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 .

3.                  نلاححظ أحيانا عند اجراء محادثة هاتفية سماع أصوات محادثات هاتفية أخرى وهو ما يطلق علية باللغط C          ROSSTALK  وهذا النوع من التداخل لايحدث عند استخدام الألياف البصرية مهما قربت المسافة بينهما .

4.                  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 .

5.                  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 .

6.                  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.

7.                  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 .

8.                  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 .

9.                  وضعت المكررات Repeaters  على مسافة 100 كم بين مكرر وآخر وهذا يقلل من عدد المكررات وبالتالي من صيانة النظم كمايزيد من الاعتماد على النظام لقلة الاجهزة المستخدمة بينما المسافة بين المكررات في النظام الهاتفي المستخدم حالياً تتراوح بين 4 الى 6 كم .

2-3 أنواع الألياف البصرية Types of Optical Fibers  تصنف الألياف البصرية الى ثلاثة أنواع تبعاً لأنماطها وتركيبها وهي كما يلي :

2-3-1 ألياف متعددة النمط وبمعامل انكسار عتبيMultimode  Step Index Fibers   

يتألف الليف البصري من جزئين أساسيين هما لب الليف والذي يشغل مركز الليف يحيط به كساء يضاف لذلك طبقة واقية تسمى الغلاف . يصنع  هذا النوع من الألياف البصرية من عناصر مختلفة من الزجاج ومركباته أو من السليكا المطعمة . تتميز هذه الألياف بكبر قطر اللب وكبر فتحة النفوذ العددية والتي تمكن من دخول كمية كبيرة من الضوء لليف البصري وتعتمد خواص هذه الألياف على نوع الليف والمواد المصنعة منها وطريقة التصنيع وتعتبر الألياف المصنعة من السليكا المطعمة أفضل الألياف البصرية وتستخدم لنقل المعلومات لمسافة قصيرة وعرض نطاق محدود ، غير أن تكلفتها قليلة .

2-3-2 ألياف  متعددة النمط وبمعامل إنكسار متدرج Multimode graded Index Fibers

معامل انكسار هذه الألياف متدرج إذ تبلغ أعلى قيمة له في مركز الليف وتقل قيمة معامل الإنكسار بصفة تدريجية كلما اتجهنا نحو الكساء حيث تكون قيمة معامل الانكسار ثابتة ويصنع هذا النوع من الألياف من عدد من العناصر الزجاجية أو السليكا المطعمة .

إن أداء الألياف متعددة النمط ومتدرجة معامل الانكسار يتفوق على أداء الألياف متعددة النمط ذات معامل الانكسار العتبي نظراً لتدرج معامل الانكسار وقلة التوهين فيها غير أن قطر اللب في الألياف متعددة النمط ومتدرجة معامل الانكسسار أقل من قطر اللب في الألياف متعددة النمط ذات معامل الانكسار العتبي . وتستخدم للمسافات المتوسطة وعرض نطاق متوسط عالي .

2-3-3 ألياف أحادية النمط Single Mode Fibers  

قد يكون معامل إنكسار الليف متعدد النمط متدرج أو عتبي ولكن معظم الألياف أحادية النمط الموجودة حالياً ذات معامل الموجودة حالياً ذات معامل نكسار عتبي . تتميز الألياف أحادية النمط بنوعيتها الممتازة كما أن عرض النطاق فيها كبير وتستعمل للمسافات الطويلة وتصنع من مادة السليكا المطعمة . ولو أن قطر اللب صغير جداً إلا أن قطر الكساء يبلغ أضعاف قطر اللب وذلك للقليل من نسبة الفقد من الموجات المضمحلة evanescnt  التي تمتد داخل الكساء ومع استخدام الغلاف الواقي يصبح القطر الاجمالي لليف أحادي النمط مساو الى قطر الليف متعدد النمط .

2- خواص الألياف البصرية Properties of Optcal Fibers

1-3 فتحة النفوذ التعددية Numerical Apertur  

 يتطلب اقتران الضوء في اللب البصري وقوع شعاع ضمن زاوية معينة تدعى زاوية القبول  ويعبر عن قدرة تجميع الضوء يجيب Sine   زاوية القبول والذي يطلق علية فتحة النفوذ العددية ويعبر عنها رياضيا  بالتالي :

NA=    ض  n1²  -  n2² =  no sin Ф

حيث أن no  تمثل معامل انكسار الوسط الفاصل بين منبع الضوء والليف وn1 معامل انكسار اللب و n2  معامل  انكسار الكساء . تحدد فتحة النفوذ العددية مقدار القدرة المفترنة بالليف .

