أسس الإتصال بالألياف الضوئية
السلام عليكم:-
هاي نبذة بسيطة عن الألياف الضوئية
أسس الاتصالات بالألياف الضوئية
Fundamentals of Fiber Optic Communication
تعتبر الاتصالات بالألياف الضوئية أحد فروع الإلكترونيات الضوئية Optoelectronics التي تدمج نوعين أساسيين من العلوم هما الإلكترونيات والضوء. ويعتمد علم الإلكترونيات الضوئية على معالجة الإشارات الكهربائية وتحويلها إلى إشارات ضوئية ( وبالعكس ) وطرق نقل المعلومات ضوئياً وذلك بتحميلها على إشارات ضوئية ذات طول موجي مناسب للإرسال ثم استخلاصها من الإشارات الضوئية المستقبلة في طرف الاستقبال.
وقد أدى التقدم العلمي والتكنولوجي الذي ظهر في القرن العشرين إلى ثورة هائلة في المعلومات وفي علوم الاتصالات حيث أصبح العالم قرية صغيرة. ونتيجة لذلك كان لابد من إيجاد وسط نقل جيد يستوعب كميات كبيرة من المعلومات وذي مواصفات عالية. وكان هذا الوسط هو الليف الضوئي الذي يمتاز بمزايا جديرة بالثقة حيث يمكن نقل المعلومات ضمن الليف بعرض مجال من مرتبةGbps بالإضافة إلى فعاليته ضد التشويش وسرعته العالية وصغر حجمه وخفة وزنه.
* لماذا الألياف الضوئية:
تتميز الألياف الضوئية بمزايا عديدة جعلتها تتفوق على النظم الأخرى المستخدمة في مجال الاتصالات ومن هذه المميزات ما يلي:
* إن الميزة الرئيسية للألياف الضوئية هي كفاءتها العالية في نظم الاتصالات عريضة المجال Broad Band, مما يوفر إمكانية نقل كمية معلومات كبيرة جداً بواسطة ليف ضوئي واحد, وهذه المعلومات قد تكون صوراً تلفزيونية أو مكالمات هاتفية أو معلومات للحواسيب أو مزيج منها, وللمقارنة نجد أنه من أجل نظام اتصالات بالترددات العالية Very High Frequency ( VHF ) يعمل عند التردد 100MHz يكون عرض المجال المسموح به 10MHz، ومن أجل نظام اتصالات ميكروي يعمل عند التردد 6GHz يكون عرض المجال المسموح به 100MHz, وهكذا فإن الزيادة في تردد الحامل تقابلها زيادة في عرض المجال المسموح به وبالتالي زيادة في كمية المعلومات المتبادلة, إن تردد الضوء المستخدم في نظام الاتصالات بالألياف الضوئية يتراوح بين 1014Hz و 1015Hz ومن هنا نجد أن عرض المجال المسموح به كبير. وتجدر الإشارة إلى أن هناك نظم اتصالات بالألياف الضوئية تعمل بعرض مجال للمعلومات يبلغ 2.5Gbit/s، ويتجه التفكير نحو إيجاد نظم اتصالات بعرض مجال يبلغ 10Gbit/s مستقبلاً، الأمر الذي يبين بوضوح مدى كفاءة نظم الاتصالات بالألياف الضوئية في تلبية متطلبات نظم الاتصالات الحديثة.
* المادة الأساسية لصناعة الألياف الضوئية هي ثاني أوكسيد السيليكون المتوفر بكثرة, وتصنع بعض الألياف الضوئية من البلاستيك الشفاف وهي مادة أخرى متوفرة بسهولة, وبالنسبة لنفقات الإنشاء والتشغيل والصيانة نجد أنه من أجل الخطوط الطويلة تعتبر الكابلات الليفية أقل كلفة للنقل وأسهل للتركيب من الكابلات المعدنية, فمن أجل ليف ضوئي قطره 125mm وبغلاف بلاستيكي ذي قطر 2.5mm يبلغ وزن الكابل 6kg/km، كما يبلغ التخامد فيه 5dB/km, وبالمقارنة مع الكابل المحوري RG-19/U والذي يبلغ تخامده 22.6dB/km عندما ينقل إشارة بتردد 100MHz، كما يبلغ قطره الخارجي 28.4 mm ويبلغ وزنه 1110 kg/km، الأمر الذي يبين بوضوح أفضلية الليف الضوئي من حيث الحجم والوزن, ونظرا لهذه الميزة فقد تم استبدال الكابلات النحاسية في كثير من الطائرات والبواخر بألياف ضوئية.
