Optical Fibers By: Fatimah Al-Sakran DR.Loai Bani Melhim

Optical Fibers

Optical Fibers منذ نشأة الإنترنت في السبعينات الميلادية من القرن الماضي، لم يكن هناك حاجة ملحة للسرعات العالية لنقل البيانات نظراً لاستخدامها المحدود جداً ذلك الحين. ولكن مع التطور التدريجي – الذي كان ملحوظاً بعد الثمانينات الميلادية – والتوسع الكبير منذ ذلك الحين، لم تتمكن الأسلاك النحاسية من مواكبة الطلب المتزايد على السرعات العالية لكونها تدعم سرعات بمتوسط لا يتجاوز الـ 8 ميجابت لكل ثانية. لكنها استُخدِمت على كل حال نظراً لوجود بنيتها التحتية، حيث أنها في الأصل كانت تستخدم لشبكات الهاتف.

Optical Fibers التزايد المهول للحاجة لسرعات أعلى أجبر الشركات والهيئات المسؤولة للتوجه لاستخدام الاتصالات الضوئية عن طريق الألياف البصرية، أو كما تعرف بمصطلح ‘FTTx’ بدأ استخدام الألياف البصرية تجارياً عام 1997م عن طريق شركة ‘FLAG’ التي قامت بربط القارَّات ببعضها البعض بكيابل بصرية لزيادة سعة البيانات عبر القارَّات، واستمر التوسع في استخدامها حتى تجاوزت قبل بضع سنوات ربط القارَّات إلى ربط المنازل والمنشئات الخاصة عن طريق مزودي الخدمة المحليين.

Optical Fibers الألياف الضوئية : الألياف الضوئية : هي ألياف مصنوعة من الزجاج النقي، تكون طويلة ورقيقة ولا يتعدى سمكها سمك الشعرة. يجمع العديد من هذه الألياف في حزم داخل الكابلات البصرية، وتستخدم في نقل الإشارات الضوئية لمسافات بعيدة جداً.

Optical Fibers Fiber To The Home شبكة توصيل الألياف البصرية إلى المنازل كما تسمى أيضا: شبكة الألياف الضوئية للمنازل: وهو تطبيق يعتمد على استخدام تقنية شبكة الألياف البصرية الشفافة (PON: Passive Optical Network) وتوزيعها على الشبكة المحلية بين المقاسم والمستخدمين في منازلهم بحيث يتم إيصال عدة خدمات في نفس الوقت منها الإنترنت والهاتف والفيديو والدوائر الخاصة باسخدام جهاز طرفي (ONT). تعتمد على بروتوكولات مثل GPON أو APON أو BPON والمستخدم حديثا هي الجيجا (GPON: Gigabit Passive Optical Network) ويتم نقل المعلومات على حزم تسمى (GEM: GPON Encapsulation Module).

مكونات الليف الضوئي : 1- القلب (Core) : وهو عبارة عن زجاج رقيق (أسطواني) ينتقل فيه الضوء ويصنع من السليكا Silica المطعمة ( بالجرمانيوم مثلا Ge-Silica ). 2- الغلاف (Cladding) : مادة تحيط بالقلب الزجاجي (أسطوانة أخرى محيطة) وتعمل على حفظ الضوء في مركز الليف البصري وهي مصنوعة من السليكا، وذلك لكي يكون معامل انكسار القلب أكبر من معامل انكسار الغلاف، وهو الشرط المطلوب لحصول عملية الانعكاس الداخلي الكلي Total Internal Reflection، الذي هو أساس توجيه الضوء في الألياف الضوئية، إذ ينعكس الضوء كلياً وبتكرار الانعكاس ينتشر الضوء داخل قلب الليف الضوئي ويصل إلى النهاية الأخرى لليف.

مكونات الليف الضوئي : 3- الغطاء الواقي (Buffer Coating) : غلاف بلاستيكي يحمي الليف البصري من الرطوبة ويحميه من الضرر و الكسر. 4- مئات أو ربما الآلاف من هذه الألياف الضوئية تصطف معاً في حزمة لتكون الحبل الضوئي الذي يحمى بغطاء خارجي يسمىJacket .

