الاتصالات بالألياف الضوئية: التكنولوجيا والاستخدام

الاتصالات بالألياف الضوئية: التكنولوجيا والاستخدام



  المقدمة
  أولاً: النظام الأساسي للاتصالات والحيز الكهرضوئي
  ثانياً: المبادئ الفوتونية
  ثالثاً: الألياف الضوئية
  رابعاً: مكونات أنظمة الألياف والإشارات المستخدمة فيها
  خامساً: تطبيقات استخدامات الألياف الضوئية
  الجداول
  تسلسل الأحداث المهمة
  الأشكال
  المصادر والمراجع



       

المقدمة

منذ فجر التاريخ، والإنسان، بفطرته الاجتماعية، يحاول دائماً الاتصال بمن حوله من بنى البشر. وقد تعددت وسائل وفنون هذا الاتصال وتطورت، تبعاً لظروف الإنسان ومكانته من التطور، العلمي والتكنولوجي، على مر الزمن.

ففي العصور القديمة، اعتمد على صوته المجرد، لإجراء الاتصال بمن حوله، أو من يبعدون عنه، بحسب مدى قوة صوته. ثم كان استخدامه للطبول، واستغلاله للدخان، لزيادة مدى اتصاله بالآخرين، وإرسال الرسائل إليهم، طبقاً لنظام كودي متفق عليه.

كما استخدم الإنسان حمام الزاجل، لإرسال رسائله إلى الأقاليم البعيدة عنه، بعد ترويضها وتدريبها على ذلك. ومع ازدهار الحضارة الإنسانية، استخدم الإنسان نظام البريد المكتوب، لإرسال الرسائل إلى أي مكان معروف على سطح الكرة الأرضية.

وكان لاختراع الهاتف (التليفون)، بوساطة العالم ألكساندر جراهام بيل، أثره البالغ في تحسين الاتصال بين الإنسان وبني جنسه؛ فكان، بلا شك، قفزة حضارية كبرى، إذ استطاع البشر نقل أصواتهم، للحظة، إلى مسافات بعيدة، عبر أسلاك الهاتف.

ومنذ اكتشاف الموجات الكهرومغناطيسية، والعلماء يعكفون على استغلال ما يمكن استغلاله من حيز تلك الموجات، في مختلف التطبيقات. وكان من أهم هذه التطبيقات، الاتصالات اللاسلكية بين بني البشر؛ فأمكن تحميل صوت الإنسان على بعض هذه الموجات، بفنون تعديل خاصة، لتنقل تلك الموجات، التي تنطلق بسرعة الضوء، الإشارات الصوتية إلى حيث يمكن استقبالها، وتعيد استخلاصها وسماعها، على مسافات شاسعة.

وبالأسلوب نفسه، أمكن، كذلك، نقل الإشارات المرئية (VIDEO)، بوساطة تحميلها على جزء آخر من الموجات الكهرومغناطيسية، ليحقق نقل الصور، عبر آلاف الأميال.

وازدادت إمكانية نقل الصوت والصورة، مع استغلال حيز موجات الميكروويف الكهرومغناطيسية.  ثم حدثت قفزة تكنولوجية أخرى كبيرة، حينما اقتحم العلماء ذلك الجزء الفريد من حيز الطيف الكهرومغناطيسي، المعروف باسم الحيز الكهروبصري.



       

أولاً: النظام الأساسي للاتصالات والحيز الكهرضوئي

1. الحيز الكهروبصري

هو جزء من الطيف الكهرومغناطيسي الشامل. ويتكون من حيزات فرعية أساسية، هي:

أ. حيز الأشعة تحت الحمراء Infra Red[1]. (اُنظر شكل سرعة انتشار الموجة C).

ب. حيز الأشعة المرئية Visible[2]

ج. حيز الأشعة فوق البنفسجية Ultra  Violet[3] (اًنظر شكل الحيز الكهروبصري).

ونظراً إلى الخواص الفريدة لهذا الحيز، والناتجة من قصر أطواله الموجية[4]، فقد أمكن استغلاله في نقل الإشارات، الصوتية والمرئية، على نطاق واسع، فتحسنت، بذلك، إمكانيات الاتصالات تحسناً بَيّناً.

وأحد أهم تطبيقات استخدام الحيز الكهروبصري في الاتصالات، هو استخدام كُبُول الألياف البصرية في نقل مختلف أنواع الإشارات؛ إذ تسير الموجات الكهروبصرية حاملة كمية هائلة من المعلومات، في شعيرات زجاجية دقيقة، لا يزيد سمكها على سمك شعرة رأس الإنسان، إلى حيث تُستقبَل في نهاية طرف الكَبْل، وتُستخلَص المعلومات المرسلة.

2. النظام الأساسي للاتصالات الكهرومغناطيسية

يمكن وصف نظام الاتصالات الأساسي، من حيث تكوينه، كالآتي:

أ. المرسل، ويشتمل على

(1) مصدر الرسالة (الإشارة النافعة).

(2) وحدة تعديل، لتحميل الرسالة[5].

(3) مصدر موجة حاملة ذات عرض نطاق ملائم  (Band Width) .(BW)

(4) رابط قنوات.

ب. المستقبل، ويشمل

(1) رابط قنوات.

(2) كاشفاً، لفصل الإشارة عن الموجة الحاملة.

(3) كاشف تعديل، لاستخلاص الإشارة النافعة.

(4) مبيناً، لتوضيح الرسالة [6].

ج. قناة المعلومات (وسط انتقال الموجات الحاملة)، والتي قد تكون

(1) غير موجهة: أي يكون الإشعاع في الجو مباشرة[7].

(2) موجهة، وهي إما:

(أ) خط ذو سلكين.

(ب) كَبل محوري[8].

(ج) دليل موجة[9].

( د) ألياف ضوئية.

ويعتمد عرض النطاق  (B.W) المطلوب، على نوع الإشارة المرسلة.

(1) فبالنسبة إلى الأنظمة التناظرية [10](Analogue)، يكون كالآتي: (اُنظر جدول الأنظمة التناظرية)

(2) أما بالنسبة إلى الأنظمة الرقمية (Digital)[11]، فيكون التعامل مع الإشارات الرقمية، طبقاً لنظرية العينات Sampling. وفي هذه الحالة، فإن شرط اختيار عرض النطاق B.W) (، هو أن يكون معدل العينات Sampling Rate ضعف أكبر تردد على الأقل.

[1] حيز الأشعة تحت الحمراء : (IR)  هو حيز الموجات، التي تقع بين الطول الموجي 0.76 ميكرون (1ميكرون = 10ـ 6 متر) وحتى 1000 ميكرون (1مم) والطول الموجي ( l ) : هو المسافة بين نقطتَين متناظرتَين متتاليتَين في الموجة. ويساوي، خارج قسمة، سرعة الضوء ( C ) التي تسير بها الموجات الكهرومغناطيسية)، على تردد الموجة (f) ، (والذي يقاس بالهرتز HZ ، ويساوي دورة واحدة، في الثانية)، أي أن 1 HZ= 1cycle/ sec. وعليه، فكلما ازداد طول الموجة، قلّ ترددها، والعكس صحيح

[2] حيز الأشعة المرئية: هو حيز الموجات، التي تستطيع العين البشرية التقاط موجاتها وتمييزها. وتنحصر بين الأطوال الموجية 0.38 ميكرون وحتى 0.76 ميكرون، وتشمل ألوان الطيف السبعة المعروفة، ابتداء من البنفسجى وحتى الأحمر

[3] حيز الأشعة فوق البنفسجية: هو حيز الموجات، الواقعة بين الأطوال الموجية 0.1 ميكرون وحتى 0.38 ميكرون

[4] MHZ : ميجاهرتز (1ميجاهرتز = 10 6 هرتز). GHZ : جيجا هرتز (1جيجا هرتز = 10 9 هرتز). المعروف، علمياً، أنه كلما قصر طول الموجة (أي ازداد ترددها)، ازداد عرض النطاق للمعلومات المحملة عليها ( Band width B.W) ، وازادت قدرتها على حمل عدد أكبر من قنزات المعلومات المراد إرسالها

