ليف بصري👉
التاريخ 👉
تقوم الألياف الضوئية على مبدأ توجيه الضوء باستخدام الانكسار, و قام عالما الفيزياء دانيال كولادون(Daniel Celadon) و جاكيه بابنيه بشرحه في باريس في أوائل الأربعينيات من القرن التاسع عشر، من المعروف علميا بدون أنه خلال مرور الضوء من الهواء إلى الماء فإن الشعاع الساقط سينكسر مقتربًا من العمود المقام على سطح الماء، ثم قام جون تندل بتضمين شرح لهذا المبدأ خلال محاضراته العامة في لندن بعد 12 سنة. و قد كتب جون عن خاصية الانعكاس الكلي الداخلي في كتاب تقديمي عن طبيعة الضوء عام 1870:
أنه خلال مرور الضوء من الهواء إلى الماء فإن الشعاع الساقط سينكسر مقتربًا من العمود المقام على سطح الماء، أما إن انتقل الشعاع الضوئي من الماء إلى الهواء فإنه سينكسر مبتعدًا عن العمود، وفي حالة كانت الزاوية ما بين الشعاع الساقط والعمود المقام أقل من 48 درجة فإن الضوء لن يدخل الهواء إطلاقًا حيث سنعكس بشكل كامل داخل الماء(لن يكون هناك انكسار), و هذه الزاوية تدعى الزاوية المقيِّدة(limiting angle) للوسط، وتكون هذه الزاوية 48 درجة في الماء، و 38 درجة في زجاج الصوَّان، و 23 درجة في الألماس.[3][4]
علميا قد تبيا ان الشعر البشري الغير مصبوغ يعمل ك الياف ضوئية وظهره تطبقات مثل الاضاءه الداخليه اثناء طب الاسنان في اواخر قرن ال 20 وقد تم عرض انتقال الصور من خلال انابيب بشكل مستقل وخاصه تم استخدام هاذ المبدا للأمور الطبيه الداخليه اثبتت امتحانات هامريش ان الالياف ضوئيه الحديثه المغلفه ى الياف الزوجيه ذات الكسوة الشفافة ل تقديم ماشر انعكاس أكثر ملائمه حيث ظهره في وقت لاحق ثم ركزه هذه تنميه على حزم الياف ل نقل الصور وفي كليه امبريال ف لندن (هارود وكوباني) حقق انخفاظ فقدان الضوء من خلال حزمه 75 سم طويله التي ضمت عدت الالاف من الالياف تم نشر مقاله عام 1954 بعنوان فيرسكوب مرن الماسح الضوئي بجامعه لندن حصله باسل هيرشويتز أول براءه اختراع منظار الالياف ضوئيه شبه المرنه في جامعه مشتيقن عام 56 في عمليه تتطوير منظار معده انتجت كرست أول زوجاج مكسوه الالياف حيث كانت الالياف ضوئيه سابقه تعتمد ع الهواء أو الزيوت والشمع مثل ماده الكسوة وهي غير عمليه.
في عام 1880 اخترعه السكندر جراهام بيل وسومنر تاينتر فوتوفون في مختبر فولتا في واشنطن اخترعه شكل من اشكال الاشارات صوتيه عبر شعاع ضوئي وهو شكل متقدم من اشكال الاتصالاات سلكي ولاسلكي ولكنه يخضع للت تدخلات الجويه ولكنه غير عملي حتى نقل الامان الضوء التي تقدمه الانظمه الضوئيه الضوئيه وبعدها اقترحه العالم الياباني جون اتشي في جامعه توكوهو استخدام الياف ضوئيه لل اتصالات في عام 1963 بينما العالم نيشيزاوا اخترعه تقنيات اخرى ساهامت في تتطوير اتصالات بالياف ضوئيه مثل ك قناه ل نقل الضوء من اشباه الموصلات مثل اشعه اليزر حيث ظهره هاذ النظام من قبل الفيزيائي ألماني مانفريد بورنار في مختبرات تيايفهنكين للبحوث عام 66 للعلم استخدمت وكاله ناسه لل فضاء الامريكيه في ولايه فلوريدا الالياف الضوئيه في كاميرات التلفزيون التي تم ارسالها لل قمر حيث تمه تصنيف هذا الاستخدام في كاميرات السرية كع علم ان الموظفين الذين كانوا يتعاملون مع هذا الكاميرات يشرف عليهم اشخاص بسريه تامه ومنعيهم من ايه معلومات بخوص هذا الموضوع الخطير مع الحصول ع تصريح امني مناسب اما العالم الفيزيائي كاباني كانه يعمل في مصنع الذخائر في ال خمسينيات حيث عمل اختبار باستخدام منشورات من زاويه اليمنى لي ثني الضوء حيث اثبته بنجاح ان الضوء يمكن ان ينقل من خلال الالياف الزوجاجيه حيث اكمله الدكتوره في هذا المجال في كليه امبريال للعلوم في لندن.
