كيف تعمل الألياف البصرية

خطوط الألياف الضوئية هي خيوط من الزجاج النقي بصريًا رقيقة مثل شعرة الإنسان التي تحمل المعلومات الرقمية عبر مسافات طويلة. كما أنها تستخدم في التصوير الطبي وفحص الهندسة الميكانيكية. لقد حلت محل التكنولوجيا القديمة للأسلاك النحاسية في الاتصالات السلكية واللاسلكية.

في هذه المقالة ، سنوضح لك كيف تنقل هذه الخيوط الصغيرة من الزجاج الضوء والطريقة الرائعة التي تصنع بها هذه الخيوط.

المحتويات

1. ما هي الألياف البصرية ؟

2.How تنقل الألياف الضوئية الضوء ؟

3. نظام ترحيل الألياف البصرية

4. مزايا الألياف البصرية

5.How تصنع الألياف الضوئية ؟

ما هي الألياف البصرية ؟

الألياف البصرية (الألياف الضوئية) هي خيوط طويلة ورفيعة من الزجاج النقي للغاية حول قطر شعرة الإنسان. يتم ترتيبها في حزم تسمى الكابلات الضوئية وتستخدم لنقل الإشارات الضوئية عبر مسافات طويلة.

إذا نظرت عن كثب إلى ليف بصري واحد ، فسترى أنه يحتوي على الأجزاء التالية:

الأساسية - مركز رقيقة من الألياف حيث يسافر الضوء

الكسوة - المواد البصرية الخارجية المحيطة الأساسية التي تعكس الضوء مرة أخرى في جوهر

العازلة - طلاء البلاستيك واقية تطبيقها مباشرة على الألياف البصرية

سترة - الطبقة الخارجية واقية من الكابل الذي يحمي الألياف من التلف والرطوبة

يتم ترتيب المئات أو الآلاف من هذه الألياف الضوئية في حزم في الكابلات الضوئية.

الألياف البصرية تأتي في نوعين:

الألياف أحادية النمط

ألياف متعددة الأوضاع

تحتوي الألياف أحادية الوضع على نوى صغيرة (قطرها حوالي 3.5 × 10-4 بوصات أو 9 ميكرون) وتنقل ضوء ليزر الأشعة تحت الحمراء (الطول الموجي = 1300 إلى 1550 نانومتر أو نانومتر). تحتوي الألياف متعددة الأوضاع على نوى أكبر (حوالي 2.5 × 10-3 بوصات أو 62.5 ميكرون في القطر) وتنقل ضوء الأشعة تحت الحمراء (الطول الموجي = 850 إلى 1300 نانومتر) من الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs).

يمكن صنع بعض الألياف الضوئية من البلاستيك. هذه الألياف لها نواة كبيرة (قطرها 0.04 بوصة أو 1 ملليمتر) ويمكن استخدامها مع رقائق السيليكون. لا تعمل الألياف الزجاجية بشكل جيد مع السيليكون وهي مكلفة للتكيف.

كيف تنقل الألياف الضوئية الضوء ؟

لنفترض أنك تريد تسليط شعاع مصباح يدوي أسفل ممر طويل ومستقيم. فقط قم بتوجيه الشعاع مباشرة إلى أسفل الردهة — light travels in straight lines, so it is no problem. What if the hallway has a bend in it? You could place a mirror at the bend to reflect the light beam around the corner. What if the hallway is very winding with multiple bends? You might line the walls with mirrors and angle the beam so that it bounces from side-to-side all along the hallway. This is exactly what happens in an optical fiber.

ينتقل الضوء الموجود في كابل الألياف الضوئية عبر القلب (المدخل) عن طريق الارتداد المستمر من الكسوة (الجدران المبطنة بالمرآة) ، وهو مبدأ يسمى الانعكاس الداخلي الكلي. نظرًا لأن الكسوة لا تمتص أي ضوء من القلب ، يمكن لموجة الضوء أن تسافر لمسافات طويلة.

ومع ذلك ، يتم فقدان بعض الإشارات داخل الألياف لأنها تسافر لمسافات أطول. يعتمد مدى تدهور الإشارة على نقاء الزجاج وعدد الانحناءات في الألياف أو التوصيلات التي تربط أقسام الألياف والطول الموجي للضوء المرسل.

على سبيل المثال ، مع الألياف متعددة الأوضاع ، أقطار 850 نانومتر = 3 ديسيبل / كم ؛ 1300 نانومتر = 1 ديسيبل / كم. لكابل الوضع الفردي ، 1310 نانومتر = 0.5 ديسيبل / كم ؛ 1550 نانومتر = 0.4 ديسيبل / كم).

