييد طوله بأبعاد قضيب المصدر. يتم بعد ذلك دمج هذا التشكيل المسامي في قالب صلب وشفاف عن طريق تسخينه إلى حوالي 1800 كلفن (1500 درجة مئوية، 2800 درجة فهرنهايت).

تستخدم ألياف الاتصالات الضوئية القياسية عادةً شكلًا دائريًا. ومع ذلك، بالنسبة لتطبيقات محددة، مثل الألياف مزدوجة الكسوة، غالبًا ما يتم تفضيل هندسة التشكيل البديلة. في سياق ألياف الليزر التي تستخدم أليافًا مزدوجة الكسوة، يعزز شكل التشكيل غير المتماثل عامل التعبئة، وهو أمر بالغ الأهمية لضخ الليزر بكفاءة.

وبسبب تأثيرات التوتر السطحي، تخضع هندسة التشكيل للتجانس أثناء عملية الرسم، مما يمنع الألياف النهائية من الاحتفاظ بالحواف الحادة الموجودة في التشكيل الأصلي. على الرغم من هذا التجانس، يظل التلميع الدقيق للتشكيل أمرًا بالغ الأهمية، حيث أن أي عيوب في السطح يمكن أن تؤثر بشكل ضار على الخصائص البصرية والميكانيكية للألياف المصنعة.

عملية الرسم

بغض النظر عن بنيته المحددة، يتم وضع القالب داخل جهاز متخصص يسمى برج الرسم. هنا، يتم تعريض طرف القالب للتسخين، ويتم بعد ذلك سحب الألياف الضوئية كخيط متواصل. يتم تنظيم التوتر المطبق على الألياف بدقة لضمان تحقيق سمك الألياف المطلوب.

الكسوة البصرية

يتم تسهيل انتشار الضوء داخل قلب الألياف من خلال الكسوة الضوئية، التي تمتلك معامل انكسار أقل. وهذا الاختلاف في معامل الانكسار يتيح الانعكاس الداخلي الكلي، وبالتالي حصر الضوء داخل النواة. في بعض تصميمات الألياف، تتكون الكسوة من الزجاج ويتم رسمها بشكل مشترك مع القلب من التشكيل الذي يظهر معامل انكسار متدرج شعاعيًا. وعلى العكس من ذلك، بالنسبة لأنواع الألياف الأخرى، تتكون الكسوة من البلاستيك ويتم تطبيقها كطبقة مميزة.

الطبقات الواقية

يتم تغليف الكسوة البصرية بطبقة عازلة، تختلف عن الأنبوب العازل، مما يحميها من دخول الرطوبة والأضرار الميكانيكية. تشتمل هذه الطبقات الواقية عادةً على مواد مركبة من يوريثان أكريلات أو بوليميد معالج بالأشعة فوق البنفسجية، ويتم تطبيقها على السطح الخارجي للألياف أثناء عملية السحب. تعتبر هذه الطلاءات ضرورية لحماية خيوط الألياف الزجاجية الهشة للغاية، والتي يمكن مقارنتها بقطر شعرة الإنسان، مما يمكنها من تحمل العمليات الصعبة للتصنيع، واختبار الإثبات، والكابلات، والتركيب. قبل الإنهاء أو الربط، يجب إزالة الطبقة العازلة بدقة من الألياف.

تتضمن إجراءات سحب الألياف الضوئية الزجاجية المعاصرة منهجية طلاء مزدوجة الطبقة. يعمل الطلاء الأساسي الداخلي كممتص للصدمات، وهو مصمم خصيصًا للتخفيف من التوهين الناتج عن الانحناء الدقيق. يوفر الطلاء الثانوي الخارجي الحماية للطبقة الأولية ضد التآكل الميكانيكي ويعمل كحاجز ضد القوى الجانبية؛ وقد يكون ملونًا أيضًا لتسهيل التعرف على الخيوط الفردية ضمن تكوينات الكابلات المجمعة. يتم تطبيق طبقات طلاء الألياف الضوئية هذه أثناء عملية سحب الألياف، بسرعات تقترب من 100 كيلومتر في الساعة (60 ميلاً في الساعة). يستخدم تطبيق طبقات الألياف الضوئية إحدى التقنيتين الرئيسيتين: الرطب على الجاف أو الرطب على الرطب. في طريقة الرطب على الجاف، تخضع الألياف أولاً لتطبيق الطلاء الأولي، يليه المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية، ثم تنتقل إلى تطبيق الطلاء الثانوي، والذي يتم معالجته لاحقًا. على العكس من ذلك، في طريقة الرطب على الرطب، تمر الألياف عبر كل من تطبيقات الطلاء الأولية والثانوية بالتتابع قبل الخضوع لمرحلة معالجة واحدة بالأشعة فوق البنفسجية.

