رابعاً: مكونات أنظمة الألياف والإشارات المستخدمة فيها

1. كبل الألياف

بعد تصنيع الألياف وسحبها على البكر، فإنها تحتاج إلى طبقات حماية إضافية، حتى يمكن تداولها بسلام؛ ولذلك، تُجْعَل في كُبُول. وعدد الألياف في الكبول، يختلف باختلاف استخدام الكبل؛ فقد تكون شعيرة ليفية واحدة، أو عدة آلاف من الألياف.

وكبول الألياف الضوئية، تشابه الكبول المعدنية التقليدية؛ إلا أنها لا تحتاج إلى عزل كهربائي بين الألياف والكبول؛ إذ إن تلك الألياف غير موصلة، كهربائياً.

وكذلك، هي أصغر حجماً من الكبول المعدنية، ذات السعة نفسها من قنوات الاتصال؛ نظراً إلى قدرتها الفائقة على حمل العديد من القنوات، مجتمعة.

ويمكن تلخيص أسباب تصنيع الألياف في صورة كُبُل، في الآتي:

أ. لسهولة الاستخدام؛ إذ إن:

(1) صغر حجم الألياف، يجعلها صعبة التداول.

(2) الألياف شفافة، يصعب رؤيتها على معظم الأسطح.

ب. الحماية، ضد الآتي:

(1) الإجهاد، على طول الألياف.

(2) أي احتمالات للسحق، بالأقدام أو المركبات أو ضغط المياه، وخلافه.

(3) تآكل الألياف وتعريتها.

ج. أنواع الكبول (اُنظر شكل بعض أنواع الكبول)

تقسم كبول الألياف إلى الأنواع الآتية، طبقاً للاستخدام:

(1) كبل داخلي، في معدة أو جهاز: ويكون صغير الحجم، بسيط التركيب، ورخيص الثمن.

(2) كبل بين المكاتب: للاستخدام داخل المبنى الواحد. ويحتوي، عادة، على شعيرة واحدة أو اثنتين من الألياف.

(3) كبل بين المباني: يمر على الجدران. ويحتوى على عدة ألياف.

(4) كبل متعدد: يحتوي على كبول فرعية.

(5) كبل خاص بين المباني، بمواصفات ضد الحريق والدخان.

(6) كبل هوائي خارجي، بين أعمدة أو في أنفاق أرضية.

(7) كبل أنفاق مدرع.

(8) كبل الدفن المباشر، ذو طبقة خارجية مدرعة.

(9) كبل غواصات مائي: للاستخدام في المياه، العذبة أو المالحة.

2. المصادر الضوئية المستخدمة في الألياف

يجب أن تتميز مصادر الضوء المستخدم في الألياف، بالخواص الآتية:

أ. صغر الحجم، كي توافق الألياف.

ب. استهلاك ضئيل للطاقة.

ج. عرض نطاق طيفي ضيقSpectral B.W)  (

د. قدرة خرج كافية.

هـ. طول الموجة، يجب أن يقع في نافذة السماحية الموجية للألياف.

و. قلة النفقة.

ز. اعتمادية كبيرة.

أنواع مصادر الضوء المستخدمة في الألياف

أشهر المصادر الضوئية، هي:

أ. الثنائيات المشعة للضوء (Light Emitting Diodes )  (LEDs)

وتصنع من أشباه الموصلات Semiconductor p-njunction) (

وتتميز باعتمادية كبيرة، ودوائر تغذية بسيطة، ونفقات قليلة. وتلائم الطاقة الضوئية المتولدة منها، اطراداً، شدة التيار الموجب المار بها. وعند التعديل السعوي ( AM ) للضوء، تُغذَّى بإشارة التعديل، إضافة إلى تيار ثابت آخر.

وتنقسم الثنائيات إلى:

(1) مشعات سطحية (Surface emit).

(2) مشعات حرفية (Edge emit) .

(3) مشعات فائقة الإشعاعية (Superluminescent).

