علم الألياف الضوئية: الوظائف والاستخدامات في العالم الحقيقي

الألياف الضوئية (Fiber Optic) هي شعيرات رفيعة جداً مصنوعة من الزجاج النقي أو البلاستيك المتقدم، وتُستخدم بشكل أساسي لنقل الضوء الذي يمكن أن تقطيعه ليحمل المعلومات عبر مسافات طويلة وبسرعة هائلة.

تختلف تركيبة الألياف الضوئية وتصميمها حسب الغرض من استخدامها، فهناك ألياف تُستخدم للإنارة التزيينية، مثل تلك الموجودة في الإعلانات أو الزينة الخارجية، وهناك أخرى تُستخدم في نقل البيانات والمعلومات الرقمية، وهو ما سنركز عليه هنا.

كيف يتم تغليف الألياف الضوئية؟

لأن الألياف الضوئية رقيقة جداً ومعرضة للتلف، فإنها تُغلف بعدة طبقات حماية تختلف حسب نوع الكابل:

1-     الكابل الداخلي (Indoor Cable):

يُستخدم داخل المباني والمنشآت.

يتكون من:

•       طبقة خارجية من البلاستيك المرِن تحمي باقي الطبقات.

•       خيوط من الحرير أو الساتان تمنع التمدد.

•       غلاف بلاستيكي صغير يحتوي على الشعرة الضوئية.

•       جاكيت داخلي من المطاط يحمي الألياف من الانحناء والضغط.

•       شعرة ضوئية مركزية من الزجاج النقي، قد تكون بسمك شعرة الإنسان أو أقل.

•       طبقة عاكسة تحيط بالشعرة لتوجيه الضوء داخلياً.

•       طبقات إضافية للحماية تُصنع من البلاستيك أو المواد الخاصة.

2-     الكابل الخارجي (Outdoor Cable):

•       يُستخدم في البيئات الخارجية الصعبة (تحت الأرض أو حتى في قاع المحيطات).

•       تتشابه البنية الداخلية مع الكابل الداخلي، لكن الطبقة الخارجية تكون أكثر متانة، وقد

تحوي على:

•       طبقات معدنية لحمايته من الرطوبة والعوامل الجوية.

•       أحزمة معدنية أو أنابيب حماية لتحمل الضغوط الشديدة.

•       بعض كبلات المحيطات قد يصل قطرها إلى 150 ملم بسبب طبقات الحماية المتعددة.

•       تحتوي على عدد أكبر من الشعيرات الضوئية (من 4 إلى 6912 شعيرة).

نوعا الألياف الضوئية الأساسيان:

1-     طراز Single Mode:

•       يستخدم لنقل الإشارات لمسافات طويلة جداً، تصل إلى 50 كيلومتراً أو أكثر دون الحاجة إلى مكرر (Repeater)

•       قطر الشعرة الضوئية رفيع جداً (حوالي 9 ميكرون)، مما يسمح بمرور شعاع ضوئي واحد فقط.

•       يستخدم بكثرة في الاتصالات بعيدة المدى والبنية التحتية الأساسية.

2-     طراز Multimode

•       يسمح بمرور عدة أنماط من الضوء في نفس الوقت.

•       يُستخدم لمسافات أقصر، عادة لا تتجاوز 2 كيلومتر .

•       قطر الشعرة أكبر (عادة بين 50 إلى 62.5 ميكرون)

•       يمتاز بنقل بيانات بسرعات عالية ضمن نطاقات قصيرة، ويستخدم غالباً في الشبكات المحلية.

كيف تتحول البيانات إلى ضوء ينتقل عبر الألياف؟

في نظام الألياف الضوئية، لا يتم نقل البيانات بصيغتها الكهربائية، بل تُحوَّل أولاً إلى إشارات ضوئية :

1. في الجانب المرسل (Transmitter)
   • تصل البيانات (مثل صوت، صورة، أو أي معلومات رقمية) إلى جهاز يُدعى "المُرسل".
   • هذا الجهاز يحتوي على ديود ليزر أو LED يُضاء أو يطفأ بسرعة كبيرة وفقاً لمحتوى البيانات.
   • يتم "تقطيع" الضوء إلى نبضات تمثل الصفر والواحد (Binary Data)

2. داخل الألياف: تنتقل هذه النبضات الضوئية عبر الشعرة الزجاجية باستخدام مبدأ الانعكاس الداخلي الكلي، حيث ينعكس الضوء مراراً دون فقد كبير بمستواها.

3. في الجانب المستقبل (Receiver)
   • يلتقط المستقبل هذه النبضات الضوئية.
   • ثم يُعيد تحويلها إلى إشارات كهربائية يمكن فهمها من قبل الأجهزة الإلكترونية.

لماذا أصبحت الألياف الضوئية ثورة في عالم الاتصالات؟

مقارنةً بالكابلات النحاسية التقليدية، تمتلك الألياف الضوئية ميزة تنافسية كبيرة:

• قدرة نقل هائلة: يمكن نقل تيرابايتات من البيانات في الثانية الواحدة.
• تخميد ضعيف جداً:  أي أن الإشارة تبقى قوية لمسافات طويلة.
• مقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي: لا تتأثر بالإشارات الأخرى أو المجالات الكهربائية.
• أقل تكلفة على المدى البعيد: رغم ارتفاع تكلفة التركيب، إلا أنها أكثر استدامة.
• أمان عالٍ:  من المستحيل تقريباً التجسس عليها عن بعد، لأنها لا تطلق إشعاعات كهرومغناطيسية.

كيف تُنقل الصور والفيديوهات التماثلية عبر الألياف الضوئية؟

يمكن نقل الصور والفيديوهات التماثلية عبر الألياف الضوئية بكل سهول حيث تقوم الكاميرا بارسال إشارة كهربائية تمثل الصورة تحول هذا الإشارة إلى نبضات ضوئية بواسطة المُرسل و تنتقل هذه النبضات عبر الألياف إلى مكان بعيد، حين تصل للمستقبل، يُعاد تحويل الإشارة لإشارة كهربائية يمكن عرضها على شاشة أو تخزينها.

يمكن للشعيرة الضوئية الواحدة أن تنقل إشارات عدة كاميرات في نفس اللحظة، وذلك باستخدام تقنيات متقدمة مثل Time Division Multiplexing أو Wavelength Division Multiplexing.

يمكن نقل الاشارات عبر الألياف الضوئية بنمطين رئيسيين:

نمط  Point to Point

•       اتصال مباشر بين جهازين.

•       مثال: كاميرا أو مجموعة كاميرات في موقع ما تُرسل إشارة مباشرة إلى جهاز تسجيل في موقع آخر.

نمط Node System network

•       الجهاز يحتوي على منفذين: مدخل و مخرج لإعادة الإرسال.

•       يمكن استقبال الإشارة ومعالجتها أو إعادة إرسالها إلى جهاز آخر.

•       يُستخدم في الشبكات المعقدة التي تتطلب إعادة توزيع البيانات.

هل يمكن التحكم بالكاميرات عبر الألياف الضوئية؟

نعم هناك أنواع من المبدلات (Switches) والأجهزة الوسيطة التي تنقل إشارة الصورة + إشارة التحكم للكاميرات المتحركة  (PTZ)

•       يمكنك التحكم في دوران الكاميرا، تكبير/تصغير، تركيز، وغيرها.

•       كما توجد أجهزة تدعم نقل الصوت والصورة وإشارة التحكم جميعها عبر نفس الألياف.

فيصل العطري

نشر أول مرة سنة 2007