[5] يقصد بالتعديل Modulation تحميل إشارة المعلومات، المراد إرسالها على الموجات الحاملة، التي تسير بها من جهة الإرسال حتى جهة الاستقبال. وذلك لأن إشارة المعلومات نفسها، تكون، عادة، ذات ترددات منخفضة (أطوال موجية كبيرة)، لا يمكنها الانتقال إلى مسافات بعيدة؛ إذ تتعرض للاضمحلال الشديد، في حالة الإرسال السلكي. كما أن إرسالها لاسلكياً، يتطلب استخدام هوائيات ذات أطوال كبيرة جداً (تلائم طول الموجة)؛ وهذا غير عملي. ناهيك أن التعديل، يتيح إرسال غير قناة معلومات عبْر خط واحد (أو وسيلة)؛ فالموجات الصوتية، مثلاً، تقع بين الأطوال الموجية من 300 إلى 3400 هرتز. وهي عبارة عن تسلسل من الانضغاط والتخلخل في طبقات الهواء، أمام المتحدث، ولا يتعدى انتشارها عشرات الأمتار، بحسب قوة الصوت. ولكن، بتحويل هذه الانضغاطات إلى إشارات كهربائية مناظرة، أمكن تحميلها (بالتعديل) على موجات كهرومغناطيسية عالية التردد، يمكنها الانتقال إلى أي مسافة مطلوبة، بحسب وسط الانتشار وأسلوب الإرسال

[6] قد يكون هذا المبين سماعة، في حالة الإشارات الصوتية المختلفة، أو شاشة، في حالة الإشارات المرئية

[7] وهو يعرف بالإرسال اللاسلكي، ويتنوع بتنوع الموجات الحاملة Carrier Radio Frequency RF ؛ فهي قد تكون: أ. ذات تردد عالٍ فقط High Frequency HF، يراوح بين 3 و30 ميجا هرتز. وتعتمد في انتشارها على الانعكاس على طبقات الايونو سفير الجوية، والارتداد إلى حيث منطقة الاستقبال. ولذا، فإن مداها قد يصل إلى مئات أو آلاف الكيلومترات، وفقاً لقدرة الإرسال وزاويته. ب. ذات تردد عالٍ جداً Very HF: VHF ، يراوح بين 30 و300 ميجا هرتز. وتنتشر في خط رؤية مباشر، بين المرسل والمستقبل. ولذا، فلا يتعدى مداها المباشر عشرات الكيلومترات، يجب بعدها إعادة الإرسال، مرة أخرى مثل الإذاعة (FM) والتليفزيون. ج. ذات تردد في حيز UHF Ultra HF ، أو الميكروويف، أي أن طول موجتها، لا يتجاوز جزءاً من المتر أو أقل. وهي تتميز بسعة إرسال عالية، ولها قدرة على اختراق طبقات الايونوسفير الجوية، ويظهر ذلك في استخدامها في الاتصالات عبر الأقمار الصناعية، التي تضطلع بمهمة إعادة الإرسال، بين المرسل والمستقبل. كما تتميز بصغر الهوائيات (نظراً إلى قصر طول الموجة)، ودقة الأجهزة المستخدمة. ويمكن إشعاعها في صورة حزم ضيقة Narrow Beams، مما يجعلها ملائمة للاستخدام في شبكات الاتصالات الهاتفية اللاسلكية، بين مختلف المقسمات، وفي الرادارات، بأنواعها. وأقصر طول موجي لها، هو 1مم، يبدأ، بعده، حيز الأشعة تحت الحمراء (IR)

[8] الكُبُول المحورية Coaxial Caples: تتكون، أساساً، من جزء محوري داخلي (مركزي)، وجزء خارجي، وبينهما عازل؛ وكلها محاطة، من الخارج، بالتدعيم والحماية الملائمين. وهي تصنع من مواد معدنية (نحاس ... رصاص ..)، وتستطيع حمل موجات ذات ترددات عالية (مثل الميكروويف)، حتى عشرات الميجاهرتز؛ إذ تتعرض لفقْد ضئيل بها، وتتمتع بالحماية والأمان من التداخلات والتشويش والتنصت والبُعد عن التأثيرات الجوية (على عكس الموجات اللاسلكية)

[9] دليل الموجة Wave Guide: هو أنبوبة مفرغة ذات مقاطع خاصة (مستطيلة أو دائرية)، تسمح بمرور موجات الميكروويف في حيز الجيجاهرتز، من دون فقْد يذكر، إذ يُعْدَم فيها الفقْد الحراري، نظراً إلى انتشار الإشارة على هيئة موجات كهرومغناطيسية، على السطح الداخلي لدليل الموجة

[10] الإشارة التناظرية: هي الإشارة المتصلة المتغيرة القيمة باستمرار، مع الوقت (مثل الإشارات، الصوتية والمرئية

[11] الإشارة الرقمية: هي الإشارة التي تتكون من قيم محددة، منفصلة عند توقيتات محددة. وتُعَدّ الإشارة الثنائية Binary حالة خاصة من الإشارة الرقمية؛ إذ تتكون من كود من القيمتَين صفر وواحد فقط، وبهذا الكود، يمكن تمثيل المعلومات المفيدة، كما يمكن استخلاصها بطريقة عكسية

جدول الأنظمة التناظرية الملاحظات عرض النطاق B.W نوع الرسالة قناة تليفزيونية مفردة 4 كيلو هرتز صوتية  Audio محطة إذاعة تعديل سعة AM 10 كيلو هرتز موسيقى AM[1] محطة إذاعة تعديل تردد FM 200 كيلو هرتز موسيقى FM[2] قناة تليفزيونية 6 ميجا هرتز صورة مرئية Video   [1] AM'AM : Amblitude Modulation : هو تحميل الإشارة النافعة، المراد إرسالها، على الموجة الحاملة ذات التردد الأكبر الثابت، والتي تتغير سعتها، طبقاً لسعة الإشارة النافعة [2] 'FM: Frequency Mod: هو تحميل الإشارة النافعة على الموجة الحاملة ذات السعة الثابتة، والتي يتغير ترددها، طبقاً لسعة الإشارة النافعة

ثانياً: المبادئ الفوتونية[1]

الموجات الضوئية، هي الموجات الحاملة للإشارة النافعة، عند استخدام الألياف الضوئية. وهي ذات مبادئ وتعريفات، أبرزها:

1. طبيعة الضوء

هل الضوء تيار من الجزيئات؟ أهو موجات؟ أم ماذا؟!

هناك عدة نظريات، في هذا الخصوص. فالنظرية الجزيئية (The Corpuscular Theory)، ترى أن الضوء هو تيار من الجزيئات، بكل الألوان المختلفة. ويؤيد ذلك ظاهرة الانعكاس والانكسار. بينما ترى النظرية الموجية The) (Wave Theory، أن الضوء هو موجات، أي أنه تحوّل للطاقة وليس المادة؛ ويؤيد ذلك ظاهرة التشتت والحيود.

بينما تتعامل النظرية الكَمّية (The Quantum Theory)، مع الضوء، على أنه طاقة فوتونية، لها تأثيراتها الكهربائية المختلفة.

وخلاصة القول أن للضوء طبيعة مزدوجة، تجمع بين خصائص الجزيئات وخصائص الموجات.

2. الموجات الضوئية

تعرّف الموجات بأنها انتقال الطاقة من نقطة إلى أخرى. ويمكن التعبير عن شكل وحركة الموجات واتجاهها، بالمعادلات الرياضية.

وأبسط شكل لهذه الموجات، هي الموجات الجيبية المتوافقه (Harmonic Sinusoidal) ويكون التعبير عنها كالآتي:

(اُنظر شكل سرعة انتشار الموجة)

حيث:

 A: هي سعة الموجة.

