كيف تعمل كابلات الاتصالات البصرية الألياف حقًا؟
في أبسطه ، يتكون كابل الألياف الضوئية للاتصالات من خيوط زجاجية ، مثل الخيوط ، حول قطر شعر الإنسان ، يمكن لكل منها نقل الرسائل المعدلة على موجات الضوء بسرعة الضوء. إنها توفر عرض نطاق ترددي أكبر من كبل الأسلاك النحاسية وأصبحت الخيار المتنقل لتلبية متطلبات عصر الإنترنت حيث يجب توزيع كميات كبيرة من البيانات (على سبيل المثال ، تطبيقات البث) على الآلاف من المشتركين ، على بعد أميال وعلى الفور. لا توجد كابلات الألياف البصرية في أنظمة الاتصالات فحسب ، بل يتم استخدامها أيضًا في شبكات الصناعية ، والاستشعار ، وتطبيقات إلكترونيات الطيران.
الخطوة الأولى لفهم كيفية عمل الألياف البصرية هي فهم ما يحدث عند إرسال الضوء عبر الهواء أو الماء. يسافر الضوء كموجة. عندما تمر عبر الهواء ، تفقد الموجة بعض الطاقة وتصبح أكثر انتشارًا. والنتيجة هي أن شعاع الضوء يصبح أوسع وأقل كثافة. ويسمى هذا فقدان الشدة التوهين.
عندما يدخل الضوء إلى الماء ، فإنه لا يفقد أي طاقة. بدلاً من ذلك ، ينحني حول جزيئات الماء ، مما يجعل من السهل على الضوء المرور. يتباطأ الماء أيضًا سرعة الضوء بعامل 1/V2 حيث V هي سرعة الضوء في الماء. هذا يعني أن الضوء يسافر عبر الماء سيسافر أبعد مما لو كان يسافر عبر الهواء. تستخدم الألياف البصرية هذه المبادئ لنقل البيانات من نقطة إلى أخرى.
تتكون معظم الألياف البصرية المستخدمة اليوم من خيوط زجاجية (جوهر) مصنوعة من السيليكا النقية المحاطة بمواد الكسوة المصنوعة من السيليكا المخدرة. النواة صغيرة جدًا لدرجة أن شعاعًا واحدًا من الضوء فقط في طول موجي معين يمكنه السفر حتى النهاية. وتسمى هذه الألياف الوضع المفرد. في هذا التصميم ، تحتوي طبقة الكسوة على فهرس الانكسار الأدنى وتعمل مثل المرآة للحفاظ على الوضع داخل القلب. تُعرف هذه الظاهرة باسم الانعكاس الداخلي الكلي.
يعتمد أداء الألياف البصرية على مدى قدرتها على نقل الضوء. طريقة واحدة لقياس ذلك هي قياس فقدان العودة (يسمى أيضًا فقدان الإدراج) للألياف. يتم تعريف فقدان العودة على أنها النسبة بين الطاقة في الاتجاه الأمامي والقوة في الاتجاه المعاكس. إذا كانت خسارة العائد مرتفعة ، فسيضيع المزيد من الضوء عند السفر عبر الألياف أكثر مما لو كانت فقدان العودة منخفضة.
مزايا كابلات الألياف البصرية
الألياف البصرية لها العديد من المزايا على الأسلاك النحاسية التقليدية:
1. الأداء الناقل عالي السرعة
تقوم وسائط الألياف الضوئية بنقل الإشارات من خلال نبضات الفوتون ، ويمكن أن يصل معدل نقله إلى ألف مرة من الكابلات النحاسية (عادةً 100+ gbps) ، وهو مناسب بشكل خاص لسيناريوهات التطبيق مع متطلبات صارمة في الوقت الفعلي مثل خدمات نقل وسائط البث السحابية 4K/8K. حققت الألياف الضوئية ذات الوضع المفرد معدل انتقال اختراق من 1 petabit/s في البيئات المختبرية.
