الألياف الضوئية: فهم الأساسيات

لم يغير شيء في عالم الاتصالات بقدر ما تغير تطوير الألياف الضوئية وتنفيذها. توفر هذه المقالة المبادئ الأساسية اللازمة للعمل مع هذه التكنولوجيا.
 

طاقم الهندسة والتسويق

تصنع الألياف الضوئية إما من الزجاج أو البلاستيك. يبلغ قطر معظمها تقريبًا شعرة الإنسان، وقد يصل طولها إلى عدة أميال. وينتقل الضوء على طول مركز الألياف من أحد طرفيه إلى الطرف الآخر، وقد يتم فرض إشارة. تتفوق أنظمة الألياف الضوئية على الموصلات المعدنية في العديد من التطبيقات. أكبر ميزة لهم هي عرض النطاق الترددي. بسبب الطول الموجي للضوء، من الممكن إرسال إشارة تحتوي على معلومات أكثر بكثير مما هو ممكن باستخدام موصل معدني - حتى الموصل المحوري. تشمل المزايا الأخرى ما يلي:

• العزل الكهربائي - لا تحتاج الألياف الضوئية إلى وصلة أرضية. يتم عزل كل من جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال عن بعضهما البعض، وبالتالي فهما خاليان من مشاكل الحلقة الأرضية. كما أنه لا يوجد خطر حدوث شرارة أو صدمة كهربائية.

• التحرر من التداخل الكهرومغناطيسي - الألياف الضوئية محصنة ضد التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، ولا ينبعث منها أي إشعاع في حد ذاته يسبب تداخلات أخرى.

• فقدان منخفض للطاقة - يسمح هذا بتشغيل الكابلات لفترة أطول وعدد أقل من مكبرات الصوت المكررة.

• أخف وزنًا وأصغر حجمًا - تزن الألياف أقل وتحتاج إلى مساحة أقل من الموصلات المعدنية ذات القدرة المكافئة على حمل الإشارة.

الأسلاك النحاسية أثقل بحوالي 13 مرة. تعتبر الألياف أيضًا أسهل في التركيب وتتطلب مساحة أقل في القناة.

التطبيقات

بعض مجالات التطبيق الرئيسية للألياف الضوئية هي:

• الاتصالات - يعد نقل الصوت والبيانات والفيديو من أكثر الاستخدامات شيوعًا للألياف الضوئية، وتشمل:

– الاتصالات
- شبكات المناطق المحلية (LAN)
– أنظمة التحكم الصناعية
– أنظمة إلكترونيات الطيران
- أنظمة القيادة والسيطرة والاتصالات العسكرية

• الاستشعار - يمكن استخدام الألياف الضوئية لتوصيل الضوء من مصدر بعيد إلى الكاشف للحصول على الضغط أو درجة الحرارة أو المعلومات الطيفية. يمكن أيضًا استخدام الألياف مباشرةً كمحول لقياس عدد من التأثيرات البيئية، مثل الضغط والضغط والمقاومة الكهربائية ودرجة الحموضة. تؤثر التغيرات البيئية على شدة الضوء و/أو الطور و/أو الاستقطاب بطرق يمكن اكتشافها في الطرف الآخر من الألياف.

• توصيل الطاقة - يمكن للألياف الضوئية توفير مستويات عالية بشكل ملحوظ من الطاقة لمهام مثل القطع بالليزر واللحام ووضع العلامات والحفر.

• الإضاءة - يمكن لحزمة من الألياف المجمعة معًا مع مصدر للضوء في أحد الأطراف أن تضيء المناطق التي يصعب الوصول إليها - على سبيل المثال، داخل جسم الإنسان، بالاشتراك مع المنظار الداخلي. كما يمكن استخدامها كعلامة عرض أو ببساطة كإضاءة زخرفية.

 

الشكل 1. تتكون الألياف الضوئية من قلب، وتكسية، وطلاء.

 

بناء

تتكون الألياف الضوئية من ثلاثة عناصر أساسية متحدة المركز: النواة، والكسوة، والغلاف الخارجي (الشكل 1).

عادة ما يكون القلب مصنوعًا من الزجاج أو البلاستيك، على الرغم من استخدام مواد أخرى في بعض الأحيان، اعتمادًا على طيف النقل المطلوب.

النواة هي الجزء الذي ينقل الضوء من الألياف. عادة ما تكون الكسوة مصنوعة من نفس مادة القلب، ولكن مع مؤشر انكسار أقل قليلاً (عادةً أقل بحوالي 1٪). يؤدي هذا الاختلاف في المؤشر إلى حدوث انعكاس داخلي كلي عند حد المؤشر على طول الألياف بحيث ينتقل الضوء إلى أسفل الألياف ولا يهرب عبر الجدران الجانبية.

 

 

الشكل 2.شعاع الضوء الذي يمر من مادة إلى أخرى ذات معامل انكسار مختلف ينحني أو ينكسر عند الواجهة.

يتكون الطلاء عادةً من طبقة واحدة أو أكثر من مادة بلاستيكية لحماية الألياف من البيئة المادية. في بعض الأحيان تتم إضافة أغلفة معدنية إلى الطلاء لمزيد من الحماية الجسدية.