 K: هي رقم الموجه وتساوي:  )(: ثابت معروف، ويساوي 3.14).

 : هي طول الموجة.

 V : سرعة انتشار الموجة.

وتصف معادلات ماكسويل (Maxwell)، الضوء بأنه موجات كهرومغناطيسية، مكونة من مجال كهربائي، يتعامد على مجال مغناطيسي. والاثنان يتعامدان على اتجاه انتشار الموجة، التي تسير بسرعة الضوء.

3. معامل الانكسار ) Index of Refraction ( n

تختلف سرعة الضوء باختلاف وسط الانتشار؛ إذ يبلغ أقصى سرعة له في الفراغ. ويعبّر عن النسبة بين سرعة الضوء في الفراغ، وسرعته في أي وسط آخر، بمعامل الانكسار n) (

أي أن n = c/v، حيث:

 c:    سرعة الضوء في الفراغ.

 v:    سرعته في الوسط.

4. الانعكاس والانكسار ) (Reflection & Refraction

تسير الأشعه الضوئية، عبْر الوسط المتجانس، في خطوط مستقيمة. وفي حالة سقوط شعاع على سطح فاصل بين وسطَين، فإن جزءاً منه، ينعكس طبقاً لقانون الانعكاس؛ إذ تكون زاوية السقوط مساوية زاوية الانعكاس.

وينكسر جزء آخر، داخل الوسط الآخر:

(اُنظر شكل الانعكاس والانكسار).

5. الانعكاس الداخلي الكلي Total Internal Reflection

لا يحدث انكسار للشعاع، إذا كانت أكبر من، وإنما ينعكس الشعاع كلّه. كما يحدث الانعكاس الكلي الداخلي، إذا كانت زاوية السقوط  مساوية الزاوية الحرجة، أو أكبر منها.

6. التشتت (Dispersion)

يعتمد معامل الانكسار (n)، على طول موجة الضوء (أي لونه). وهذه الظاهرة، تسمى تشتت المواد؛ وعلى أساسها، تنطلق الموجات ذات الترددات المختلفة بسرعات مختلفة، خلال أي وسط. والمصادر الضوئية، لا تشع الضوء في طول موجي واحد (أي تردد واحد)، بل تصدر الإشعاع في حيز من الأطوال الموجية، يسمى عــرض الخطLine Width ، أو العرض الطيفي  وفيما يلي أمثلة لبعض المصادر الضوئية و عرضها الطيفي: (اُنظر جدول بعض المصادر الضوئية وعرضها الطيفي)

ويوصف المصدر، الذى يشع الضوء في طول موجى واحد، أو حيز ضيق من الموجات ـ بأنه مصدر ضوئي متناسق  (Coherent). وعليه، فإن ليزر هليوم نيون، مثلاً، أكثر تناسقاً من الثنائيات المشعة.

تشتت النبضة

في حالة إشعاع مصدر ضوئي لنبضة، في ألياف ضوئية مشتتة، فإنها تكون مكونة من مجموع نبضات، متماثلة شكلاً، ومختلفة في أطوالها الموجية. ولذا، تسير بسرعات مختلفة، وتصل إلى نهاية الألياف، في أزمنة متفاوتة قليلاً. وعند تجميعها في الخرج، فإن بعضها يضاف إلى بعض، منتجة نبضة أطول، نسبياً، من نبضة المصدر؛ وهو ما يسمى تشتت النبضة.

وهذا التشتت، لا يغير القدرة المتوسطة، أو التعديل للنبضة؛ ولكنه يقلل تغييرات الإشارة .(Signal variations) وبما أن المعلومات المرسلة موجودة في تلك التغييرات، فإن التشتت يتسبب ببعض المشاكل؛ إذ يحدّ من سعة المعلومات لأي نظام إرسال.

7. العدسات

هي وحدات تسمح بمرور الضوء، وتتعامل معه، طبقاً لشكلها الهندسي ومعامل انكسارها (n).

وهي إما عدسات موجبة (مجمعة أو محدبة)؛ أو عدسات سالبة (مشتتة أو مقعرة) (اُنظر شكل العدسات).

وتستخدم العدسات، في أنظمة الألياف الضوئية، كالآتي:

أ. العدسات الموجبة: تستخدم في المرسلات، لتشكيل الإشعاع الضوئي من المصدر، على هيئة أشعة متوازية، وتستخدم، كذلك، في المستقبلات، لتجميع الإشعاع الضوئي القادم، وتركيزه في الكاشف.

ب. العدسات السالبة: تستخدم في توسيع أو تضيق شعاع الضوء.

ج. تستخدم مختلف تكوينات العدسات وأنواعها، في ربط الإشعاع الضوئي، في الألياف الضوئية.

[1] كلمة (فوتون) مناظرة لكلمة (الضوء)؛ إذ إن الضوء تيار من (الفوتونات)، كما أن الكهرباء هي تيار من الإلكترونات

جدول بعض المصادر الضوئية وعرضها الطيفي العرض الطيفي (Dl) المصدر 20 إلى  100  نانومتر الثنائيات المشعة للضوء[1]  (LEDs) Light Emitting  Diodes 1  إلى    5    نانومترات ليزر الثنائيات Laser Diodes  [2] 0.002         نانومتر ـ ليزر هليوم نيون   [1] الثنائيات المشعة للضوء LED s: تصنع من مواد شبه موصلة، حتى إذا مر بها تيار كهربائي، أصدرت أشعة (ضوءاً)، بلون (تردد) يعتمد على عناصر هذه المواد؛ فمنها ما يشع ضوءاً أصفر أو أحمر أو أخضر، مثلاً، كما أن منها ما يشع في حيز الأشعة تحت الحمراء. IR [2] كلمة ليزر Laser هي اختصار لعدة كلمات باللغة الإنجليزية: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation وهى تعني تكبير الضوء، بوساطة الانبعاث الحثي للإشعاع. وينقسم الليزر إلى أنواع، بحسب الوسط الفعال المشع للضوء، كالآتي: أ. ليزر الغازات: مثل ليزر الأرجوان والهليوم نيون وثاني أوكسيد الكربون. ب. ليزر السوائل: مثل ليزر الأصباغ الكيماوية. ج. ليزر المادة الصلبة: مثل ليزر الياقوت والياج. د. ليزر أشباه الموصلات: ومنها ليزر الثنائيات Diode Laser ويتميز شعاع الليزر عن باقي الأشعة الضوئية، بالآتي: أ. أحادي التردد تقريباً (أي بلون واحد). ب. الإشعاع في خطوط مستقيمة ذات انفراج ضيق، على مسافات كبيرة. ج. له قدرة كبيرة، مركزة في مقطع إشعاعي صغير؛ ولهذا، فهو يستخدم في الصناعة، لصهر المعادن، لعمل ثقوب دقيقة. وفي الطب، يستخدم كمشرط جراحي، وكوسيلة للكي وحرق الزوائد، من دون التدخل الجراحي التقليدي، وكوسيلة إنارة، في عمل المناظير الطبية المختلفة. د. ثبات التردد وتماسكه Coherent: أي أن موجاته،، يقوي بعضها بعضاً، وترتبط بعلاقة طورية ثابتة Phase Relation، مما يجعله صالحاً للاستخدام العملي، في كثير من التطبيقات الصناعية

ثالثاً: الألياف الضوئية

الألياف الضوئية OPTICAL FIBER عبارة عن أسطوانة شفافة، (اُنظر شكل الألياف الضوئية)، مصنوعة لتوجيه الضوء خلالها.

وحتى لا "يتسلل" شعاع الضوء من الألياف، نتيجة لظاهرة الانكسار، يراعى إسقاط الشعاع على جدارها بزاوية  أكبر من الزاوية الحرجة . وبذلك، يضمن انعكاس الشعاع انعكاساً كلياً، داخل الألياف.