ثورة الألياف الضوئية:

What is the difference between multimode and single mode fiber? 1- الآلياف الضوئية ذات النمط الاحادي - single mode fiber تنتقل من خلالها إشارات ضوئية نسق ونمط موحد في كل ليفة ضوئية من ألياف الحزمة و هي تستخدم في شبكات الهاتف و كوابل التلفزيون. هذا النوع من الألياف يتميز بصغر نصف قطر القلب الزجاجي حيث يصل إلى حوالي 9 micron و تمر من خلاله أشعة الليزر تحت الحمراء ذات الطول الموجي 1.3-1.55 nm .

What is the difference between multimode and single mode fiber? 2-الآلياف الضوئية ذات النمط المتعدد -  multi mode fibers  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 و تنتقل من خلاله الأشعة تحت الحمراء.

مميزات الألياف الضوئية : لقد أحدثت الألياف الضوئية ثورة في عالم الاتصالات لتميزها على أسلاك التوصيل العادية ( النحاس ) فهي: 1- أكثر قدرة على حمل المعلومات لأن الألياف الضوئية ارفع من الأسلاك العادية فإنه يمكن وضع عدد كبير منها داخل الحزمة الواحدة مما يزيد عدد خطوط الهاتف أو عدد قنوات البث التلفزيوني في حبل واحد. 2- أقل 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 يتجاوز0.635سم وهذا يمثل أهمية خاصة عند مد الأسلاك تحت الأرض. 3- أخف وزنا فيمكن استبدال أسلاك نحاسية وزنها 94.5كجم بأخرى من الألياف الضوئية تزن فقط 3.6كجم.

مميزات الألياف الضوئية : 4- 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 . 5- غير قابلة للاشتعال مما يقلل من خطر الحرائق. 6- تحتاج إلى طاقة أقل في المولدات خلال عملية التوصيل.

بسبب هذه المميزات فإن الألياف الضوئية دخلت في الكثير من الصناعات وخصوصاً 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 البصرية اُكتشفت مؤخراً وتسمى الألياف البلورية الفوتونية، لأنها تصنع من البلورات الفوتونية التي تتميز بنقل الضوء فيها بأقل خسارة..

شبكات الألياف البصرية طورت جودة الخدمة، كذلك قامت بتبسيط الشبكة إلى حدٍ كبير، حيث أن شبكات الألياف استغنت عن المقسم ‘switch’ المعقد الذي يستخدم في شبكات الأسلاك النحاسية بموزع ‘splitter’ يقوم بتوزيع الضوء القادم من مركز الخدمة على جميع المنازل المرتبطة به، بحيث يقوم كل مستقبل ‘modem’ بقراءة البيانات الخاصة به عن طريق بروتوكول تحكم الوصول للوسط الناقل ‘Medium Access Control (MAC)’ الذي يمكِّن كل مستقبل من قراءة محتوى الألياف البصرية لمدة زمنية قصيرة جداً يتم تحديدها من قبلمركز الخدمة، بحيث أن هذه المدة تحتوي على المعلومات التي تخص هذا المستخدم دون غيره. مما يزيد من المستوى الأمني للشبكة ويمنع التجسس. هذا الإجراء يعد أحد أنواع الـ (MAC) ويسمى Time Division Multiple Access (TDMA) أي تعدد المستخدمين بتجزيء الوقت.

تتعدد تسمية خدمة الألياف البصرية (FTTx) بحسب نطاق التغطية هذا التنوع – أو المسميات إن صح التعبير – مدرجة في الجدول التالي : الألياف البصرية حتى نقطة التجمع Fiber To The Node FTTN الألياف البصرية حتى الرصيف Fiber To The Curb FTTC الألياف البصرية حتى المبنى Fiber To The Building FTTB الألياف البصرية حتى المنزل Fiber To The Home FTTH

FTTH يعني أن الألياف تصل حتى سكن المستخدم، بينما FTTB تمثل وصول الألياف حتى المبنى فقط وليس الشقة أو السكن. كذلك FTTC و FTTN تعنيان أن الألياف تصل حتى أقل من 300م للأول و أكثر من 300م للثاني، هذا التنوع ينعكس بالطبع على جودة وسرعة الاتصال.

