اتصالات الألياف البصرية

اتصالات الألياف البصرية

انتقلت اتصالات الألياف البصرية Optical Fibers من أنظمة بسيطة لإصال  الضوء الى أماكن يصعب الوصول اليها الى أنظمة تؤثر على حياتنا كالتي أحدثتها الإكترونيات والحاسبات . تمتلك الألياف البصرية مزايا عديدة كقلة الفقد وخفة الوزن ولكن الميزالهامة هي سعة نطاقها العالية جداً والتي تصل الى آلاف البلايين من البتات لكل ثانية .لقد احتلت الألياف البصرية مكاناً متميزاً في مجال الاتصالات إذ حلت محل الاسلاك النحاسية في العديد من الاستخدامات كا لربط بين المقاسم الهاتفية والخطوط بعيدة المدى وعبر البحار تطورت تقنية البصريات الليفية Fiber Optics تطوراً سريعاً خلال العقود الماضية فاقت كل التوقعات مما جعلها تتربع موقعاً تنافس فيه وسائل الاتصالات الأخرى .

مرت هذه التقنية بمراحل عديدة يمكن تقسيمها الى خمسة أجيال صمم الجيل الأول ليقوم بنقل معلومات بمعدل بتات تترواح بين 2 و 140 ميجابت لكل ثانية استخدمت فيه منابع بصرية مصنعة من زرنيخ الجاليوم ( Ga As ) وكواشف سليكونية تعمل في أطوال موجبة تتراوح بين 810 و900 نانومتر .في الجيل الثاني تم تطوير منابع وكواشف ضوئية تعمل عند طول الموجي 1300 نانومتر حيث ينخفض الفقد في الليف الى 1 ديسبل لكل كيلومتر . أدي استخدام الألياف البصرية أحادية النمط في الجيل الثالث الى القضاء على التشتيت في الألياف البصرية متعددة النمط مما أدي الى الحصول على سعة نطاق عالية ، تم في هذا الجيل تشغيل وصلات بصرية تستخدم الالياف أحادية النمط وبوط موجي 1300نانومتر للحصول على فقد يقل عن 1 ديسيبل لكل متر ومسافة بين المكررات تبلغ 40 كيلو متر بمعدل خطابتات قدرة 10 نانومتر في الجيل الرابع تم تشغيل هذه الانظمة عند الطول الموجي 1550 نامتر حيث الفقد اقل مما هو عليه عند الطول الموجي 1300 نانومتر . أدي تطوير العناصر المستخدمة في هذه الأنظمة كالمنابع والكواشف لبناء أنظمة تعمل بمعدل نقل معلومات قدرة 10 جيجابت لكل ثانية .

استمرت الأبحاث في تطوير عناصر نظم اتصالات الألياف البصرية للحصول على افضل الظروف التشغيلية مما مهد الى بروز الجيل الخامس والذي توفرت له عناصر عديدة فكانت البدية في تحسن حساسية أجهزة الاستقبال حيث استخدم الكشف التحقيقي ( heterodyne) بدلا من الكشف المباشر . والذي مكن من وجود وسائل ذات كفاءة لاختيار القنوات في الأنظمة التي تستخدم تعدد الارسال بتقسيم الطول الموجي Wavelength D ivision Mul –( WDM) tiplexing تمكن الباحثون من تطعيم الألياف الزجاجية بمادة الاربيوم ( Er )  مما أعطى دفعة قوية لاستخدام أنظمة الالياف البصرية عند الطول الموجي 1550 نانومتر أدي ذلك التطعيم للحصول على مضخمات ذات كسب مرتفع اطلق عليها مضخمات ذات كسب مرتفع اطلق عليها مضخمات الليف المطعم بالأريبوم ( Er bium Doped Fiber Amplifiers ( EDFA,s))  والتي وجدت استخداما واسعاً في خطوط النقل ولم يقتصر استخدام الألياف المطعمة بمادة الربيوم على المضخات فحسب بل تعداها لتشمل استخدام الليزر والمفاتيح وكثير من النبائط غير الخطية . كما أن مضخمات EDFA,s قد مهدت الطريق لأنظمة اتصالات سريعة وبروز أنظمة نقل تعتمد على استخدام نبضات طبيعية (Solitons )  والتي تمكنها من قطع مسافات طويلة دون تشوه . أدت هذه التطورات السريعة الى شيوع استخدام أنظمة الاتصالات الليفية البصرية في كافة مجالات الاتصالات بدءاً من الوصلات للمستخدم حتى الاتصالات بعيدة المدى سواء في اليابسة أو عبر البحار .