وحتى لا ينتقل الشعاع إلى الألياف المجاورة، فإنها تُحاط بكسوة عازلة، ذات معامل انكسار صغير؛ فيُضمن عدم وصوله إلى سطحها الخارجي، (اُنظر شكل الانعكاس الكلي الداخلي).

1. مكونات الألياف الضوئية

تتكون الألياف الضوئية من قلب  (Core)، له معامل انكسار،  ومحاط بكسوة عازلة، لها معامل انكسار أقل قليلاً من ؛ وذلك للحصول على انعكاس كلي للشعاع على السطح الفاصل؛ (اُنظر شكل المكونات الأساسية للألياف).

2. أنواع الألياف الضوئية

هناك نوعان رئيسيان من الألياف، هما:

أ. ألياف ذات معامل "خطوه"  Step Index) ( وفيها نجد معامل الانكسار لمادة القلب متجانسة، ولا تعتمد على المسافة القطرية من محور الكبل (اُنظر شكل ألياف ذات معامل "خطوة")

ويسير الضوء فيها بنظرية الانعكاس الداخلي الكلي. وينقسم هذا النوع من الألياف إلى:

(1) ألياف أحادية النشاط Single – Mode) ([1] 

(2) ألياف متعددة النشاط (Multi – Mode)[2]    

والفرق الظاهر بينهما أن النشاط الأحادي، له نصف قطر أقلّ بكثير من المتعدد (نحو 2 ميكرومتر). (اُنظر جدول بعض القيم الفعلية لأبعاد الألياف)

وتصنع ألياف الخطوة على ثلاثة أشكال مختلفة، بحسب المادة المستخدمة في تصنيع القلب والكسوة، كالآتي:

(1) إما أن تكون جميعها من الزجاج.

(2) أو تكون من قلب زجاجي محاط بكسوة من البلاستيك.

(3) أو تكون جميعها من البلاستيك. (اُنظر جدول المقارنة بين أشكال ألياف الخطوة)

ب. والنوع الآخر من الألياف، هو الألياف ذات معامل الانكسار المتدرج (Graded – Index)

وفيها يقلّ معامل الانكسار لمادة القلب، كلما ابتعد عن محور الكبل.

ويسير الضوء فيها، أساساً، بنظرية الانكسار، وليس الانعكاس الداخلي الكلي، كما في معامل الخطوة؛ (اُنظر شكل الألياف ذات معامل الانكسار المتدرج).

3. (اُنظر جدول مقارنة بين نوعي الألياف)

4. الاضمحلال والفقد في الألياف

يُعَدّ الاضمحلال في الألياف الضوئية، عاملاً مهماً جداً في تصميم نُظُم الاتصالات بالألياف. وعندما أمكن تقليل هذا الاضمحلال إلى أقل من  20 ديسيبل، في أواخر الستينيات، صارت أنظمة الاتصالات بالألياف ممكنة وذات جدوى.

ومن الضروري، دائماً، التأكد أن القدرة المستقبلة من الألياف، أكبر من الحد الأدنى اللازم للمستقبل، لاكتشاف المعلومات والتقاطها جيداً. ومن الطبيعي، أن تعتمد هذه القدرة على مقدار الاضمحلال في قناة الاتصالات.

مصادر الفقد في الألياف

يحدث الفقد في الألياف الضوئية الزجاجية، نتيجة للآتي:

أ. الامتصاص (Absorption)

هناك ثلاثة أنواع من الامتصاص:

(1) داخلي: بسبب الخواص الطبيعية للمادة.

(2) شوائب: بسبب الأيونات المعدنية وغيرها، والموجودة في الزجاج، أثناء التصنيع.

(3) عيوب ذرية: نتيجة للعناصر المؤكسدة غير المطلوبة، والناتجة من عملية التصنيع أو الإشعاع.

ب. التشتت (Scattering)

هناك نوعان من التشتت:

(1) تشتت داخلي: ويسمى، عادة، تشتت "ريلي" (Reyleigh).

(2) تشتت نتيجة عدم التجانس: وهو إما تشتت يعتمد على الزاوية، أو تشتت يعتمد على طول الموجة.

(اُنظر جدول علاقة الفقد من الامتصاص والتشتت بطول الموجة)

ج. تأثيرات الشكل الهندسي

وهي المصدر الثالث للفقد في الألياف. وينتج إما:

(1) من انحناءات الكبل، عند لفه على بكر، أو عند مروره حول الأركان.

(2) أو من التشوه المحوري في الألياف، عند تغطيتها بكبول الحماية.

5. إجراء تصنيع مادة الألياف

هناك وسائل عديدة لعملية التصنيع، تهدف جميعها إلى صهر مادة الزجاج، وتنقيتها من الشوائب، وجعلها سائلة. وتختلف هذه الوسائل بعضها عن بعض، في التكنولوجيات المستخدمة في عملية الصهر والتنقية، وفي الأغراض التي تُعَدّ لها.

6. سحب الألياف

يلي سحب الألياف عملية تصنيع مادتها. ويجري السحب، والزجاج سائل ساخن؛ إذ تُلَفّ الألياف على بكر خاص، يدور بسرعة محسوبة، تعتمد على قطر الألياف المطلوب.

7. قياس خواص الألياف وتحديدها

يُعْمدَ إليه لتحديد الآتي:

أ. القدرة الضوئية للألياف: وهي معدل مرور طاقه الضوء على نقطة معينة، في وقت محدد.

ب. الاضمحلال: لتحديد مقدار الإشارة الضوئية، التي تفقد في الألياف.

ج. عرض النطاق (B.W) ومعدل البيانات: ويعبران، أساساً، عن معكوس تشتت النبضة في الألياف.

د. الفتحة الرقمية: (NA) وتحدد قدرة الألياف على التقاط الضوء الساقط على مدى كبير من الزوايا وتجميعه.

هـ. التشتت بأنواعه.

و. طول الموجة النهائي:  (Cut Off  W. L) وعنده تبدأ الألياف في تداول النشاط الموجي الثاني (Second Mode)، أي أنه يوضح حدود العمل الموجي للألياف.

8. توصيل الألياف وتجميعها

الهدف منهما الوصول إلى نظام ألياف ضوئية متكامل. ويشمل ذلك الآتي:

أ. توصيل ألياف بألياف أخرى.

ب. توصيل المصدر الضوئي بالألياف.

ج. توصيل نهاية الألياف بالكواشف.

[1] يقصد بـ (أحادية النشاط)، هو مرور شعاع واحد فقط داخل الألياف، بزاوية دخول واحدة، تقارب الزاوية المحورية (أي شبه موازية للمحور)، وزاوية انعكاس كلي واحدة، لتكون مسافة دورة انعكاسية كاملة واحدة لها، مساوية لضعف ثابت من طول موجة، الضوء المستخدم

[2] أما (متعددة النشاط)، فمعناه دخول غير شعاع إلى الألياف بزوايا دخول مختلفة، لتكون مسافات دورتها الانعكاسية مختلفة، وكلها ضعف خاص من طول الموجة؛ إذ يختلف زمن وصول كل شعاع، عند خرج الألياف، وينتج من ذلك أن يكون عرض النبضات، عند الخرج، أكبر قليلاً من العرض، عند الدخل؛ مما يؤثر سلباً في كفاءة الإرسال ، خصوصاً عند إرسال إشارات رقمية. ولتفادي ذلك، تصنع الألياف بنصف قطر دقيق، للسماح بدخول شعاع واحد فقط؛ فيمكن الحصول على ألياف أحادية النشاط

