ملتقى الفيزيائيين العرب - كيف تعمل الألياف الضوئية ؟

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.

منقول للفائدة .