اتصالات الألياف البصرية

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 وكفاءة كمية جيدتين ، زمن استجابة مناسب والحد الأدنى من القدرة القابلة للكشف . الكواشف المستخدمة في هذه الانظمة عادة هي ثنائي PIN وثنائي ضوئي جرفي APD .
5. تطبيقات الألياف البصرية Optical Fiber Applications
تعرضنا في الأقسام السابقة الى فوائد الألياف البصرية ومكانات النظام الليفي البصري ، مما لا شك فيه أن كثيرا من الحقول في المجالات المدنية والعسكرية بدأت تستفيد من هذه الفوائد ومن الصعب جداً التعرف على كل المجالات المملكن استخدام الألياف البصرية فيها وسنقوم في هذا القسم بالتعرف على بعض الاستخدامات العامة .
5-1 الاتصالات الهاتفية Telephone Communications
لعبت الأسلاك المجدولة والكابلات المحورية دوراً كبيراً في السنوات الماضية في مجال الاتصالات الهاتفية وبصفة خاصة بين البدالات ، 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 اسلاك مجدولة أو كابلات محورية وأول خط تجاري يستخدم الألياف البصرية في الولايات المتحدة بدأ تشغليله في 22 ابريل 1977م وقد استخدم الارسال 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 وقد شاع استخدامها لهذا الغرف من قبل شركات التصالات في انحاء العالم وعلى سبيل المثال لا حصر فقد تم في المملكة العربية السعودية تركيب 10.000 كيلومتر من الكابلات البصرية لصالح شركة الاتصالات السعودية وكمثال آخر نجد أن أطوال الكابلات البصرية في الصين تبلغ 173000كليومتر وطول الألياف البصرية يتعدي مليون كيلومتر خاصة إذا ما علمنا أن معدل الزيادة السنوية في عدد الهواتف تصل الى 40 مليون خط حتى عام 2022 ليصل المجموع الكلي للهواتف الى 1000مليون خط والولا وجود السعة الكافية للألياف وإمكانية توسيعها مستقبلا لما أمكن إنجاز ذلك .
5-2 الاتصالات التلفزيونية TV Communictions
بدأ اول استخدام الألياف البصرية بربط الكاميرات التلفزيونية بسيارات النقل التلفزيوني وفي الدوائر المغلقة ثم استخدمت في ايصال الخدمات التلفزيونية للمنازل وقد استخدمت لنقل قناة واحدة فقط وتستخدم الأن لنقل عشرات القنوات التلفزيونية والفيديو ضمن الكابل التلفزيوني Cable television ( CATV ) وتراهن إحدى الشركات الامريكية على انفاق 116 بليون دولارلتركيب خطوط كابلات تلفزيونية تصل للمنازل مما يعطي المشتركين نطاقا واسعاً للتطبيقات المختلفة ولايقتصر استخدامها على النقل التلفزيوني فحسب بل يستخدم للدوائر المغلقة والانظمة الأمنية والنقل التلفزيوني عالي الوضوح .
5-3 محطات القوى Power Stations
نظراً لعدم تأثر الألياف البصرية بالداخل أو الحدث الناتج عن الموالدات الكهربائية أو خطوط الضغط العالي فقد تم تركيب الألياف البصرية في محطات القوى الكهربائية لنقل المكالمات الهاتفية ونقل المعلومات ، كما تم تركيبها جنبا الى جنب مع الخطوط الضغط العالي لنقل المعطيات Data transmission والسيطرة control .
5-4 الشبكات المحلية Local Area Networks
يطلق هذا الاسم على شبكات الاتصالات المستخدمة لتبادل المعلومات بين الحسابات والمستخدمين وهذه الشبكات تكون في نطاق جغرافي محدودكمكاتب الشركات أو الجامعات أو المستشفيات أو غيرها ومجالاتها ما بين 100 متر الى 10كم وسعة نطاقها فوق المليون وحدة ثنائية / ثانية وهناك عدة تكوينات لهذه الشبكات تذكر منها الشبكة الحقية والنجمية وغيرها .
5-5 الاستخدامات العسكرية Military Applications .
بدأ أول الاستخدامات العسكرية للألياف البصرية في السفن والطائرات الحربية نظراً للميزات التي ذكرناها وبصفة خاصة قلة الوزن والحجم ثم تلاذلك 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 .