يعد سمك الطلاء معلمة مهمة يتم أخذها في الاعتبار أثناء حساب الضغط الذي تتعرض له الألياف في ظل تكوينات الانحناء المختلفة. عندما يتم لف ألياف مغلفة حول شياق، يتم التعبير عن الضغط (σ) المطبق على الألياف رياضيًا على النحو التالي:$${\displaystyle \sigma =E{d_{\text{f}} \over d_{\text{m}}+d_{\text{c}}},$$ حيث يشير E إلى معامل يونج للألياف، ويمثل d_m قطر الشياق، ويمثل d_f قطر الكسوة، ويمثل d_c قطر الطلاء.

يتضمن تكوين الانحناء ذو ​​النقطتين ثني الألياف المطلية على شكل حرف U ووضعها بين أخاديد اللوحتين الأماميتين، والتي يتم بعد ذلك إغلاقها تدريجيًا حتى تنكسر الألياف. يتم التعبير عن الإجهاد (σ) الذي يتعرض له الألياف في هذا الترتيب المحدد رياضيًا على النحو التالي:$${\displaystyle \sigma =1.198E{d_{\text{f}} \over d-d_{\text{c}}},$$في هذه المعادلة، يمثل d المسافة الفاصلة بين الألواح الأمامية، وتعمل القيمة 1.198 كثابت هندسي محدد لهذا الإعداد التجريبي.

تخدم طلاءات الألياف الضوئية وظيفة حاسمة من خلال حماية الألياف الزجاجية ضد سحجات السطح، والتي تعد من المساهمين الأساسيين في تدهور القوة الميكانيكية. يعمل التأثير التآزري للرطوبة والخدوش على تسريع عملية الشيخوخة بشكل كبير ويضر بالسلامة الهيكلية للألياف. علاوة على ذلك، فإن التعرض لفترات طويلة لضغوط ميكانيكية منخفضة المستوى يمكن أن يؤدي إلى إرهاق الألياف. بشكل تراكمي، في ظل فترات تشغيل ممتدة أو ظروف بيئية قاسية، تعمل هذه العناصر على تعزيز انتشار العيوب المجهرية داخل الألياف الزجاجية، مما يؤدي في النهاية إلى فشل كارثي في ​​الألياف.

يمكن أن تؤثر العوامل البيئية بشكل ضار على ثلاث خصائص أساسية لأدلة موجة الألياف الضوئية: القوة الميكانيكية، وتوهين الإشارة، والمرونة في مواجهة الخسائر الناجمة عن الانحناء الدقيق. تم تصميم المكونات الخارجية، مثل سترات كابلات الألياف الضوئية والأنابيب العازلة، لحماية الألياف الضوئية الزجاجية من الظروف المحيطة التي قد تؤثر على أدائها التشغيلي وموثوقيتها على المدى الطويل. داخليًا، يتم تطبيق طبقات طلاء متخصصة للحفاظ على سلامة الإشارة وتقليل التوهين الناتج عن تأثيرات الانحناء الدقيق بشكل كبير.

إنشاء كابلات الألياف الضوئية

في تطبيقات الألياف الضوئية النموذجية، يتم تغليف الكسوة بطبقة من الراتنج القوي، تليها طبقة عازلة إضافية، والتي قد يتم تغليفها لاحقًا داخل طبقة سترة، تتكون عادة من البلاستيك. في حين أن هذه الطبقات الواقية تعزز القوة الميكانيكية للألياف، إلا أنها مصممة بحيث لا تؤثر على خصائصها البصرية المتأصلة. بالنسبة لبعض مجموعات الألياف الصلبة، يتم وضع الزجاج الممتص للضوء بشكل استراتيجي بين الألياف الفردية للتخفيف من انتشار الضوء المتسرب من ألياف واحدة إلى ألياف مجاورة. تعمل ميزة التصميم هذه على تقليل التداخل بين الألياف بشكل فعال وتقليل آثار التوهج في أنظمة تصوير حزمة الألياف. في الكابلات متعددة الألياف، يتم عادةً استخدام طبقات عازلة ملونة لتسهيل التعرف على خيوط الألياف الفردية.

