ممكن طلب !!! ياليت تردون علي [الأرشيف] - ملتقى الفيزيائيين العرب

nuha1423

11-05-2009, 10:56

بسم الله الرحمن الرحيم

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

* إعداد سناء عيسى
الألياف الضوئية عبارة عن خيوط رفيعة وطويلة من الزجاج النقي بسمك شعرة الرأس، وتتجمع في شكل شعيرات تسمى أليافا ضوئية، وتستخدم في نقل الإشارات الضوئية عبر المسافات الطويلة.
وبفحص شعيرة من الألياف الضوئية تجدها متكونة من ناقل الضوء وهو مركز زجاجي رفيع، حيث يمر الضوء، وعاكس وهو عبارة
عن مادة ضوئية تحيط بناقل الضوء وهو مركز زجاجي رفيع .
وهناك نوعان من الالياف الضوئية : أحادية ومتعددة النوع.
كيف تنقل الموجات الضوئية؟
لنفترض أننا نريد إضاءة مكان من خلال ماسورة طويلة، فكل ما علينا هو إرسال الضوء من بداية الماسورة فينتقل الضوء تلقائياً حتى يصل إلى نهايتها بلا أي مشاكل.
ولنفترض أن الماسورة تحتوي على منحنيات وأنها ليست مستقيمة فكيف ينتقل الضوء؟
لحل هذه المشكلة، علما بأن الضوء يتحرك في خط مستقيم، يجب أن نضع مرآة عند المنحنى، بحيث يقوم بتوجيه مسار الضوء إلى الهدف، أما إذا كان المسار كثير المنحنيات، فإنه يلزمنا وضع مرآة عند كل منعطف لتغيير الاتجاه هذا ما يحدث داخل الألياف الضوئية، فالضوء ينتقل من خلال المركز الزجاجي الرفيع في قلب الألياف وتجبره على البقاء في مساره تلك المادة العاكسة التي تحيط بناقل الضوء من خلال ما يعرف بمبدأ الانعكاس الكلي الداخلي، مما يعني أن المادة العاكسة لا تمتص أي ضوء على الإطلاق، وهو ما يؤدي إلى قطع الضوء مسافات طويلة.
ولكن الموجات الضوئية تضعف نتيجة المرور خلال الزجاج، مع الاعتماد على نوع الزجاج ناقل الضوء نفسه إضافة إلى طول الموجة المنقولة.
الاتصالات عبر الألياف الضوئية
لنعلم كيف يمكن استخدام الألياف الضوئية في الاتصالات، نستعرض أولاً طريقة الاتصال القديمة، وهي الطريقة المعروفة «بشفرة مورس» والتي ترسل الرسائل من خلالها عبر ومضات ضوئية، ونظام الاتصال عبر الألياف الضوئية يتكون من عدة أجزاء هي: باعث الموجات: وهو يقوم بتوليد وتشفير الإشارات الضوئية وعادة ما يكون بالقرب من طرف الألياف الضوئية، ومزوَّد بعدسة لتركيز الإشارات على مركز الألياف.
الألياف الضوئية
تنقل الإشارات الضوئية لمسافات طويلة.
مدعم البث: لتدعيم الإشارات الضوئية وخاصة عند نقلها مسافات طويلة، فعادة ما تفقد الإشارات بعض طاقتها أثناء نقلها مثل الألياف الضوئية في أعماق البحار، فتزوّد بمقو للموجات على طول الكابل.
مستقبل البث
يستقبل ويحلل الإشارات الضوئية.
مميزات الألياف الضوئية
الألياف الضوئية تعتبر ثورة في علوم الاتصالات، وخاصة عند مقارنتها بمثيلاتها من المعادن مثل النحاس، وتتفوق كابلات الألياف الضوئية على الكابلات المعدنية في أنها أقل تكلفة، فتكلفة عدة كيلومترات من الألياف الضوئية أقل من تكلفة مثيلتها من الكابلات النحاسية. هذا إضافة إلى أنها أقل سمكا، فقطر الألياف الضوئية يكون اقل من قطر الكابلات، الأمر الذي يجعل سعتها أعلى، فبما أن قطر الألياف الضوئية أقل من قطر الأسلاك النحاسية فإن لنفس قطر قناة التوصيل يمكن حمل عدد خطوط ألياف ضوئية (عدد خطوط تليفون) أكثر من خطوط أسلاك نحاسية، كما تمتاز الألياف الضوئية عن الموصلات التقليدية الأخرى في قلة الفاقد أو المهدر أثناء عملية النقل، ومن أهم مميزات الألياف الضوئية أن لها إشارات أوضح على عكس ما يحدث من تداخل بين الموجات المنقولة عبر خطين نحاسين متجاورين، فإن الموجات المنقولة عبر الألياف الضوئية المتجاورة لا تتداخل، وهذا يعني اتصالاً هاتفياً أوضح واستقبال بث صافياً.
طاقة أقل
حيث إن الموجات المنقولة عبر الألياف الضوئية تفقد طاقة أقل من تلك المنقولة عبر الأسلاك النحاسية فهي بالتالي تحتاج إلى طاقة إرسال أقل من المولدات الكهربية عالية الفولت اللازمة للأسلاك النحاسية، مما يوفر التكلفة والجهد.
الإشارات الرقمية
الألياف الضوئية مثالية في نقل المعلومات الرقمية مما يجعلها الحل الأمثل لشبكات الكمبيوتر، أكثر أمناً وأخف وزناً بما أن الألياف الضوئية لا تنقل تياراً كهربياً فلا يوجد الخوف من حدوث حرائق. كما أن كابل الألياف الضوئية أخف وزناً من نظيره من النحاس ويأخذ حيزاً أقل في الأرض.
نطاق الاستخدام
الألياف الضوئية تتميز بالمرونة ويمكنها نقل واستقبال الضوء بسهولة كبيرة، فهي تستخدم في كثير من الكاميرات الرقمية المخصصة لعدد من الأغراض، مثل الأشعة الطبية، في تصوير الرئة والبطن والغدد الصماء. والتصوير الميكانيكي، في الفحص الفني للحام .
ومن المعتاد عند اتصال بين شخص في أوربا وآخر في الولايات المتحدة عبر أطباق الالتصالات سماع صدى للصوت أثناء الحديث .ولكن من خلال
كابلات الالياف الضوئية فلا وجود لصدى الصوت.

