مع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا ، توسعت الألياف الضوئية في مجالات الاتصالات والإلكترونيات والطاقة الكهربائية ، لتصبح مادة أساسية جديدة واعدة. كما أن تقنية الألياف الضوئية المصاحبة تفوز أيضًا بمصلحة الأشخاص من&بأسلوب جديد ومريح.
وظيفة نقل الطاقة الكاملة
استخدمت شركة Larian Corporation في الولايات المتحدة الألياف الضوئية بنجاح لإكمال وظيفة نقل الطاقة ، وفتحت طريقة جديدة تمامًا في مجال الطاقة. يستخدمون صمامات ليزر أشباه الموصلات في الطرف المرسل لتحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء ليزر لنقلها في الألياف الضوئية ، واستخدام الخلايا الشمسية كجهاز طرف استقبال. يستخدم هذا الجهاز زرنيخيد الغاليوم بسمك 300 ميكرون كركيزة عازلة ومغطاة بخلية شمسية بسمك 20 ميكرون. وهي مقسمة إلى 6 مناطق مستقلة ، متصلة في سلسلة بواسطة جسور هوائية مطلية بالذهب. عندما يضرب ضوء الليزر المنقول بواسطة الألياف الضوئية الخلية الشمسية ، تتحول طاقة الضوء على الفور إلى طاقة كهربائية. الجهد المتولد من كل منطقة هو بالضبط 1 فولت ، وللمناطق الستة المتتالية جهد 6 فولت ، وهو ما يكفي لدائرة التحكم لمعظم أجهزة الاستشعار.
تستخدم على نطاق واسع
إذا زادت طاقة الصمام الثنائي الليزري بشكل مستمر وتزويده بنظام نقل طاقة كامل ، فيمكن استخدام نقل طاقة الألياف الضوئية على نطاق واسع في الجوانب العسكرية والصناعية والتجارية وغيرها. يستخدم مختبر Bogen الفرنسي&# 39 ؛ والمتخصص في أجهزة الكمبيوتر والمعدات الإلكترونية ومعالجة الإشارات وتكنولوجيا الصور ، السوليتون البصري والنبضات القصيرة لتحقيق انتقال خالٍ من التشويه في الألياف الضوئية. يمكن لهذه التقنية أن تحل مشاكل التشتت اللوني والتأثيرات غير الخطية دون الحاجة إلى أجهزة تجديد متعددة على طول الكابل البصري. تحتاج فقط إلى إعداد مكبر للصوت كل 100 كيلومتر أو نحو ذلك عند العمل. يمكن أن تمر الموجات المنفردة من خلال بعضها البعض دون التدخل مع بعضها البعض. يقال أن هذه التكنولوجيا الجديدة تستخدم في الغواصة البحرية في نطاق 6450-12900 كيلومتر ويمكن أن تحل مشكلة صعوبات الاتصال. تم تصميم تقنية اتصالات الألياف الضوئية للإشارة غير المنتظمة التي طورها خبراء أمن الاتصالات الأمريكيون خصيصًا للتعامل مع أجهزة التنصت&المتفشية والمتطورة بشكل متزايد. تقوم هذه التقنية أولاً بتحويل المعلومات المفيدة مثل الصوت إلى إشارات نبضية رقمية ، ثم تقوم بترميز إشارات النبض الرقمية هذه وتعديلها على حاملات ميكروويف عشوائية تتغير بشكل غير منتظم. عند الإرسال ، يرسل جهاز إرسال الليزر إشارة الناقل غير المنتظمة التي تحمل المعلومات إلى جهاز الاستقبال عبر نظام اتصالات الألياف الضوئية. يستخدم مستقبل الليزر في المستقبل تقنية خاصة للمزامنة والتنسيق الديناميكي مع جهاز الليزر المرسل ، وأخيرًا يكمل مهمة إزالة تشكيل الإشارات المفيدة من الموجات الحاملة غير المنتظمة. باستخدام هذه التقنية ، لن يعود التنصت مفيدًا بعد الآن ، بل سيسمعون ضوضاء فوضوية فقط. طورت أستراليا بولين مؤخرًا مقياس وزن بالألياف يمكنه وزن الشاحنات بألياف واحدة وأخرى ليزر. يستخدم هذا النوع من موازين الألياف أليافًا ضوئية ذات خصائص مقاومة خاصة جدًا. عندما تكون تحت ضغط أو توتر ، فإن الألياف الضوئية سوف تتشوه قليلاً ، مما يتسبب في تغيير خصائص الليزر. في هذا الوقت ، سيتعلم الكاشف على الفور هذا التغيير ويحوله إلى تغيير إشارة كهربائية. ينعكس هذا على لوحة العرض الخاصة بالجهاز. نظرًا لأن الألياف الضوئية مصنوعة من الزجاج ، فإنها تتمتع بمقاومة للرطوبة والإشعاع. والأهم من ذلك أنه من السهل تركيبها وصيانتها. إنه مناسب للتركيب على الطرق الرئيسية في المناطق الحضرية ، حول المصانع والمطارات والمدارج والمستودعات والموانئ. عمل مستمر لمدة 24 ساعة. لذلك ، بالإضافة إلى الوزن ، يمكن أن تلعب أيضًا دورًا في المراقبة ، والدقة أكبر بكثير من دقة الأجهزة الإلكترونية الموجودة.