يتم تصنيع كابلات الألياف الضوئية المعاصرة بأغلفة وتكوينات دروع متنوعة، مصممة خصيصًا لمجموعة واسعة من التطبيقات. وتشمل هذه الإجراءات الدفن المباشر في الخنادق الجوفية، وتوفير العزل الكهربائي عالي الجهد، والتكامل في خطوط الكهرباء ثنائية الغرض، والتركيب داخل القنوات، والربط الجوي بأعمدة الهاتف، والنشر في البيئات المغمورة، والتضمين داخل أسطح الطرق المعبدة.

تتضمن تكرارات معينة لكابلات الألياف الضوئية خيوط الأراميد أو الزجاج كعناصر قوة متوسطة لتعزيز السلامة الهيكلية. من منظور تجاري، يوفر استخدام الخيوط الزجاجية حلاً أكثر اقتصاداً دون المساس بالمتانة الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك، توفر الخيوط الزجاجية حاجزًا وقائيًا لقلب الكابل ضد الأضرار الناجمة عن القوارض والنمل الأبيض.

الاعتبارات التشغيلية

متطلبات التثبيت

بينما تظهر كابلات الألياف الضوئية قدرًا كبيرًا من المرونة، فإن الألياف التقليدية تواجه زيادة كبيرة في الفقد البصري عند ثنيها بنصف قطر أصغر من 30 مم تقريبًا. تشكل هذه الخاصية تحديًا أثناء توجيه الكابل، خاصة حول الزوايا الحادة. ولمعالجة هذه المشكلة، تم توحيد الألياف القابلة للانحناء، المصممة خصيصًا للتركيب المبسط في البيئات السكنية، بموجب ITU-T G.657. يمكن لهذه الألياف المتقدمة أن تتحمل أنصاف أقطار الانحناء التي يصل حجمها إلى 7.5 ملم دون التعرض لتدهور ضار في الأداء. وقد أدت التطورات الإضافية إلى تطوير أنواع ألياف أكثر مرونة. بالإضافة إلى ذلك، قد توفر الألياف القابلة للانحناء مقاومة متزايدة لاختراق الألياف، وهي طريقة تتضمن المراقبة السرية لإشارة الألياف عن طريق إحداث الانحناء واكتشاف تسرب الضوء الناتج.

من الخصائص المهمة لكابلات الألياف الضوئية قوة الشد، والتي تحدد الحد الأقصى للقوة المسموح بها التي يمكن ممارستها على الكابل أثناء عملية التثبيت.

إنهاء الألياف والربط

يتم ربط الألياف الضوئية بالمعدات الطرفية من خلال موصلات الألياف الضوئية المتخصصة. تلتزم هذه الموصلات عادةً بالمعايير المعمول بها، بما في ذلك أنواع مثل FC، أو SC، أو ST، أو LC، أو MTRJ، أو MPO أو SMA. يمكن إنشاء اتصالات الألياف الضوئية إما بشكل مؤقت عبر الموصلات، وغالبًا ما يتم دمجها في لوحة التصحيح، أو بشكل دائم من خلال الربط، والذي يتضمن ربط اثنين من الألياف لإنشاء دليل موجي بصري غير منقطع. الربط الاندماجي، وهو عملية تذيب أطراف الألياف معًا، هي الطريقة السائدة لوصلات الألياف الدائمة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب التثبيت السريع، توفر الوصلة الميكانيكية بديلاً. بغض النظر عن تقنية الربط المستخدمة، يتم دائمًا تركيب حاوية لحماية الوصلة.

