الألياف البصرية

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الألياف البصرية

الياف بصريه

Optical fibers - Fibres optiques

الألياف البصرية

شكري المقداد

مبادئ أساسية

استعمالات الألياف البصرية

تقنية تصنيع الألياف

الألياف البصرية (الضوئية) optical fibers هي شعيرات مصنوعة من الزجاج النقي، طويلة ورفيعة لا يتعدى سمكها الشعرة، تُستخدم بعد تقويتها في مجالات متعددة، منها نقل الإشارات الضوئية إلى مسافات بعيدة جداً.

يتكون الليف البصري أساساً من ثلاث طبقات أسطوانية متراكبة بعضها فوق بعض:

• القلب core: هو أسطوانة مركزية، تُصنع من الزجاج النقي، وينتشر معظم الضوء الناقل للمعلومات فيها. يراوح قطرها بين 9 و62.5 مكرون تبعاً لنوع الليف.

• اللحاء (الغمد) cladding: وهو أسطوانة زجاجية ثانية تحيط بالأولى، ومتمركزة معها، تختلف عنها بقرينة الانكسار، إذ تكون هذه القرينة أصغر من قرينة انكسار القلب، وهي بذلك توفر الشروط اللازمة لانتشار الضوء- أو معظمه- داخل القلب عن طريقة ظاهرة الانعكاس الكلي الداخلي.

يبلغ قطر اللحاء معيارياً 125 مكروناً في معظم الألياف، وقد توجد أقطار أخرى في بعض الحالات القليلة.

• التغليف الأولي أو الواقي primary coating or buffer: وهو غلاف بلاستيكي يحيط باللحاء، ويبلغ قطره نحو 250 مكروناً، ويفيد هذا الغلاف في حماية الليف من التحطم والكسر والرطوبة، وفي إكسابه المرونة اللازمة للتعامل معه بسهولة (إذ إن المادة الزجاجية للقلب واللحاء هشة جداً وسريعة الانكسار).

تمثل الأجزاء المذكورة آنفاً الحد الأدنى في حلقة تصنيع الليف، ويُستخدم بهذا الشكل في المخابر فقط، ولا يمكن استخدامه في التطبيقات العملية الحقلية مباشرة. ومن أجل الاستخدام الحقلي تُجرى عمليات تقوية أخرى لليف (الشكل1).

الشكل(1): الليف البصري المقوى

تُجمع بعدها الألياف الناتجة بعضها مع بعض، وتُصنّع على شكل كبل، بحيث تؤخذ كل إجراءات الحماية اللازمة له، مثل عدم انضغاط الليف، وحمايته من ظروف التشغيل الحقلي، والتي تتطلب مقاومة الظروف المناخية، ومقاومة الانقطاع، وحمايته من القوارض، ومقاومة الانحناءات الشديدة. يمكن بذلك الحصول على كبل ألياف بصرية يحوي مجموعة من الألياف، بحيث يستطيع كل واحد منها نقل المعلومات المناسبة (الشكل 2).

الشكل (2): مقطع عرضي في كبل ألياف بصرية .

تبلغ أنصاف أقطار أكبال الألياف نحو ميليمتر واحد للأكبال القليلة التسليح والقليلة الألياف (التي تضم زوجي ألياف)، إلى بضعة سنتيمترات للأكبال الشديدة التسليح والكثيرة الألياف (التي تضم عشرات الألياف).

يبلغ طول القطعة الواحدة للكبل من 2 إلى 4 كم عند استخدامها للاتصالات. وعند تمديد خط اتصال من أكبال ألياف بصرية، توصل قطع الأكبال لتعطي الطول المناسب. وتجري عملية الوصل - في أغلب الحالات- بلحم الألياف المتقابلة في قطعتي الكبلين، ثم تقوية نقطة اللحام بحيث لا تكون نقطة ضعف ميكانيكي في الكبل أو موضع ضياع ضوئي.

