المعرفه

تحمل كابلات الألياف الضوئية المعلومات عن طريق إرسال إشارات ضوئية على طول-خيوط رفيعة جدًا من الألياف الزجاجية أو البلاستيكية، مما يوفر سرعة وسعة ونطاق إرسال أكبر بكثير مقارنة بالأسلاك النحاسية التقليدية. بنيت من ثلاث طبقات رئيسية - نواة داخلية، وكسوة محيطة، وطبقة واقية خارجية - تعمل هذه الكابلات بمثابة العمود الفقري لشبكات النطاق العريض الحديثة، والبنية التحتية للاتصالات، وأنظمة الاتصالات الصناعية. فهمكيف تعمل الألياف الضوئيةيمكن أن تساعد بشكل كبير في حل بعض المشاكل الصعبة.

ما هي الألياف الضوئية

الألياف الضوئيةهو موصل اتصالات يستخدم الضوء كحامل للمعلومات والزجاج أو البلاستيك كوسيلة نقل. تعمل العملية الأساسية على النحو التالي: يتم تحويل الإشارات الكهربائية إلى نبضات ضوئية، تنتقل بسرعة عالية عبر خيوط زجاجية رفيعة للغاية، ثم يتم تحويلها مرة أخرى إلى إشارات كهربائية عند الطرف المستقبل. يبلغ قطر ألياف الاتصالات القياسية حوالي 125 ميكرومتر - تقريبًا مثل شعرة الإنسان. على الرغم من هذا المقطع العرضي الرقيق بشكل لا يصدق-، يتميز الجزء الداخلي ببنية متحدة المركز متعددة -دقيقة، حيث تؤدي كل طبقة وظيفة مستقلة.

من المهم التمييز بين الألياف الضوئية وكابلات الألياف الضوئية. أكابل الألياف الضوئيةعبارة عن مجموعة كاملة من الكابلات تحتوي على واحد أو أكثر من الألياف الضوئية بالإضافة إلى أعضاء القوة والسترات الواقية، المصممة لنقل البيانات على شكل نبضات ضوئية عبر مسافات طويلة.

البنية المادية -الأربع طبقات لكابلات الألياف الضوئية

لفهممما يتكون كابل الألياف الضوئية، فلنلقي نظرة فاحصة على طبقاتها الأربع -المصممة بدقة من الداخل إلى الخارج.

جوهر

يقع القلب في المركز، ويتراوح قطره من 8 إلى 62.5 ميكرومتر ويعمل كقناة فعلية تنتقل من خلالها الإشارات الضوئية. يتكون اللب من - ثاني أكسيد السيليكون عالي النقاء (SiO₂) المشوب بكميات ضئيلة من الجرمانيوم (Ge) لزيادة معامل الانكسار. تحدد نقاء النواة بشكل مباشر مسافة إرسال الإشارة ومستويات الخسارة - درجة ألياف الاتصال- تتطلب درجة نقاء الزجاج بنسبة 99.99% أو أعلى.

الكسوة

التغليف كابلات الألياف الضوئيةيحيط بالنواة بقطر موحد يبلغ 125 ميكرومتر. كما أنه مصنوع من ثاني أكسيد السيليكون، ولكن بصيغة منشط مختلفة تمنحه معامل انكسار أقل قليلاً من النواة. يعد اختلاف معامل الانكسار هذا هو الشرط المادي الذي يتيح نقل إشارة الضوء - وبدونه، يتسرب الضوء ببساطة من الألياف.

طلاء (عازلة)

طبقة أو طبقتان من الأكريليت-المعالج بالأشعة فوق البنفسجيةطلاءيتم تطبيقها على الكسوة، ليصل إجمالي قطر الألياف إلى 250 ميكرومتر. يحمي الطلاء الزجاج العاري من الانحناء الدقيق والخدش وتسرب الرطوبة. يعد تدهور الطلاء أحد الأسباب الرئيسية لانخفاض أداء الألياف بعد الاستخدام طويل الأمد-.

سترة

عادةً ما يتم تصنيع الهيكل الواقي الخارجي من البولي إيثيلين (PE) أو كلوريد البوليفينيل (PVC)، مع بعض التطبيقات المتخصصة التي تستخدم مواد منخفضة الدخان الخالية من الهالوجين (LSZH). قد تحتوي السترة أيضًا على ألياف الأراميد (كيفلر)، أو أسلاك فولاذية، أو قضبان من البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية (FRP) كعناصر قوة لمقاومة ضغوط الشد والضغط والانحناء أثناء التثبيت.