5-6 نقل المعطيات Data transmission
ادى الطلب المتزايد على خطوط نقل ذات سعات عالية وبصفة خاصة ما يتعلق بتطبيقات الانترنت الى تساع الأبحاث في مجال الألياف البصرية المواكبة هذا الطلب . إذايزداد الطلب في مجال المعطيات ضعفين سنويا عما هو عليه النمو اليوم وسيتعدى الطلب على نقل الصوت في بداية القرن القادم كما هو موضح بالشكل ( 3) بالنسبة لليابان (7) . في لولايات المتحدة الامريكية على الجانب الآخر نرى أن الطلب على الإنترنت يتضاعف كل ستة شهور لتصل سعة النقل اللازمة عام 2022م الى 280 تيرابت لكل ثانية (8) . وتهدف كثير من الأبحاث الحالية الى الوصول الى عرض النطاق النظري لليف أحادي النمط البالغ 50تيراهرتز . وقد تم بالفعل الحصول على سعة نقل قدرها 2.64 تيرابت كل ثانية لمسافة 120كيلومتر مستخدمين ليف أحادي النمط (9).
5-7 الكابلات المغمورة (10) Undersea Cables
تعاونت كثير من الدول والشركات على إبرام اتفاقيات تم بموجبها ربط عدة دول مع بعضها بواسطة الكابلات البصرية ولعل أولها كان TAT8 الذي يربط الولايات المتحدة الامريكية بأوروبا تلاه خطوط أخرى كان آخرها TAT-12/13 بطول يبلغ 5913 كيلومتر وبسعة قدرها 5 جيجابت لكل ثانية يمكن زيادتها الى 20 جيجابت لكل ثانية أو أكثر وذلك لمقابلة الطلب حتى عام 2022م .
كما أن هناك خطوط مغمورة أخرى تربط الولايات الامريكية المتحدة باليابان وأخرى تربط اوروبا بأسيا عن طريق الشرق الاوسط مثل FLAG الذي يبلغ طوله 27000 كيلومتر وخط أخر يدعى SEA-ME-WE3 بسعة 10 جيجابت لكل ثانية وتربط الدول الاسيوية بخط طوله 11500كم وأحدث خط يلتف حول القارة الافريقية يدعى ARFICA ONE يستخدم احدث التقنيات المتاحة وبسعة تصل الى 40 جيجابت لكل ثانيةةة :
6- التوجهات المستقبلية Auture Directions
أدت التطورات السريعة في مجال البصريات الليفية الى صعوبة التكهن فيها سيحدث مستقبلا وبناء على مايجري من ابحاث في هذا المجال فإن هذه التطورات ستشمل المجالات التالية :
1. الارسال المتماسك .
2. التبديل الفوتوني .
3. ليزرات أحادية الطول الموجي وممكن مواءمتها .
4. دوائر البصريات المتكاملة .
5. انتشار النبضات الطبيعية .
6. ألياف الهالايد .
7. الخلاصة :
استعرضنا في هذه الورقة صفات وخصائص الألياف البصرية وكذلك مكونات النظم الليفية البصرية واستخداماتها ورأينا أن الألياف البصرية قد أحدثت ثورة في مجال الاتصالات المختلفة خلال السنوات القليلة صاحبها تطور مماثل في مجال الاكترونيات ، ويعزى هذا التطور الى ثلاث أسباب رئيسية وهي :
‌أ. ازدياد الطلب على حركة المعطيات وبصفة خاصة ما يتعلق بالإنترنت والإنترانت .
‌ب. تحرير مجال الاتصالات مما فتح المجال الشركات كثيرة غير الشركات التقليدية للدخول في هذا المجال .
‌ج. دخول موردين جدد وتقنيات حديثة في مجالات الشبكات والأجهزة وأصبح التنافس على أشده لتقديم الأفضل للزبون .
ولعل أحدث المجالات هي إنشاء شبكات بصرية ذات سعات عالية وستتمكن التقنية الفوتونية من استخدام سعة ترابت للخطوط الرئيسية وسعة جيجابت للشبكات الفرعية وسعة ميجابت للمنازل .