يتم تنفيذ عملية الربط باستخدام أداة مخصصة. في البداية، تتم إزالة طبقة البوليمر الواقية وأي سترة خارجية قوية من أطراف الألياف. بعد ذلك، يتم شق أطراف الألياف بدقة لتحقيق التعامد ثم يتم وضعها داخل حاملات متخصصة داخل جهاز الربط الانصهار. عادةً ما يتم فحص الوصلة، قبل الدمج وبعده، باستخدام شاشة عرض مكبرة للتحقق من جودة الفواصل. يستخدم جهاز الربط محركات مصغرة لمحاذاة أوجه نهاية الألياف بدقة، يتبعها انبعاث شرارة صغيرة بين الأقطاب الكهربائية في الفجوة للتخلص من الغبار والرطوبة. وبعد ذلك، يتم توليد شرارة أكثر قوة، مما يؤدي إلى رفع درجة الحرارة إلى ما هو أبعد من نقطة انصهار الزجاج، وبالتالي دمج أطراف الألياف بشكل دائم. إن التحكم الدقيق في موقع الشرارة وطاقتها يمنع اختلاط القلب المنصهر والكسوة، وهو أمر بالغ الأهمية لتقليل الخسارة البصرية. يقوم جهاز الربط بتقدير فقدان الوصلة عن طريق نقل الضوء عبر الكسوة على جانب واحد وقياس تسرب الضوء من الكسوة على الجانب المقابل. خسارة الوصلة النموذجية أقل من 0.1 ديسيبل. إن التعقيد المتأصل في هذا الإجراء يجعل ربط الألياف أكثر صعوبة بكثير من ربط الأسلاك النحاسية.

تم تصميم وصلات الألياف الميكانيكية للتركيب السريع والمبسط؛ ومع ذلك، فإنها لا تزال تتطلب التجريد والتنظيف الدقيق والتشذيب الدقيق. تتم محاذاة أطراف الألياف بدقة وتأمينها داخل غلاف دقيق، وغالبًا ما تشتمل على هلام شفاف مطابق للمؤشر لتحسين نقل الضوء عبر الوصلة. بالمقارنة مع وصلات الدمج، تظهر التوصيلات الميكانيكية عمومًا فقدانًا بصريًا أكبر ومتانة أقل، خاصة عند استخدام هلام مطابق للمؤشر.

يتم إنهاء الألياف باستخدام موصلات مصممة للاحتفاظ بدقة وأمان بنهاية الألياف. يشتمل موصل الألياف الضوئية على حلقة أسطوانية صلبة مغطاة بغطاء، مما يؤمن الحلقة داخل مقبس التزاوج المقابل لها. تتضمن آليات التزاوج تصميمات الدفع والنقر، أو الدوران والمزلاج (المعروفة أيضًا باسم حامل الحربة)، أو البراغي (الملولبة). يُظهر الطويق عادةً حرية الحركة داخل الغلاف وقد يشتمل على ميزة مفتاح لمنع دوران الطويق والألياف أثناء تزاوج الموصل.

يتضمن تركيب الموصل عادةً إعداد طرف الألياف وإدخاله في الجزء الخلفي من جسم الموصل. يتم عادةً استخدام مادة لاصقة سريعة التثبيت لتأمين الألياف، ويتم لصق آلية تخفيف الضغط على الجزء الخلفي من الموصل. بعد معالجة المادة اللاصقة، تخضع نهاية الألياف للتلميع. يختلف اختيار التشكيلات البولندية بناءً على نوع الألياف ومتطلبات التطبيق المحددة. يُطلق على الانخفاض الناتج في قوة الإشارة اسم خسارة الفجوة. في تطبيقات الألياف أحادية الوضع، يتم صقل نهايات الألياف بشكل مخصص بانحناء دقيق، مما يضمن اتصال الموصلات المتزاوجة حصريًا في قلوبها الخاصة. تم تصميم هذه اللمسة النهائية المحددة باعتبارها تلميع للاتصال الجسدي (PC). وبدلاً من ذلك، يمكن صقل السطح المنحني بزاوية لإنشاء اتصال اتصال مادي بزاوية (APC). في حين أن اتصالات APC تظهر خسارة إدخال أعلى مقارنة بوصلات الكمبيوتر الشخصي، إلا أنها توفر انعكاسًا خلفيًا منخفضًا بشكل كبير، حيث يتم توجيه الضوء المنعكس من السطح المائل بعيدًا عن قلب الألياف. تحافظ أطراف ألياف APC على انعكاس منخفض للخلف حتى في حالة الانفصال.

