عمل الألياف الضوئية وتطبيقاتها

الألياف الضوئية

هي التقنية المرتبطة بنقل البيانات باستخدام نبضات ضوئية تنتقل مع ألياف طويلة مصنوعة من البلاستيك أو الزجاج، وتترتب في حزم باستخدام الألياف المعدنية لإرسال الإشارات الضوئية لمسافات طويلة.^[١]

استخدامات وتطبيقات الألياف الضوئية

تعمل الألياف الضوئية على نقل المعلومات على شكل ضوء، وفي يومنا هذا شاعَ استخدام الألياف الضوئية بدلًا من الكابلات المصنوعة من النحاس والطرق التقليدية الأخرى، وفي ما يلي أهم مجالات استخدام وتطبيقات الألياف الضوئية:^[٢]

• الإنترنت: تنقل كابلات الألياف الضوئية البيانات بسرعة عالية، لذا تستخدم في مجال الإنترنت، كما أنها أخف حجماً ووزناً وأكثر مرونة في نقل البيانات من الأسلاك النحاسية.
• التلفزيون: تُستخدم كابلات الألياف الضوئية في كابلات التلفاز، فتقوم بنقل الإشارات لأجهزة التلفاز بسرعة وتكلفتها أقل من الكابلات النحاسية.
• الهاتف: تستخدم كابلات الألياف الضوئية لنقل الإشارة بين الهواتف مما يجعل الاتصال أسرع وأكثر وضوحاً.
• شبكات الكمبيوتر: تحتاج شبكات الكمبيوتر في المكان أو المبنى الواحد لسرعة في نقل البيانات والملفات لذلك تستخدم الألياف الضوئية.
• الجراحة وطب الأسنان: تُستخدم الألياف الضوئية بشكل كبير في المجالات الطبية والبحوث العلمية، فمثلاً تستخدم في عمليات التنظير والفحوصات المجهرية وفي طب الأسنان.
• الإضاءة والديكور: يتم استخدام الألياف الضوئية على نطاق واسع في إضاءة الزينة وأشجار عيد الميلاد، حيث تُعتبر حلاً اقتصادياً وسهلاً وجذاباً للعين.
• تطبيقات الهندسة الميكانيكية: حيث تُستخدم الألياف الضوئية لتفتيش المواد للمهندسين وتستخدم أيضاً في فحص الأماكن والأنابيب التي يصعب الوصول إليها.
• التطبيقات العسكرية والفضائية: لأن هذه المجالات تحتاج للأمان في نقل البيانات، فتُعتبر كابلات الألياف الضوئية الحل الأمثل لنقل البيانات.
• صناعة السيارات: تُستخدم الألياف الضوئية في إضاءة السيارات الداخلية والخارجية لأنها توفر إضاءة فائقة وتُحافظ على المساحة، وتستخدم أيضاً في تطبيقات السلامة مثل الوسائد الهوائية، وتستخدم في نقل الإشارات بين الأجزاء المختلفة من السيارة.

طريقة عمل الألياف الضوئية

تعمل الألياف الضوئية على مبدأ الانعكاس الداخلي الكلي حيث ينتقل الضوء في كيبل الألياف الضوئية عن طريق الارتداد عن جدران السلك بشكل مستمر؛ إذ يرتد كل فوتون أو جسيم ضوئي مع استمرار الانعكاس الداخلي في المرآة الداخلية، ثم ينقل شعاع الضوء الذي ينتقل بشكل مستقيم فينحني عند الانعكاس وينتقل إلى أسفل الكابل وتحديداً منتصفه وتنتقل البيانات من طرف لآخر، ويتكون الكبيل ونظام نقل البيانات من:^[٣][١]

• اللب وهو منتصف السلك.
• الكسوة وهي طبقة مصنوعة من الزجاج ملفوفة حول اللب، للحفاظ على إشارات الضوء داخل اللب.
• المرسل وهو الذي ينتج الإشارات الضوئية ويشفرها لتناسب الإرسال.
• الألياف الضوئية وهي التي تنقل إشارة الضوء.
• جهاز الاستقبال البصري وهو الذي يستقبل إشارة الضوء المشفرة ويفك تشفيرها لتصبح مناسبة للاستخدام.
• المُجدد البصري الذي يستخدم لنقل الإشارة لمسافات طويلة.

إيجابيات استخدام الألياف الضوئية

من أهم إيجابيات استخدام الألياف الضوئية :^[١]

• اقتصادية وقليلة التكلفة.
• غير قابلة للاشتعال.
• موفرة للطاقة.
• المرونة وخفة الوزن.
• وضوح الإشارة.

عيوب الألياف الضوئية

تمتلك الألياف الضوئية على العديد من العيوب بالرغم من مجالات استخدامها، ومن أهم هذه العيوب:^[٤]

• انخفاض الطاقة: تُعد الطاقة التي تنبعث من الألياف الضوئية منخفضة بالرغم من توفر بواعث الطاقة العالية تُساعد في تحسين إمدادات الطاقة لكنها عالية التكلفة.
• أكثر عرضة للتلف: تُعد الألياف الضوئية هشة وأكثر عرضة للتلف من الأسلاك النحاسية، فمن الأفضل عدم ثنيها أو ربطها بإحكام.
• المسافة: يجب أن تكون المسافة بين جهاز الإرسال أو جهاز الاستقبال قصيرة أو يلزم استخدام أجهزة إعادة إرسال لتعزيز الإشارة.

أنواع الألياف الضوئية

هناك عدة أنواع للألياف الضوئية والتي تعتمد في تصنيفها على معامل الانكسار والمواد المصنوعة منها وطريقة انتشار الضوء، وهذه الأنواع هي:^[١]

الأنواع بالاعتماد على معامل الانكسار

• الألياف الضوئية ذات مؤشر انكسار واحد: وهي التي تتكون من نواة محاطة بالكسوة ولها مؤشر انكسار واحد موحد.
• الألياف الضوئية بمؤشر انكسار مُتعدد: ينخفض مؤشر الانكسار للألياف الضوئية مع زيادة المسافة الشعاعية من محور الألياف، لذلك تستخدم الألياف الضوئية بمؤشر انكسار متدرج للمسافات الطويلة.

الأنواع بالاعتماد على المادة المصنوعة منها

• الألياف الضوئية البلاستيكية: تستخدم مادة البولي ميثيل ميثاكريلات وهي من مكونات البلاستيك كمادة أساسية لنقل الضوء.
• الألياف الضوئية الزجاجية: تتكون من ألياف زجاجية دقيقة جداً.

الأنواع بالاعتماد على طريقة انتشار الضوء

• الألياف الأحادية: تستخدم لنقل الإشارة لمسافات طويلة.
• الألياف المتعددة: تستخدم لنقل الإشارة لمسافات قصيرة.

المراجع

1. ^ ^{أ ب ت ث} "What Is Optical Fiber?", byjus, Retrieved 5/1/2022. Edited.
2. ↑ "The Most Popular Uses of Fiber Optic Cables", nexus-net., Retrieved 6/1/2022. Edited.
3. ↑ "What Is Optical Fiber Technology, and How Does It Work?", nai-group., Retrieved 6/1/2022. Edited.
4. ↑ "The Advantages and Disadvantages of Optical Fiber", community.fs, Retrieved 5/1/2022. Edited.