في عام 1954 وطورت تطبيقات الالياف ضوئي هلل تنظير خلال الخمسينيات حيث اطلقه عليها مصطلح الالياف الضوئيه يشار إلى ان الشركة بريطانيه القياسيه لل هواتف والكوابل (ستيك) عززت فكره ان التوهين في الياف الضوئيه يمكن ان يقل عن 20 دسبل ل كل كيلو متر مربع مما يجعل الالياف وسيله اتصال العملي واقترحت ان التوهين في الالياف المتاحه في ذلك الوقت كان بسبب الشوائب التي يمكن ازلتها بدلا من اثار الجسديه الاساسيه مثل الانتثار حيث نظمت بشكل صحيح ومنهجي خصائص فقدان الضوء لل الياف الضوئيه وان المواد مناسبه مثل الزجاج سليكه مع نسبه نقاء عاليه حيث اكتسبه هذا الاكتشاف ك أول جاهزه نوبل فل الفيزياء عام 2009 واخيرا تمه تحقيق حد توهين 20 دسبل ل أول مره عام 1970 من قبل فرانك وروبرت الباحثين في صناعه الزوجاج المريكي حيث اظهرت هذه الياف توهين بمقدار 17 دسبل كم من خلال تعقيم زوجاج السيلكا مع تيتانيوم وبعض عددت سنوات انتجوا الياف مع توهين بمقدار 4 دسبل كم فقط بستخدام ثاني اكسيد الجرمانيوم تم استخدام الالياف الضوئيه الحديثه قويه الزوجاج ل كل من نواه والغلاف.
وتم اختراع هذا من قبل جيرهارد برنزي في ألمانيا عام 1973 جاء المهندس كميائي توماس منساه حيث انضم إلى كورنيج عام 1983 في زياده سرعه التصنيع أكثر من 50 متر في ثانيه الذي يجعل الياف ضوئيه ارخص من النحاس عمله المركزالايطالي لل الياف ضوئيه ابحاث مع كورينج ل تتطوير كوابل الياف ضوئيه العملية وتم نشر أول كيبل في العاصمة تورينو عام 1977 ولكن التهوين الكابلات ضوئيه الحديثه اقل بكثير من كابلات نحاسيه كهربائيه مما يؤدي الااتصالات طويله المدى الياف بمسافه تتراوح من70الى 150 كيلو متر اما المجال الناشئ من بلورات ضوئيه تطور عام 1991 من الياف ضوئيه كريستال الذي يوجه الضوء انعراج الهيكل وليس من خلال الانعكاس الداخلي الكلي وعندما اصبحت الالياف ضوئيه الاولى متاحا عام 2000 والياف الضوئيه الكريستال يمكن تحمل طاقة اعلى من الالياف تقليديه الذي يمكن العبث بالخصائص التي تعتمد ع طول موجي ل تحسين الاداء.
الاستخدامات 👉
في الاتصالات
يمكن ان تستخدم الألياف الضوئية كوسيلة للاتصالات السلكية ولربط شبكات الحاسوب لانها مرنة ويمكن ان تُجمع كاسلاك. وهي مفيدة بشكل خاص للاتصالات بعيدة المدى، لان الضوء ينتشر من خلال الياف رقيقة بدلا من الاسلاك الكهربائية. مما يسمح للاتصالات بعيدة المدى ان يتم اجراؤها تم تشكيل إشارات ضوئية لكل قناة تنتشر في الألياف بمعدلات تصل إلى 111 جيجابت في الثانية, على الرغم من أن 10 أو 40 جيجابت في الثانية هو اعتيادي في الأنظمة المنتشرة. . أظهر الباحثون في حزيران 2013 انتقال 400 جيجابت في الثانية عبر قناة واحدة باستخدام تعدد الزخم الزاوي المداري. يمكن لكل ليف أن يحمل العديد من القنوات المستقلة، وكلٍ باسخدام طول موجي ضوئي مختلف (مضاعفة تقسيم الطول الموجي). معدل نقل البيانات (معدل نقل البيانات دون البايتات العامة) لكل ليف هو معدل البيانات لكل كل قناة الذي يتم تقليله بواسطة تقنية تصليح الأخطاء (FEC)، مضروبا في عدد القنوات (عادة ما يصل إلى ثمانين في أنظمة الكثافة التجارية (WDM) اعتبارا من عام 2008). اعتبارا من عام 2011 سُجل الرقم القياسي للنطاق الترددي على أحادي النواة وهو 101 تيرابيت في الثانية (370 قناة وتحتوي كل قناة على 273 جيجابيت في الثانية).