خلال تسعينيات القرن العشرين، مثّل إنهاء كابلات الألياف الضوئية تحديات بسبب مكونات الموصل العديدة، وضرورة تلميع الألياف، ومتطلبات فرن الإيبوكسي داخل كل موصل. في الوقت الحاضر، تعمل تصميمات الموصلات المتوفرة تجاريًا على تسهيل طرق إنهاء الكابلات بشكل أبسط وأقل كثافة في العمالة. العديد من الموصلات السائدة مصقولة مسبقًا في المصنع وتتضمن مادة هلامية داخلية. يتم إجراء عملية قطع دقيقة بطول محدد لتتماشى بشكل وثيق مع العنصر المصقول مسبقًا داخل الموصل. يقوم الجل بتغليف تقاطع المكونين داخل الموصل، وبالتالي تقليل توهين الضوء. بالنسبة للتركيبات التي تتطلب أعلى مستوى من الأداء، تضمن الضفائر المصقولة مسبقًا في المصنع ذات الطول المناسب، والتي تمتد إلى حاوية لصق الدمج الأولي، التشغيل الأمثل وتقليل العمالة في الموقع.

اقتران في الفضاء الحر

إن المحاذاة الدقيقة للألياف الضوئية مع ألياف بصرية أخرى أو مع جهاز إلكتروني ضوئي، مثل الصمام الثنائي الباعث للضوء، أو الصمام الثنائي الليزري، أو المغير، تكون ضرورية في كثير من الأحيان. يمكن تحقيق هذه المحاذاة إما عن طريق وضع الألياف بدقة على اتصال مباشر بالجهاز أو عن طريق استخدام عدسة لتمكين الاقتران عبر فجوة هوائية. نظرًا لأن حجم وضع الألياف يتجاوز بشكل كبير حجم الصمام الثنائي الليزري أو شريحة السيليكون الضوئية، يتم استخدام ألياف مدببة أو ذات عدسات لتنسيق توزيع مجال وضع الألياف مع توزيع المكون الآخر. يمكن تصنيع العدسة الموجودة عند نهاية الألياف من خلال تقنيات التلميع أو القطع بالليزر أو دمج الانصهار.

في بيئة المختبر، يتم ربط نهاية الألياف العارية عبر نظام إطلاق الألياف، والذي يستخدم عدسة مجهرية موضوعية لتجميع الضوء إلى نقطة بؤرية دقيقة. تعمل مرحلة الترجمة الدقيقة، أو جدول تحديد المواقع الدقيقة، على تسهيل حركة العدسة أو الألياف أو الجهاز لتحسين كفاءة الاقتران. يؤدي وجود موصل على الألياف إلى تبسيط هذا الإجراء بشكل كبير؛ يتم إدخال الموصل فقط في ميزاء الألياف الضوئية المحاذي مسبقًا، والذي يضم عدسة إما مثبتة بدقة بالنسبة للألياف أو قابلة للتعديل. لتحقيق أقصى قدر من كفاءة الحقن في ألياف أحادية الوضع، يعد التحسين الشامل لاتجاه الشعاع وموضعه وحجمه واختلافه أمرًا ضروريًا. من خلال التحسين الدقيق، يمكن تحقيق كفاءات اقتران تتراوح من 70% إلى 90%.

عند استخدام ألياف أحادية الوضع مصقولة بشكل صحيح، يُظهر الشعاع المنبعث شكلًا غوسيًا مثاليًا تقريبًا، حتى في المجال البعيد، بشرط استخدام عدسة مناسبة. يجب أن تمتلك هذه العدسة فتحة كافية لاستيعاب الفتحة الرقمية الكاملة للألياف ويجب ألا تسبب انحرافات في الشعاع. يتم اختيار العدسات شبه الكروية بشكل شائع لهذا التطبيق.