nuha1423

11-05-2009, 11:00

بسم الله الرحمن الرحيم

http://www.hazemsakeek.com/QandA/FiberOptics/Picture1.jpg

كلما تحدث الناس عن أنظمة التلفون أو التلفزيون التي تعمل بالكوابل الأرضية أو شبكات الانترنت اقترن الحديث دوما بذكر الألياف الضوئية fiber optics فما هي الألياف الضوئية؟

الألياف الضوئية هي عبارة عن شعيرات طويلة من زجاج على درجة عالية من النقاء يصل رفعها إلى حد أن تماثل شعرة رأس الانسان. تصطف هذه الشعيرات معا في حزمة تسمى الحبل الضوئي (optical cable). إذا نظرت عن قرب لأحد هذه الألياف الضوئية ستجد انه يتكون من:

القالبCore وهو قلب من الزجاج الفائق النقاء يمثل المسار الذي ينتقل من خلاله الضوء.

القشرة الزجاجية cladding و هو المادة الخارجية التي تحيط بالقلب الزجاجي و هي مصنوعة من زجاج يختلف معامل انكساره عن معامل انكسار الزجاج الذي يصنع منه القلب ويعكس الضوء باستمرار ليظل في داخل القالب الزجاجي

الغلاف الواقيBuffer coating و هو غلاف بلاستيكي يحمي القلب من الضرر

مئات أو ربما الآلاف من هذه الألياف الضوئية تصطف معا في حزمة لتكون الحبل الضوئي الذي يحمى بغطاء خارجي يسمى جاكيت.

http://www.hazemsakeek.com/QandA/FiberOptics/Picture3.jpg

أنواع الآلياف الضوئية

الألياف الضوئية يمكن أن تقسم بصفة عامة إلى نوعين أساسيين:

الآلياف الضوئية ذات النمط الاحادي single mode fiber تنتقل من خلالها إشارة ضوئية واحدة فقط في كل ليفة ضوئية من ألياف الحزمة و هي تستخدم في شبكات التلفون و كوابل التلفزيون. هذا النوع من الألياف يتميز بصغر نصف قطر القلب الزجاجي حيث يصل إلى حوالي micron 9 و تمر من خلاله أشعة الليزر تحت الحمراء ذات الطول الموجي 1.3-1.55 nm.