سجلت للألياف متعددة النوى اعتبارا من يناير 2013 ، رقما قياسيا وهو 1.05 بيتابيتس في الثانية الواحدة. في عام 2009، كسرت مختبرات بيل حاجز ال100 (بيتاب في الثانية) × كيلو متر (15.5 تيرابايت في الثانية على ليف واحد بطول 7000 كم
اما بالنسبة للاتصالات قصيرة المدى، مثل شبكة في مبنى مكاتب (انظر FFTO)، يمكن لوصل الألياف الضوئية توفير مساحة في الانبوب. وذلك لأن الليف الواحد يمكن أن يحمل بيانات أكثر بكثير من الكابلات الكهربائية مثل الكابلات فئة 5 إيثرنت القياسية (standard category 5 Ethernet cabling)، والتي عادة ما تعمل بسرعة 100 ميجابيت في الثانية أو 1 جيجابيت في الثانية. كما أن الألياف منيعة من التشويش الإلكتروني. ليس هناك قطع للحديث بين الإشارات في الاسلاك المختلفة، ولا التقاط للضوضاء الخارجية. كابلات الألياف غير المدعمة غير موصلة للكهرباء، مما يجعل الألياف حل جيد لحماية معدات الاتصالات في البيئات عالية الجهد الكهربائي (البيئات عالية الفلولتية)، مثل مرافق توليد الطاقة، أو هياكل الاتصالات المعدنية التي هي عرضة لضربات البرق. ويمكن أيضا أن يتم استخدامهم في البيئات التي توجد فيها غازات متفجرة، دون خطر الاشتعال. التنصت (في هذه الحالة، ألياف التنصت) هو أكثر صعوبة بالمقارنة مع الموصلات الكهربائية، وهناك ألياف ثنائية النواة التي يقال أنها واقية للتنصت. وغالبا ما تستخدم الألياف للاتصالات قصيرة المدى بين الأجهزة. فعلى سبيل المثال، توفر معظم أجهزة التلفزيون عالية الجودة اتصال ضوئي صوتي رقمي. وهذا يسمح تدفق الصوت عبر الضوء، وذلك باستخدام بروتوكول TOSLINK.
ميزتها على أسلاك النحاس
مزايا الاتصالات عن طريق الألياف الضوئية فيما يتعلق بأنظمة الأسلاك النحاسية: عرض النطاق الترددي الواسع يمكن لليف الضوئي الواحد أن يحمل أكثر من 3,000,000 المكالمات الصوتية المزدوجة أو 90,000 قناة تلفزيونية. الحصانة للتداخل الكهرومغناطيسي لا يتأثر الضوء اللذي يتم نقله من خلال الألياف الضوئية بأية إشعاع كهرومغناطيسي قريب اخر. الألياف الضوئية غير موصلة كهربائيا، لذلك لا تعمل كهوائي لالتقاط الإشارات الكهرومغناطيسية. إن المعلومات التي تنتقل داخل الألياف الضوئية منيعة ضد التداخل الكهرومغناطيسي، حتى أن النبضات الكهرومغناطيسية تنتج عن طريق الأجهزة النووية. خسارة القليل من الضوء للمسافات الطويلة ويمكن أن تكون خسارة الضوء منخفضة بمقدار 0.2 ديسيبل لكل كيلوميتر في كابلات الألياف الضوئية، مما يسمح الإرسال عبر مسافات طويلة دون الحاجة إلى أجهزة تكرار الإشارة (الريبيترز). العازل الكهربائي الألياف الضوئية غير موصلة للكهرباء، وتمنع المشاكل مع مما يسمى بالحلقات الأرضية وتوصيل البرق. الألياف الضوئية يمكن أن تُعلق على أقطاب بجانب كوابل ذوات فولتية عالية. التكلفة المادية والوقاية من السرقة تستخدم أنظمة الكابلات التقليدية كميات كبيرة من النحاس. شهدت أسعار النحاس العالمية طفرة في بداية ال2000، والنحاس كان هدفا لسرقة المعادن. أمن المعلومات المنقولة خلال الكابل يمكن التنصت على النحاس بفرص كشف ضئيلة جدا.
