ثانياً: المبادئ الفوتونية[1]

الموجات الضوئية، هي الموجات الحاملة للإشارة النافعة، عند استخدام الألياف الضوئية. وهي ذات مبادئ وتعريفات، أبرزها:

1. طبيعة الضوء

هل الضوء تيار من الجزيئات؟ أهو موجات؟ أم ماذا؟!

هناك عدة نظريات، في هذا الخصوص. فالنظرية الجزيئية (The Corpuscular Theory)، ترى أن الضوء هو تيار من الجزيئات، بكل الألوان المختلفة. ويؤيد ذلك ظاهرة الانعكاس والانكسار. بينما ترى النظرية الموجية The) (Wave Theory، أن الضوء هو موجات، أي أنه تحوّل للطاقة وليس المادة؛ ويؤيد ذلك ظاهرة التشتت والحيود.

بينما تتعامل النظرية الكَمّية (The Quantum Theory)، مع الضوء، على أنه طاقة فوتونية، لها تأثيراتها الكهربائية المختلفة.

وخلاصة القول أن للضوء طبيعة مزدوجة، تجمع بين خصائص الجزيئات وخصائص الموجات.

2. الموجات الضوئية

تعرّف الموجات بأنها انتقال الطاقة من نقطة إلى أخرى. ويمكن التعبير عن شكل وحركة الموجات واتجاهها، بالمعادلات الرياضية.

وأبسط شكل لهذه الموجات، هي الموجات الجيبية المتوافقه (Harmonic Sinusoidal) ويكون التعبير عنها كالآتي:

(اُنظر شكل سرعة انتشار الموجة)

حيث:

 A: هي سعة الموجة.

 K: هي رقم الموجه وتساوي:  )(: ثابت معروف، ويساوي 3.14). 

 : هي طول الموجة.

 V : سرعة انتشار الموجة.

وتصف معادلات ماكسويل (Maxwell)، الضوء بأنه موجات كهرومغناطيسية، مكونة من مجال كهربائي، يتعامد على مجال مغناطيسي. والاثنان يتعامدان على اتجاه انتشار الموجة، التي تسير بسرعة الضوء.

3. معامل الانكسار ) Index of Refraction ( n

تختلف سرعة الضوء باختلاف وسط الانتشار؛ إذ يبلغ أقصى سرعة له في الفراغ. ويعبّر عن النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ، وسرعته في أي وسط آخر، بمعامل الانكسار n) (

أي أن n = c/v، حيث:

 c:    سرعة الضوء في الفراغ.

 v:    سرعته في الوسط.

4. الانعكاس والانكسار ) (Reflection & Refraction

تسير الأشعه الضوئية، عبْر الوسط المتجانس، في خطوط مستقيمة. وفي حالة سقوط شعاع على سطح فاصل بين وسطَين، فإن جزءاً منه، ينعكس طبقاً لقانون الانعكاس؛ إذ تكون زاوية السقوط مساوية زاوية الانعكاس.

وينكسر جزء آخر، داخل الوسط الآخر:

(اُنظر شكل الانعكاس والانكسار).

5. الانعكاس الداخلي الكلي Total Internal Reflection

لا يحدث انكسار للشعاع، إذا كانت أكبر من، وإنما ينعكس الشعاع كلّه. كما يحدث الانعكاس الكلي الداخلي، إذا كانت زاوية السقوط  مساوية الزاوية الحرجة، أو أكبر منها.

6. التشتت (Dispersion)

يعتمد معامل الانكسار (n)، على طول موجة الضوء (أي لونه). وهذه الظاهرة، تسمى تشتت المواد؛ وعلى أساسها، تنطلق الموجات ذات الترددات المختلفة بسرعات مختلفة، خلال أي وسط. والمصادر الضوئية، لا تشع الضوء في طول موجي واحد (أي تردد واحد)، بل تصدر الإشعاع في حيز من الأطوال الموجية، يسمى عــرض الخطLine Width ، أو العرض الطيفي  وفيما يلي أمثلة لبعض المصادر الضوئية و عرضها الطيفي: (اُنظر جدول بعض المصادر الضوئية وعرضها الطيفي)

ويوصف المصدر، الذى يشع الضوء في طول موجى واحد، أو حيز ضيق من الموجات ـ بأنه مصدر ضوئي متناسق  (Coherent). وعليه، فإن ليزر هليوم نيون، مثلاً، أكثر تناسقاً من الثنائيات المشعة.

تشتت النبضة

في حالة إشعاع مصدر ضوئي لنبضة، في ألياف ضوئية مشتتة، فإنها تكون مكونة من مجموع نبضات، متماثلة شكلاً، ومختلفة في أطوالها الموجية. ولذا، تسير بسرعات مختلفة، وتصل إلى نهاية الألياف، في أزمنة متفاوتة قليلاً. وعند تجميعها في الخرج، فإن بعضها يضاف إلى بعض، منتجة نبضة أطول، نسبياً، من نبضة المصدر؛ وهو ما يسمى تشتت النبضة.

وهذا التشتت، لا يغير القدرة المتوسطة، أو التعديل للنبضة؛ ولكنه يقلل تغييرات الإشارة .(Signal variations) وبما أن المعلومات المرسلة موجودة في تلك التغييرات، فإن التشتت يتسبب ببعض المشاكل؛ إذ يحدّ من سعة المعلومات لأي نظام إرسال.

7. العدسات

هي وحدات تسمح بمرور الضوء، وتتعامل معه، طبقاً لشكلها الهندسي ومعامل انكسارها (n).

وهي إما عدسات موجبة (مجمعة أو محدبة)؛ أو عدسات سالبة (مشتتة أو مقعرة) (اُنظر شكل العدسات).

وتستخدم العدسات، في أنظمة الألياف الضوئية، كالآتي:

أ. العدسات الموجبة: تستخدم في المرسلات، لتشكيل الإشعاع الضوئي من المصدر، على هيئة أشعة متوازية، وتستخدم، كذلك، في المستقبلات، لتجميع الإشعاع الضوئي القادم، وتركيزه في الكاشف.

ب. العدسات السالبة: تستخدم في توسيع أو تضيق شعاع الضوء.

ج. تستخدم مختلف تكوينات العدسات وأنواعها، في ربط الإشعاع الضوئي، في الألياف الضوئية.