الألياف البصرية البلاستيكية
وفقًا لتقرير حديث من مجلة US Journal ، فإن الألياف الضوئية البلاستيكية التي طورتها شركة Boston Optical Fiber Corporation ، ماساتشوستس ، تتمتع بسرعة نقل أسرع 30 مرة من الأسلاك النحاسية القياسية الحالية ، وهي أخف وزنًا وأكثر مرونة وأقل تكلفة من الألياف الزجاجية. . يستخدم هذا النوع من الألياف الضوئية انكسار الضوء أو وضع القفز للضوء في الألياف للوصول إلى سرعة إرسال أعلى ، ويمكنه نقل البيانات بسرعة 3 ميغا بت في الثانية في غضون 100 متر. في الوقت الحاضر ، تم مد 370000 كيلومتر من الكابلات الضوئية البحرية في جميع أنحاء العالم. يمكن لهذا الطول تقريبًا أن يدور حول الأرض 10 مرات. علاوة على ذلك ، نظرًا لاستخدام الليزر في كلا الطرفين ، لم تعد هناك حاجة إلى مكررات لتضخيم الإشارات أثناء الإرسال ، مما سيقلل بشكل كبير من التكلفة وتكاليف الاتصال. وفقًا للتقارير ، فإن الكبل البصري البحري الأكبر سعة في العالم&الذي يربط بين أوروبا والولايات المتحدة على وشك الافتتاح. يتم وضع كابل الألياف البصرية للاتصالات البحرية الذي يربط العالم. هذا هو أروع مشروع في مجال الاتصالات في القرن العشرين وتدعمه 30 منظمة اتصالات دولية حول العالم. يعبر المحيط الأطلسي ، ويعبر البحر الأبيض المتوسط ، ويمر عبر البحر الأحمر والمحيط الهندي ، ويعبر مضيق ملقا إلى المحيط الهادئ. يبلغ طوله الإجمالي ما يقرب من 320،000 كيلومتر ، وهو يتصل بـ 175 دولة ومنطقة ، ويمكنه إجراء 2.4 مليون مكالمة هاتفية أو إرسال مئات الآلاف من الصور المضغوطة في نفس الوقت. تكلف المشروع بأكمله 14 مليار دولار أمريكى ومن المتوقع أن يكتمل فى عام 2003.
مبدأ التكوين
تتكون تقنية الألياف الضوئية بشكل عام من ثلاثة أجزاء: طرف إرسال الإشارة الضوئية ، والألياف الضوئية المستخدمة لنقل الإشارة الضوئية ، وطرف استقبال الإشارة الضوئية.
