تُستخدم الألياف الضوئية في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك الاتصالات وتوصيل الشبكات المحلية بين أجهزة الكمبيوتر. تقوم هذه الألياف بنقل الإشارات من نقطة إلى أخرى بكفاءة عالية. في هذا المقال، سنتناول الألياف الضوئية وتطبيقاتها بشكل موسع.
ما هي الألياف الضوئية
- الألياف الضوئية هي خيوط شفافة وصغيرة جداً تُصنع من البلاستيك أو السيليكا.
- تُستخدم هذه الألياف لنقل الضوء بين أطرافها، ولها تطبيقات عديدة، أبرزها في مجال الاتصالات.
- تساعد الألياف الضوئية على نقل البيانات عبر مسافات طويلة، وتُعتبر بديلاً أفضل عن الأسلاك النحاسية.
- حيث تضمن هذه الألياف انتقال الإشارات بسرعة أكبر وبخسائر أقل مقارنة بالأسلاك المعدنية.
- تتميز الألياف الضوئية بخصائص تمنع التداخل الكهرومغناطيسي.
- تحتوي كابلات الألياف على عدد من الخيوط المُصنعة من الزجاج أو البلاستيك، حيث يبلغ قطرها أقل من عشر قطر شعرة الإنسان، لكنها قادرة على نقل حتى 25,000 مكالمة هاتفية في وقت واحد.
- تُستخدم الألياف في مجالات التصوير والإضاءة أيضاً.
أنواع الألياف الضوئية
تتواجد الألياف الضوئية في نوعين الأساسيين، حيث يختلف كل منهما حسب الاستخدام:
الألياف الضوئية أحادية النمط
- تحتوي كل حزمة ضوئية على ألياف منفصلة تقوم كل منها بنقل إشارة ضوئية واحدة فقط. تُستخدم هذه الألياف في كابلات الهاتف والتلفزيون.
- يتميز هذا النوع بوجود قلب زجاجي صغير يصل قطره إلى 9 مايكرون، ويستخدم أشعة الليزر تحت الحمراء للنقل.
الألياف الضوئية متعددة الأنماط
- تقوم الألياف متعددة الأنماط بنقل عدة إشارات ضوئية عبر الليفة الضوئية ذاتها، مما يجعلها مثالية للاستخدام في شبكات الكمبيوتر.
- يكون قطرها أكبر حيث يصل إلى 26.5 مايكرون، وتنقل الأشعة تحت الحمراء من خلالها.
مكونات نظام الألياف الضوئية
يتكون نظام الألياف الضوئية من ثلاثة مكونات رئيسية كما يلي:
المرسل
- يعمل المرسل كمصدر الضوء الرئيسي، سواء كان ليزر أو صمام ثنائي ضوئي.
- يتولى إنتاج وتشفير الإشارة الضوئية، فعلى سبيل المثال، عند نقل إشارة تلفزيونية، يقوم بتحويل الإشارة وفقاً لنوع المعلومات المُراد نقلها.
الألياف البصرية
- تقوم الألياف البصرية بنقل الإشارة الضوئية لمسافات طويلة.
المستقبل
- يستقبل المستقبل الإشارة الضوئية ويقوم بفك تشفيرها، مما يسمح بتحويلها إلى إشارة كهربائية تُرسل إلى الأجهزة مثل التلفزيون أو الهاتف.
مميزات الألياف الضوئية
- تتميز الألياف الضوئية بقدرتها على تحمل درجات الحرارة العالية.
- إن حجمها صغير جداً، حيث يصل قطر الليفة البصرية إلى حجم الشعرة.
- تُعتبر خفيفة الوزن، مما يسهل نقلها وإدارتها.
- تمتاز بعمر طويل مقارنةً بالأنظمة الأخرى المستخدمة في نقل البيانات.
- تكلفة الألياف الضوئية منخفضة، حيث تُنتج من مواد موجودة في الرمال، مما يجعل عملية تصنيعها سهلة وغير مكلفة.
- تُظهر مقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي الناتج عن الأجهزة الكهربائية.
- لا تشتعل، مما يجعلها آمنة للاستخدام في العديد من التطبيقات، بما في ذلك التصوير الطبي.
