ثالثاً: الألياف الضوئية

الألياف الضوئية OPTICAL FIBER عبارة عن أسطوانة شفافة، (اُنظر شكل الألياف الضوئية)، مصنوعة لتوجيه الضوء خلالها.

وحتى لا "يتسلل" شعاع الضوء من الألياف، نتيجة لظاهرة الانكسار، يراعى إسقاط الشعاع على جدارها بزاوية  أكبر من الزاوية الحرجة . وبذلك، يضمن انعكاس الشعاع انعكاساً كلياً، داخل الألياف.

وحتى لا ينتقل الشعاع إلى الألياف المجاورة، فإنها تُحاط بكسوة عازلة، ذات معامل انكسار صغير؛ فيُضمن عدم وصوله إلى سطحها الخارجي، (اُنظر شكل الانعكاس الكلي الداخلي).

1. مكونات الألياف الضوئية

تتكون الألياف الضوئية من قلب  (Core)، له معامل انكسار،  ومحاط بكسوة عازلة، لها معامل انكسار أقل قليلاً من ؛ وذلك للحصول على انعكاس كلي للشعاع على السطح الفاصل؛ (اُنظر شكل المكونات الأساسية للألياف).

2. أنواع الألياف الضوئية

هناك نوعان رئيسيان من الألياف، هما:

أ. ألياف ذات معامل "خطوه"  Step Index) ( وفيها نجد معامل الانكسار لمادة القلب متجانسة، ولا تعتمد على المسافة القطرية من محور الكبل (اُنظر شكل ألياف ذات معامل "خطوة")

ويسير الضوء فيها بنظرية الانعكاس الداخلي الكلي. وينقسم هذا النوع من الألياف إلى:

(1) ألياف أحادية النشاط Single – Mode) ([1]  

(2) ألياف متعددة النشاط (Multi – Mode)[2]     

والفرق الظاهر بينهما أن النشاط الأحادي، له نصف قطر أقلّ بكثير من المتعدد (نحو 2 ميكرومتر). (اُنظر جدول بعض القيم الفعلية لأبعاد الألياف)

وتصنع ألياف الخطوة على ثلاثة أشكال مختلفة، بحسب المادة المستخدمة في تصنيع القلب والكسوة، كالآتي:

(1) إما أن تكون جميعها من الزجاج.

(2) أو تكون من قلب زجاجي محاط بكسوة من البلاستيك.

(3) أو تكون جميعها من البلاستيك. (اُنظر جدول المقارنة بين أشكال ألياف الخطوة)

ب. والنوع الآخر من الألياف، هو الألياف ذات معامل الانكسار المتدرج (Graded – Index)

وفيها يقلّ معامل الانكسار لمادة القلب، كلما ابتعد عن محور الكبل.

ويسير الضوء فيها، أساساً، بنظرية الانكسار، وليس الانعكاس الداخلي الكلي، كما في معامل الخطوة؛ (اُنظر شكل الألياف ذات معامل الانكسار المتدرج).

3. (اُنظر جدول مقارنة بين نوعي الألياف)

4. الاضمحلال والفقد في الألياف

يُعَدّ الاضمحلال في الألياف الضوئية، عاملاً مهماً جداً في تصميم نُظُم الاتصالات بالألياف. وعندما أمكن تقليل هذا الاضمحلال إلى أقل من  20 ديسيبل، في أواخر الستينيات، صارت أنظمة الاتصالات بالألياف ممكنة وذات جدوى.

ومن الضروري، دائماً، التأكد أن القدرة المستقبلة من الألياف، أكبر من الحد الأدنى اللازم للمستقبل، لاكتشاف المعلومات والتقاطها جيداً. ومن الطبيعي، أن تعتمد هذه القدرة على مقدار الاضمحلال في قناة الاتصالات.

مصادر الفقد في الألياف

يحدث الفقد في الألياف الضوئية الزجاجية، نتيجة للآتي:

أ. الامتصاص (Absorption)

هناك ثلاثة أنواع من الامتصاص:

(1) داخلي: بسبب الخواص الطبيعية للمادة.

(2) شوائب: بسبب الأيونات المعدنية وغيرها، والموجودة في الزجاج، أثناء التصنيع.

(3) عيوب ذرية: نتيجة للعناصر المؤكسدة غير المطلوبة، والناتجة من عملية التصنيع أو الإشعاع.

ب. التشتت (Scattering)

هناك نوعان من التشتت:

(1) تشتت داخلي: ويسمى، عادة، تشتت "ريلي" (Reyleigh).

(2) تشتت نتيجة عدم التجانس: وهو إما تشتت يعتمد على الزاوية، أو تشتت يعتمد على طول الموجة.

(اُنظر جدول علاقة الفقد من الامتصاص والتشتت بطول الموجة)

ج. تأثيرات الشكل الهندسي

وهي المصدر الثالث للفقد في الألياف. وينتج إما:

(1) من انحناءات الكبل، عند لفه على بكر، أو عند مروره حول الأركان.

(2) أو من التشوه المحوري في الألياف، عند تغطيتها بكبول الحماية.

5. إجراء تصنيع مادة الألياف

هناك وسائل عديدة لعملية التصنيع، تهدف جميعها إلى صهر مادة الزجاج، وتنقيتها من الشوائب، وجعلها سائلة. وتختلف هذه الوسائل بعضها عن بعض، في التكنولوجيات المستخدمة في عملية الصهر والتنقية، وفي الأغراض التي تُعَدّ لها.

6. سحب الألياف

يلي سحب الألياف عملية تصنيع مادتها. ويجري السحب، والزجاج سائل ساخن؛ إذ تُلَفّ الألياف على بكر خاص، يدور بسرعة محسوبة، تعتمد على قطر الألياف المطلوب.

7. قياس خواص الألياف وتحديدها

يُعْمدَ إليه لتحديد الآتي:

أ. القدرة الضوئية للألياف: وهي معدل مرور طاقه الضوء على نقطة معينة، في وقت محدد.

ب. الاضمحلال: لتحديد مقدار الإشارة الضوئية، التي تفقد في الألياف.

ج. عرض النطاق (B.W) ومعدل البيانات: ويعبران، أساساً، عن معكوس تشتت النبضة في الألياف.

د. الفتحة الرقمية: (NA) وتحدد قدرة الألياف على التقاط الضوء الساقط على مدى كبير من الزوايا وتجميعه.

هـ. التشتت بأنواعه.

و. طول الموجة النهائي:  (Cut Off  W. L) وعنده تبدأ الألياف في تداول النشاط الموجي الثاني (Second Mode)، أي أنه يوضح حدود العمل الموجي للألياف.

8. توصيل الألياف وتجميعها

الهدف منهما الوصول إلى نظام ألياف ضوئية متكامل. ويشمل ذلك الآتي:

أ. توصيل ألياف بألياف أخرى.

ب. توصيل المصدر الضوئي بالألياف.

ج. توصيل نهاية الألياف بالكواشف.