تتمثل وظيفة الطرف المرسل للإشارة الضوئية في تحويل الإشارة الكهربائية المراد إرسالها إلى إشارة ضوئية من خلال جهاز تحويل كهربائي بصري. حاليًا ، يستخدم جهاز التحويل الكهروضوئي لطرف الإرسال بشكل عام الصمام الثنائي الباعث للضوء أو أنبوب الليزر شبه الموصّل. طاقة الخرج من الصمام الثنائي الباعث للضوء منخفضة نسبيًا ، ومعدل تعديل الإشارة منخفض نسبيًا ، لكن السعر رخيص. إن طاقة ضوء الخرج وتيار القيادة خطيان بشكل أساسي ضمن نطاق معين ، وهو أكثر ملاءمة لنقل الإشارات على مسافة قصيرة ، وسرعة منخفضة ، وتناظرية ؛ قوة خرج الصمام الثنائي كبيرة ، ومعدل تعديل الإشارة مرتفع ، لكن السعر مرتفع نسبيًا ، وهو مناسب لنقل الإشارات الرقمية لمسافات طويلة وعالية السرعة. تتمثل وظيفة الألياف الضوئية في نقل الإشارة الضوئية في نهاية الإرسال إلى الطرف المستقبل للإشارة الضوئية بأقل قدر ممكن من التوهين والتشويه. في الوقت الحاضر ، يتم استخدام الألياف الضوئية بشكل عام في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة 0.84 جيجا جرام أمبير ؛ ميكرو ؛ متر 1.31 جيجا جرام أمبير ؛ ميكرو ؛ متر 、 1.55 جيجا جرام أمبير ؛ ميكرو ؛ إم متعدد الوضع أو وضع أحادي ألياف الكوارتز مع نفاذية جيدة. تتمثل وظيفة الطرف المستقبل للإشارة الضوئية في استعادة الإشارة الضوئية إلى الإشارة الكهربائية المقابلة من خلال جهاز التحويل الكهروضوئي. يستخدم جهاز التحويل الكهروضوئي بشكل عام الثنائي الضوئي لأشباه الموصلات أو الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي. يجب أن يتطابق الطول الموجي الباعث للضوء لمصدر الضوء الذي يشكل نظام نقل الألياف الضوئية مع نطاق الطول الموجي لنافذة الخسارة المنخفضة لألياف الإرسال ونطاق ذروة الاستجابة لجهاز الكشف الكهروضوئي. يعتمد جهاز التحويل الكهروضوئي للإرسال على الطول الموجي المركزي للانبعاثات البالغ 0.84 جيجا جرام أمبير ؛ ميكرو ؛ m الصمام الثنائي الباعث للضوء بالقرب من أشباه الموصلات والأشعة تحت الحمراء ، تعتمد ألياف النقل على ألياف الكوارتز متعددة الأوضاع ، ويعتمد جهاز التحويل الكهروضوئي المستلم الطول الموجي لاستجابة الذروة 0.8 جيجا أمبير ؛ ميكرو ؛ m-0.9 جيجا أمبير ؛ ميكرو ؛ ثنائي ضوئي سيليكون. سيتم تقديم كل جزء أدناه.
جهاز إرسال إشارة بصري قابل للطي
يوضح الشكل 2 دائرة القيادة والتشكيل الخاصة بمصباح LED المستخدم في النظام. يعتمد تعديل الإشارة على طريقة تعديل شدة الضوء ، ويتم إرسال مقياس جهد شدة الضوء لضبط تيار القيادة الثابت المتدفق من خلال LED ، وبالتالي في المقابل تغيير قوة الضوء المنبعثة من مؤشر LED ، نطاق ضبط تيار القيادة الثابت الثابت هو 0-20 مللي أمبير ، بما يتوافق مع قيمة عرض شاشة عرض شدة نقل الضوء للوحة من 0-2000 وحدة ، عندما يكون تيار القيادة صغيرًا ، يكون الضوء انبعاث قوة انبعاث الصمام الثنائي والتيار الدافع خطي بشكل أساسي ، الصوت تقترن الإشارة بطرف الإدخال السالب لمضخم صوت آخر بعد عزله بواسطة المكثف وشبكة المقاوم ومكبر الصوت ، ويتم فرضه مع تيار القيادة الثابت للضوء- الصمام الثنائي الباعث لجعل الصمام الثنائي الباعث للضوء يرسل إشارة بصرية تتغير مع الإشارة الصوتية ، ثم من خلال مقرن الألياف الضوئية Th هي إشارة بصرية مقترنة بألياف الإرسال. يمكن تحديد النهاية المنخفضة لتردد الإشارة القابلة للإرسال بواسطة شبكة المكثف والمقاوم ، ولا تزيد استجابة التردد المنخفض للنظام عن 20 هرتز
جهاز استقبال إشارة بصري قابل للطي
إنه مخطط مبدأ العمل لطرف استقبال الإشارة الضوئية. تقرن ألياف الإرسال الإشارة الضوئية من طرف الإرسال إلى الصمام الضوئي لجهاز التحويل الكهروضوئي من خلال مقرن الألياف الضوئية. يقوم الثنائي الضوئي بتحويل الإشارة الضوئية إلى إشارة حالية تتناسب معها. يجب أن يكون الصمام الثنائي متحيزًا عكسيًا عند استخدامه ، ويتم تحويل إشارة التيار الضوئي إلى إشارة جهد تتناسب معها عن طريق تحويل الجهد الحالي لمكبر الصوت. تقترن الإشارة الصوتية الموجودة في إشارة الجهد بمضخم طاقة الصوت لدفع السماعة إلى الصوت من خلال المكثف والمقاومة. تكون استجابة التردد للصمام الضوئي عالية بشكل عام ، وتعتمد استجابة التردد العالي للنظام بشكل أساسي على تردد استجابة مضخم التشغيل.