الآلياف الضوئية ذات النمط المتعدد multi -mode fibers و بها يتم نقل العديد من الإشارات الضوئية من خلال الليفة الضوئية الواحدة مما يجعل استخدامها أفضل لشبكات الحاسوب. هذا النوع من الألياف يكون نصف قطره اكبر حيث يصل إلى 62.5micron و تنتقل من خلاله الأشعة تحت الحمراء.

كيف تعمل الألياف الضوئية و كيف تنقل الضوء خلالها؟

افترض انك تريد أن توصل ومضة ضوئية خلال مسار طويل مستقيم كل ما عليك هو أن توجه الضوء خلال هذا المسار ولان الضوء ينتقل في خطوط مستقيمة فانه سيصل للطرف الآخر بلا مشاكل. لكن ماذا لو كان المسار به انحناء؟ بسهولة يمكن أن تتغلب على ذلك بوضع مرآة عند الانحناء لتعكس الضوء إلى داخل المسار مرة أخرى. و بنفس الطريقة تحل المشكلة لو كان المسار كثير الانحناءات حيث تصف مرايا على طول المسار لتعكس الضوء باستمرار من جانب الأخر ليبقى في مساره. هذه بالضبط هي فكرة عمل الألياف الضوئية. حيث ينتقل الضوء بواسطة الانعكاس المستمر عن الجدار المحاذي للقالب الزجاجي (cladding) انعكاسا داخليا كليا. و لان هذا الجدار لا يمتص أي من الضوء الساقط عليه فان الإشارة الضوئية يمكن أن تسافر مسافات طويلة. و لكن يحدث أحيانا أن يفقد جزء من الضوء حيث تمتصه الشوائب الموجودة في القلب الزجاجي.

لكي تحدث الانعكاسات المستمرة على جدار الغلاف الواقي داخل الآلياف الضوئية فإن هذا يعتمد على ظاهرة فيزيائية تسمى ظاهرة الإنعكاس الداخلي الكلي total internal reflection فما هي هذه الظاهرة وكيف تعمل؟

الأساس الفيزيائي لنقل الضوء خلال الآلياف البصرية

ظاهرة الإنعكاس الداخلي الكلي total internal reflection هي الأساس الفيزيائي لتكنولوجيا نقل الضوء عبر الآلياف الزحاجية حيث ان أننا ذكرنا سابقا أن كلا من القالب الزجاجي والقشرة الزجاجية من الزجاج ولكن معامل انكسارهما مختلف. فلماذا كان معامل الانكسار مختلف ولماذا وجدت طبقتين من الزجاج؟

تخيل لو اننا قمنا بالتجربة الموضحة في الشكل التالي والتي تمثل شعاع من الليزر في حوض من الماء وتشكل حافة الماء حاجز بين وسطين هما الماء الذي معامل انكساره اكبر من وسط الهواء، فعندما يسقط شعاع الليزر عموديا على الحاجز فإنه ينفذ بالكامل، اما اذا زادت الزاوية تدريجياً كما في الشكل التالي:

نلاحظ أن جزء من الشعاع ينفذ والجزء الأخر ينعكس داخل الماء وكلما زادت زاوية السقوط كلما قلت شدة الشعاع النافذ وازدادت شدة الشعاع المنعكس، وعند زاوية (تقريباً 48.6 درجة) تسمى الزاوية الحرجة يخرج الشعاع موازياً لسطح الماء واذا زادت زاوية السقوط قليلاً عن الزاوية الحرجة فإن الشعاع ينعكس بالكامل ولا ينفذ منه شيئاً وهذه الحالة تسمى الإنعكاس الكلي الداخلي total internal reflection.

تحدث ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي اذا تحقق الشرطين التاليين:

(1) ان ينتقل الضوء من وسط ذو كثافة ضوئية أعلى (معامل انكساره كبير) إلى وسط أقل كثافة ضوئية (معامل انكساره اقل).