يتم تحديد الألياف الضوئية عادة حسب حجمها، حيث يتم تحديد القطر الخارجي للنواة والكسوة والطلاء. على سبيل المثال، 62.5/125/250 قد يشير إلى ألياف ذات نواة بقطر 62.5- ميكرومتر، وكسوة بقطر 125- ميكرومتر، و0.{{8} }طلاء خارجي بقطر ملم.

 

 

هناك 81 مورِّدًا للألياف الضوئية في سوق الضوئيات

 

مبادئ

تتميز المواد البصرية بمعامل انكسارها، ويشار إليه بالرمز n. معامل انكسار المادة هو نسبة سرعة الضوء في الفراغ إلى سرعة الضوء في المادة. عندما يمر شعاع من الضوء من مادة إلى أخرى بمعامل انكسار مختلف، ينحني الشعاع (أو ينكسر) عند السطح البيني (الشكل 2).

يتم وصف الانكسار بواسطة قانون سنيل:

أينn_Iوn_Rهي مؤشرات انكسار المواد التي من خلالها ينكسر الشعاع وIوRهي زوايا السقوط والانكسار للشعاع. إذا كانت زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحرجة للواجهة (عادة حوالي 82 درجة للألياف الضوئية)، ينعكس الضوء مرة أخرى إلى الوسط الساقط دون فقدان من خلال عملية تعرف باسم الانعكاس الداخلي الكلي (الشكل 3).

الشكل 3.يسمح الانعكاس الداخلي الكلي للضوء بالبقاء داخل قلب الألياف.

 

شاهد فيديو تعريفي للانعكاس الداخلي الكلي.

وسائط

عندما يتم توجيه الضوء إلى أسفل الألياف (كما يتم توجيه الموجات الميكروية إلى أسفل الدليل الموجي)، تحدث تحولات الطور عند كل حد عاكس. يوجد عدد محدود ومحدود من المسارات أسفل الألياف الضوئية (المعروفة باسم الأوضاع) التي تنتج تحولات طورية بناءة (في الطور وبالتالي إضافية) تعزز الإرسال. نظرًا لأن كل وضع يحدث بزاوية مختلفة لمحور الألياف أثناء انتقال الشعاع على طول الطول، فإن كل وضع ينتقل بطول مختلف عبر الألياف من الإدخال إلى الإخراج. هناك وضع واحد فقط، وهو وضع الترتيب صفر، يتنقل على طول الألياف دون انعكاسات من الجدران الجانبية. يُعرف هذا بالألياف أحادية الوضع. يتم تحديد العدد الفعلي للأنماط التي يمكن نشرها في ألياف ضوئية معينة بواسطة الطول الموجي للضوء وقطر ومعامل انكسار قلب الألياف.
 

هناك عدة أسباب للتوهين في الألياف الضوئية:

 

• تشتت رايلي - يمكن للاختلافات المجهرية في مؤشر انكسار المادة الأساسية أن تسبب تشتتًا كبيرًا في الحزمة، مما يؤدي إلى خسائر كبيرة في الطاقة الضوئية. يعتمد تشتت رايلي على الطول الموجي ويكون أقل أهمية عند الأطوال الموجية الأطول. هذه هي آلية الخسارة الأكثر أهمية في الألياف الضوئية الحديثة، حيث تمثل عمومًا ما يصل إلى 90% من أي خسارة يتم التعرض لها.

 

• الامتصاص - أدت طرق التصنيع الحالية إلى تقليل الامتصاص الناتج عن الشوائب (وأبرزها الماء الموجود في الألياف) إلى مستويات منخفضة جدًا. داخل ممر الموجة لنقل الألياف، تكون خسائر الامتصاص ضئيلة.

• الانحناء - يمكن لطرق التصنيع أن تنتج انحناءات دقيقة في هندسة الألياف. في بعض الأحيان تكون هذه الانحناءات كبيرة بما يكفي لجعل الضوء الموجود داخل القلب يصل إلى واجهة القلب/الكسوة بأقل من الزاوية الحرجة بحيث يتم فقدان الضوء في مادة الكسوة. يمكن أن يحدث هذا أيضًا عندما يتم ثني الألياف في نصف قطر ضيق (أقل من بضعة سنتيمترات على سبيل المثال). عادة ما يتم التعبير عن حساسية الانحناء من حيث خسارة ديسيبل / كم لنصف قطر انحناء وطول موجي معين.

 

 

الشكل 4.تعتمد الفتحة الرقمية على الزاوية التي تدخل بها الأشعة إلى الألياف وعلى قطر قلب الألياف.

 

أنواع الألياف

هناك ثلاثة أنواع أساسية من الألياف الضوئية: الوضع الفردي، والمؤشر المتدرج متعدد الأوضاع، ومؤشر الخطوة متعدد الأوضاع. وتتميز بالطريقة التي ينتقل بها الضوء عبر الألياف وتعتمد على كل من الطول الموجي للضوء والهندسة الميكانيكية للألياف. تظهر أمثلة على كيفية نشر الضوء في الشكل 5.

 

 

شركتنا متخصصة في إنتاج الألياف/الكابلات الضوئية البلاستيكية وجميع أنواع أسلاك تصحيح الألياف الضوئية، إذا كنت مهتمًا، فلا تتردد في الاتصال بي.