ألياف ناقل الحركة
في الوقت الحاضر ، تستخدم الألياف الضوئية المستخدمة في الاتصالات البصرية بشكل عام ألياف السيليكا. وهي مغطاة بطبقة الكسوة مع مؤشر انكسار صغير n1 داخل القلب مع مؤشر انكسار كبير n2. يتم توزيع الضوء بالكامل على الواجهة بين النواة والكسوة. الانعكاس يقتصر على الانتشار في لب الألياف. كما هو مبين في الشكل 5 ، فإن الألياف الضوئية هي في الواقع نوع من الدليل الموجي العازل. يتم قفل الضوء في الألياف الضوئية ويمكن نقله فقط على طول الألياف الضوئية. يتراوح القطر الأساسي للألياف الضوئية بشكل عام من بضعة ميكرونات إلى مئات الميكرونات. وفقًا لوضع ضوء النقل ، يمكن تقسيمها إلى ألياف متعددة الأوضاع وألياف أحادية الوضع ، ويمكن تقسيمها إلى نوع خطوة معامل الانكسار وألياف متدرجة معامل الانكسار وفقًا للطرق المختلفة لتوزيع معامل انكسار الألياف. تحتوي الألياف من النوع التدريجي لمعامل الانكسار على وسيطين محوريين متناظرين دائريًا ، وكلاهما موحد في النسيج ، ولكن لهما مؤشرات انكسار مختلفة. معامل انكسار الطبقة الخارجية أقل من معامل انكسار الطبقة الداخلية.
الألياف المتدرجة هي نوع من الألياف التي يتم تصنيف معامل انكسارها على طول المقطع العرضي للألياف. الغرض من تغيير معامل الانكسار هو جعل سرعات المجموعة للأنماط المختلفة متشابهة ، وبالتالي تقليل التشتت النمطي وزيادة عرض النطاق الترددي للاتصال. تنتج الألياف من النوع التدريجي لمعامل الانكسار متعدد الأوضاع تشتتًا بينيًا بسبب سرعات المجموعة المختلفة لكل إرسال أسلوب ، وعرض نطاق الإرسال محدود. تزيد الألياف المصنفة بمؤشر الانكسار المتعدد الأوضاع من عرض النطاق الترددي لإرسال الإشارة بسبب توزيع معامل الانكسار الخاص بها ، مما يجعل سرعة مجموعة كل وضع إرسال هي نفسها. الألياف أحادية الوضع هي ألياف تنقل فقط وضعًا بصريًا واحدًا ، ويمكن للألياف أحادية الوضع أن تنقل أعلى عرض نطاق للإشارة. في الوقت الحاضر ، تُستخدم الألياف الضوئية أحادية الوضع في الغالب في الاتصالات الضوئية بعيدة المدى.
تشمل المؤشرات الفنية الرئيسية لألياف السيليكا خصائص التوهين والفتحة العددية والتشتت. الفتحة العددية: الفتحة العددية تصف خصائص الألياف المقترنة بمصدر الضوء والكاشف والأجهزة البصرية الأخرى. يعكس حجمها قدرة الألياف الضوئية على جمع الضوء. كما هو موضح في الشكل 5 ، ينعكس الضوء الساقط على الوجه النهائي للألياف الضوئية داخل الزاوية الصلبة 2θmax تمامًا على الواجهة الداخلية للألياف الضوئية المراد نقلها ، والضوء الساقط على الوجه النهائي للألياف الضوئية بالخارج النطاق 2θmax هو السطح البيني الداخلي للألياف لا ينتج انعكاسًا كليًا ولكنه ينتقل إلى الكسوة ويتم تخفيفه على الفور. يتم تعريف الفتحة العددية للألياف على النحو التالي: NA=Sinθmax ، وتتراوح قيمته عمومًا بين 0.1 و 0.6 ، و θmax المقابل بين 90 و 330 ، والألياف متعددة الأوضاع لها فتحة عددية كبيرة ، وفتحة رقمية للألياف أحادية الوضع صغيرة نسبيًا ، لذلك تحتاج الألياف أحادية الوضع عمومًا إلى ليزر أشباه الموصلات LD كمصدر للضوء.