في المستشعرات
الألياف لها العديد من الاستخدامات في الاستشعار عن بعد. في بعض التطبيقات، أجهزة الاستشعار هي في حد ذاتها ألياف ضوئية. في حالات أخرى، يتم استخدام الألياف لتوصيل جهاز استشعار الغير ليف ضوئي إلى نظام القياس. اعتمادا على التطبيق، يمكن استخدام الألياف بسبب صغر حجمها، أو حقيقة أنها ليست بحاجة إلى الطاقة الكهربائية في المكان البعيد، أو لأن العديد من أجهزة الاستشعار يمكن أن تكون مضاعفة على طول الألياف باستخدام أطوال موجية مختلفة من الضوء لكل جهاز استشعار، أو عن طريق الاستشعار عن التأخير في الوقت عندما يمر الضوء مع الألياف من خلال كل جهاز استشعار. ويمكن تحديد وقت التأخير باستخدام جهاز مثل مقياس انعكاس المجال الضوئي (ريفلكتوميتير).
ويمكن استخدام الألياف الضوئية كمجسات لقياس الإجهاد ودرجة الحرارة والضغط والكميات الأخرى عن طريق تعديل الألياف بحيث تعدل خاصية القياس الكثافة والطور والاستقطاب والطول الموجي وزمن العبور للضوء في الألياف. أجهزة الاستشعار هي الاقل تعقيدا، كونها لا تحتاج سوى مصدر بسيط وكاشف. ومن السمات المفيدة بوجه خاص لمثل هذه المجسات الضوئية أنها تستطيع إذا لزم الأمر توفير الاستشعار الموزع على مسافات تصل إلى متر واحد. في المقابل، يمكن توفير قياسات محلية عالية من خلال دمج عناصر اجهزة الاستشعار المصغرة مع غيض من الألياف. هذه يمكن تنفيذها من قبل مختلف التقنيات الدقيقة ونانوفابريكاتيون، بحيث لا تتجاوز الحدود المجهرية من طرف الألياف، مما يسمح مثل هذه التطبيقات بإدراج الدموية في الأوعية الدموية عن طريق إبرة تحت الجلد.
تستخدم أجهزة استشعار الألياف الضوئية الخارجية كابل الألياف الضوئية، وهو عادة نمط متعدد الأوضاع، لنقل الضوء المتضمن من إما عن طريق جهاز استشعار ضوئي أو عن طريق جهاز استشعار إلكتروني متصل بمرسل ضوئي. وهناك فائدة كبيرة من أجهزة الاستشعار الخارجية هي قدرتها على الوصول إلى الأماكن التي لا يمكن الوصول إليها. ومن الأمثلة على ذلك قياس درجة الحرارة داخل محركات الطائرات النفاثة باستخدام الألياف لنقل الإشعاع إلى بايرومتر إشعاعي خارج المحرك. ويمكن استخدام أجهزة الاستشعار الخارجية بنفس الطريقة لقياس درجة الحرارة الداخلية للمحولات الكهربائية، حيث المجالات الكهرومغناطيسية المتطرفة تجعل تقنيات القياس الأخرى مستحيلة. أجهزة الاستشعار الخارجية قياس الاهتزاز، والتناوب، والتشريد، والسرعة، والتسارع، وعزم الدوران، والتواء. وقد تم تطوير نسخة الحالة الصلبة من جيروسكوب، وذلك باستخدام تداخل الضوء. جيروسكوب الألياف الضوئية (FOG) لا يحتوي على أجزاء متحركة، ويستغل تأثير Signac للكشف عن التناوب الميكانيكي.
وتشمل الاستخدامات الشائعة لأجهزة استشعار الألياف الضوئية أنظمة أمنية متقدمة للكشف عن حالات الاختراق. ينتقل الضوء على طول كابل استشعار الألياف الضوئية وضعت على سياج، خط أنابيب أو كابلات الاتصالات، ويتم رصد الإشارة العائدة وتحليلها للكشف عن الاضطرابات. وتتم معالجة هذه الإشارة رقميا للكشف عن الاضطرابات حيث تقوم بارسال إنذار إذا حدث اختراق.
وتستخدم الألياف الضوئية على نطاق واسع كمكونات من أجهزة الاستشعار الكيميائية الضوئية وأجهزة الاستشعار البيولوجية.
مكونات الليف الضوئي 👉
الألياف الضوئية تتكون من اسطوانتين متحدتي المركز تسمى الأولى بالقلب Core محاطة باسطوانة أخرى تسمى الغلاف Cladding ثم الغطاء الواقي Buffer Coating والغلاف الخارجي للكابل (jacket) 4
- القلب(Core) 1: وهو عبارة عن زجاج رفيع (أسطواني) ينتقل فيه الضوء ويصنع من السليكا Silica المطعمة (بالجرمانيوم مثلا Ge-Silica).
