إرشادات مقترحات البحث معلومات خط الزمن الفهارس الخرائط الصور الوثائق الأقسام

مقاتل من الصحراء
Home Page / الأقســام / موضوعات علمية / الاتصالات بالألياف الضوئية: التكنولوجيا والاستخدام





ألياف ذات معامل "خطوة"
نظام الاتصالات العسكري بالعقدة
الألياف الضوئية
الألياف ذات معامل الانكسار المتدرج
المخطط الأساسي للمستشعر
المكونات الأساسية للألياف
الانعكاس والانكسار
الانعكاس الكلي الداخلي
الحيز الكهروبصري
الشبكات النجمية
العدسات
الفتحة الرقمية
االشبكات الخطية
بعض أنواع الكبول
سرعة انتشار الموجة
سرعة انتشار الموجة C




خامساً: تطبيقات استخدامات الألياف الضوئية

خامساً: تطبيقات استخدامات الألياف الضوئية

1. شبكات الألياف الضوئية

هناك وسائل متعددة لعمل شبكات ألياف ضوئية، باستخدام عناصر نظام الألياف، السابق ذكرها. إلا أنه يمكن تجميع هذه الوسائل في قسمَين رئيسيَّين، هما: إما شبكات نجمية المسار، أو شبكات خطية (Star or Linear busses)

أ. الشبكات النجمية: (اُنظر شكل الشبكات النجمية)

يتضح أن كل عقدة أو طرف، هو مزود بمرسل ومستقبل. وجميع المرسلات موصلة بجهة الدخل لمجمع نجمي، بسعة (ن × ن) طرف. بينما جميع المستقبلات موصلة بجهة الخرج خاصة المجمع. وتمتاز هذه الشبكات باكتفائها بأقل مدى ديناميكي، وبقلّة الفقد بها؛ إذ تتعرض كل عقدة للفقْد نفسه.

ولكن، يعيبها وجود المجمع النجمي بعيداً عن العقد؛ مما يستلزم استخدام عدد كبير من الألياف، لأجراء التوصيلات اللازمة. وكذلك، فإن أي عطل في النجمة المجمعة، يمكنه تعطيل الشبكة كلها.

ب. شبكات المسارات الخطية (اُنظر شكل الشبكات الخطية)

وتتكون من مسار ألياف وعدد من العقد، حيث يُعْتَرَض الضوء أو يُدْخَل. وهي متوالية، وليست متوازية، كما هو الحال في الشبكات النجمية. ولهذا، فإن الفقد في كل عقدة، يضاف إلى الفقد في باقي العقد.

وتمتاز بأنها تحتاج إلى كبل ألياف واحد، أو اثنَين، لربط جميع العقد. ولا توجد واحدة، قد تؤدي إلى انهيار الشبكة كلها. بينما عيبها الرئيسي، هو الفقد العالي.

2. مميزات استخدام كبول الألياف في الاتصالات

تلخص المميزات والخصائص، التي توفرها الألياف الضوئية، في الآتي:

أ. عرض نطاق كبير جداً (B . W)

يمكن أنظمة الاتصالات الضوئية، المكونة من شعيرة ليفية واحدة، حمْل معدلات كبيرة جداً من المعلومات؛ إذ يمكن الألياف ذات النشاط المنفرد(Single Mode) ، إرسال نحو 40 جيجا بيت[1]، في الثانية، لكل كيلومتر، عند الطول الموجي للضوء 0.85 ميكرومتر؛ ونحو 400جيجا، عند الأطوال الموجية الأكبر. ويُستَغَل هذا النطاق العريض بأسلوبَين:

(1) زيادة سعة الإرسال، بغرض خفض نفقة كل قناة.

(2) استخدام كبول الألياف بوسائل لا تلائم الكبول العادية؛ ولكنها، في الوقت نفسه، بسيطة وملائمة.

ب. فقد ضئيل جداً

يصل الفقد في الألياف إلى أقلّ من 1.5 ديسيبل/كم، عند طول موجي 0.85 ميكرومتر، و0.5 ديسيبل/كم، عند الطول الموجي 1.2 ميكرومتر. ويقلّ الفقد عن ذلك، مع استخدام أطوال موجية أكبر؛ مما يتيح مسافات استخدام أكبر، من دون الحاجة إلى استخدام معيدات، أو استخدامها على فواصل كبيرة، بأعداد قليلة.