مصهر الألياف

عند الشدة الضوئية التي تتجاوز 2 ميجاوات لكل سنتيمتر مربع، يمكن أن يظهر فتيل الألياف في حالة تعرض الألياف لصدمة أو تلف مفاجئ. يؤدي الانعكاس الناتج عن الضرر إلى تبخر فوري للألياف القريبة من الكسر. يحتفظ هذا العيب المتشكل حديثًا بخصائصه الانعكاسية، مما يؤدي إلى انتشار الضرر مرة أخرى نحو جهاز الإرسال بمعدل 1-3 أمتار في الثانية (4-11 كم/ساعة، 2-8 ميل في الساعة). إن نظام التحكم في الألياف المفتوحة، المصمم لضمان سلامة عين الليزر في حالة انقطاع الألياف، قادر أيضًا على إيقاف انتشار فتيل الألياف بشكل فعال. في سياقات مثل الكابلات البحرية، حيث يمكن استخدام مستويات طاقة عالية دون الحاجة إلى التحكم في الألياف المفتوحة، يمكن لجهاز حماية مصهر الألياف الموجود في جهاز الإرسال أن يقاطع الدائرة لتخفيف الضرر.

التشتت اللوني

يُظهر معامل الانكسار للألياف الضوئية اختلافًا طفيفًا مع تردد الضوء، ومصادر الضوء ليست بطبيعتها أحادية اللون تمامًا. ينشأ التشتت اللوني من بنية الدليل الموجي للألياف وخصائص التشتت الجوهرية للمادة الزجاجية، حيث تشكل الأخيرة عادةً المساهمة الأساسية. علاوة على ذلك، فإن تعديل مصدر الضوء لنقل الإشارة يوسع نطاق تردد الضوء المنبعث قليلاً. وبالتالي، على مسافات طويلة وبسرعات تعديل مرتفعة، قد تصل مكونات طيفية مميزة للضوء إلى جهاز الاستقبال في أوقات مختلفة، مما يجعل الإشارة في النهاية غير قابلة للتمييز. يمكن التخفيف من هذه المشكلة من خلال عدة طرق، بما في ذلك نشر أجهزة إعادة إرسال إضافية ودمج قطعة ألياف قصيرة نسبيًا تمتلك تدرجًا عكسيًا لمعامل الانكسار.

ملاحظات

ملاحظات

المراجع

أغراوال، جوفيند (2010). أنظمة اتصالات الألياف الضوئية (PDF) (الطبعة الرابعة). وايلي. دوى:10.1002/9780470918524. ردمك 978-0-470-50511-3.

• أجراوال، جوفيند (2010). أنظمة اتصالات الألياف الضوئية (PDF) (الطبعة الرابعة). وايلي. دوى:10.1002/9780470918524. رقم ISBN 978-0-470-50511-3.مجلة IEEE لموضوعات مختارة في الإلكترونيات الكمومية، 6(6)، 1084–1093. Bibcode:2000IJSTQ...6.1084G. doi:10.1109/2944.902157. S2CID 23158230.مجلة IEEE للإلكترونيات الكمية، 30(4)، 305–322. بيب كود:1982ITMTT..30..305N. دوى:10.1109/TMTT.1982.1131071. S2CID 33979233.
• فريدمان، تي إل (2007). العالم مسطح. بيكادور. رقم ISBN 978-0-312-42507-4. دليل Lennie Lightwave للألياف الضوئية. جمعية الألياف البصرية، 2016.
  • دليل Lennie Lightwave للألياف الضوئية، جمعية الألياف البصرية، 2016.
  • باشوتا، ر. (2013، 25 سبتمبر). "برنامج تعليمي حول الألياف الضوئية السلبية." موسوعة RP الضوئيات. الضوئيات RP. تم الاسترجاع 17 أكتوبر، 2013.موسوعة فيزياء وتكنولوجيا الليزر.
  • "تقنيات الألياف البصرية." شركة ميركوري كوميونيكيشنز المحدودة، أغسطس 1992.
  • "الضوئيات ومستقبل الألياف." شركة ميركوري كوميونيكيشنز المحدودة، مارس 1993.
  • "الألياف الضوئية: أساسيات كابلات الألياف الضوئية." مصدر تعليمي من شركة Arc Electronics، أرشفة 23 أكتوبر 2018.
  • محاضرة فيديو بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "فهم الليزر والألياف الضوئية."
  • غاتك، أ.، وتياجاراجان، ك. "الموجهات الموجية الضوئية والألياف." (PDF) في أساسيات الضوئيات. المعهد الهندي للتكنولوجيا. مؤرشف من الأصل (PDF) في 24 أبريل 2013المصدر: أرشيف أكاديمية TORIma