جدول بعض القيم الفعلية لأبعاد الألياف أحادية النشاط متعددة النشاط الأبعاد 2 ميكرومتر 25   ـ 200 ميكرومتر 1/2 قطر القلب  a1 50 ـ 100 ميكرومتر 125 ـ 350 ميكرومتر 1/2 قطر الكسوة  a2   [rtl]جدول[/rtl] المقارنة بين أشكال ألياف الخطوة [rtl][/rtl] جدول مقارنة بين نوعى الألياف الألياف متعددة النشاط ذات معامل الخطوة الألياف متعددة النشاط ذات المعامل المتدرج الألياف أحادية النشاط وجه المقارنة ليزر أو ثنائيات مشعة ليزر أو ثنائيات مشعة (LEDs) ليزر المصدر كبير (أقل من 200 ميجا ـ كم) كبير جداً (200ميجا ـ 3 جيجا ـ كم) كبير جداً ( أكبر من 3 جيجا ـ كم) عرض النطاق (B.W) ممكن بصعوبة ممكن بصعوبة صعب جداً (قلب صغير) الوصل/ اللحام وصلات نقل المعلومات وصلات هاتفية بين المكاتب المركزية نظام كبول الغواصات مثال للاستخدام قليلة عالية متوسطة النفقة   جدول علاقة الفقد من الامتصاص والتشتت بطول الموجة الخارجي الداخلي الفقد معدني يونات الهيدروكسيل والهيدروجين (من 01, إلى 5 ديسيبل /كم) - فوق البنفسجية u. v - تحت الحمراء (يزداد مع ازدياد طول الموجة على 1.6 ميكرومتر الامتصاص     شوائب دليل الموجة [rtl]- تشتت ريلي"[/rtl] [rtl]- (2.3 ـ 0.15 ديسيبل/كم)[/rtl] [rtl]- (عند 0.85 ـ 1.55 ميكرون)[/rtl] [rtl]- إزاحة بريليون[/rtl] [rtl]- إزاحة رامان (Raman) [/rtl] التشتت

رابعاً: مكونات أنظمة الألياف والإشارات المستخدمة فيها

1. كبل الألياف

بعد تصنيع الألياف وسحبها على البكر، فإنها تحتاج إلى طبقات حماية إضافية، حتى يمكن تداولها بسلام؛ ولذلك، تُجْعَل في كُبُول. وعدد الألياف في الكبول، يختلف باختلاف استخدام الكبل؛ فقد تكون شعيرة ليفية واحدة، أو عدة آلاف من الألياف.

وكبول الألياف الضوئية، تشابه الكبول المعدنية التقليدية؛ إلا أنها لا تحتاج إلى عزل كهربائي بين الألياف والكبول؛ إذ إن تلك الألياف غير موصلة، كهربائياً.

وكذلك، هي أصغر حجماً من الكبول المعدنية، ذات السعة نفسها من قنوات الاتصال؛ نظراً إلى قدرتها الفائقة على حمل العديد من القنوات، مجتمعة.

ويمكن تلخيص أسباب تصنيع الألياف في صورة كُبُل، في الآتي:

أ. لسهولة الاستخدام؛ إذ إن:

(1) صغر حجم الألياف، يجعلها صعبة التداول.

(2) الألياف شفافة، يصعب رؤيتها على معظم الأسطح.

ب. الحماية، ضد الآتي:

(1) الإجهاد، على طول الألياف.

(2) أي احتمالات للسحق، بالأقدام أو المركبات أو ضغط المياه، وخلافه.

(3) تآكل الألياف وتعريتها.

ج. أنواع الكبول (اُنظر شكل بعض أنواع الكبول)

تقسم كبول الألياف إلى الأنواع الآتية، طبقاً للاستخدام:

(1) كبل داخلي، في معدة أو جهاز: ويكون صغير الحجم، بسيط التركيب، ورخيص الثمن.

(2) كبل بين المكاتب: للاستخدام داخل المبنى الواحد. ويحتوي، عادة، على شعيرة واحدة أو اثنتين من الألياف.

(3) كبل بين المباني: يمر على الجدران. ويحتوى على عدة ألياف.

(4) كبل متعدد: يحتوي على كبول فرعية.

(5) كبل خاص بين المباني، بمواصفات ضد الحريق والدخان.

(6) كبل هوائي خارجي، بين أعمدة أو في أنفاق أرضية.

(7) كبل أنفاق مدرع.

( كبل الدفن المباشر، ذو طبقة خارجية مدرعة.

(9) كبل غواصات مائي: للاستخدام في المياه، العذبة أو المالحة.

2. المصادر الضوئية المستخدمة في الألياف

يجب أن تتميز مصادر الضوء المستخدم في الألياف، بالخواص الآتية:

أ. صغر الحجم، كي توافق الألياف.

ب. استهلاك ضئيل للطاقة.

ج. عرض نطاق طيفي ضيقSpectral B.W)  (

د. قدرة خرج كافية.

هـ. طول الموجة، يجب أن يقع في نافذة السماحية الموجية للألياف.

و. قلة النفقة.

ز. اعتمادية كبيرة.

أنواع مصادر الضوء المستخدمة في الألياف

أشهر المصادر الضوئية، هي:

أ. الثنائيات المشعة للضوء (Light Emitting Diodes )  (LEDs)

وتصنع من أشباه الموصلات Semiconductor p-njunction) (

وتتميز باعتمادية كبيرة، ودوائر تغذية بسيطة، ونفقات قليلة. وتلائم الطاقة الضوئية المتولدة منها، اطراداً، شدة التيار الموجب المار بها. وعند التعديل السعوي ( AM ) للضوء، تُغذَّى بإشارة التعديل، إضافة إلى تيار ثابت آخر.

وتنقسم الثنائيات إلى:

(1) مشعات سطحية (Surface emit).

(2) مشعات حرفية (Edge emit) .

(3) مشعات فائقة الإشعاعية (Superluminescent).

ب. ثنائيات الليزر (Laser Diodes-LD)

ويمتاز شعاع الليزر بأنه أحادي التردد، تقريباً (نطاق موجي ضيق جداً)؛ وأنه متناسق ( Coherent )، أي أن موجاته يقوي بعضها بعضاً؛ إذ ترتبط بعلاقة طورية ثابتة. وكذلك انتشاره في خطوط مستقيمة ذات زاوية انفراج ضيقة، على المسافات الكبيرة.

وتنقسم ثنائيات الليزر إلى:

(1) ثنائيات ليزر الحقن  (Injection LD).

(2) ثنائيات ليزر التغذية العكسية.

(اُنظر شكل الفتحة الرقمية) يوضح علاقة القدرة المشعة لكلٍّ من الثنائيات والليزر، بالفتحة الرقمية للألياف.

وتعمل هذه المصادر، عند استخدامها في الألياف، في حيز الأشعة تحت الحمراء، عموماً؛ إذ تشع الثنائيات حول الطول الموجي 830 نانومتر (910 متر). بينما يشع الليزر عند 780 نانومتر، تقريباً. ويُربَط المصدر بالألياف، إما مباشرة، أو باستخدام العدسات المحدبة، أو طرف الكبل الكروي نفسه؛ وذلك لزيادة كفاءة التوافق بين المصدر والألياف.

ويستخدم الليزر، عادة، عند الحاجة إلى السرعة والقدرة الضوئية العالية. كما يؤدي استخدامه إلى ميزة تقليل الفقد في النظام، من طريق زيادة كفاءة الربط مع الألياف، (اُنظر شكل الفتحة الرقمية) و(جدول المقارنة بين مصادر الليزر والثنائيات المشعة)

3. كواشف الألياف الضوئية

مهمتها تحويل الإشارات الضوئية المستقبلة في نهاية الألياف، والتي تكون، عادة، ضعيفة ـ إلى إشارات كهربائية ضعيفة مناظرة. ويتضمن تصميم أنظمة الكواشف، في المستقبلات الخاصة، بالألياف الضوئية، الآتي:

أ. اختيار نوع الكاشف الملائم، والذي يكون، عادة (فوتو دايو)، من أشباه الموصلات.

ب. استخدام عناصر بصرية (عدسات وخلافه)، لتوجيه الموجات الضوئية إلى الكاشف.

ج. تصميم دوائر إلكترونية، لربط خرج الكاشف مع المراحل اللاحقة.