نظام ترحيل الألياف البصرية

لفهم كيفية استخدام الألياف الضوئية في أنظمة الاتصالات ، دعونا نلقي نظرة على مثال من فيلم أو فيلم وثائقي عن الحرب العالمية الثانية حيث تحتاج سفينتان بحريتان في أسطول إلى التواصل مع بعضهما البعض مع الحفاظ على صمت الراديو أو في البحار العاصفة. سفينة واحدة تسحب إلى جانب الأخرى. يرسل قبطان إحدى السفن رسالة إلى بحار على سطح السفينة. يقوم البحار بترجمة الرسالة إلى شفرة مورس (النقاط والشرطات) ويستخدم ضوء إشارة (مصباح كاشف به مصراع من النوع الفينيسي الأعمى) لإرسال الرسالة إلى السفينة الأخرى. يرى بحار على سطح السفينة الأخرى رسالة شفرة مورس ، ويفك شفرتها إلى اللغة الإنجليزية ويرسل الرسالة إلى القبطان.

الآن ، تخيل القيام بذلك عندما تكون السفن على جانبي المحيط مفصولة بآلاف الأميال ولديك نظام اتصال بالألياف الضوئية بين السفينتين. تتكون أنظمة ترحيل الألياف الضوئية مما يلي:

الارسال - تنتج وترميز الإشارات الضوئية

الألياف البصرية - تجري إشارات الضوء على مسافة

مولد بصري - قد يكون ضروريًا لتعزيز إشارة الضوء (لمسافات طويلة)

المتلقي البصري - يستقبل ويفك تشفير الإشارات الضوئية

مزايا الألياف البصرية

لماذا تُحدث أنظمة الألياف الضوئية ثورة في الاتصالات ؟ بالمقارنة مع الأسلاك المعدنية التقليدية (الأسلاك النحاسية) ، الألياف البصرية:

هي أقل تكلفة. يعتبر كابل الألياف الضوئية أغلى من الأسلاك النحاسية ، ولكنه يتطلب أيضًا صيانة أقل. على المدى الطويل ، يوفر لك المال ومزود الإنترنت الخاص بك.

أرق. يمكن سحب الألياف الضوئية إلى أقطار أصغر من الأسلاك النحاسية.

لديك قدرة تحمل أعلى. نظرًا لأن الألياف الضوئية أرق من الأسلاك النحاسية ، يمكن تجميع المزيد من الألياف في كابل بقطر معين مقارنة بالأسلاك النحاسية. يسمح هذا لمزيد من خطوط الهاتف بالمرور عبر نفس الكابل أو المزيد من القنوات للدخول عبر الكابل إلى صندوق تلفزيون الكابل الخاص بك.

لديك تدهور إشارة أقل. فقدان الإشارة في الألياف الضوئية أقل من الأسلاك النحاسية.

لا يوجد تداخل من الإشارات الضوئية. على عكس الإشارات الكهربائية في الأسلاك النحاسية ، لا تتداخل الإشارات الضوئية من ألياف واحدة مع إشارات الألياف الأخرى في نفس الكبل. هذا يعني محادثات هاتفية أو استقبال تلفزيوني أوضح.

لديك طاقة أقل. نظرًا لأن الإشارات الموجودة في الألياف الضوئية تتحلل بدرجة أقل ، يمكن استخدام أجهزة إرسال منخفضة الطاقة بدلاً من أجهزة الإرسال الكهربائية عالية الجهد اللازمة للأسلاك النحاسية. مرة أخرى ، هذا يوفر عليك وعلى مزودك المال.

هل لديك إشارات رقمية. تعتبر الألياف الضوئية مناسبة بشكل مثالي لنقل المعلومات الرقمية ، وهو أمر مفيد بشكل خاص في شبكات الكمبيوتر.

غير قابلة للاشتعال. نظرًا لعدم تمرير الكهرباء عبر الألياف الضوئية ، فإنها لا تولد حرارة ، مما يقلل من خطر نشوب حريق.

خفيفة الوزن. يزن الكبل البصري أقل من كابل الأسلاك النحاسية المماثلة (4 أرطال أو 2 كيلوغرام لكل 1000 قدم أو 305 متر ، مقابل 39 رطلاً أو 18 كيلوغرامًا لكل 1000 قدم). تشغل كابلات الألياف الضوئية مساحة أقل في الأرض أيضًا.

مرنة. نظرًا لأن الألياف الضوئية مرنة جدًا ويمكنها نقل الضوء واستقباله ، يتم استخدامها في العديد من الكاميرات الرقمية المرنة للأغراض التالية:

التصوير الطبي - في القصبات ، المناظير ، المناظير

التصوير الميكانيكي - فحص اللحامات الميكانيكية في الأنابيب والمحركات (في الطائرات والصواريخ والمكوكات الفضائية والسيارات)

السباكة - لفحص خطوط الصرف الصحي

بسبب هذه المزايا ، ترى الألياف البصرية في العديد من الصناعات ، وأبرزها الاتصالات السلكية واللاسلكية وشبكات الكمبيوتر. على سبيل المثال ، إذا اتصلت بأوروبا على خط أرضي من الولايات المتحدة (أو العكس) وارتدت الإشارة عن قمر صناعي للاتصالات ، فغالبًا ما تسمع صدى على الخط. ولكن مع كابلات الألياف الضوئية عبر المحيط الأطلسي ، لديك اتصال مباشر بدون أصداء.