* وبإجراء مقارنة أخرى بين كابل معدني وآخر ضوئي، يبلغ قطر الكابل المعدني 70mmويحتوي على 900 زوج من الأسلاك المجدولة Twisted pair cable ويعمل كل منها بمعدل نقل 2Mbit/s وبسعة 30 قناة هاتفية لكل زوج لتبلغ سعة الكابل المعدني الكلية 27000 قناة هاتفية, بينما نجد أن الكابل الضوئي يبلغ قطره 12.7 mm ويحتوي 32 ليفاً يعمل كل منهم عند المعدل 140 Mbit/s وبسعة 1920 قناة هاتفية لكل ليف فتبلغ السعة الإجمالية للكابل الضوئي61440 قناة هاتفية, الأمر الذي يوضح تميز الكابل الضوئي على الكابل المعدني من حيث سعة المعلومات ومساحة مقطع الكابل, هذا مع العلم أن الكابل المعدني بإمكانه نقل الإشارة بالمعدل 2Mbit/s فقط لمسافات قصيرة تبلغ في أحسن الأحوال عدة مئات من الأمتار.
* إن الألياف الضوئية سواء الزجاجية منها أو البلاستيكية هي عوازل وبالتالي فهي تمتاز بمناعة عالية ضد التداخل في مجال الترددات الراديوية ( RFI ) Radio Frequency Interference وضد التداخل الكهرطيسي ( EMI ) Interference Electromagnetic لعدم وجود تيارات كهربائية تمر في الألياف الضوئية. يشير الـ ( RFI ) إلى التداخل الناتج عن محطات التلفزيون والراديو والإشارات الرادارية أو أي إشارات أخرى تنشأ في التجهيزات الكهربائية, ويشير ( EMI ) إلى التداخل الناتج عن خطوط نقل القدرة الكهربائية الموجودة في محيط الألياف الضوئية وكذلك الذي تسببه الظواهر الطبيعية كالبرق.
* نظراً لأن الضوء هو الوسط الناقل للمعلومات في الألياف الضوئية ولا يولد هذا الضوء أية حقول كهرطيسية خارج الليف فإن من الصعوبة بمكان التجسس ومعرفة المعلومات التي يحويها الليف الضوئي, كما أن من الصعوبة معرفة وجود الليف الضوئي بسبب المادة المصنع منها ولا يوجد جزء معدني إلا في بعض الحالات حيث تتم إضافة سلك فولاذي لتقوية الكابل الضوئي, أو تسليح معدني لحماية الكابل من القوارض والأحمال الخارجية.
* كما أن الألياف الضوئية تعتبر أكثر أماناً لكونها لا تحمل تيارات كهربائية وبالتالي تسهل صيانتها, ولذلك فهي تفضل في حالة الأوساط القابلة للاشتعال أو الانفجار. بالإضافة إلى أنه يمكن إصلاح الليف أثناء تشغيل النظام من غير إمكانية حدوث قصر للتيار عند المرسل أو المستقبل, الأمر الذي يمكن أن يحدث عند إصلاح كابل معدني.
* ما هو الليف الضوئي :Optical Fiber
الليف عبارة عن خيط رفيع من الزجاج أو البلاستيك مؤلف من طبقتين: الأولى طبقة داخلية شفافة للضوء تدعى القلب Core والثانية غلاف ذو قرينة انكسار أقل يدعى الغلاف Cladding ويحيط بالطبقتين غلاف خارجي للحماية
يتميز القلب بمعامل انكسار n1 والغلاف بمعامل انكسار n2 حيث يكون دائماًn1 > n2 .
* كيف ينتشر الضوء في الألياف الضوئية Light Propagation In The Optical Fibers:
تنتشر الأشعة الضوئية في القلب منعكسة على الغلاف ويعتمد انتشار الضوء ضمن القلب على الزاوية التي يرد بها على السطح الفاصل بين القلب والغلاف. فعندما تكون زاوية الورود أكبر من الزاوية الحرجة فإن الأشعة الضوئية الواردة على السطح الفاصل بين القلب والغلاف تنعكس كلياً لتبقى ضمن القلب, وتتكرر هذه الحادثة عدة مرات خلال انتشارها ضمن القلب إلى أن تخرج من الطرف الآخر
*أنواع الألياف الضوئية:
يمكن تصنيف الألياف الضوئية وفقا لمعيارين:
1 - نمط الانتشار: يصف مسار انتشار الضوء في الليف الضوئي فإذا كان هناك مسار وحيد لانتشار الضوء في الليف الضوئي سمي هذا الليف بوحيد النمط ( Mono Mode ) وإذا كان هناك أكثر من مسار لانتشار الضوء سمي بمتعدد الأنماط( Multi Mode ) إن الليف متعدد الأنماط أكثر انتشارا من الليف وحيد النمط لأن له خصائص عملية أفضل,..