(2) ان تكون زاوية السقوط اكبر من الزاوية الحرجة.

كتطبيق على ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي قم بتسليط شعاع ليزر على ماء مندفع من فتحة صغيرة كما في الشكل، وستجد ان مسار الليزر ينحرف مع انسياب الماء، والسبب في ذلك ان الليزر ينعكس على السطح الداخل للماء حيث يفصل هذا السطح بين وسطين مختلفين في معامل الانكسار.

نفس الظاهرة تحدث في الليزر عبر الالياف الضوئية حيث أن الضوء بمجرد عبوره إلى داخل القالب الزجاجي core سينعكس على السطح الداخلي للقشرة الزجاجية لان معامل انكسارها اكبر من القالب ويستمر الليزر بالانعكاس على جانبي القالب بغض النظر اذا كانت الالياف الضوئية مستقيمة أو منحنية.

مكونات نظام الآلياف البصرية

يتكون نظام الألياف الضوئية من ثلاث أجزاء أساسية هي:

المرسل transmitter

و هو الذي ينتج و يشفر الإشارة الضوئية حيث يكون الجزء الأساسي به هو المصدر الضوئي الذي قد يكون ليزر أو الدايود الضوئي، فإذا أردنا مثلا نقل إشارة تلفزيونية أو أي معلومة فانه من الضروري تحوير الشارة الضوئية طبقا للمعلومة المراد نقلها. تحوير الإشارة الضوئية قد يتم بتغيير شدتها ارتفاعا و انخفاضا analogue modulation أو إشعالها و إطفائها في تتابع و هو ما يعرف بـ digital modulation

الآلياف البصرية fiber-optic

و هو الذي يقوم بتوصيل الإشارة الضوئية عبر المسافات و هو الجزء الذي تم شرحه مسبقاً.

المستقبل receiver

يستقبل الإشارة الضوئية و يفك شفرتها ليحولها إلى إشارة كهربية ترسل إلى المستخدم الذي قد يكون التلفزيون أو التلفون

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 اكبر عرض نطاق يحتاجه البث التلفزيوني لا يتجاوز 6MHz.

اقل حجما حيث أن نصف قطرها أقل من نصف قطر الأسلاك النحاسية التقليدية، فمثلا يمكن استبدال سلك نحاسي قطره 7.62سم بآخر من الألياف الضوئية قطره لا يتجاوز 0.635سم و هذا يمثل أهمية خاصة عند مد الأسلاك تحت الأرض.

اخف وزنا فيمكن استبدال أسلاك نحاسية وزنها 94.5كجم بأخرى من الألياف الضوئية تزن فقط 3.6كجم.

فقد اقل للإشارات المرسلة في الآلياف الضوئية منه في الأسلاك النحاسية.

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 إنها لا تتعرض للتداخلات الكهرومغناطيسية مما يجعل الإشارة تنتقل بسرية تامة مما له أهمية خاصة في الأغراض العسكرية.

غير قابلة للاشتعال مما يقلل من خطر الحرائق.

تحتاج إلى طاقة اقل في المولدات لان الفقد خلال عملية التوصيل قليل.

بسبب هذه المميزات فان الألياف الضوئية دخلت في الكثير من الصناعات و خصوصا الاتصالات و شبكات الكمبيوتر. كما تستخدم في التصوير الطبي بأنواعه و في كمجسات عالية الجودة للتغير في درجة الحرارة والضغط بما له من تطبيقات في التنقيب في باطن الأرض.

كيف تصنع الألياف الضوئية

كما سبق و ذكرنا تصنع الألياف الضوئية من زجاج على درجة عالية من النقاء حيث وصفت إحدى الشركات ذلك بان قالت لو كان هناك محيط من الألياف الضوئية يصل للعديد من الأميال و نظرت من على سطحه للقاع يجب أن تراه بوضوح. وتتم صناعة الألياف الضوئية على النحو التالي:

1-عمل اسطوانة زجاجية غير مشكلة

2-سحب الألياف الضوئية من هذه الاسطوانة الزجاجية

3-اختبار الألياف الضوئية

الزجاج المستخدم في عمل الاسطوانة الغير مشكلة يصنع من خلال عملية تسمى modified chemical vapour deposition حيث يمرر الأكسجين على محلول من كلوريد السليكون و كلوريد الجرمانيوم كيماويات أخرى ثم تمرر الأبخرة المتصاعدة داخل أنبوب من الكوارتز موضوع في مخرطة خاصة عندما تدار يتحرك مجمر حول أنبوب الكوارتز حيث تتسبب الحرارة العالية في حدوث شيئين

(1) يتفاعل السليكون و الجرمانيوم مع الأكسجين لتكوين أكسيد السليكون و أكسيد الجرمانيوم

(2) يترسب أكسيد السليكون و أكسيد الجرمانيوم على جدار الأنبوب من الداخل و يندمجان معا لتكوين الزجاج الخام المطلوب حيث يمكن التحكم بدرجة نقاء و صفات الزجاج المتكون من خلال التحكم بالخليط.

الآن يتم سحب الألياف من هذه اسطوانة الخام الغير مشكلة بوضعها في أداة السحب حيث ينزل الزجاج الخام في فرن كربوني درجة حرارته 1,900-2,200 درجة سليزية فتبدأ المقدمة في الذوبان حتى ينزل الذائب بتأثير الجاذبية و بمجرد سقوطه يبرد مكونا الجديلة الضوئية. هذه الجديلة تعالج بتغليف متتابع أثناء سحبها بواسطة جرار مع قياس مستمر لنصف القطر باستخدام ميكرومتر ليزري. تسحب الألياف من القالب الخام بمعدل 20m/s.

http://www.hazemsakeek.com/QandA/FiberOptics/fiber-optic-transmission.jpg
.

يتم بعد ذلك اختبار الألياف من ناحية: معامل الانكسار، الشكل الهندسي و خصوصا نصف القطر، تحملها للشد، تشتت الإشارات الضوئية خلالها، سعة حمل المعلومات، تحملها لدرجات الحرارة و إمكانية توصيل الضوء تحت الماء

http://www.hazemsakeek.com/QandA/FiberOptics/fiber-optic-fibercoreltd-lathe2.jpg

تطبيقات عملية على استخدامات الالياف الضوئية

رغم إن استخدام الألياف الضوئية لنقل المعلومات عبر المسافات الطويلة استحوذ على معظم الاهتمام إلا أنها تستخدم لنقل المعلومات عبر المسافات القصيرة أيضا حيث تصل بين الكمبيوتر الرئيسي و الكمبيوترات الجانبية أو الطابعة. بعيدا عن مجال الاتصالات ظهرت هناك استخدامات أخرى عديدة و مهمة لهذه الألياف فمثلا نتيجة لمرونتها و دقتها دخلت في صناعة الكاميرات الرقمية المتعددة المستخدمة في التصوير الطبي مثل التصوير الشعبي و المناظير. كما دخلت في تصنيع الكاميرات المستخدمة في التصوير الميكانيكي لفحص اللحام و الوصلات في الأنابيب و المولدات. و لفحص أنابيب المجاري الطويلة من الداخل.

استخدمت الألياف الضوئية أيضا كمجسات لتحديد التغير في درجات الحرارة و الضغط strain حيث تفضل على المجسات العادية لصغر حجمها و حساسيتها للتغيرات الصغيرة و دقة أدائها. احد التطبيقات المهمة لها كمجسات لقياس strain يكون بإدخالها في صناعة جدار بعض الطائرات مما يمنح الطائرة جدار مميز يحذر الطيار من الضغط الواقع على أجنحة أو جسم الطائرة

مراجع
مزيد من المعلومات تجدها في المواقع التالية:

Fiber-U Online Training with Fiber Optics: Lesson Plan Outline

Corning Optical Fiber

Microsoft Encarta: Fiber Optics

Lesson in Fiber Optic Communications for Schools

Communications Specialties: Introduction to Fiber Optics

StarTech.com: What are fiber optics?

Fiber Optics Online

Fiber Optic Product News Online

Schott Fiber Optics: Intro to fiber optic imaging

Fiber Optics

Bell Labs Technology: Understanding Lightwave Transmission

Bell Labs Technology: Trends and Developments: Photonics

Fibercore: Virtual Facilities Tour