1.  نظرة تاريخية Historical Perspective   لقد استخدم الضوء للاتصال منذ أن خلق الله الأرض ومن عليها فبدونه لا يمكن أن نرى من حولنا وقد استخدمت الاشارات والمرايا العاكسة والمصابيح لنقل المعلومات ولكن مقدرا المعلومات المنقولة محدودة علاوة على الظروف البيئية كما يمكن للاخرين الاطلاع عليها . إن أول محاولة فعلية مدونه لاستدام الاشارات كان عام 1791 من قبل كلود شابي في فرنسا ، إذا استخدم مجموعة من الابراج تحتوي على عدة أذرع لنقل معلومات مسافة 200كليو متر يستغرق ارسال المعلومة الواحدة حوالي 15 دقيقة . في عام 1854م أجرى جون تايندل تجربة بسيطة بين أن الضوء يمكن ثنية إذا وجد الوسط الملائم وفي عام 1880م قام الكسندر جراهام بل بنقل الصوت عبر حزمة ضوئية وقد أجريت محاولات عديدة لاستخدام الاتصالات البصرية خلال هذا القرن ولكنها لم تلق النجاح لعدم توفر المنابع المناسبة علاوة على الاضطرابات الجوية كا لمطر والثلج والغبار والضباب مما حد من امكانية استخدامها .  أدي اكتشاف الليزر عام 1960م من قبل ثيودور ميمان الى تجدد الاهتمام بالاتصالات البصرية وفي عام 1966م اقترح كل من تشارس كاو وجورج هوكام تصنيع الياف زجاجية قليلة الفقد وفي عام 1970م تم تصنيع الياف بصرية مصنعة من مادة السليكا وبفقد 20ديسيبل لكل كليو متر بدلا من 1000 ديسيبل لكل كليومتر قبل ذلك الوقت . وفي غضون عشر سنوات ، تم تصنيع الياف بفقد يصل الى 20,. ديسيبل لكل كيلومتر عند الطول الموجي 1550نانومتر .
2. الألياف البصرية Optical Fibers

2-1 النظام اليفي البصري Optical Fibers System   يبين الشكل ( 1) مخطط صندوقي لنظام ليفي بصري يحتوي على الاتي :

‌أ.                   دوائر تشغيل تقوم بتحويل الاشارة الكهربائية ويحولها الى تيار لتشغيل المنبع الضوئي.

‌ب.                 منبع ضوئي يقوم بايصال الاشارة الضوئية الى الليف البصري .

‌ج.                 الليف البصري هو القناة اللازمة لنقل الاشارات .

‌د.                   كاشف ضوئي يقوم بتحويل الاشارات البصرية الى اشارات كهربائية .

‌ه.                   مستقبل يتولى تضخيم الاشارات القادمة من الكاشف ويرسلها الى المستخدم .

‌و.                  موصلات ومقارن ووصلات دائمة لربط العناصر المختلفة لنظام الاتصالات دائمة لربط العناصر المختلفة لنظام لاتصالات الليفي البصري .

تمثل الألياف البصرية العنصر الاساسي في أنظمة الاتصالات الليفية البصرية وهي مكونة من مواد عازلة زجاجية أو بلاستيكية لها شكل اسطواني يسمى اللب محاطاً بطبقة اخرى تسمى الكساء . تستخدم الألياف البصرية كقنوات اتصال لنقل الضوء المحمل بالمعلومات من مكان الى آخر . عند دخول الضوء بزاوية معينة تحدث انعكاسات داخل الليف عند تقابل مع الكساء ويتطلب ذلك أن يكون معامل انكسار اللب أكبر من معامل انكسار الكساء . يبين الشكل ( 2) مقطعاً لليف بصري نرى انعكاس الضوء داخل الليف والذي يمكن تفسيره بنظرية الاشعاع وقانون سنل Snell,s Law عند زاوية سقوط معينة تسمى الزاوية الحرجة ، نجد إن زاوية الاشعاع المنكسر تبلغ 90 درجة بالنسبة للخط العمودي أو موازية للحد الفاص بين اللب وألكساء وعند ما تزداد زاوية السقوط عن حد معين ينعكس الاشعاع داخل اللب وهو ما يسمى بالانعكاس الداخلي الكلي . Total Internal Reflection .

2-2 ميزات الألياف البصرية(2،4)  Advantages of Optical Fibers

للألياف البصرية مزايا عديدة جعلتها تتفوق على النظم الأخرى المستخدمة في مجال الاتصالات ومن هذه المميزات مايلي :

1. عرض نقاطها عال جداً .
2. قطرها صغير ووزنها خفيف .
3. لايوجد تداخل بينها مهما قربت المسافة بينها .
4. لا تتأثر بالحث أو التداخل الكهرومغناطيسي .
5. انخفاض في سعر تكلفة المكالمات .
6. اكثر أمانا وسلامة .
7. حياتها طويلة .
8. تتحمل درجات حرارة عالية ولاتتأثر بالمواد الكيميائية .
9. سهولة الصيانة كما يمكن الاعتماد عليها .

وسنشرح الآن الفوائد الرئيسية اللألياف البصرية .