معًا، تشكل هذه الطبقات الأربع - قلب السيليكا عالي النقاء-، وتكسية السيليكا المطعمة، وطلاء الأكريليت، وغطاء البوليمر - العناصر الأساسيةمواد الألياف الضوئيةموجود في كل كابل من فئة{0}الاتصالات.

في عمليات النشر الفعلية، يتم تجميع العشرات والآلاف من الألياف الضوئية معًا في كابل ضوئي. الكابلات الضوئية والألياف الضوئية مفهومان مختلفان: الألياف هي وسيلة النقل؛ الكابل هو المنتج الكامل الذي يشتمل على الألياف وأعضاء القوة والسترات الواقية.

كيف تعمل كابلات الألياف الضوئية

إجمالي الانعكاس الداخلي

المبدأ الأساسي وراءكيف تنقل كابلات الألياف الضوئية البياناتهو الانعكاس الداخلي الكلي (TIR). عندما ينتقل الضوء من وسط به معامل انكسار أعلى إلى وسط به معامل انكسار أقل، وتتجاوز زاوية السقوط الزاوية الحرجة، ينعكس الضوء بنسبة 100% مرة أخرى إلى جانب معامل الانكسار الأعلى- بدلاً من المرور عبر الواجهة. تستغل الألياف الضوئية هذا المبدأ بالضبط: مؤشر انكسار القلب (حوالي 1.467) أعلى من الكسوة (حوالي 1.460)، لذلك ترتد الإشارات الضوئية باستمرار من واجهة الكسوة الأساسية - بزوايا رعي ضحلة، وتنتشر على طول الألياف.

المعلمة الرئيسية هنا هي الفتحة العددية (NA). يصف NA الحد الأقصى لنطاق الزاوية الذي يمكن للألياف من خلاله قبول الضوء الوارد، والذي يتم تحديده بواسطة فرق معامل الانكسار بين القلب والكسوة. يوفر NA الأكبر تسامحًا أكبر للاقتران، مما يسهل التوافق مع مصدر الضوء، ولكنه يزيد أيضًا من التشتت ويقلل من جودة الإشارة. وهذه إحدى المفاضلات-الأساسية في تصميم الألياف.

رابط الاتصال البصري الكامل

لفهمكيف يعمل كابل الألياف الضوئيةفي نظام العالم-الحقيقي، نحتاج إلى إلقاء نظرة على المراحل الأساسية الثلاثة للنظاماتصالات الألياف الضوئيةوصلة.

الارسال:يتم تشفير الإشارات الكهربائية أولاً في تسلسل نبض رقمي (0 و1)، ثم يقوم مصدر الضوء بتحويلها إلى نبضات بصرية. هناك نوعان من مصادر الضوء: الثنائيات الليزرية (LD) والثنائيات الباعثة للضوء (LED). توفر الثنائيات الليزرية طاقة خرج أعلى وعرضًا طيفيًا أضيق ومعدلات تعديل أسرع، مما يجعلها مناسبة للمسافات الطويلة-والسيناريوهات{6}}ذات السرعة العالية. تتميز مصابيح LED بتكلفة أقل-ولكنها ذات عرض طيفي أوسع، ومناسبة لتطبيقات المسافات القصيرة-.

الألياف (قطاع النقل):بمجرد دخول النبضات الضوئية إلى الألياف، فإنها تنتشر على طول القلب. في الإرسال لمسافات طويلة-، يتم وضع مكبرات الصوت الضوئية على فترات منتظمة للتعويض عن توهين الإشارة. تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف الحديث (دي دبليو دي إم) تكنولوجيا الألياف الضوئيةيمكن أن تحمل في الوقت نفسه 80 إلى 160 قناة ذات أطوال موجية مختلفة في ليف واحد، كل منها تحمل البيانات بشكل مستقل، مما يتيح سعة ليفية واحدة - بمعدل تيرابت-لكل-من الثانية.

المتلقي:يقوم الكاشف الضوئي (عادةً ما يكون ثنائي ضوئي PIN أو ثنائي ضوئي انهياري، APD) بتحويل النبضات الضوئية المستقبلة مرة أخرى إلى إشارات كهربائية، والتي يتم استعادتها بعد ذلك إلى البيانات الأصلية من خلال استعادة الساعة ودوائر القرار.