ب. ثنائيات الليزر (Laser Diodes-LD)

ويمتاز شعاع الليزر بأنه أحادي التردد، تقريباً (نطاق موجي ضيق جداً)؛ وأنه متناسق ( Coherent )، أي أن موجاته يقوي بعضها بعضاً؛ إذ ترتبط بعلاقة طورية ثابتة. وكذلك انتشاره في خطوط مستقيمة ذات زاوية انفراج ضيقة، على المسافات الكبيرة.

وتنقسم ثنائيات الليزر إلى:

(1) ثنائيات ليزر الحقن  (Injection LD).

(2) ثنائيات ليزر التغذية العكسية.

(اُنظر شكل الفتحة الرقمية) يوضح علاقة القدرة المشعة لكلٍّ من الثنائيات والليزر، بالفتحة الرقمية للألياف.

وتعمل هذه المصادر، عند استخدامها في الألياف، في حيز الأشعة تحت الحمراء، عموماً؛ إذ تشع الثنائيات حول الطول الموجي 830 نانومتر (⁹10 متر). بينما يشع الليزر عند 780 نانومتر، تقريباً. ويُربَط المصدر بالألياف، إما مباشرة، أو باستخدام العدسات المحدبة، أو طرف الكبل الكروي نفسه؛ وذلك لزيادة كفاءة التوافق بين المصدر والألياف.

ويستخدم الليزر، عادة، عند الحاجة إلى السرعة والقدرة الضوئية العالية. كما يؤدي استخدامه إلى ميزة تقليل الفقد في النظام، من طريق زيادة كفاءة الربط مع الألياف، (اُنظر شكل الفتحة الرقمية) و(جدول المقارنة بين مصادر الليزر والثنائيات المشعة) 

3. كواشف الألياف الضوئية

مهمتها تحويل الإشارات الضوئية المستقبلة في نهاية الألياف، والتي تكون، عادة، ضعيفة ـ إلى إشارات كهربائية ضعيفة مناظرة. ويتضمن تصميم أنظمة الكواشف، في المستقبلات الخاصة، بالألياف الضوئية، الآتي:

أ. اختيار نوع الكاشف الملائم، والذي يكون، عادة (فوتو دايو)، من أشباه الموصلات.

ب. استخدام عناصر بصرية (عدسات وخلافه)، لتوجيه الموجات الضوئية إلى الكاشف.

ج. تصميم دوائر إلكترونية، لربط خرج الكاشف مع المراحل اللاحقة.

وهناك نوعان رئيسيان من الكواشف، هما:

أ. الكواشف الفوتونية (الضوئية).

ب. الكواشف الحرارية.

ويعتمد عمل الكواشف الفوتونية على التفاعل المباشر، بين الفوتونات (وحدات الضوء) الساقطة والإلكترونات الناتجة من الكاشف؛ بينما تعتمد الكواشف الحرارية على التأثير الحراري للفوتونات في مادة الكاشف.

وتعرّف الاستجابة الضوئية للكاشف، بأنها التيار المتولد نتيجة تأثير وحدة من الطاقة الضوئية الساقطة؛ بينما تعرّف الكفاءة الضوئية، بأنها النسبة بين متوسط عدد الإلكترونات المثارة، إلى عدد الفوتونات الساقطة، ومقدارها يكون أقل من واحد، وتعتمد على كلٍّ من خواص مادة أشباه الموصلات، وكذلك أبعاد الكاشف نفسه. وتتميز الكواشف الفوتونية، بأنها ذات استجابة وكفاءة  ضوئية أعلى من الكواشف الحرارية.

4. مستشعرات الألياف الضوئية (Sensors)

تُعَدّ الألياف الضوئية حساسة لظروف البيئة المحيطة، مثل درجة الحرارة والضغط، وأي انحناءات في الألياف؛ وفي حالة أنظمة الاتصالات بالألياف الضوئية، يراعى، عند التصميم، تقليل تأثير هذه العوامل. أما في حالة استخدام المستشعرات الضوئية للألياف، فتُستَغَل هذه الحساسية في قياس بيانات مجال المستشعر وخصائصه.