ج. حجم ووزن قليلان

الألياف الضوئية كبولها مدمجة جداً، وذات قطر صغير؛ مما يتطلب حجماً، هو أقل كثيراً مما تشغله الكبول المعدنية، ذات السعة الإرسالية نفسها. وهذه ميزه كبرى، خصوصاً في بعض الاستخدامات، التي تكون فيها المساحة أو الحجم، المتاح لمرور الكبول، محدوداً.

ولأن كثافة كبل الألياف، هي أقل منها في نظيره المعدني، فإن وزنه الكلي يكون أقلّ؛ مما يعطيه ميزة أخرى، عند الاستخدام في الطائرات أو الصواريخ الموجهة، أو رفعه على حوامل هوائية.

د. المتانة والمرونة

على عكس المخاوف، التي كانت سائدة، أثبت الواقع، أنه في الإمكان تصنيع ألياف مغطاة، ذات قوة شد عالية؛ كما أمكن الوصول إلى مكونات كبول مدمجة ومرنة ومتينة جداً. كل هذا يسهل عملية تداول الكبول وتخزينها واستخدامها.

هـ. انخفاض النفقة

نظراً إلى توافر خامات الزجاج، التي تصنع منها كبول الألياف، فقد انخفضت نفقة صناعتها دون نفقة نظيرتها المعدنية. ومع تحسين أساليب التصنيع، سوف تزداد انخفاضاً.

يضاف إلى ذلك انخفاض عدد المعيدات (Repeaters) المطلوبة؛ وكذلك، قلّة المعدات الإلكترونية المستخدمة، مقارنه بتلك المستخدمة في صناعة الكبول المعدنية.

و. العزل الكهربائي

تُعَدّ الألياف الضوئية عازلة، بطبيعتها؛ ولذلك، يمكن استخدامها، بأمان، في البيئات الخطرة كهربائياً، إذ لا توجد حاجة إلى استخدام طرف أرضي، أو مشاكل ناتجة من أي إشعاع كهرومغناطيسي.

ز. حصانه ضد التداخلات، وعدم صدور إشعاعات منها

بينما تُعَدّ التداخلات الكهرومغناطيسية، إحدى المشكلات الخطيرة، التي تواجه الأنظمة الإلكترونية؛ إذ بها لا تمثل أي مشكلة مع الألياف الضوئية.

كما أن الألياف غير مشعة؛ ومن ثم، فهي تتمتع بقدر عالٍ من السرية والأمان، في تداول المعلومات.

ح. احتمالية كبيرة لدرجات الحرارة المتفاوتة، ولتأثيرات السوائل والغازات المختلفة.

ط. عمر أطول واعتمادية أكبر وصيانة أسهل.

(اُنظر جدول مقارنة بين كبول الألياف الضوئية والكبول التقليدية)

3. التطبيقات العسكرية لأنظمة الكبول الضوئية

على الرغم من أن النفقة ليست عاملاً مهماً، بالنسبة إلى الأنظمة العسكرية، فهناك في المقابل، عوامل أخرى حاكمة، يجب وضعها في الحسبان، مثل: الوزن، والقابلية للنشر، والاستخدام، والتكامل التام، والقدرة على العمل في ظل أصعب الظروف.

ولهذا، فإن الخواص الفريدة للألياف الضوئية ذات مغزى مهم في المجال العسكري، وبالذات في حالتين:

·   عندما يمكن أداء مهمة معينة بالأساليب التقليدية؛ وفي الوقت نفسه، تستطيع الألياف أداءها بطريقه أقلّ تعقيداً، وبنتائج أفضل، بمعنى أنها أكثر ملاءمة عملياتياً.

·   عندما يكون في إمكان الألياف أداء مهام، يصعب أداؤها بالأساليب التقليدية.

أ. أنظمة المسافات القصيرة

هناك عدد من التطبيقات المستخدمة على المسافات القصيرة (حتى عشرات الأمتار)، والتي تتطلب اشتراطات تكنولوجية بسيطة. ويشمل ذلك الوصلات بين المعدات الإلكترونية المتقاربة، مثل تلك الموجودة في غرف العمليات الحربية؛ والوصلات الداخلية في الحواسب؛ والوصلات الناقلة للمعلومات، مثل البيانات الرادارية المتجهة إلى أجهزة المعالجة والمبينات.