توهين الإشارة

إن نقل الضوء عبر الألياف ليس عملية بلا فقدان. توهين الإشارة هو القيد الأساسي فياتصالات الألياف الضوئيةتصميم النظام.

التوهين يأتي من ثلاثة مصادر رئيسية. الأول هو امتصاص المواد - وأيونات الهيدروكسيل المتبقية (OH⁻) في الزجاج مما يخلق قمم امتصاص عند أطوال موجية محددة (حوالي 1383 نانومتر)، ولهذا السبب تستخدم ألياف الاتصالات الحديثة في المقام الأول نوافذ الخسارة المنخفضة 1310 نانومتر و1550 نانومتر. والثاني هو تشتت رايلي - التفاعلات بين الضوء وعدم انتظام الكثافة المجهرية في الزجاج تسبب خسائر التشتت، وهي آلية الخسارة السائدة عند الأطوال الموجية الأقصر. والثالث هو فقدان الانحناء - يتسبب نصف قطر انحناء الألياف الصغير للغاية في تسرب الإشارات الضوئية من القلب.

كمرجع، فإن الألياف ذات الوضع الفردي السائد حاليًا G.652D لديها توهين نموذجي قدره 0.35 ديسيبل/كم عند 1310 نانومتر و0.20 ديسيبل/كم عند 1550 نانومتر. وهذا يعني أنه عند 1550 نانومتر، تنخفض قوة الإشارة إلى 1% من مستواها الأصلي بعد السفر لمسافة 100 كيلومتر. ونتيجة لذلك، تتطلب الخطوط الرئيسية{11}}المسافات الطويلة مكبرات صوت بصرية كل 80 إلى 100 كيلومتر لتجديد الإشارة.

أنواع كابلات الألياف الضوئية:الوضع-المفرد مقابل الوضع-المتعدد

يتم تصنيف الألياف الضوئية إلى فئتين رئيسيتين بناءً على عدد أوضاع الإرسال. هؤلاءأنواع كابلات الألياف الضوئيةتختلف بشكل أساسي في المعلمات الفيزيائية ومواصفات الأداء والتطبيقات المناسبة.

ألياف أحادية الوضع -(SMF)

يحتوي الألياف ذات الوضع الفردي- على قطر أساسي يتراوح من 8 إلى 10 ميكرومترات ولا يسمح إلا بوضع أساسي واحد (LP01) بالانتشار. من خلال التخلص من التشتت متعدد الوسائط، تحقق الألياف ذات الوضع الواحد-منتج نطاق ترددي-يتجاوز بكثير تلك الخاصة بالألياف متعددة الأوضاع-، مما يجعلها الاختيار القياسي للاتصالات المتوسطة- والمسافات الطويلة-.

أطوال موجات التشغيل النموذجية هي 1310 نانومتر و1550 نانومتر، باستخدام ثنائيات ليزر التغذية المرتدة الموزعة (DFB-LD) كمصادر للضوء. يمكن أن تصل مسافة الإرسال إلى عشرات إلى مئات الكيلومترات (قابلة للتمديد إلى آلاف الكيلومترات باستخدام مكبرات الصوت الضوئية). رمز لون الغلاف الخارجي أصفر.

تتضمن التعيينات القياسية السائدة ITU-T G.652 (الوضع الفردي القياسي-)، وG.655 (تحويل التشتت غير الصفري-)، وG.657 (غير حساس للانحناء، مصمم لنشر FTTH).

ألياف متعددة الأوضاع (MMF)

يبلغ القطر الأساسي للألياف-المتعددة الأوضاع 50 أو 62.5 ميكرومتر، مما يسمح بمئات إلى آلاف منأوضاع الألياف الضوئيةللنشر في نفس الوقت. تنتقل الأوضاع المختلفة بسرعات مختلفة، وتصل إلى جهاز الاستقبال في أوقات مختلفة - وهي ظاهرة تسمى التشتت متعدد الوسائط - والتي تحد بشكل مباشر من مسافة إرسال الألياف متعددة الأوضاع وعرض النطاق الترددي-.