وهناك نوعان رئيسيان من الكواشف، هما:

أ. الكواشف الفوتونية (الضوئية).

ب. الكواشف الحرارية.

ويعتمد عمل الكواشف الفوتونية على التفاعل المباشر، بين الفوتونات (وحدات الضوء) الساقطة والإلكترونات الناتجة من الكاشف؛ بينما تعتمد الكواشف الحرارية على التأثير الحراري للفوتونات في مادة الكاشف.

وتعرّف الاستجابة الضوئية للكاشف، بأنها التيار المتولد نتيجة تأثير وحدة من الطاقة الضوئية الساقطة؛ بينما تعرّف الكفاءة الضوئية، بأنها النسبة بين متوسط عدد الإلكترونات المثارة، إلى عدد الفوتونات الساقطة، ومقدارها يكون أقل من واحد، وتعتمد على كلٍّ من خواص مادة أشباه الموصلات، وكذلك أبعاد الكاشف نفسه. وتتميز الكواشف الفوتونية، بأنها ذات استجابة وكفاءة  ضوئية أعلى من الكواشف الحرارية.

4. مستشعرات الألياف الضوئية (Sensors)

تُعَدّ الألياف الضوئية حساسة لظروف البيئة المحيطة، مثل درجة الحرارة والضغط، وأي انحناءات في الألياف؛ وفي حالة أنظمة الاتصالات بالألياف الضوئية، يراعى، عند التصميم، تقليل تأثير هذه العوامل. أما في حالة استخدام المستشعرات الضوئية للألياف، فتُستَغَل هذه الحساسية في قياس بيانات مجال المستشعر وخصائصه.

وفي هذه الحالة، يُرَبط الضوء المار في الكبل بمجال المستشعر، ويُعَدَّل بعض خواص هذا الضوء (مثل الشدة وطول الموجة وزاوية الطور والقطبية)، بوساطة المحث، ثم يكون التعامل مع هذا الضوء المعدل، بعد مروره على كاشف فوتوني (اُنظر شكل المخطط الأساسي للمستشعر).

وتعمل هذه المستشعرات، إما على أساس شدة المجال، أو التداخل الضوئي.

5. ربط الألياف وتوصيلها

بعد استعراض العناصر الأساسية في وصلة الألياف الضوئية، تبقى العناصر المساعدة، التي يكتمل بها نظام الاتصالات بتلك الألياف:

أ. الموصلات والروابط: وتستخدم في ربط أجزاء الألياف بعضها ببعض.

ب. المجمعات: (Couplers) وهي تستخدم في توزيع أو تجميع إشارات ضوئية متحدة، بين عدة مرسلات أو مستقبلات.

6. أنواع البيانات (Data Types)

تستخدم وصلات الاتصالات البيانية، نوعَين من صور البيانات:

أ. الاتصالات الرقمية (Digital Data Comm) : مهمتها إرسال البيانات في صورة كود ثنائي، من صفر وواحد. وبعد الاستقبال، يُعاد فك الكود، مره أخرى.

 ب. الاتصالات التناظرية: (Analogue Comm). تُرسل من خلالها البيانات، على هيئة إشارات مستمرة متغيرة. ويُعَدّ مستوى الإشارة نفسه هو المعلومات المطلوب إرسالها.

7. التعديل (Modulation)

يستهدف التعديل تحميل الأشعة الضوئية بالمعلومات، المراد إرسالها. وتتميز نظُم الاتصالات بالألياف الضوئية بالسعة الكبيرة، في حمل المعلومات.

ويختلف التعديل المستخدم، هنا، عن التعديل المعتاد، في باقي الأنظمة اللاسلكية.

أنواع التعديل للإشارات الضوئية

أ. التعديل التناظري (Analogue Mod).

يتحقق، في حالة الثنائيات  (LEDs)، بإنتاج تغيرات في القدرة الضوئية، تناظر، إلى أقرب مدى، الشكل الموجي للجهد أو التيار الداخل.

وفي حالة الليزر، يكون إما تعديل سعوي (AM) ، وتعديل شدة Intensity Mod. – IM) (، أو بالخلط المتعدد لتقسيمات الترد  (Frequency Division Multiplexing FDM).

ويتأتّى بتعديل رسائل متعددة، بموجات حاملة فرعية مختلفة، يمكن إرسالها عبر كبل ألياف أحادي.

ب. التعديل الرقمي  (Digital Mod)

في حال الثنائيات  (LEDs): ليس مطلوباً تزويدها بتيار مستمر، للتعديل، كما هو الحال في التعديـل التناظري، بل المطلوب، ببساطة، هو تشغيل الثنائيات وتبطيلها، طبقاً لكود معين؛ ولا علاقة لذلك بقيمة الإشارة الداخلة. وفي حالة الليزر، فإن أكثر الوسائل عملية هي تشغيل الليزر مباشرة، بتيار معدل  بكود نبضي.

مميزات التعديل الرقمي:

يتميز التعديل الرقمي على التعديل التناظري، بالآتي:

(1) سهولة تشغيل كلٍّ من الثنائيات (LEDs) والليزر، بالسرعة المطلوبة.

(2) الإشارات الرقمية أقلّ عرضة للتشوه من الإشارات التناظرية، التي تتأثر بمصادر متعددة، في الألياف.

(3) إمكانية استخدام كود فحص الخطأ، في الأنظمة الرقمية، مما يقلل إمكانية حدوثه في الإرسال.

(4) الوصلات الضوئية الرقمية، توافق باقي الأنظمة الرقمية الغير غير الضوئية.

(5) سهولة إعادة توليد النبضات الرقمية، عند معيدات الإرسال (Repeaters).

جدول المقارنة بين مصادر الليزر والثنائيات المشعة الوقت المتوسط بين الأعطال (ساعة) مدى درحة الحرارة وقت النهوض (Risetime) (نانو ثانية) القدرة المشعة (مللي وات) المصدر من ـ10 إلى +60 0.5 أكبر من 1 ثنائيات الليزر من ـ 55 إلى +125 2.5 0.16 الثنائيات السطحية من ـ 55 إلى +125 2.5 0.445 الثنائيات الحرفية من ـ 55 إلى +125 3.0 0.750 الثنائيات الفائقة

خامساً: تطبيقات استخدامات الألياف الضوئية

1. شبكات الألياف الضوئية

هناك وسائل متعددة لعمل شبكات ألياف ضوئية، باستخدام عناصر نظام الألياف، السابق ذكرها. إلا أنه يمكن تجميع هذه الوسائل في قسمَين رئيسيَّين، هما: إما شبكات نجمية المسار، أو شبكات خطية (Star or Linear busses)

أ. الشبكات النجمية: (اُنظر شكل الشبكات النجمية)

يتضح أن كل عقدة أو طرف، هو مزود بمرسل ومستقبل. وجميع المرسلات موصلة بجهة الدخل لمجمع نجمي، بسعة (ن × ن) طرف. بينما جميع المستقبلات موصلة بجهة الخرج خاصة المجمع. وتمتاز هذه الشبكات باكتفائها بأقل مدى ديناميكي، وبقلّة الفقد بها؛ إذ تتعرض كل عقدة للفقْد نفسه.

ولكن، يعيبها وجود المجمع النجمي بعيداً عن العقد؛ مما يستلزم استخدام عدد كبير من الألياف، لأجراء التوصيلات اللازمة. وكذلك، فإن أي عطل في النجمة المجمعة، يمكنه تعطيل الشبكة كلها.

ب. شبكات المسارات الخطية (اُنظر شكل الشبكات الخطية)

وتتكون من مسار ألياف وعدد من العقد، حيث يُعْتَرَض الضوء أو يُدْخَل. وهي متوالية، وليست متوازية، كما هو الحال في الشبكات النجمية. ولهذا، فإن الفقد في كل عقدة، يضاف إلى الفقد في باقي العقد.

