كيف تساعدنا الألياف البصرية في كل حياتنا؟ تعرف على ذلك

اعتدنا على عدة طرق لنقل المعلومات، فإّذا تحدثنا عن الهاتف الثابت فإن الكبل السلكي هو الذي يحمل صوتنا وينقل لنا الصوت الآخر. بينما الهواتف الخلوية تعمل بآلية أخرى حيث ترسل وتستقبل المعلومات باستخدام موجات الراديو غير المرئية ويطلق على هذه التقنية الاتصال اللاسلكي. ولكن الألياف البصرية (الضوئية) تسلك مساراً آخر فهي تنقل المعلومات بين مكانين مختلفين. فما هو عمل الألياف البصرية؟

الألياف البصرية Optical fiber

الليف الضوئي هو كابل يحوي على خيوط زجاجية طويلة ورفيعة كشعرة الإنسان قد يكون عددها بضع أو بضع مئات.  يتم ترتيب هذه الخيوط في حزم تدعى الألياف البصرية. يتم إحاطة الألياف بطبقة زجاجية تسمى الكسوة. تليها طبقة تدعى الأنبوب العازل وفي النهابة الطبقة الواقية. تشكل هذه الألياف الوسيط التكنولوجي لنقل الإلكترونات كنبضات ضوئية على طول الليف. تستخدم الألياف البصرية بشكل شائع في خدمات الاتصالات مثل الإنترنت والتلفزيون والهاتف.

بينما كانت الكابلات النحاسية هي الخيار التقليدي للاتصالات السلكية واللاسلكية والشبكات لسنوات طويلة. على الرغم من عرض نطاقها الصغير وإمكانية تداخلها الكهرومغناطيسية العالية. اليوم أصبحت الألياف هي البديل الشائع. فمعظم خطوط المسافات الطويلة لشركات الهاتف مصنوعة الآن من هذه الألياف التي تستطيع حمل معلومات أكثر من تلك النحاسية.

تتميز الألياف البصرية بنطاق ترددي عال وتداخل أقل مع الإشارات الأخرى. بالإضافة إلى إمكانية وضع الألياف في بيئات متعددة دون أن تتأثر فعاليتها، حيث يمكن وضعها بالماء. وهي أقل وزناً وأقوى مقارنة بالكابلات النحاسية التي كانت تستخدم سابقاً. كما أن صيانتها قليلة وذات عمر طويل وبالتالي لا حاجة لاستبدالها بشكل دوري.

عمل الألياف البصرية

إذا فرضنا أنك تريد إرسال بعض المعلومات من حاسوبك الخاص إلى صديقك باستخدام الألياف. فيجب ربط حاسوبك بليزر حيث يحول المعلومات الكهربائية الموجودة في حاسوبك إلى نبضات ضوئية تنتقل على طول الليف الضوئي. هذه النبضات يفسرها الحاسوب الآخر من خلال خلية كهروضوئية تعيد النبضات الضوئية إلى إشارات كهربائية بحيث يفهمها الحاسوب ويظهرها لصديقك كما أرسلتها.

في مصدر الإرسال يتم تشفير الإشارات بالبيانات ذاتها التي تراها على شاشة حاسوبك لذلك تنقل الألياف المعلومات من خلال الضوء إلى الطرف المستقبل، حيث يتم فك تشفير الإشارات الضوئية إلى بيانات.

تنقل الألياف البصرية البيانات على شكل جسيمات ضوئية تنبض على طول الكابل. بحيث يحتوي كل من نواة الألياف الضوئية والكسوة معامل انكسار مختلف يكسر الضوء المار بزاوية تناسب معامله. وعندما يتم إرسال الإشارات الضوئية عبر الليف تنعكس وتغطى بسلسلة من الارتدادات  تدعى هذه العمليّة الانعكاس الداخلي. على الرغم من كون الألياف ضوئية لكنها لا تنتقل بسرعة الضوء بسبب طبقات للزجاج الكثيفة لذلك تنتقل بسرعة أبطأ بنسبة 30%. يمكن للألياف الضوئية يصل عرض النطاق الترددي تصل إلى 10 جيجا بايت في الثانية بحيث زيادة هذا العرض يزيد من التكلفة.

تم تطوير كابلات الألياف الضوئية في خمسينيات القرن الماضي لإجراء التنظير الداخلي الطبي فيرى الأطباء ما في داخل الجسم البشري بدون جراحة وكان هذا أول عمل للألياف الضوئية. استفاد المهندسون في الستينيات من هذه التكنولوجيا لإرسال واستقبال المكالمات الهاتفية .

أنواع كابلات الألياف البصرية

تعد الألياف متعددة الوضع وذات الوضع الواحد الألياف الرئيسية من بين كل الأنواع.

• الليف أحادي الوضعية one-mode fiber: عند الحاجة لنقل معلومات على مسافات طويلة جداً  يكون الخيار الأفضل هو ليف من هذا النوع بسبب كون قطر نواة الألياف البصرية أرفع فلا تضعف الإشارة وتبقى محافظة على قوتها. بالإضافة إلى أن القطر الصغير للنواة يساهم بنقل المعلومات من خلال شعاع واحد بشكل مباشر وبالتالي المعلومات تنتقل على مسافة أطول في زمن أقل. تساهم هذه الخاصية في جعل هذا النوع من الألياف ذو نطاق ترددي عالي يفوق الليف متعدد الأوضاع. وعادةً يكون مصدر الضوء لهذه الألياف هو الليزر وذلك يزيد من تكلفة النقل عبر هذا الليف بسبب كون الحسابات أعقد لإنتاج ضوء الليزر في فتحة الليف الضيقة. يستخدم هذا النوع عادةً في تطبيقات الإنترنت والهاتف.
• الليف متعدد الأوضاع Multimode fiber: يستخدم هذا الليف لنقل معلومات على مسافة ليست بطويلة. ذلك يعود لكون الليف بقطر أعلى بحوالي 10 مرات ما يسمح للإشارات الضوئية بالارتداد والانعكاس كلّما طالت المسافة.  فتتبع إشارات الضوء عدة اتجاهات ومسارات. القطر الواسع يسمح بإرسال عدة نبضات في آن واحد وبالتالي معلومات أكثر معاً. بحيث إذا طالت المسافة زادت احتمالية ضياع وتخامد الإِشارات وربمّا تتداخل مع إشارات أخرى. ومصدر الضوء في هذا النوع هو الليد. يستخدم هذا النوع في شبكات الحواسيب.
• الليف الكامل plenum:  يمكن تصنيع الليف البصري ليتوافق مع معايير الصناعة للتركيب في الأماكن المكشوفة لتعطي فعالية حتى في حالات الحريق والخطر.
• الألياف  الضوئية البسيطة والمزدوجة: يحتوي الكابل البسيط على خيط زجاجي واحد، يتم استخدامه عند وجود خط إرسال واستقبال واحد بين الأجهزة أو عند استخدام اتصال متعدد الأوضاع.  بينما الألياف المزدوجة تحتوي خيطين من الزجاج أو البلاستيك. الاستخدام الشائع لهذا النوع هو الاتصال بين الأجهزة التي تتطلب إرسال واستقبال في خطين منفصلين.