يبيّن الشكل (3) صورة حقيقية لأكبال ألياف بصرية محمولة على عربة لتمديدها. وتظهر فنيين يقومون بتمديدها.

الشكل (3): أكبال بصرية محمولة على عربة

أما عند الاستخدام في أنظمة المحسّات؛ فإن القطع المطلوبة في أكثر الأحيان تكون قصيرة، وتعتمد كثيراً على التطبيق.

مبادئ أساسية

1 - آلية إرشاد الضوء في الليف (الأدلة الضوئية optical waveguides)

يعتمد مبدأ عمل الألياف البصرية على إرشاد أو قيادة الضوء في الليف البصري، بحيث يمكن لهذا الضوء أن ينقل المعلومات بذاته، من دون أن يتأثر بمعامل ما، حاملاً المعلومات عنه إلى المستقبِل، ثم يستفاد منه بالطريقة المناسبة.

يعتمد إرشاد الضوء في الليف على مبدأ الانعكاس الكلي للضوء الذي ينص على أنه عند ورود الضوء من وسط أشد كسراً إلى آخر أقل كسراً بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة؛ فإنه ينعكس كلياًعند السطح أو الحد الفاصل بين الوسطين، عائداً إلى الوسط القادم منه. يبيّن الشكل(4) هذا المبدأ.

الشكل (4): ظاهرة الانعكاس الكلي عند السطح الفاصل بين وسطين مختلفين في قرينة الانكسار

فإذا كانت العلاقة بين قرينتي الانكسار كما يلي $الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\317\Image221276.jpg$ : إذ يرد الشعاع من الوسط الأكثر كسراً n₁ إلى الوسط n₂ الأقل كسراً، وبعد تجاوز زاوية ورود معينة (الزاوية الحرجة)، ينعكس الشعاع كلياً إلى الوسط الأول. وتُعطى قيمة الزاوية الحرجة $الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\317\Image225422.jpg$ بالعلاقة (1):

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\317\Image218665.jpg$

يبين الشكل (5) مقطعاً طولانياً في الليف البصري إذ تمثل n₁ قرينة انكسار القلب، وn₂ قرينة انكسار اللحاء. إن الشعاع الذي يدخل إلى الليف بزاوية أعلى من الزاوية الحرجة (الشعاع الملوَّن بالأزرق) ينعكس كلياً إلى داخل الليف، ويتجه نحو السطح الآخر (الشعاع الملون بالأخضر)، وبسبب التناظر، ينعكس كلياً على السطح الآخر أيضاً، ومن ثم يُلاحظ استمرار إرشاد هذا الشعاع داخل الليف.

الشكل (5): إرشاد الضوء داخل الليف، ويظهر على الشكل أيضاً بعض سطوح (صدور) الموجة (الشعاع البصري يمثل الناظم على سطح الموجة التي يمثلها).

2 - حقن الضوء في الليف

تقدِّم معادلات ماكسويل Maxwell الحل الدقيق لمسألة الانتشار في الليف، ويمثِّل كل حل لمعادلات ماكسويل في الليف - ضمن الشروط الحدِّية له- موجة كهرطيسية قابلة للانتشار، وتمثل أحد أنماط الانتشار.

استعمالات الألياف البصرية

1 - في مجال الاتصالات

يُعدّ استعمال الألياف البصرية في مجال الاتصالات بالغ الأهمية، ويُنقل اليوم عبرها أكثر من 80 % من الاتصالات على سطح الكرة الأرضية.

تستطيع الألياف اليوم نقل مقادير هائلة من المعلومات نتيجة عرض الحزمة الممكنة، وتشير بعض الأبحاث إلى إمكانية نقل ما مقداره 10.2bit/sec ( bit/sec1012=Tbit/sec )

يتألف النظام الأساسي للاتصال بالألياف البصرية من المكوِّنات التالية (الشكل 6):

الشكل(6): نظام الاتصال الأساسي بالألياف البصرية.