وتمتاز بأنها تحتاج إلى كبل ألياف واحد، أو اثنَين، لربط جميع العقد. ولا توجد واحدة، قد تؤدي إلى انهيار الشبكة كلها. بينما عيبها الرئيسي، هو الفقد العالي.

2. مميزات استخدام كبول الألياف في الاتصالات

تلخص المميزات والخصائص، التي توفرها الألياف الضوئية، في الآتي:

أ. عرض نطاق كبير جداً (B . W)

يمكن أنظمة الاتصالات الضوئية، المكونة من شعيرة ليفية واحدة، حمْل معدلات كبيرة جداً من المعلومات؛ إذ يمكن الألياف ذات النشاط المنفرد(Single Mode) ، إرسال نحو 40 جيجا بيت[1]، في الثانية، لكل كيلومتر، عند الطول الموجي للضوء 0.85 ميكرومتر؛ ونحو 400جيجا، عند الأطوال الموجية الأكبر. ويُستَغَل هذا النطاق العريض بأسلوبَين:

(1) زيادة سعة الإرسال، بغرض خفض نفقة كل قناة.

(2) استخدام كبول الألياف بوسائل لا تلائم الكبول العادية؛ ولكنها، في الوقت نفسه، بسيطة وملائمة.

ب. فقد ضئيل جداً

يصل الفقد في الألياف إلى أقلّ من 1.5 ديسيبل/كم، عند طول موجي 0.85 ميكرومتر، و0.5 ديسيبل/كم، عند الطول الموجي 1.2 ميكرومتر. ويقلّ الفقد عن ذلك، مع استخدام أطوال موجية أكبر؛ مما يتيح مسافات استخدام أكبر، من دون الحاجة إلى استخدام معيدات، أو استخدامها على فواصل كبيرة، بأعداد قليلة.

ج. حجم ووزن قليلان

الألياف الضوئية كبولها مدمجة جداً، وذات قطر صغير؛ مما يتطلب حجماً، هو أقل كثيراً مما تشغله الكبول المعدنية، ذات السعة الإرسالية نفسها. وهذه ميزه كبرى، خصوصاً في بعض الاستخدامات، التي تكون فيها المساحة أو الحجم، المتاح لمرور الكبول، محدوداً.

ولأن كثافة كبل الألياف، هي أقل منها في نظيره المعدني، فإن وزنه الكلي يكون أقلّ؛ مما يعطيه ميزة أخرى، عند الاستخدام في الطائرات أو الصواريخ الموجهة، أو رفعه على حوامل هوائية.

د. المتانة والمرونة

على عكس المخاوف، التي كانت سائدة، أثبت الواقع، أنه في الإمكان تصنيع ألياف مغطاة، ذات قوة شد عالية؛ كما أمكن الوصول إلى مكونات كبول مدمجة ومرنة ومتينة جداً. كل هذا يسهل عملية تداول الكبول وتخزينها واستخدامها.

هـ. انخفاض النفقة

نظراً إلى توافر خامات الزجاج، التي تصنع منها كبول الألياف، فقد انخفضت نفقة صناعتها دون نفقة نظيرتها المعدنية. ومع تحسين أساليب التصنيع، سوف تزداد انخفاضاً.

يضاف إلى ذلك انخفاض عدد المعيدات (Repeaters) المطلوبة؛ وكذلك، قلّة المعدات الإلكترونية المستخدمة، مقارنه بتلك المستخدمة في صناعة الكبول المعدنية.

و. العزل الكهربائي

تُعَدّ الألياف الضوئية عازلة، بطبيعتها؛ ولذلك، يمكن استخدامها، بأمان، في البيئات الخطرة كهربائياً، إذ لا توجد حاجة إلى استخدام طرف أرضي، أو مشاكل ناتجة من أي إشعاع كهرومغناطيسي.

ز. حصانه ضد التداخلات، وعدم صدور إشعاعات منها

بينما تُعَدّ التداخلات الكهرومغناطيسية، إحدى المشكلات الخطيرة، التي تواجه الأنظمة الإلكترونية؛ إذ بها لا تمثل أي مشكلة مع الألياف الضوئية.

كما أن الألياف غير مشعة؛ ومن ثم، فهي تتمتع بقدر عالٍ من السرية والأمان، في تداول المعلومات.

ح. احتمالية كبيرة لدرجات الحرارة المتفاوتة، ولتأثيرات السوائل والغازات المختلفة.

ط. عمر أطول واعتمادية أكبر وصيانة أسهل.

(اُنظر جدول مقارنة بين كبول الألياف الضوئية والكبول التقليدية)

3. التطبيقات العسكرية لأنظمة الكبول الضوئية

على الرغم من أن النفقة ليست عاملاً مهماً، بالنسبة إلى الأنظمة العسكرية، فهناك في المقابل، عوامل أخرى حاكمة، يجب وضعها في الحسبان، مثل: الوزن، والقابلية للنشر، والاستخدام، والتكامل التام، والقدرة على العمل في ظل أصعب الظروف.

ولهذا، فإن الخواص الفريدة للألياف الضوئية ذات مغزى مهم في المجال العسكري، وبالذات في حالتين:

·   عندما يمكن أداء مهمة معينة بالأساليب التقليدية؛ وفي الوقت نفسه، تستطيع الألياف أداءها بطريقه أقلّ تعقيداً، وبنتائج أفضل، بمعنى أنها أكثر ملاءمة عملياتياً.

·   عندما يكون في إمكان الألياف أداء مهام، يصعب أداؤها بالأساليب التقليدية.

أ. أنظمة المسافات القصيرة

هناك عدد من التطبيقات المستخدمة على المسافات القصيرة (حتى عشرات الأمتار)، والتي تتطلب اشتراطات تكنولوجية بسيطة. ويشمل ذلك الوصلات بين المعدات الإلكترونية المتقاربة، مثل تلك الموجودة في غرف العمليات الحربية؛ والوصلات الداخلية في الحواسب؛ والوصلات الناقلة للمعلومات، مثل البيانات الرادارية المتجهة إلى أجهزة المعالجة والمبينات.

والاتجاه المستقبلي، هو استخدام الألياف الأحادية التي يمكن صناعتها من مواد بسيطة ورخيصة الثمن، مثل الزجاج المتوسط الفقد، والبلاستيك أو ألياف السيليكا المكسوة بالبلاستيك، وذلك لتفادي استخدام حزم الألياف، التي تفتقر إلى المرونة المطلوبة للاستخدامات الداخلية. وتمتد استخدامات هذه الأنظمة إلى الوصلات بين المعدات الموجودة في أماكن متفرقة في أحد المباني، وحتى مسافات تصل إلى عدة مئات من الأمتار.

ب. الاستخدام في المركبات

يشمل ذلك الطائرات والسفن والدبابات، التي تتصف بكونها بيئة ذات درجة عالية من الضوضاء الكهرومغناطيسية؛ مما يزيد من صعوبة استخدام الأسلاك والكبول التقليدية، حتى مع توخي الحذر الشديد!

ومن هنا، تظهر ميزة استخدام وصلات الألياف، بما تتمتع به من حصانة ضد التداخلات، وبما لها من عرض نطاق (B. W) كبير. لذا، فهي تستخدم في ربط قنوات عديدة بوصلة مشتركة، من دون تعقيدات تذكر.

وميزة صغر الحجم مهمة جداً، في مثل هذه التطبيقات؛ إذ الفراغات محدودة في جميع المركبات العسكرية، تقريباً. وبالطبع، تبدو ميزة الوزن الخفيف، عند الاستخدام مع الطائرات، على وجه الخصوص، عند النظر إلى كمية المعدات الإلكترونية الهائلة، التي تحملها الطائرة الحديثة. كما أن حصانة الألياف ضد المؤثرات الضوئية، والموجات الكهرومغناطيسية، تمكن من استخدامها، بأمان، حول خزانات الوقود ومخازن الذخائر. وهناك، حالياً، العديد من البرامج الحكومية، في كلٍّ من أوروبا والولايات المتحدة الأمريكية، استكمالاً للمشروعات السابقة، في هذا المجال، مثل مشروع  (ALOFT) ، الذي استُخدمت فيه حزم الألياف، في جميع توصيلات الطائرة (A7)، وعليه قلّ وزن هذه التوصيلات، من 32 رطلاً إلى 3 أرطال فقط. وأمكن، عن طريق مثل هذه الوصلات الضوئية، كذلك، توجيه المقذوفات، ونقل صور حية لأرض المعركة، مثلما حدث خلال حرب تحرير الكويت.