2 - مخطط تغيرات معامل الانكسار: يقصد به تغير معامل الانكسار مع تغير نصف قطر قلب الليف الضوئي وتصنف الألياف وفق ذلك إلى نموذجين رئيسيين:
a- الليف الضوئي ذو معامل الانكسار الدرجي Step-Index Fiber [ SI ]: حيث يبقى معامل انكسار القلبn1 ثابت وكذلك الحال بالنسبة لمعامل انكسار الغلافn2 ولكنه يكون كما أشرنا سابقا أصغر من معامل انكسار القلب بحيث يكون هناك تغير مفاجئ عند السطح الفاصل بين القلب والغلاف.
b- الليف الضوئي ذو معامل الانكسار المتدرج Graded-Index Fiber [ GRIN ] : في هذا النموذج يكون القلب ذو معامل انكسار متغير تبعاً للبعد عن محور الليف حيث يكون له قيمة أعظمية عند محور الليف وتنخفض تدريجياً بالابتعاد عن المحور.
.
ووفقاً للمعيارين السابقين فإنه يوجد في الواقع العملي ثلاثة أنواع للألياف:
1– الليف وحيد النمط ذو معامل الانكسار الدرجيMono Mode Step-Index Fiber .
2– الليف متعدد الأنماط ذو معامل الانكسار الدرجي Multimode Step-Index Fiber.
3– الليف متعدد الأنماط ذو معامل الانكسار المتدرجMultimode Graded-Index Fiber .
* نظام الاتصالات بالألياف الضوئية:
* منابع الضوء Light Sources:
تقوم المنابع الضوئية بوظيفة تحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية مع تقديم الاستطاعة الكافية للتغلب على التخامد الذي يحدث للإشارة الضوئية لتصل إلى طرف الاستقبال بمستوى استطاعة أعلى من حساسية المستقبل.
يتم اختيار المنبع الضوئي وفقاً لنظام الاتصالات المراد إنشاؤه, أي حسب معدل الإرسال والمسافة المراد تغطيتها وكذلك نوع الليف الضوئي المستخدم, وفيما يلي نستعرض أهم أنواع المنابع الضوئية المستخدمة في الاتصالات الضوئية:
1– الثنائي المصدر للضوء Light Emitting Diode ( LED ):
يتألف الثنائي المصدر للضوء بشكله البسيط من وصلة Junction بين مادتين نصف ناقلتين مختلفتين, إحداهما ( n-type ) والأخرى ( p-type ). عندما يطبق جهد انحياز أمامي على طرفيها فإن تياراً كهربائياً سيمر عبرها ويرافق هذا المرور تحرير كمات Quantum من الطاقة الكهرطيسية على شكل فوتونات مضيئة.
توضع الرقاقة نصف الناقلة المصدرة للضوء ضمن تشكيلة هيكلية لحمايتها من التعرض المباشر للبيئة المحيطة ولتأمين أسلاك التوصيل إلى الرقاقة بشكل عملي. كما يجب أن تصمم هذه التشكيلة بحيث تساهم في زيادة فعالية الطاقة الضوئية الصادرة من الثنائي..
وعند ملاحظة مختلف نماذج الإشعاع للثنائيات LEDs نجد أن الصفة التي تشترك فيها جميع أنواع الثنائيات LEDs هي توسع الحزمة الضوئية الصادرة عنها بشكل سريع مما يؤدي إلى ضياعات كبيرة عند إقترانها مع الألياف الضوئية ولذلك يمكن إضافة عدسة خارجية إلى النظام تعيد تركيز الحزمة الضوئية لتدخل بكاملها في قلب الليف
» مطلوب نظام اطفاء حريق بغاز fm200 داخل اللوحات الكهربيه ولوحات ال mcc
» SCADA(تعريف عام بنظام الاسكادا)
» (هندسه القوى والألات الكهربيه)....المحول الكهربى
» جزاكم الله كل خير
» الصدمة(المطرقه) المائية..اسبابها , مشاكلها , الحلول...
» شكر للسيد الأستاذ الدكتور....صلاح مصطفي حماده
» الموضوع/نظام التحكم الآلي (الأسكادا) لمعدات محطة مياه الشرب والمأخذ
» أفكارنا هي السبب الرئيسي لأمراضنا