والاتجاه المستقبلي، هو استخدام الألياف الأحادية التي يمكن صناعتها من مواد بسيطة ورخيصة الثمن، مثل الزجاج المتوسط الفقد، والبلاستيك أو ألياف السيليكا المكسوة بالبلاستيك، وذلك لتفادي استخدام حزم الألياف، التي تفتقر إلى المرونة المطلوبة للاستخدامات الداخلية. وتمتد استخدامات هذه الأنظمة إلى الوصلات بين المعدات الموجودة في أماكن متفرقة في أحد المباني، وحتى مسافات تصل إلى عدة مئات من الأمتار.

ب. الاستخدام في المركبات

يشمل ذلك الطائرات والسفن والدبابات، التي تتصف بكونها بيئة ذات درجة عالية من الضوضاء الكهرومغناطيسية؛ مما يزيد من صعوبة استخدام الأسلاك والكبول التقليدية، حتى مع توخي الحذر الشديد!

ومن هنا، تظهر ميزة استخدام وصلات الألياف، بما تتمتع به من حصانة ضد التداخلات، وبما لها من عرض نطاق (B. W) كبير. لذا، فهي تستخدم في ربط قنوات عديدة بوصلة مشتركة، من دون تعقيدات تذكر.

وميزة صغر الحجم مهمة جداً، في مثل هذه التطبيقات؛ إذ الفراغات محدودة في جميع المركبات العسكرية، تقريباً. وبالطبع، تبدو ميزة الوزن الخفيف، عند الاستخدام مع الطائرات، على وجه الخصوص، عند النظر إلى كمية المعدات الإلكترونية الهائلة، التي تحملها الطائرة الحديثة. كما أن حصانة الألياف ضد المؤثرات الضوئية، والموجات الكهرومغناطيسية، تمكن من استخدامها، بأمان، حول خزانات الوقود ومخازن الذخائر. وهناك، حالياً، العديد من البرامج الحكومية، في كلٍّ من أوروبا والولايات المتحدة الأمريكية، استكمالاً للمشروعات السابقة، في هذا المجال، مثل مشروع  (ALOFT) ، الذي استُخدمت فيه حزم الألياف، في جميع توصيلات الطائرة (A7)، وعليه قلّ وزن هذه التوصيلات، من 32 رطلاً إلى 3 أرطال فقط. وأمكن، عن طريق مثل هذه الوصلات الضوئية، كذلك، توجيه المقذوفات، ونقل صور حية لأرض المعركة، مثلما حدث خلال حرب تحرير الكويت.

ج. الوصلات الثابتة، على المسافات الطويلة

في المجال العسكري، يغطي هذا الاستخدام اتصالات المواقع الثابتة، على مسافات، تراوح بين 100متر وعدة كيلومترات؛ ويشمل ذلك الوصلات بين مراكز القيادة والقواعد والمطارات. ويتفاوت عرض النطاق (BW) المطلوب، بين المتوسط (أقل من 2 ميجا بت، في الثانية) مع الاتصالات الصوتية فقط، وعشرات أو مئات الميجا بت، للإشارات المرئية والبيانات الرادارية. ويتطلب هذا النوع من التطبيقات درجة عالية من متانة للكبول، والاحتمالية الشديدة لظروف التدمير المحتملة، للمباني والمنشآت.

د. الوصلات المتنقلة

وفيها يتعرض الكبل  للانتقالات المستمرة، مما يتطلب فيه توافر قوة كبيرة ومتانة متناهية. ويُعَدّ نظام الاتصالات التكتيكي تارميجان (Ptarmigan) ، المستخدم في الجيش البريطاني، مثالاً لهذا التطبيق. وتصل أطوال الكبل المستخدم إلى نحو 2كم، مما يسهل الحصول على المطلوب، باستخدام ألياف مزودة بمصادر ثنائيات (LEDs) وكواشف بسيطة. (اُنظر شكل نظام الاتصالات العسكري بالعقدة).

وتشمل استخدامات  الوصلات المنقولة، كذلك، أعمال المراقبة والتجسس؛ إذ إن كبول الألياف صغيرة إلى درجة يصعب اكتشافها أو اعتراضها بالوسائل الإلكترونية؛ وهي في الوقت نفسه، تتمتع بدرجه سرية أكبر من اللاسلكي.