-المرسل الضوئي

وهو العنصر الذي يولّد الإشارة الضوئية المحقونة في الليف.

لا تُولَّد الإشارة عشوائياً بل بطريقة تعبِّر عن المعلومات المراد نقلها (كلامية كانت أم حاسوبية أم تلفزية) وسرعة تغيرها، ومن ثم يُطبَّق ترميز المعلومات والتعديل والتجميع وغيرها من العمليات.

تفرض هذه المتطلبات إذن مواصفات المرسلات المستعملة، وأهمها ما يأتي:

• الاستطاعة الكافية، لكي تصل الإشارة الضوئية إلى نهاية الليف بحيث تكون قابلة للكشف.

• نموذج إشعاع المرسل الذي يجب أن يتوافق مع الليف حتى تحقن الاستطاعة فيه بقدرٍ فعال.

• قابلية التعديل، بهدف تحميل المعلومات بالطريقة المناسبة.

• السرعة العالية، لنقل الإشارات والمعلومات ذات التغيرات السريعة.

• صغر الحجم والوزن ورخص الثمن، للحفاظ على كلفة اتصال معقولة.

يمكن في نظم الاتصال الحديثة (الرقمية) توليد سلسلة من النبضات الكهربائية الموافقة للمعلومات، ثم تُعطى للمرسل الذي يحولها إلى نبضات ضوئية. أي إن كل نبضة كهربائية تقابلها دفقة ضوئية تُحقن في الليف، وتُنقل عبره إلى المستقبل.

ومن أشهر أنواع المرسلات المستخدمة في نظم الألياف: الديودات المصدرة للضوء (LED) والديودات الليزرية (LD)، والمصنوعة من مواد نصف ناقلة، وهي تصدر ضوءاً عند مرور تيار كهربائي بها.

تراوح أبعاد المرسل الخارجية من بضعة مليمترات إلى بضعة سنتيمترات، ولها أشكال مختلفة منها متوازي المستطيلات أو الدائري أو على شكل دارة متكاملة يخرج الضوء من أحد أوجهها.

تقدّم هذه المرسلات استطاعة بصرية تصل إلى بضعة ملي واطات (1-3 mW). أما الترددات التي يمكن أن تعمل عليها فتصل إلى بضعة مئات الغيغاهرتز(GHz).

الليف البصري

إن مهمة الليف هي نقل الإشارة بين جهتي الإرسال والاستقبال. ولضمان موثوقية الاتصال، لا بد من توفر ما يلي:

• أن يكون الليف المستخدم موجوداً ضمن كبل ذي حماية كافية في ظروف الاستثمار، كالانحناء الشديد والحرارة والرطوبة، والمتانة من الانقطاع، والحماية من القوارض وغيرها.

• اختيار الليف أو الألياف (بحسب المسافة) بحيث يكون تخميدها للإشارة المطلوب نقلها ليس كبيراً، ويسمح بكشف جيد للإشارة في جهة الاستقبال.

• أن يوفر الليف عرض الحزمة المناسبة. وعلى الرغم من اتساع عرض الحزمة الممكن نقلها بالألياف، إلا أنها محدودة، وتعتمد على نوع الليف المستخدم.

وفي الحالة العامة تُستخدم للمسافات القصيرة (بضعة أمتار إلى عشرات الأمتار) ألياف بلاستيكية ذات كلفة معقولة، وللمسافات المتوسطة (عشرات الأمتار إلى مئات الأمتار) ألياف متعددة الأنماط، يمكن استخدامها في بعض الحالات حتى بضعة كيلو مترات. أما للمسافات الطويلة فتُستخدم ألياف وحيدة النمط، وعند نوافذ إرسال مناسبة (أي عند أطوال الموجة التي يكون التخامد عندها أصغرياً، مثل طولي الموجة 1300 nm و1550 nm).