1. إن عرض النطاق المرتفع جدا يعني إمكانية نقل معلومات عالية جدا بواسطة ليفه بصرية واحدة وقد تكون هذه المعلومات صور تلفزيونية أو مكالمات هاتفية أو معلومات للحواسيب أو مزيج منها . وقد تم تشغيل خطوط نقل معلومات بمعدل 10 جيجابت لكل ثانية مثل SEA-ME-WE3,FLAG وألابحاث مستمرة في أنحاء العالم للحصول على أنظمة تعمل بمعدل معلومات أعلى ولمسافة أطول وقد أجريت تجارب لنقل 2,64 تيرابت لكل ثانية بنظام صية لمسافة 120كم مستخدمين الياف أحادية  النمط . من الناحيةالنظرية فإن عرض نطاق ليفه بصرية واحدة في حدود 10 جيجاهرتز ، فلوفرضنا أن المسافة بين المكررات تبلغ 100كم فإن هذا يعني إمكانية نقل المعلومات المذكورة في الجدول (1) وهي معلومات أقرب للخيال منها للواقع وبإمطاننا أن نضع مجموعة منها ضمن كابل وأحد . وهذا بالطبع يعني منبعا لا ينضب من وسائل نقل المعلومات ويتناسب عرض النطاق تناسب طردياً مع أعلى معدل لنقل المعلومات أو سعة نقل المعلومات Information Carrying Capacity .
2. قطرها صغير ووزنها خفيف ، يبلغ سمك الليفة البصرية سمك الشعرة ، وعلى الرغم من أن هناك طبقات وأقية توضع فوقها إلا نها لاتزال أقل حجما ووزنا من الاسلاك الهاتفية أو المحورية ومثالاً على ذلك أن ليف بصري بقطر يبلغ 125 مايكرومتر ضمن كابل يبلغ قطرة 6 ملم يمكن له أن يحل محل كابل هاتفي قطرة 8 سم ويحتوي على 900 زوج من الخطوط السلكية النحاسية وهذا يعني أن الحجم قد أنخفض بنسبة تزيد عن 1 : 10 وكمثال آخر على صغر حجم الكطابلات البصرية فإن كابلات محورية بطول 230متر وقطر 46 سم وتزن 7 طن كانت تستخدم في نظام رادار متقدم على ظهر أحد السفن تم استبدالها بكابلات بصرية تزن 18 كغم وقطرها 2,5سم .

مما  سبق يتضح لنا إمكانية اضافة كابلات بصرية في نفس مسارات الكبلات النحاسية والمحورية في شتى مجالات الاتصالات السلكية .

ونظرا لهذه الميزة فقد تم استبدال الكابلات النحاسية في كثير من الطائرات والبواخر بألياف بصرية . وبسبب صغر الحجم وقلة الوزن فإن نقلها وتركيبها يتم بصورة أسهل وأسرع من الكابلات النحاسية وهذا يعني تكلفة أقل .

1. نلاححظ أحيانا عند اجراء محادثة هاتفية سماع أصوات محادثات هاتفية أخرى وهو ما يطلق علية باللغط CROSSTALK وهذا النوع من التداخل لايحدث عند استخدام الألياف البصرية مهما قربت المسافة بينهما .
2. تتمتع الألياف البصرية لكونها مصنعة من مواد عازلة dielectrics بعدم تأثرها بالحث الكهرومغناطيسي الصادر من مصادر الكهرومغناطيسية الصناعية كالمحركات والمولدات وأجهزة الكهربائية المختلفة أو الطبيعية كالبرق وتلك الخاصية تغنينا عن وضع مواد عازلة لحمايتها من الحث induction والتدخل Interfernce.
3. تصنع معظم الألياف البصرية في وقتنا الحاضر من مادة السليكا والموجودة بكثرة في الرمل والتي يقل سعرها كثيراً عن معدن النحاس الذي بدأ بنفذ في أماكن كثيرة من العالم ونظراً للميزات التي ذكرناها في البنود 2.1 فإن ثمن نقل المعلومات بأنواعها المختلفة سيقل عن الانظمة المختلفة الاخرى .
4. نظراً لأن الضوء هو الوسط الناقل للمعلومات في الألياف البصرية ولا يولد هذا الضوء أى مجال مغناطيسي خارج الكابل فإن من الصعوبة بمكان التجسس ومعرفة المعلومات التي يحويها الكابل البصري كما أن من الصعوبة معرفة وجود الكابل البصري بسبب المادة المصنع منها ولا يوجد جزء معدني إلافي بعض الحالات حيث تتم اضافة كابل فولاذي لتقوية الكابل البصري ، أو تسليح معدني لحماية الكابل من القوارض والأحمال الخارجية . أما الميزة الأخرى فهي سلامة الألياف البصرية لأن الضوء الناقل لايمكنه أن يحدث شرارا أو دائرة قصر العدم وجود تيار كهربائي فيه ولهذا السبب يمكن استخدام الألياف البصرية في المحلات الحاوية على غازات أو مواد قابلة للإحترق ومستودعات المواد الخطرة كما أن احتمال كهربة العاملين في الألياف البصرية غير وارد.
5. يتوقع أن يكون عمر الألياف البصرية في حدود 25 عاماً مقارنة بخمس عشر عاماً للنظم الأخرى حيث أن المكونات الأساسية للألياف هي الزجاج والذي لا يصدأ على عكس النظم الأخرى والتي تحوي على معادن تتعرض للصدأ .
6. يمكن للزجاج أن يتعرض لدرجات حرارة متفاوتة من حيث الانخفاض والارتفاع كما يمكن استخدامه في أجواء تحتوي على مواد كيميييائية مختلفة دون أن يتعرض للتلف