2. ultra-large سعة النطاق الترددي
بفضل التطبيق الناضج لتكنولوجيا تقسيم الطول الموجي (WDM) ، يمكن للألياف البصرية الواحدة أن تحمل في وقت واحد إشارات بصرية لأطوال موجية مختلفة مثل C-band (1530-1565 nm) و L-Band (1565-1625 nm). من خلال تقنية تعدد الإرسال الكثيفة ذات الطول الموجي (DWDM) ، يمكن تحقيق أكثر من 96 قناة من ناقل حركة متوازي من الألياف أحادية الألياف ، حيث تصل نظريًا إلى مئات من سعة عرض النطاق الترددي على مستوى TBPS.
3. خصائص انتقال الخسارة المنخفضة
تحتوي الألياف البصرية الكوارتز على معامل توهين من 0. 2db/km في نافذة 1550nm. بفضل تقنية مضخم الألياف الألياف (EDFA) Erbium ، يمكن أن تحقق مسافة نقل خالية من الترحيل تزيد عن 100 كيلومتر. بالمقارنة ، فإن فقدان كابل النحاس CAT6A هو 21.3dB لكل 100 متر في 100 ميجا هرتز.
4. خصائص المناعة الكهرومغناطيسية
تستخدم الألياف البصرية هيكل الدليل الموجي Sio₂ العازلة لنقل الإشارات ، والتي تتجنب بشكل أساسي المشكلات التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) ومشاكل تداخل التردد الراديوي (RFI) التي تواجهها كابلات النحاس. هذه الميزة تجعلها لا يمكن تعويضها للأسلاك في بيئات كهرومغناطيسية قوية مثل المحطات الفرعية عالية الجهد (أكبر من أو تساوي 500 كيلو فولت) وغرف معدات التصوير بالرنين المغناطيسي الطبية.
5. آلية الأمن
يوجد خطر تسرب المعلومات لنظام الألياف الضوئية بشكل أساسي في معدات الإنهاء. لا يوجد إشعاع كهرومغناطيسي أثناء الإرسال. يمكن أن تراقب تقنية OTDR شذوذ الخسارة البصرية على مستوى 0. 01db في الوقت الحقيقي. وفقًا لمعايير NIST SP 800-53 ، يصل أمان الطبقة المادية لقناة الألياف البصرية إلى مستوى حماية الفئة الثالثة ، والذي يتجاوز بكثير مستوى الفئة الأولى من كابل النحاس.
أنواع كابل الألياف البصرية
هناك نوعان أساسيان من الألياف والوضع المفرد و multimode. الألياف الضوئية ذات الوضع الواحد أصغر في القطر الأساسي (8. 3-10 microns) وتحتفظ بمزايا من حيث عرض النطاق الترددي والوصول إلى مسافات أطول ، في حين أن الألياف البصرية متعددة الأدوار لها أقطار أساسية أكبر (50 ميكرونًا أو أكبر).
يتم استخدام تقنية الألياف الضوئية بطرق عديدة اليوم. يتم استخدامه لنقل إشارات الصوت والفيديو ، وحمل بيانات الكمبيوتر ، وإرسال المعلومات عبر مسافات طويلة.
تُستخدم الألياف البصرية لتصنيع التنظير التي تسمح للأطباء بعرض داخل جسم الإنسان وإجراء عملية جراحية دون الحاجة إلى إجراءات شرطية غازية. يمكن للألياف الأساسية الكبيرة أن تحمل طاقة ليزر لتسهيل إزالة الوشم وتنظيف المعالم التاريخية وتشغيل أنظمة الدفاع الموجهة بالليزر.
يسمح استشعار الألياف البصرية الموزعة (DFOs) باستخدام كامل طول الألياف البصرية كجهاز استشعار. يمكن أن تحتوي هياكل مثل أنابيب الوقود والجسور وأجنحة الطائرات على ألياف بصرية مدمجة فيها للكشف عن المعلمات مثل الإجهاد أو درجة الحرارة أو الصوت وتساعد على ضمان سلامتها الهيكلية.