هـ. استخدامات المسافات الطويلة

تتيح كبول الألياف إمكانيات، لا تستطيعها الوسائل التقليدية، ومثال على ذلك وصلات المعلومات بين السفن الحربية والمستشعرات المجرورة خلفها، والتي تتطلب مسافات طويلة تتفوق فيها الألياف، ذات الفقد المنخفض وعرض النطاق (B. W) الكبير.

ومثال بحري آخر، هو توجيه الطوربيدات، بما يتطلبه من مسافات طويلة ومراقبة مرئية بالألياف، حتى مع غياب الطوربيد عن أعين سفينة الإطلاق، مع استمرار المراقبة حتى وصوله إلى الهدف المحدد، والذي قد يبعد عشرات الكيلومترات.

4. التطبيقات المدنية والصناعية

تتصف الاستخدامات، المدنية والصناعية، باهتمامها بالجانب الاقتصادي؛ إذ تنظر الأسواق، عامة، إلى موضوع النفقة بحذر! ومع ذلك، فإن الظروف الخطرة أو الخاصة، سوف تعطي الألياف ميزة للاستخدام في بعض الحالات المدنية.

أ. استخدامات المسافات الطويلة

ينتظر التوسع في استخدام الألياف، بسبب الطبيعة الخطرة للبيئة، والتداخلات الكهرومغناطيسية الشديدة، المنتشرة حالياً. فهي تبدو ملائمة لاستخدامات السكك الحديدية، حيث تزداد التأثيرات الكهربائية؛ ولذا، أجرت السكك الحديدية البريطانية تجربة استخدام نظام، بسعة 2 ميجا بت/ث، لمسافة 6 كم، في منطقة تشيشاير(Cheshire) ، حيث عُلِّقت الألياف الضوئية بين أعمدة  الكبول الكهربائية.

وهناك اقتراحات بحمل الألياف الضوئية مع خطوط كبول الأراضي المعلقة، مع خطوط القدرة الكهربية.

ونقل الإشارات المرئية (video)، سوف يكون أكثر اقتصادياً، باستخدام الألياف، التي يمكن استخدامها مع الدوائر التلفزيونية المغلقة، وحتى مسافات تصل إلى عشرات الكيلومترات، لمختلف الأغراض، مثل مراقبة حركة المرور على الطرق، من بعد. وكذلك نظام الكبل في الإرسال التلفزيوني، للتوزيع على العديد من المشتركين في المنازل.

ب. استخدامات المسافات المتوسطة

يوجد العديد من الاستخدامات، على مسافات تصل إلى عدة كيلومترات، كما هو الحال بين محطات توليد الكهرباء والمواقع الفرعية، والتي تتطلب نظام اتصال للمراقبة، والقياس من غرف مراقبة قريبة، يكون عليه العمل قريباً من كبول كهربائية، تحمل مئات الآلاف من الفولت. وهنا، يمكن أن يُستبدَل بالكبل النحاسي المتعدد الثقيل، ألياف تصل المحولات ونقاط التحويل بالتحكم المركزي.

كما يمكن استخدام كبول الألياف في الصناعات ذات الطبيعة الخطرة، مثل الكيماويات وتكرير البترول والأبحاث النووية. وكذلك المستشفيات، عند التعامل مع غرف الأشعة، حيث مستوى التداخلات والإشعاعات شديد. وجرت محاولات لاستخدم الألياف، كذلك، في الاتصالات المائية، بين الغطاس والسطح.

ج. استخدامات المسافات القصيرة

يشمل ذلك الاتصالات داخل المباني والمركبات (مثل الطائرات والسفن والعربات والقطارات). والاهتمام، حالياً، منصبّ على الاتصالات داخل استوديوهات الإذاعة، وفي الفنادق، حيث الحاجة إلى قنوات تلفزيونية متعددة، وخدمة آلية متطورة لكل غرفة، مع تقارب هذه القنوات للتوصيلات الكهربائية.

وبالنسبة إلى المركبات، فلا ينتظر استخدام الألياف، حالياً، نظراً إلى قلة الحاجة إلى ذلك، مدنياً، مقارنة بما هو عليه الحال، عسكرياً؛ إذ إن النفقة هي العنصر الحاكم، في هذه الحالة.



[1] البيت (BIT): هو النبضة المعبرة عن الصفر أو الواحد فى الارسال الرقمي الثنائي