وفي هذه الحالة، يُرَبط الضوء المار في الكبل بمجال المستشعر، ويُعَدَّل بعض خواص هذا الضوء (مثل الشدة وطول الموجة وزاوية الطور والقطبية)، بوساطة المحث، ثم يكون التعامل مع هذا الضوء المعدل، بعد مروره على كاشف فوتوني (اُنظر شكل المخطط الأساسي للمستشعر).

وتعمل هذه المستشعرات، إما على أساس شدة المجال، أو التداخل الضوئي.

5. ربط الألياف وتوصيلها

بعد استعراض العناصر الأساسية في وصلة الألياف الضوئية، تبقى العناصر المساعدة، التي يكتمل بها نظام الاتصالات بتلك الألياف:

أ. الموصلات والروابط: وتستخدم في ربط أجزاء الألياف بعضها ببعض.

ب. المجمعات: (Couplers) وهي تستخدم في توزيع أو تجميع إشارات ضوئية متحدة، بين عدة مرسلات أو مستقبلات.

6. أنواع البيانات (Data Types)

تستخدم وصلات الاتصالات البيانية، نوعَين من صور البيانات:

أ. الاتصالات الرقمية (Digital Data Comm) : مهمتها إرسال البيانات في صورة كود ثنائي، من صفر وواحد. وبعد الاستقبال، يُعاد فك الكود، مره أخرى.

 ب. الاتصالات التناظرية: (Analogue Comm). تُرسل من خلالها البيانات، على هيئة إشارات مستمرة متغيرة. ويُعَدّ مستوى الإشارة نفسه هو المعلومات المطلوب إرسالها.

7. التعديل (Modulation)

يستهدف التعديل تحميل الأشعة الضوئية بالمعلومات، المراد إرسالها. وتتميز نظُم الاتصالات بالألياف الضوئية بالسعة الكبيرة، في حمل المعلومات.

ويختلف التعديل المستخدم، هنا، عن التعديل المعتاد، في باقي الأنظمة اللاسلكية.

أنواع التعديل للإشارات الضوئية

أ. التعديل التناظري (Analogue Mod).

يتحقق، في حالة الثنائيات  (LEDs)، بإنتاج تغيرات في القدرة الضوئية، تناظر، إلى أقرب مدى، الشكل الموجي للجهد أو التيار الداخل.

وفي حالة الليزر، يكون إما تعديل سعوي (AM) ، وتعديل شدة Intensity Mod. – IM) (، أو بالخلط المتعدد لتقسيمات الترد  (Frequency Division Multiplexing FDM).

ويتأتّى بتعديل رسائل متعددة، بموجات حاملة فرعية مختلفة، يمكن إرسالها عبر كبل ألياف أحادي.

ب. التعديل الرقمي  (Digital Mod)

في حال الثنائيات  (LEDs): ليس مطلوباً تزويدها بتيار مستمر، للتعديل، كما هو الحال في التعديـل التناظري، بل المطلوب، ببساطة، هو تشغيل الثنائيات وتبطيلها، طبقاً لكود معين؛ ولا علاقة لذلك بقيمة الإشارة الداخلة. وفي حالة الليزر، فإن أكثر الوسائل عملية هي تشغيل الليزر مباشرة، بتيار معدل  بكود نبضي.

مميزات التعديل الرقمي:

يتميز التعديل الرقمي على التعديل التناظري، بالآتي:

(1) سهولة تشغيل كلٍّ من الثنائيات (LEDs) والليزر، بالسرعة المطلوبة.

(2) الإشارات الرقمية أقلّ عرضة للتشوه من الإشارات التناظرية، التي تتأثر بمصادر متعددة، في الألياف.

(3) إمكانية استخدام كود فحص الخطأ، في الأنظمة الرقمية، مما يقلل إمكانية حدوثه في الإرسال.

(4) الوصلات الضوئية الرقمية، توافق باقي الأنظمة الرقمية الغير غير الضوئية.

(5) سهولة إعادة توليد النبضات الرقمية، عند معيدات الإرسال (Repeaters).