مزايا اتصالات الألياف الضوئية
● قدرة اتصالات كبيرة
● مسافة تتابع طويلة
● محصن ضد التداخل الكهرومغناطيسي
● موارد وفيرة
● خفيفة الوزن وصغيرة الحجم من الألياف الضوئية
تاريخ موجز لتطوير الاتصالات البصرية
● منذ أكثر من 2000 عام: أبراج المنارة – الأضواء وإشارات العلم
● 1880: الهاتف البصري – اتصالات بصرية لاسلكية
● 1970: اتصالات الألياف الضوئية
● 1966: اقترح الدكتور كاو كوين "أبو الألياف الضوئية" لأول مرة فكرة اتصالات الألياف الضوئية.
● 1970: قام كابرون من معهد كورنينج بإنتاج ألياف بصرية بخسارة قدرها 20 ديسيبل/كم.
● 1977: أول خط تجاري في شيكاغو بسرعة 45 ميجا بايت/ثانية.
الطيف الكهرومغناطيسي
الانكسار/الانعكاس والانعكاس الداخلي الكلي للضوء
ولأن الضوء ينتقل بسرعات مختلفة في المواد المختلفة، فعندما ينتقل الضوء من مادة إلى أخرى، يحدث الانكسار والانعكاس عند السطح البيني بين المادتين. علاوة على ذلك، تتغير زاوية الضوء المنكسر بتغير زاوية الضوء الساقط. عندما تصل زاوية الضوء الساقط إلى زاوية معينة أو تتجاوزها، يختفي الضوء المنكسر، وينعكس كل الضوء الساقط مرة أخرى؛ هذا هو الانعكاس الداخلي الكلي. تكسر المواد المختلفة الضوء ذو الطول الموجي نفسه بزوايا مختلفة (أي أن المواد المختلفة لها مؤشرات انكسار مختلفة)، والمادة نفسها تكسر الضوء ذو الأطوال الموجية المختلفة بزوايا مختلفة. يعتمد اتصال الألياف الضوئية على هذه المبادئ. توزيع الانعكاسية: من المعلمات المهمة التي تميز المواد الضوئية هو معامل الانكسار، الذي يُشار إليه بالرمز N. إن نسبة سرعة الضوء C في الفراغ إلى سرعة الضوء V في المادة هي مؤشر انكسار المادة.
N＝C/V
يبلغ معامل انكسار زجاج الكوارتز المستخدم في اتصالات الألياف الضوئية حوالي 1.5.
هيكل الألياف البصرية
يتكون كابل الألياف الضوئية العاري بشكل عام من ثلاث طبقات:
الطبقة الأولى: نواة زجاجية ذات معامل انكسار -عالي- (يبلغ قطر النواة بشكل عام 9-10 ميكرومتر، (وضع فردي) 50 أو 62.5 (متعدد الأوضاع).
الطبقة الثانية: كسوة زجاجية من السيليكون - ذات معامل انكسار منخفض - في المنتصف (يبلغ القطر بشكل عام 125 ميكرومتر).
الطبقة الثالثة: طبقة خارجية من الراتنج المقوى.
المعرفة الأساسية للضوء
1) النواة: معامل انكسار عالي، يستخدم لنقل الضوء؛
2) الطلاء: معامل الانكسار المنخفض، مع القلب، يشكل ظروفًا للانعكاس الداخلي الكلي؛
3) السترة: قوة عالية، يمكنها تحمل تأثير أكبر، وتحمي الألياف الضوئية.
كابل ألياف ضوئية 3 ملم برتقالي MM متعدد الأوضاع
وضع فردي SM باللون الأصفر
أبعاد كابلات الألياف الضوئية:
يبلغ القطر الخارجي عادة 125 ميكرومتر (متوسط شعر الإنسان هو 100 ميكرومتر)
القطر الداخلي: الوضع الفردي-9 ميكرومتر، الوضع المتعدد 50/62.5 ميكرومتر
الفتحة العددية
لا تنتقل جميع حوادث الضوء الواقعة على الوجه النهائي للألياف الضوئية عبر الألياف؛ يتم نقل حادثة الضوء فقط ضمن نطاق زاوي معين. وتسمى هذه الزاوية بالفتحة العددية للألياف الضوئية. تعد الفتحة الرقمية الأكبر مفيدة لربط الألياف الضوئية. تختلف الفتحة العددية بين الألياف الضوئية المصنعة من قبل شركات مختلفة.