أطوال موجات التشغيل النموذجية هي 850 نانومتر و1300 نانومتر، باستخدام VCSELs (أشعة الليزر التي ينبعث منها سطح التجويف الرأسي) أو مصابيح LED كمصادر للضوء. عادة ما تكون مسافات الإرسال ضمن بضع مئات من الأمتار. لتحديد لون السترة: يستخدم OM3/OM4 اللون المائي، ويستخدم OM5 اللون الأخضر الليموني، ويستخدم OM1/OM2 اللون البرتقالي.

معايير الاختيار

من بينأنواع مختلفة من كابلات الألياف، العامل الحاسم هو مسافة الإرسال. بالنسبة للمسافات التي تقل عن 300 متر - مثل التوصيلات البينية بين-مركز البيانات-داخل-كابلات المباني - فإن الألياف متعددة الأوضاع- توفر ميزة التكلفة، حيث أن الوحدات الضوئية المتوافقة أقل تكلفة بشكل ملحوظ من مكافئات الوضع الفردي-. ما يزيد عن 500 متر - من الأعمدة الأساسية للحرم الجامعي، والشبكات الحضرية، وخطوط النقل الرئيسية -الطويلة - ذات الوضع الفردي- هي الخيار الوحيد القابل للتطبيق. ضمن نطاقات المسافة المثالية لكل منهما، لا يوجد أي نوع متفوق عالميًا؛ غالبًا ما يوفر الحل متعدد الأوضاع-تكلفة إجمالية أقل للملكية.

كيف يتم تصنيع كابلات الألياف الضوئية

تتكون كابلات الألياف الضوئية بشكل أساسي من-زجاج السيليكا فائق النقاء (ثاني أكسيد السيليكون)، والذي يتم سحبه إلى خيوط أرق من شعرة الإنسان لنقل الإشارات الضوئية. يتكون كابل الألياف الضوئية النموذجي من عدة مكونات رئيسية: قلب مركزي يحمل الإشارات الضوئية، وكسوة زجاجية محيطة تمكن من الانعكاس الداخلي، وطلاء واقي من البوليمر يحمي الألياف من التلف المادي، وأعضاء قوة معززة، مثل الكيفلار أو الفولاذ، التي تعزز المتانة الميكانيكية للكابل.إنتاج الألياف الضوئيةيقع عند تقاطع الهندسة الكيميائية الدقيقة والعلوم البصرية. تنقسم العملية برمتها إلى مرحلتين: التصنيع المسبق وسحب الألياف.

تصنيع التشكيل

التشكيل عبارة عن-قضيب زجاجي عالي النقاء يتراوح قطره من 10 إلى 20 سم تقريبًا وطوله حوالي متر واحد، مع وجود ملف تعريف انكسار-كسوة القلب مثبتًا داخليًا بالفعل. هناك أربع طرق تصنيع رئيسية: MCVD (ترسيب البخار الكيميائي المعدل)، OVD (ترسيب البخار الخارجي)، VAD (ترسيب البخار المحوري)، وPCVD (ترسيب البخار الكيميائي للبلازما).

لنأخذ عملية OVD كمثال: تخضع غازات-رباعي كلوريد السيليكون عالي النقاء (SiCl₄) ورابع كلوريد الجرمانيوم (GeCl₄) لتفاعلات أكسدة في لهب الهيدروجين-الأكسجين. تترسب جزيئات SiO₂ وGeO₂ الناتجة على قضيب هدف دوار، وتتراكم طبقة تلو الأخرى لتشكل جسمًا زجاجيًا مساميًا (يُسمى "تشكيل السخام")، والذي يتم بعد ذلك تجفيفه عند درجة حرارة عالية، وتكلس، وانهار إلى تشكيل صلب وشفاف.

يمكن لشكل واحد أن ينتج مئات الكيلومترات من الألياف. تحدد جودة التشكيل جميع خصائص الأداء البصري للألياف - بما في ذلك معلمات التوهين والتشتت والطول الموجي المقطوع - التي يتم قفلها في مرحلة التشكيل ولا يمكن تصحيحها أثناء عملية الرسم.

رسم الألياف

يتم تغذية القالب في برج سحب، وهو هيكل رأسي يبلغ ارتفاعه حوالي 20 إلى 30 مترًا. يتم تسخين الطرف السفلي من القالب إلى ما يقرب من 2000 درجة لتليين الزجاج، والذي يتم بعد ذلك سحبه تحت التحكم في الجاذبية والشد إلى ألياف يبلغ قطرها 125 ميكرومتر. يمكن أن تصل سرعة الرسم إلى 1000 إلى 2500 متر في الدقيقة.