ج. الوصلات الثابتة، على المسافات الطويلة

في المجال العسكري، يغطي هذا الاستخدام اتصالات المواقع الثابتة، على مسافات، تراوح بين 100متر وعدة كيلومترات؛ ويشمل ذلك الوصلات بين مراكز القيادة والقواعد والمطارات. ويتفاوت عرض النطاق (BW) المطلوب، بين المتوسط (أقل من 2 ميجا بت، في الثانية) مع الاتصالات الصوتية فقط، وعشرات أو مئات الميجا بت، للإشارات المرئية والبيانات الرادارية. ويتطلب هذا النوع من التطبيقات درجة عالية من متانة للكبول، والاحتمالية الشديدة لظروف التدمير المحتملة، للمباني والمنشآت.

د. الوصلات المتنقلة

وفيها يتعرض الكبل  للانتقالات المستمرة، مما يتطلب فيه توافر قوة كبيرة ومتانة متناهية. ويُعَدّ نظام الاتصالات التكتيكي تارميجان (Ptarmigan) ، المستخدم في الجيش البريطاني، مثالاً لهذا التطبيق. وتصل أطوال الكبل المستخدم إلى نحو 2كم، مما يسهل الحصول على المطلوب، باستخدام ألياف مزودة بمصادر ثنائيات (LEDs) وكواشف بسيطة. (اُنظر شكل نظام الاتصالات العسكري بالعقدة).

وتشمل استخدامات  الوصلات المنقولة، كذلك، أعمال المراقبة والتجسس؛ إذ إن كبول الألياف صغيرة إلى درجة يصعب اكتشافها أو اعتراضها بالوسائل الإلكترونية؛ وهي في الوقت نفسه، تتمتع بدرجه سرية أكبر من اللاسلكي.

هـ. استخدامات المسافات الطويلة

تتيح كبول الألياف إمكانيات، لا تستطيعها الوسائل التقليدية، ومثال على ذلك وصلات المعلومات بين السفن الحربية والمستشعرات المجرورة خلفها، والتي تتطلب مسافات طويلة تتفوق فيها الألياف، ذات الفقد المنخفض وعرض النطاق (B. W) الكبير.

ومثال بحري آخر، هو توجيه الطوربيدات، بما يتطلبه من مسافات طويلة ومراقبة مرئية بالألياف، حتى مع غياب الطوربيد عن أعين سفينة الإطلاق، مع استمرار المراقبة حتى وصوله إلى الهدف المحدد، والذي قد يبعد عشرات الكيلومترات.

4. التطبيقات المدنية والصناعية

تتصف الاستخدامات، المدنية والصناعية، باهتمامها بالجانب الاقتصادي؛ إذ تنظر الأسواق، عامة، إلى موضوع النفقة بحذر! ومع ذلك، فإن الظروف الخطرة أو الخاصة، سوف تعطي الألياف ميزة للاستخدام في بعض الحالات المدنية.

أ. استخدامات المسافات الطويلة

ينتظر التوسع في استخدام الألياف، بسبب الطبيعة الخطرة للبيئة، والتداخلات الكهرومغناطيسية الشديدة، المنتشرة حالياً. فهي تبدو ملائمة لاستخدامات السكك الحديدية، حيث تزداد التأثيرات الكهربائية؛ ولذا، أجرت السكك الحديدية البريطانية تجربة استخدام نظام، بسعة 2 ميجا بت/ث، لمسافة 6 كم، في منطقة تشيشاير(Cheshire) ، حيث عُلِّقت الألياف الضوئية بين أعمدة  الكبول الكهربائية.

وهناك اقتراحات بحمل الألياف الضوئية مع خطوط كبول الأراضي المعلقة، مع خطوط القدرة الكهربية.

ونقل الإشارات المرئية (video)، سوف يكون أكثر اقتصادياً، باستخدام الألياف، التي يمكن استخدامها مع الدوائر التلفزيونية المغلقة، وحتى مسافات تصل إلى عشرات الكيلومترات، لمختلف الأغراض، مثل مراقبة حركة المرور على الطرق، من بعد. وكذلك نظام الكبل في الإرسال التلفزيوني، للتوزيع على العديد من المشتركين في المنازل.

ب. استخدامات المسافات المتوسطة

يوجد العديد من الاستخدامات، على مسافات تصل إلى عدة كيلومترات، كما هو الحال بين محطات توليد الكهرباء والمواقع الفرعية، والتي تتطلب نظام اتصال للمراقبة، والقياس من غرف مراقبة قريبة، يكون عليه العمل قريباً من كبول كهربائية، تحمل مئات الآلاف من الفولت. وهنا، يمكن أن يُستبدَل بالكبل النحاسي المتعدد الثقيل، ألياف تصل المحولات ونقاط التحويل بالتحكم المركزي.

كما يمكن استخدام كبول الألياف في الصناعات ذات الطبيعة الخطرة، مثل الكيماويات وتكرير البترول والأبحاث النووية. وكذلك المستشفيات، عند التعامل مع غرف الأشعة، حيث مستوى التداخلات والإشعاعات شديد. وجرت محاولات لاستخدم الألياف، كذلك، في الاتصالات المائية، بين الغطاس والسطح.

ج. استخدامات المسافات القصيرة

يشمل ذلك الاتصالات داخل المباني والمركبات (مثل الطائرات والسفن والعربات والقطارات). والاهتمام، حالياً، منصبّ على الاتصالات داخل استوديوهات الإذاعة، وفي الفنادق، حيث الحاجة إلى قنوات تلفزيونية متعددة، وخدمة آلية متطورة لكل غرفة، مع تقارب هذه القنوات للتوصيلات الكهربائية.

وبالنسبة إلى المركبات، فلا ينتظر استخدام الألياف، حالياً، نظراً إلى قلة الحاجة إلى ذلك، مدنياً، مقارنة بما هو عليه الحال، عسكرياً؛ إذ إن النفقة هي العنصر الحاكم، في هذه الحالة.

[1] البيت (BIT): هو النبضة المعبرة عن الصفر أو الواحد فى الارسال الرقمي الثنائي

[ltr]جدول[/ltr] مقارنة بين كبول الألياف الضوئية والكبول التقليدية كبول الألياف دليل الموجة الدائري الكبول المحورية الأسلاك المجدولة النوع الخاصية 0.1 إلى 0.2 50 10 1 : 4 القطر (مم) أكبر من 0.3 أكبر من 6000 أكبر من 90 أكبر من 0.1 قطر الانحناء(مم ) 0.1 1 1 1 نسبة أوزان الكبول (مع ثبات سعة الإرسال) 1 كم : 100 كم 10:3 500:100 100 : 500 طول الكبل (م) 2, ـ 4 2 19 (60 ميجاهرتز) 20 (4 ميجا هرتز) الفقد (ديسيبل/ كم) 1 : 10 جيجا 40 : 120 جيجا 40 ميجا 6 ميجا هرتز عرض النطاق  (B. W) تقليدي (تقريباَ) خاص تقليدي (عادي) تقليدي (عادي) التركيب خاص خاص عادي عادي الوصل 10 ـ 60 10 1.5 1 ـ 2 فاصل الإعادة (كم) 10 1 1 0.1 سعة الإرسال (مع ثبات القطر)   نظام الاتصالات العسكري بالعقدة، موضحاً التطبيق التكتيكي لكبول الألياف