المستقبل الضوئي

يتلخص دور المستقبل في كشف الإشارة الضوئية وتحويلها إلى إشارة إلكترونية، ومن ثمّ فك تعديل الإشارة وترميزها، وتوزيعها إلى مداخل خطوط المستثمرين.

يتألف المستقبل الضوئي أساساً من جزأين:

- الكاشف الضوئي: وهو العنصر الذي يتلقى الإشارة الضوئية من الليف ويحوِّلها إلى إشارة كهربائية، وإن معظم هذه العناصر هي كواشف ضوئية نصف ناقلة، وأكثرها استخداماً هي الديودات الضوئية photodiodes والديودات الضوئية الانهيارية.avalanche photodiodes

- إلكترونيات المعالجة: ومهمتها تضخيم الإشارة الكهربائية وفك تعديلها و/أو ترميزها وجعلها صالحة للاستخدام.

يجب أن يتمتع المستقبِل بخاصتين أساسيتين:

• حساسية استقبال جيدة، إذ كلما كانت حساسية المستقبل أفضل زادت موثوقية نقل المعلومات وكان من الممكن زيادة مدى النقل.

• توفير عرض الحزمة الترددية المناسبة، ومن ثمّ نقل الإشارة المرسلة من دون أي تشويه.

تُحوَّل الإشارة المراد نقلها على الألياف البصرية (صوت، صورة، ...) إلى كهربائية، ثم تُحوّل إلى ضوئية بوساطة المرسل الضوئي، وتُنقل عبر الألياف البصرية.

وتجري حالياً محاولات للعبور من الإشارة المراد نقلها إلى إشارة ضوئية مباشرة، وبعد جمعها مع إشارات ضوئية أخرى، ثم تُنقل مباشرة على الليف البصري. يجري بحث إمكانية تسهيل عمليات النقل والتعديل وتبسيطها وترميز المعلومات وتحميلها على الألياف، ويُعرف ذلك باسم «الاتصالات البصرية بالكامل all optical communications». ويستخدم لهذا الغرض مضخم الألياف البصرية optical fiber amplifier الذي يضخم الإشارة الضوئية مباشرة، ويعمل مكرراً للإشارة repeater ومنضدات (مجمّعات) الإشارة الضوئية ومفرِّقاتها multiplexer-demultiplexer.

2 - في مجال المحسَّات

محسَّات الألياف البصرية هي أنظمة تحوي على الأقل ليفاً بصرياً يسمح بتحصيل المعلومات الناتجة من الظاهرة المراد قياسها، بوساطة إشارة ضوئية تسير في الليف أو الألياف المستخدمة.

رافق تطور محسّات الألياف البصرية تطور الألياف البصرية نفسها، واستُخدمت استخداماً فعالاً في العديد من التطبيقات، منها على سبيل المثال محسات الحرارة ومحسات الدوران (جايروسكوب الألياف البصرية) وغيرها.

وعلى مستوى المعايرة تم في الوثيقة الدوليةUTE93.800 لعام 1989 وضع نقاط معيارية أساسية لتصميم محسات الألياف البصرية، وتحوي بوجه خاص التعاريف الأساسية في هذا المجال الشديد التنوع.

اكتسبت محسَّات الألياف البصرية أهميتها من المواصفات التي تتمتع بها، والتي يمكن تلخيصها كما يلي:

• حساسية عالية؛ لأنها محدودة فقط بالضجيج الضوئي الأساسي.

• قليلة التأثر بالضجيج المحيط، ومن ثم فإنها لا تتأثر بالتشويش الكهرطيسي المقصود وغير المقصود. وهي ميزة مهمة جداً للمحسات الكهربائية الشديدة التأثر بالحقول الكهرطيسية المحيطة.

• تمكِّن التقانة من تصنيع الليف البصري بسهولة نسبياً. وهذا يكسبه ميزة مهمة جداً مقارنةً بالمحسات الأخرى، وهي إمكان إغناء مادة الليف في أثناء التصنيع بما يرفع حساسيتها إلى المقدار المقيس.