مكونات الليف الضوئي
يتكون الليف الضوئي من أسطوانتين، حيث يكون القلب هو الأسطوانة الداخلية، ويحيط به الغلاف، ثم يتم تغطيته بغطاء واقٍ خارجي. إليكم التفاصيل:
القلب
- القلب هو اسطوانة زجاجية صغيرة تمر فيها الأشعة الضوئية، ويتم تصنيعه من سيليكا مدعمة بالجرمانيوم.
الغلاف
- الغلاف هو اسطوانة تحيط بالقلب الزجاجي، تساعد في حفظ الضوء وتوفير الحماية للمركز.
- صُنع هذا الغلاف من السيليكا لضمان أن معامل انكسار القلب أكبر من معامل انكسار الغلاف، مما يؤدي إلى العملية الانعكاسية.
- تتكرر الانعكاسات داخل القلب مما يساعد في نقل الضوء بشكل فعال.
الغطاء الواقي
- عبارة عن غلاف مصنوع من البلاستيك يُحمي الليف الضوئي من العوامل الجوية مثل الرطوبة ويقيه من الكسر.
- يوجد غطاء خارجي (جاكيت) يُحمي مجموعة الألياف الضوئية.
تطبيقات الألياف الضوئية
تتنوع تطبيقات الألياف الضوئية بشكل كبير، أهمها:
استخدامات الألياف الضوئية في مجال الاتصالات
- تُستخدم الألياف الضوئية في الاتصالات الهاتفية، حيث تعتمد عليها العديد من شركات الاتصالات.
- أيضاً تُستخدم في نقل الإشارات التلفزيونية، مما يتيح عرض العديد من القنوات والفيديوهات من خلال كابل يتكون من حزمة من الألياف الضوئية.
- تُساعد الألياف الضوئية في محطات الكهرباء في نقل المعلومات بكفاءة.
- بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدامها في الطائرات والسفن بسبب خفة وزنها وسهولة نقلها.
الاستخدامات الطبية للألياف الضوئية
- تظهر الألياف الضوئية أهمية كبرى في التطبيقات الطبية، مثل استخدامها في العمليات الجراحية والمناظير الداخلية.
- تتميز الألياف بحجمها الصغير، حيث يتراوح من 200 إلى 400 ميكرون، مما يسهل استخدامها في إجراء العمليات.
- تُستخدم أيضاً في إجراءات جراحية مثل استئصال البروستاتا الحميدة، وتفتيت حصوات الكلى، وإزالة الأورام السرطانية في الرئتين.
- في المنازل، تُستخدم الألياف الضوئية لتوفير الضوء للأعضاء الداخلية، وتساعد في الحصول على صور دقيقة من خلال الحزم الضوئية.
- تُستخدم الألياف المتعددة المرنة والصلبة في تصوير الأعضاء الداخلية عبر شقوق صغيرة في الجلد.
- تقوم بإرسال طاقة الليزر عبر الألياف لتوفير إضاءة تساعد في تصوير المرضى، كما تُستخدم أيضاً في القياس الطيفي عن بُعد.
استخدام الألياف الضوئية في الأجهزة الطبية
- تُعتبر الألياف الضوئية من الأساليب الرئيسية في التصوير داخل الجسم، وتساعد على إضاءة المناطق الداخلية من خلال المناظير.
- يستخدم الأطباء المناظير الداخلية لتشخيص عدد من الحالات الصحية مثل الغثيان وآلام البطن، مما يتيح لهم تقديم العلاج المناسب.
- تُستخدم أجهزة الاستشعار الضوئية لقياس الخصائص الفسيولوجية، مثل قياس معدل ضربات القلب ودرجات حرارة الجسم.
فكرة عمل الألياف الضوئية
- تعتمد فكرة الألياف الضوئية على انتقال الضوء في خطوط مستقيمة، مما يسهل تدفقه عبر الألياف.
- في حال حدوث انحناءات، يتم استخدام الانعكاس على جدران القلب الزجاجي لنقل الضوء.
- هذه الجدران لا تمتص الضوء، بل تعكسه، مما يسهل انتقال الضوء لمسافات طويلة.