كيف تصنع الألياف الضوئية ؟

الآن بعد أن عرفنا كيف تعمل أنظمة الألياف الضوئية ولماذا تكون مفيدة ، كيف تصنعها ؟ الألياف البصرية مصنوعة من زجاج بصري نقي للغاية. نعتقد أن النافذة الزجاجية شفافة ، ولكن كلما زاد سمك الزجاج ، أصبح أقل شفافية بسبب الشوائب الموجودة في الزجاج. ومع ذلك ، فإن الزجاج الموجود في الألياف الضوئية يحتوي على شوائب أقل بكثير من زجاج النوافذ.

يتطلب صنع الألياف الضوئية الخطوات التالية:

1. جعل اسطوانة الزجاج التشكيل

2. رسم الألياف من التشكيل

3. اختبار الألياف

جعل التشكيل فارغة

يتكون زجاج التشكيل من خلال عملية تسمى الترسيب الكيميائي المعدل للبخار (MCVD).

في MCVD ، يتم فقاعات الأكسجين من خلال حلول رابع كلوريد السيليكون (SiCl4) ، رابع كلوريد الجرمانيوم (GeCl4) ، ثلاثي كلوريد الفوسفور (PoCl3) و / أو مواد كيميائية أخرى. يحكم الخليط الدقيق الخصائص الفيزيائية والبصرية المختلفة (مؤشر الانكسار ، معامل التمدد ، نقطة الانصهار ، إلخ). ثم يتم إجراء أبخرة الغاز إلى داخل السيليكا الاصطناعية أو أنبوب الكوارتز (الكسوة) في مخرطة خاصة. عندما تتحول المخرطة ، يتم تحريك الشعلة لأعلى ولأسفل خارج الأنبوب. تتسبب الحرارة الشديدة من الشعلة في حدوث شيئين:

يتفاعل السيليكون والجرمانيوم مع الأكسجين ، مكونين ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) وثاني أكسيد الجرمانيوم (GeO2).

يترسب ثاني أكسيد السيليكون وثاني أكسيد الجرمانيوم داخل الأنبوب ويندمجان معًا لتشكيل الزجاج.

تتحول المخرطة باستمرار لعمل طلاء متساوٍ وفارغ ثابت. يتم الحفاظ على نقاء الزجاج باستخدام البلاستيك المقاوم للتآكل في نظام توصيل الغاز (كتل الصمامات والأنابيب والأختام) والتحكم الدقيق في تدفق وتكوين الخليط. عملية جعل التشكيل فارغًا مؤتمتة للغاية وتستغرق عدة ساعات. بعد أن يبرد التشكيل الفارغ ، يتم اختباره لمراقبة الجودة (مؤشر الانكسار).

رسم الألياف من التشكيل فارغة

بمجرد اختبار التشكيل الفارغ ، يتم تحميله في برج رسم الألياف.

يتم إنزال الفراغ في فرن الجرافيت (3452 إلى 3992 درجة فهرنهايت أو 1900 إلى 2200 درجة مئوية) ويذوب الطرف حتى تسقط الكرة المنصهرة بفعل الجاذبية. عندما يسقط ، يبرد ويشكل خيطًا.

يقوم المشغل بربط الشريط من خلال سلسلة من أكواب الطلاء (الطلاءات العازلة) وأفران المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية على بكرة يتم التحكم فيها بواسطة جرار. تقوم آلية الجرار بسحب الألياف ببطء من التشكيل الساخن فارغًا ويتم التحكم فيها بدقة باستخدام ميكرومتر ليزر لقياس قطر الألياف وتغذية المعلومات مرة أخرى إلى آلية الجرار.

يتم سحب الألياف من الفراغ بمعدل يصل إلى 66 قدمًا / ثانية (20 م / ث) ويتم لف المنتج النهائي على البكرة. ليس من غير المألوف أن تحتوي البكرات الفردية على أميال أو كيلومترات من الألياف الضوئية.

اختبار الألياف البصرية النهائية

يتم اختبار الألياف الضوئية النهائية لما يلي:

قوة الشد. يجب أن تحمل 100 ، 000 رطل / in2 أو أكثر

ملف تعريف مؤشر الانكسار. تحديد الفتحة العددية وكذلك الشاشة للعيوب البصرية

هندسة الألياف. قطر الأساسية ، أبعاد الكسوة وقطر طلاء موحدة

التوهين. تحديد مدى أن الإشارات الضوئية من مختلف الأطوال الموجية تتحلل على مسافة

قدرة حمل المعلومات (عرض النطاق الترددي). عدد الإشارات التي يمكن حملها في وقت واحد (ألياف متعددة الأوضاع)

تشتت لوني. انتشار موجات مختلفة من الضوء من خلال جوهر (مهم لعرض النطاق الترددي)

نطاق درجة حرارة التشغيل / الرطوبة

الاعتماد على درجة الحرارة من التوهين

القدرة على إجراء الضوء تحت الماء. مهم للكابلات البحرية

بمجرد اجتياز الألياف لمراقبة الجودة ، يتم بيعها لشركات الهاتف وشركات الكابلات ومقدمي الشبكات. استبدلت معظم الشركات أنظمتها القديمة القائمة على الأسلاك النحاسية بأنظمة جديدة قائمة على الألياف الضوئية لتحسين السرعة والسعة والوضوح.