• أبعادها صغيرة، وهي مرغوبة جداً خصوصاً في تطبيقات علوم الطيران والفضاء.

• محسَّات الألياف غير الفعالة passive لأن الألياف عازلة، ولذا لا تتأثر بالجهود الكهربائية العالية.

• لا تتأثر بدرجات الحرارة العالية أو بالأوساط النشطة كيميائياً.

• ليس لها تأثيرات بيولوجية، ولا تسبب أضراراً للإنسان، فهي مثالية للتطبيقات الطبية.

• لها مجال قياس ديناميكي واسع نسبياً.

• يمكن استخدامها محسّات من بُعد، من دون أن تتأثر حساسيتها، وهي مثالية للاستعمال في الآبار والحفر العميقة أو في الأوساط الخطرة.

ثمة طرائق متعددة لتصنيف محسّات الألياف البصرية، إذ يمكن تصنيفها بحسب نمط القياس (قياس نقطي أو موزَّع)، أو بحسب مبدأ العمل (مثلاً تغيّر قطبية الإشارة، وشدتها، وقطبيتها بتابعية المقدار المقيس)، أو بحسب موقع فعل المقدار المقيس من الليف. وبحسب هذا المعامل الأخير تُصنَّف المحسّات إلى:

- محسّات ذاتية intrinsic

وهي بالتعريف تلك المحسّات التي يقوم فيها الليف بذاته بتحسس المقدار المقيس أو المدروس، وكمثال على ذلك نذكر محسّ الوزن المبين في الشكل (7).

الشكل(7): محسّ وزن بالألياف البصرية.

تثبت استطاعة الضوء الوارد إلى الليف قبل وجود أي قوة مؤثرة (وزن ما مثلاً)، وعند وجود قوة مؤثرة، تزداد انحناءات الليف micro bending (أي تنقص أنصاف أقطارها)، ومن ثم تزداد ضياعات الليف بدرجة تتناسب مع القوة المؤثرة، وبكشف استطاعة الضوء الساقط على الكاشف نستطيع قياس القوة.

- محسّات خارجية extrinsic

وهي بالتعريف المحسات التي يُستعمل فيها الليف وسطاً حاملاً وناقلاً للمعلومات عن المقدار المدروس، في حين يحصل التفاعل مع الضوء خارج الليف.

ومثال ذلك مقياس تردد الاهتزاز المبين في الشكل (8)، إذ يوصل التردد المراد قياسه إلى الصفيحة الهزازة، فتقوم بتقطيع الضوء الوارد لليف، ثم يُكشف هذا التردد بوساطة الكاشف والإلكترونيات الملحقة.

الشكل (8): مقياس تردد اهتزاز بالألياف البصرية

- في مجال التطبيقات الطبية

استُخدمت الألياف البصرية في تطبيقات طبية عديدة نظراً لعدم تأثيرها بيولوجياً في الجسم.

ومن تلك التطبيقات، مقياس تدفق الدم، وقياس نسبة الغلوكوز في الدم، وأجهزة التنظير (للمعدة وغيرها) وأجهزة القثطرة.

تقنية تصنيع الألياف

تُصنع الألياف البصرية على مرحلتين:

1 - تصنيع الشكل الأولي: وهو أسطوانة زجاجية يُسحب منها قلب الليف ولحاؤه. وتتكون هذه الأسطوانة من جزء داخلي قرينة انكساره تساوي قرينة انكسار القلب، وجزء خارجي تساوي قرينته قرينة انكسار اللحاء، كما تساوي نسبة أنصاف أقطار الجزأين نسبة أقطار القلب واللحاء في الليف الذي يُصنع منه.

تُستخدم لتصنيعه طرق التوضع انطلاقاً من الطور البخاري(CVD) chemical vapor deposition . يبين الشكل(9) رسماً توضيحياً لمبدأ هذه الطرق.