بعض من تطبيقات الألياف البصرية Optical Fiber Applications 1- الاتصالات الهاتفية Telephone Communications لعبت الأسلاك المجدولة والكابلات المحورية دوراً كبيراً في السنوات الماضية في مجال الاتصالات الهاتفية ، وحيث أن أحد الصفات الهامة هي سعة الألياف البصرية ، فقد بدأت كثير من الشركات بالتفكير في بناء خطوط هاتفية جديدة وإحلال بعض الخطوط القديمة سواء كانت أسلاك مجدولة أو كابلات محورية وأول خط تجاري يستخدم الألياف البصرية في الولايات المتحدة بدأ تشغليله في 22 ابريل 1977م وقد استخدم الإرسال الرقمي في هذا الخط ، كما أن المكررات كانت على مسافة 3.6 كيلومتر واستخدمت الثنائيات الباعثة للضوء Light Emitting Diodes في أجهزة الارسال وثنائيات الضوء الجرفية avalanche photodiodes  في أجهزة الاستقبال وكانت سعة هذا الخط 24 مكالمة آنية وقد استخدم تشكيل الرمز النبضي Pulse code modulation في هذا الخط و لولا وجود السعة الكافية للألياف وإمكانية توسيعها مستقبلا لما أمكن إنجاز ذلك .

بعض من تطبيقات الألياف البصرية Optical Fiber Applications 2- الاتصالات التلفزيونية TV Communications   بدأ اول استخدام الألياف البصرية بربط الكاميرات التلفزيونية بسيارات النقل التلفزيوني وفي الدوائر المغلقة ثم استخدمت في إيصال الخدمات التلفزيونية للمنازل وقد استخدمت لنقل قناة واحدة فقط وتستخدم الأن لنقل عشرات القنوات التلفزيونية والفيديو ضمن الكابل التلفزيوني Cable television ( CATV )   ولايقتصر استخدامها على النقل التلفزيوني فحسب بل يستخدم للدوائر المغلقة والانظمة الأمنية والنقل التلفزيوني عالي الوضوح .

بعض من تطبيقات الألياف البصرية Optical Fiber Applications 3- محطات القوى Power Stations   نظراً لعدم تأثر الألياف البصرية بالداخل أو الحدث الناتج عن المولدات الكهربائية أو خطوط الضغط العالي فقد تم تركيب الألياف البصرية في محطات القوى الكهربائية لنقل المكالمات الهاتفية ونقل المعلومات ، كما تم تركيبها جنباً إلى جنب مع خخطوط الضغط العالي لنقل المعطيات Data transmission  والسيطرة control .

بعض من تطبيقات الألياف البصرية Optical Fiber Applications 4- الاستخدامات العسكرية Military Applications    بدأ أول الاستخدامات العسكرية للألياف البصرية في السفن والطائرات الحربية لقلة الوزن والحجم ثم تلا ذلك استخدامها في ميادين المعارك حيث أن خفة الوزن وصغر الحجم وسهولة النقل ، أمور هامة في مثل هذا الوضع ، كما تم استخدامها في الخطوط الأمامية في جبهات القتال .

طريقة عمل الكيبل الضوئي

بعد كل هذه المزايا الرائعة للألياف البصرية، قد يتساءل البعض عن سبب بطئ انتشارها. يعود هذا البطئ إلى كون المعدات الخاصة بهذه التقنية مكلفة للغاية، بالإضافة لصعوبة صيانة وتركيب الألياف البصرية في حال تلفها. ولكن العائق الرئيسي هو صعوبة استبدال البنية التحتية الموجودة حالياً بالبنية التحتية اللازمة لهذه التقنية، بالإضافة لعدم حاجة المستخدم العادي للسرعات العالية. هذان السببان جعلا الاتصال التقليدي عن طريق الأسلاك النحاسية مستمراً حتى يومنا هذا.