أثناء عملية الرسم، تمر الألياف عبر مقياس قطر ليزر مضمن لمراقبة الوقت الفعلي-بدقة ±0.1 ميكرومتر، ثم تدخل على الفور مرحلة الطلاء - ويتم معالجة طبقتين من الأكريليت تحت مصابيح الأشعة فوق البنفسجية، ليصل قطر الألياف إلى 250 ميكرومتر. العملية برمتها من التليين إلى الطلاء تشفي في أقل من ثانية واحدة.

بعد السحب، تخضع الألياف لاختبارات الإثبات، والتي تتعرض عادةً إلى 0.69 جيجا باسكال (إجهاد 1٪ تقريبًا) لإزالة الأجزاء التي تحتوي على شقوق صغيرة، مما يضمن أن الموثوقية الميكانيكية للألياف المشحونة تلبي متطلبات عمر الخدمة البالغ 25 عامًا.

مميزات كابلات الألياف الضوئية عن النحاس

عند مقارنة الألياف بالنحاس، فإنمزايا الألياف الضوئيةتصبح واضحة على الفور. يسلط الجدول أدناه الضوء على سبب تحول الألياف إلى الوسيلة المفضلة للشبكات الحديثة.

الألياف والنحاس متكاملان، وليسا تنافسيين. تتبع بنية الشبكة السائدة الحالية مبدأ "الألياف-إلى-الحافة-" -، حيث تستخدم طبقات التجميع والعمود الفقري الألياف، بينما تستمر طبقة الوصول (عشرات الأمتار القليلة الأخيرة من الأجهزة الطرفية) في استخدام النحاس. ومن غير المتوقع أن يتغير هذا النمط المعماري بشكل أساسي خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة.

تطبيقات الألياف الضوئية

الاستخدامات الألياف الضوئيةتغطي كل الصناعات تقريبًا، من الاتصالات إلى الطب. فيما يلي مجالات التطبيق الرئيسية.

الاتصالات والإنترنت العمود الفقري

الإنترنت العالمي يعمل بالألياف. تربط كابلات الألياف الضوئية تحت سطح البحر وكابلات النقل الأرضية الطويلة-القارات. 5وتعتمد أيضًا شبكات النقل الأمامية والشبكات المتوسطة لمحطة G الأساسية على الألياف، حيث تتطلب كل محطة أساسية ما بين 6 إلى 12 نواة من الألياف. على هذا المقياس،استخدام كابلات الألياف الضوئية في الشبكاتتشكل العمود الفقري للاتصال العالمي.

مراكز البيانات

تستخدم مراكز البيانات ألياف OM3/OM4 متعددة الأوضاع- للتوصيلات البينية ذات المسافات القصيرة والعالية السرعة -داخليًا. بين مراكز البيانات، يتم استخدام-ألياف أحادية الوضع مع تقنية اتصالات بصرية متماسكة، مع وصول سرعات الطول الموجي لكل-إلى 400 جيجا بايت وعمليات نشر جارية لـ 800 جيجا بايت.

FTTH (الألياف إلى المنزل)

توفر FTTH الألياف مباشرة للمستخدمين المقيمين، باستخدام تقنية PON (الشبكة الضوئية السلبية) لتوزيع الإشارات الضوئية على العديد من المستخدمين النهائيين، مما يحقق الوصول إلى النطاق العريض من فئة جيجابت- بتكلفة منخفضة.

الصناعية والاستشعار

تُستخدم مستشعرات الألياف الضوئية لمراقبة درجة الحرارة والإجهاد، ويتم نشرها على نطاق واسع في خطوط أنابيب النفط والغاز، وكابلات الطاقة، وأنظمة التحذير من حرائق الأنفاق، -ومراقبة صحة الهياكل على نطاق واسع.

طبي

تطبيق الألياف الضوئيةفي الطب يستمر التوسع في - المناظير الداخلية والليزر الجراحي وأنظمة التصوير التي تعتمد جميعها على الألياف الضوئية للإضاءة والتصوير والدعم الجراحي الدقيق.

العسكرية والفضاء

تحل الألياف الضوئية محل النحاس في الاتصالات العسكرية وحافلات البيانات وأنظمة الطيران، مما يوفر مناعة EMI ومقاومة التنصت. تستخدم جيروسكوبات الألياف الضوئية على نطاق واسع في أنظمة توجيه الطائرات والصواريخ.