أنواع الألياف الضوئية
بناءً على طريقة نقل الضوء داخل الألياف، يمكن تصنيف الألياف الضوئية إلى:
الوضع المتعدد-(ملم)
الوضع الفردي-(SM)
ألياف متعددة الأوضاع: تحتوي على قلب زجاجي مركزي أكثر سمكًا (50 أو 62.5 ميكرومتر)، مما يسمح بنقل أوضاع متعددة للضوء. ومع ذلك، فإن تشتتها متعدد الوسائط كبير، مما يحد من تردد الإشارات الرقمية المرسلة، ويتفاقم هذا القيد مع زيادة المسافة. على سبيل المثال، الألياف التي تبلغ سعتها 600 ميجابايت/كم سيكون لها عرض نطاق 300 ميجابايت/كم فقط عند مسافة 2 كم. ولذلك، فإن الألياف متعددة الأوضاع- لها مسافة إرسال قصيرة نسبيًا، عادةً بضعة كيلومترات فقط.
ألياف أحادية الوضع -: تحتوي على قلب زجاجي مركزي أرق (يبلغ قطره عادةً 9 أو 10 ميكرومتر)، مما يسمح بنقل وضع واحد فقط من الضوء. وهو في الأساس نوع من الألياف ذات المؤشر المتدرج-، ولكن بقطر أساسي صغير جدًا. من الناحية النظرية، فهو يسمح فقط لمسار واحد من ضوء الخط المستقيم-بالدخول إلى الألياف والانتشار في خط مستقيم داخل القلب. توسيع نبض الألياف هو الحد الأدنى. ولذلك، فإن تشتتها بين الوسائط صغير جدًا، مما يجعلها مناسبة للاتصالات لمسافات طويلة-. ومع ذلك، يلعب التشتت اللوني دورًا رئيسيًا، مما يعني أن الألياف ذات الوضع الفردي- لها متطلبات عالية للعرض الطيفي واستقرار مصدر الضوء، أي أن العرض الطيفي يجب أن يكون ضيقًا ويجب أن يكون الاستقرار جيدًا.
تصنيف الألياف البصرية
حسب المادة:
● الألياف الزجاجية: كل من اللب والكسوة مصنوعان من الزجاج. خسارة منخفضة، مسافة نقل طويلة، تكلفة عالية.
● ألياف السيليكون مع الغلاف: القلب من الزجاج، والكسوة من البلاستيك. خصائص مماثلة للألياف الزجاجية، وانخفاض التكلفة.
● الألياف البلاستيكية: كل من اللب والكسوة مصنوعان من البلاستيك. خسارة عالية، مسافة نقل قصيرة جدًا، سعر منخفض جدًا. يُستخدم على نطاق واسع في الأجهزة المنزلية، وأجهزة الصوت، ونقل الصور-على مسافة قصيرة.
● من خلال نافذة تردد الإرسال الأمثل: الألياف ذات الوضع الفردي التقليدي- والألياف المشتتة-الألياف ذات الوضع الفردي المتحرك-.
● التقليدية: تعمل الشركات المصنعة للألياف على تحسين تردد نقل الألياف لطول موجي واحد، مثل 1300 نانومتر.
● التشتت-Shifted: تعمل الشركات المصنعة للألياف على تحسين تردد نقل الألياف لطولين موجيين، مثل 1300 نانومتر و1550 نانومتر.
● التحول المفاجئ: يتغير معامل الانكسار فجأة من القلب إلى الكسوة الزجاجية. منخفضة التكلفة، عالية التشتت المتعدد الوسائط. مناسب للاتصالات -القصيرة والمنخفضة السرعة-، مثل التحكم الصناعي. ومع ذلك، فإن الألياف ذات الوضع الواحد- لها تشتت متعدد الوسائط منخفض جدًا، لذا فهي جميعها ألياف مؤشرة متدرجة.
●ألياف مؤشرة-متدرجة: يتناقص معامل الانكسار تدريجيًا من القلب إلى الكسوة، مما يسمح للضوء ذو الوضع العالي- بالانتشار بشكل جيبي. وهذا يقلل من التشتت متعدد الوسائط، ويزيد من عرض النطاق الترددي للألياف، ويطيل مسافة الإرسال، ولكنه أكثر تكلفة. معظم الألياف متعددة الأوضاع اليوم هي ألياف مؤشرة متدرجة-.