3-2 التوهين Attenuation  

يعتبر التوهين أحد العناصر الأساسية في تقويم أنظمة الاتصالات حيث تتعرض الموجات الحاملة للوهن عند انتشارها في قناة الاتصال نتيجة عوامل عديدة كالامتصاص Absorption  والتناثر Scattering  ويجب استخدام قنوات اتصال بأقل توهين ممكن حتى تنتشر الموجات الحاملة الأطول مسافة ممكنة . وفي قنوات الاتصال المصنعة من الألياف البصرية ، يلعب التوهين دوراً أساسياً في اختيار الليف ، وفقد الضوء في الليف البصري يعتمد الى حد كبير على الطول الموجي للضوء المستخدم حيث يقل عند بعض الأطوال الموجية ويزيد عند اطوال الموجية ويزيد عند اطوال موجية أخرى ، حيث أن امتصاص جزيئات ( OH )  للضوء يزداد عند بعض الأطوال الموجية ويقل عند أطوال موجية أخرى ، حيث أن امتصاص جزيئات    ( OH )  للضوء يزداد مثلا عند طول موجي قدرة 1390 نانومتر وتقاس قيمة التوهين لليف البصري بوحدة الديسيبل لتعبر عن النسبة بين الطاقة الضوئية المستقبلة والطاقة الضوئية المرسلة في الليف .

3-3 التشتيت Dispersion    

التشتيت هو انبساط أو اتساع النبضة عند مرورها في قناة الاتصال وفي نظم الألياف البصرية ينقسم التشتيت الى نوعين وهما التشتيت النمطي Intermodal dispersion والذي يتم نتيجة سلوك الاشارات المرسلة مساوات مختلفة عند انتشارها داخل الليف مما يؤدي الى عدم وصولها في وقت واحد . أما النوع الأخر فهو التشتيت الباطني وينقسم هذا التشتيت الى نوعين ( أ ) تشتيت المادة material dispersion  ( ب) تشتيت الدليل الموجي waveguide dispersion  يحصل هذا النوع من التشتيت في جميع أنواع الألياف البصرية وينتج من عرض خط المنبع البصري حيث أن المنابع البصرية لا تبث الضوء بطول موجي واحد بل بحزمة من الأطوال الموجية وحيث أن معامل انكسار الزجاج المستخدم في الألياف يتغير مع الطول الموجي فإن ذلك سيؤدي الى اختلاف في سرعة الاشارات أو النبضات مما يؤدي الى انبساطها ويؤثر ذلك على كمية المعلومات المراد نقلها .

4.                  مكونات النظام System Components

 عند تصميم وصلة ليفية بصرية لابد من إعتبار ثلاثة عناصر رئيسية وهي :

أ.التوهين    ب.  التشتيت   ج . فتحة النفوذ العددية.

 ويتطلب ذلك عمل موازنة متعادلة لاختيار المكونات المختلفة للنظام الليفي البصري ، لوبدأنا من جهة الارسال فعلينا اختيار منبع ضوئي يبعث الضوء بطول موجي مناسب وعرض طيفي Spectral Width  قليل وقدرة بصرية كافية لهذا الغرض ، ثم استخدام نوعين من المنابع وهما : أ  - الثنائيات الباعثة للضوء  و  ب – ثنائيات الليزر Laser Diodes  . يتطلب أقتران الضوء من المنبع الى الليف وجود مواءمة جيدة بينهما كي تنقل أكبر قدر من القدرة البصرية الى الليف لذا لابد من العناية في اختيار المقرن المناسب الذي يعطي اقل فقد ممكن . نظراً لأن الالياف تنتج بأطوال محددة فلابد من ربط بعضها ببعض للحصول على الطول المطلوب وقد يؤدي ذلك الى حصول على الطول المطلوب وقد يؤدي ذلك الى حصول بعض الفقد في القدرة المنقولة والهذا الفقد اربعة اسباب وهي أ – لانزياح الجانبي  ب- عدم التراصف الزاوي  ج – تباعد الاطراف  د- نعومة الاسطح وتوازيها . وقد يحصل الفقد أيضا عند ربط الياف تختلف في اقطارها وفتحات نفوذها العددية . عند المستقبل يجب اختيار الكواشف التي تعمل بنفس الطول الموجي للمنبع ولها استجابية