الشكل(9): مبدأ طرق الـ CVD لصناعة الشكل الأولي لليف البصري

يُخلط الأكسجين مع واحد أو أكثر من كلورات المواد المبينة (السليسيوم، الجرمانيوم،...) بمقدار متحكم فيه عن طريق متحكمات التدفق flow controllers، وينتج من عملية الخلط أبخرة تدخل إلى أنبوب السيلكا الدوار silica tube الذي يُسلط عليه شعلة لهب torch تؤدي إلى تفاعل الأكسجين مع كلور المادة أو المواد المصاحبة والحصول على المادة الزجاجية المطلوبة وفق التفاعل ات (2، 3، 4):

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\317\Image121993.jpg$

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\317\Image125265.jpg$

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\317\Image127946.jpg$

وغني عن التعريف أن أكسيد السليكون $الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\317\Image130693.jpg$ هو الزجاج، ويُشاب بأكسيد الفسفور $الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\317\Image350.jpg$ أو بأكسيد الجرمانيوم $الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\317\Image358.jpg$ لرفع قرينة انكساره.

بعد التفاعل تتوضع المادة الزجاجية على جدران أنبوب السيلكا، وتتواصل العملية بالتوضع باتجاه الداخل إلى أن يتشكل المقدار المطلوب من اللحاء. بعدها يبدأ تشكيل القلب، ولذلك ترسل أبخرة كلور السليسيوم مع أبخرة أوكسيكلور الفسفور $الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\317\Image366.jpg$ ، التي تعطي بعد التفاعل بتأثير حرارة الشعلة مادة القلب ذات قرينة الانكسار العليا من اللحاء.

تُجرى بعد ذلك عمليات تلبيد sintering لاستخلاص الشكل الأولي من أنبوب السيلكا الدوّار، والبدء بالعملية الثانية لتصنيع الليف وهي التسحيب drawing.

2 - التسحيب: تُجرى هذه العملية بوساطة برج التسحيب المبين في الشكل (10) حيث يُثبّت الشكل الأولي على آلية التغذية الدقيقة precision feed assembly . يجري إدخال جزء محدّد جيداً من الشكل الأولي داخل الفرن، ثم تُرفع درجة الحرارة.

الشكل (10): برج التسحيب

عند بدء ذوبان رأس الشكل الأولي، تسقط القطرة الأولى بتأثير وزنها بادئةً عملية التسحيب لليف بقطر يتحكم فيه بآلية قياس القطر fiber diameter monitor. وهنا تُضبط آلية التسحيب

بحيث يتكون القلب واللحاء مباشرة منها. وعليه يُصنع الشكل الأولي بحيث تساوي نسبة قطر مادة القلب إلى قطر مادة اللحاء.

ولتحقيق ذلك تُعاير آلية التغذية الدقيقة مع آلية قياس القطر وسرعة دوران البكرة التي سيتجمع عليها الليف بقدرٍ دقيق جداً.

بعد مقياس القطر يُتابَع التسحيب، حيث يُمَرر الناتج في فرن يحوي مصهور مادة بلاستيكية لتغليف الليف بهدف حمايته وإكسابه المرونة اللازمة للتعامل معه. وتسمى هذه العملية التغليف الأولي.

يستفاد من هذه الألياف أحياناً في بعض المحسّات. وهناك بعض العمليات الإضافية التي تجرى على الليف أحياناً أخرى، بهدف ملاءمته مع ظروف الاستخدام مثل درجة الحرارة، والرطوبة، والقوارض، والإجهادات الميكانيكية المختلفة كالشد والسحب والكشط وغيرها، التي تتبع ظروف الاستخدام اللاحقة. ومن هذه العمليات تقوية الليف بطبقات حماية أخرى، وتجميع عدد من الألياف وتقويتها وتصنيع كبل ألياف منها cabling ، وغيرها.

أمثلة

توضح الصور في الشكل (11) بعض المنتجات الحقيقية للألياف البصرية وأنظمتها، المستخدمة في تطبيقات مختلفة في مجالات الحياة.