- الغلاف (Cladding)2: مادة تحيط باللب الزجاجي (أسطوانة أخرى محيطة) وتعمل على حفظ الضوء في مركز الليف الضوئي وهي مصنوعة من السليكا، وذلك لكي يكون معامل انكسار القلب أكبر من معامل انكسار الغلاف، وهو الشرط المطلوب لحصول ظاهرة الانعكاس التام، الذي هو أساس توجيه الضوء في الألياف الضوئية، إذ ينعكس الضوء كليا وبتكرار الانعكاس ينتشر الضوء داخل قلب الليف الضوئي ويصل إلى النهاية الأخرى لليف.
- الغطاء الواقي (Buffer Coating)3: غلاف بلاستيكي يحمي الليف الضوئي من الرطوبة ويحميه من الضرر والكسر.
مئات أو الآلاف من هذه الألياف الضوئية تصطف معا في حزمة لتكون الحبل الضوئي الذي يحمى بغطاء خارجي يسمى جاكيت.
تقسيمات الألياف الضوئية
ليف ذي نمط واحد
تنتقل من خلالها اشارات ضوئية على نمط موحد في كل ليف ضوئي من ألياف الحزمة وهي تستخدم في شبكات الهاتف وكوابل التلفزيون. هذا النوع من الألياف يتميز بصغر نصف قطر القلب الزجاجي حيث يصل إلى حوالي micron 9 وتمر من خلاله أشعة الليزر تحت الحمراء ذات الطول الموجي 1.3-1.55 nm.
ليف متعدد الأنماط
و بها يتم نقل العديد من الأنماط للإشارات الضوئية من خلال الليفة الضوئية الواحدة مما يجعل استخدامها أفضل لشبكات الحاسوب. هذا النوع من الألياف يكون نصف قطره أكبر حيث يصل إلى 62.5 micron وتنتقل من خلاله الأشعة تحت الحمراء.
الألياف ذات الأغراض الخاصة
هي الالياف التي تستخدم في اغراض ليست شائعة.
مميزات الألياف الضوئية 👉
لقد أحدثت الألياف الضوئية ثورة في عالم الاتصالات لتميزها على أسلاك التوصيل العادية فهي
- أكثر قدرة على حمل المعلومات لأن الألياف الضوئية ارفع من الأسلاك العادية فانه يمكن وضع عدد كبير منها داخل الحزمة الواحدة مما يزيد عدد خطوط الهاتف أو عدد قنوات البث التلفزيوني في حبل واحد. يكفي أن تعرف إن عرض النطاق للألياف الضوئية يصل إلى 50THZ في حين إن أكبر عرض نطاق يحتاجه البث التلفزيوني لا يتجاوز 6Mhz.
- أقل حجما حيث أن نصف قطرها أقل من نصف قطر الأسلاك النحاسية التقليدية فمثلا يمكن استبدال سلك نحاسي قطره 7.62 سم بآخر من الألياف الضوئية قطره لا يتجاوز0.635 سم وهذا يمثل أهمية خاصة عند مد الأسلاك تحت الأرض.
- أخف وزنا فيمكن استبدال أسلاك نحاسية وزنها 94.5 كجم بأخرى من الألياف الضوئية تزن فقط 3.6 كجم.
- فقد أقل للإشارات المرسلة
- عدم إمكانية تداخل الإشارات المرسلة من خلال الألياف المتجاورة في الحبل الواحد مما يضمن وضوح الإشارة المرسلة سواء أكانت محادثة تلفونية أو بث تلفزيوني. كما أنها لا تتعرض للتداخلات الكهرومغناطيسية مما يجعل الإشارة تنتقل بسرية تامة مما له أهمية خاصة في الأغراض العسكرية.
- غير قابلة للإشتعال مما يقلل من خطر الحرائق
- تحتاج إلى طاقة أقل في المولدات لأن الفقد خلال عملية التوصيل قليل
بسبب هذه المميزات فإن الألياف الضوئية دخلت في الكثير من الصناعات وخصوصا الاتصالات وشبكات الكمبيوتر. كما تستخدم في التصوير الطبي بأنواعه وكذلك كمجسات عالية الجودة للتغير في درجة الحرارة والضغط بما له من تطبيقات في التنقيب في باطن الأرض.
هناك أنواع حديثة للألياف الضوئية اكتشفت مؤخراً وتسمى الألياف البلورية الفوتونية، لإنها تصنع من البلورات الفوتونية التي تتميز بنقل الضوء فيها باقل خسارة..