أبحث

الخميس، 28 يناير 2021

الألياف الضوئية، البصرية،والتقنيات المستخدمة لسرعة الإنترنت

الألياف الضوئية، البصرية،والتقنيات المستخدمة لسرعة الإنترنت optical-fiber

مقدمة

optical-fiber

الكثيرمن مستعملي الانترنيت يبحثون عن اتصال سريع بالانترنيت وأكثر موثوقية و بسرعة عالية جدًا. ومع ذلك ، تظل لغة المشغلين غامضة في بعض الأحيان.و في هذا المقال سنعرف المهتمين بهذه التكنولوجيا،التي تحمل اليوم قدراً عظيماً من البيانات والخدمات~،وصفحات النصوص الفائقة المنشورة على الوِيب، كما أنها تحمل خدمات وتطبيقات أخرى مثل البريد وخدمات التخاطب الفوري، وبرتوكولات نقل الملفات، والاتصال الصوتي وغيرها.

الانترنيت،الأسلاك النحاسية والألياف البصرية والوصلات اللاسلكية.


فمند وصول النطاق العريض (ADSL). الذي اصبح الاتصال عبرها شبه محدود للغاية من حيث السرعة ، وبتزايد الاشتراكات في الاتصال بها لم تعد مع مرور السنين تغطي حاجيات المنخرطين في الشبكة العنكبوتية حيث كانت تصل سرعتها القصوى البالغة إلى20 ميجابت في الثانية في ADSL و 100 ميجابت في الثانية في VDSL.

وكان الحل الانجع بعد ان ان ابتكر الباحثون روبرت كورنر ، ودونالد كيك ، وبيتر شولتز سلك الألياف البصرية أو "الألياف البصرية الموجية". (براءة الاختراع رقم 3،711،262) القادرة على حمل 65،000 مرة من المعلومات أكثر من الأسلاك النحاسية ، والتي من خلالها يمكن نقل المعلومات التي يحملها نمط من موجات الضوء فك شفرة في وجهة حتى على بعد آلاف الأميال.

تعريف الألياف الضوئية

تشير الألياف الضوئية إلى الوسيلة والتكنولوجيا المرتبطة بنقل المعلومات في شكل نبضات ضوئية في سلك أو ألياف زجاجية أو بلاستيكية.يحتوي كابل الألياف الضوئية على عدد من هذه الألياف الزجاجية ، من عدد قليل إلى حوالي مائتي. يتم تغليف قلب الألياف بطبقة أخرى من الزجاج تسمى "الكسوة البصرية". طبقة تسمى الطلاء تحمي الغلاف البصري ، ثم يضيف غلاف الكابل الطبقة الواقية النهائية.

كيف تم اختراع الألياف البصرية

البصريات الليفية هي الإرسال المتضمن للضوء من خلال قضبان الألياف الطويلة من الزجاج أو البلاستيك. ينتقل الضوء من خلال عملية الانعكاس الداخلي. الوسط الأساسي للقضيب أو الكابل أكثر انعكاسية من المواد المحيطة بالنواة. وهذا ما يجعل الضوء ينعكس مرة أخرى في القلب حيث يمكن أن يستمر في التنقل عبر الألياف. تستخدم كابلات الألياف البصرية لنقل الصوت والصور والبيانات الأخرى بالقرب من سرعة الضوء.

إن طرق ومواد الاتصال بالألياف الضوئية التي اخترعها فتحت الباب أمام تسويق الألياف البصرية. من خدمات الهاتف البعيدة إلى الإنترنت والأجهزة الطبية مثل المنظار الداخلي ، أصبحت الألياف الضوئية الآن جزءًا رئيسيًا من الحياة العصرية.

الجدول الزمني

في 1854 أظهر جون تيندال للجمعية الملكية أن الضوء يمكن أن يتم من خلال تيار مقوس من الماء ، مما يثبت أن الإشارة الضوئية يمكن أن تنحني.في 1880 اخترع ألكسندر جراهام بيل فيلمه " Photophone " ، الذي ينقل إشارة صوتية على شعاع من الضوء. ركز بيل ضوء الشمس مع مرآة ثم تحدث إلى آلية تهتز المرآة. في الطرف المتلقي ، التقط أحد الكاشف حزمة الاهتزاز وفكها مرة أخرى إلى صوت بنفس الطريقة التي استخدمها الهاتف مع الإشارات الكهربائية. 

ومع ذلك ، فإن العديد من الأشياء - مثل يوم غائم ، على سبيل المثال - يمكن أن تتداخل مع Photophone ، مما يتسبب في إيقاف Bell لإجراء أي بحث إضافي مع هذا الاختراع.في 1880 اخترع ويليام ويلر نظاماً من الأنابيب الضوئية المبطنة بطبقة عاكسة للغاية تضيء المنازل باستخدام الضوء من مصباح القوس الكهربائي الموضوعة في الطابق السفلي وتوجيه الضوء حول المنزل باستخدام الأنابيب.

في 1888استخدم الفريق الطبي من روث وراوس في فيينا قضبان زجاجية مثنية لإضاءة تجاويف الجسم.في 1895 صمم المهندس الفرنسي هنري سانت ريني نظامًا من قضبان زجاجية مثنية لتوجيه الصور الخفيفة في محاولة للتلفزيون المبكر.في  1898 تقدم الأمريكي ديفيد سميث بطلب للحصول على براءة اختراع على جهاز قضبان زجاجية مثنية لاستخدامها كمصباح جراحي.

في العشرينيات من القرن العشرين - بادر الباحث الإنجليزي جون لوجي بيرد والأميركي كلارنس دبليو هانسيل إلى الحصول على براءة لفكرة استخدام صفائف قضبان شفافة لنقل الصور للتلفزيون والفاكس على التوالي.في 1930 كان طالب الطب الألماني هاينريش لام أول شخص يجمع مجموعة من الألياف البصرية لحمل صورة. 

كان هدف لام هو النظر إلى أجزاء لا يمكن الوصول إليها من الجسم. خلال تجاربه ، أبلغ عن نقل صورة لمبة إضاءة. ومع ذلك ، كانت الصورة رديئة الجودة. تم رفض جهوده في تسجيل براءة اختراع بسبب براءة اختراع هانسيل البريطانية.في 1954 العالم الهولندي أبراهام فان هيل والعالم البريطاني هارولد. كتب H. هوبكنز على حدة أوراق على حزم التصوير. 

أبلغ هوبكنز عن حزم تصوير للألياف غير المغلفة بينما أبلغ فان هيل عن حزم بسيطة من الألياف المغطاة. قام بتغطية ألياف عارية مع كسوة شفافة من انخفاض معامل الانكسار. هذا يحمي سطح انعكاس الألياف من التشويه الخارجي ويقلل كثيرا من التداخل بين الألياف. في ذلك الوقت ، كانت أكبر عقبة أمام الاستخدام الفعال للألياف البصرية في تحقيق أدنى خسارة (ضوء) للإشارة.

في 1961 نشر إلياس سنازر من American Optical وصفًا نظريًا للألياف أحادية النمط ، وهي ألياف ذات قلب صغير جدًا يمكنها حمل الضوء باستخدام وضع موجي واحد فقط. كانت فكرة سنازر على ما يرام بالنسبة للأداة الطبية التي تبحث داخل الإنسان ، ولكن الألياف كانت بها خسارة خفيفة للديسيبل الواحد لكل متر. يجب أن تعمل أجهزة الاتصالات على مسافات أطول بكثير وتتطلب خسارة لا تزيد عن 10 أو 20 ديسيبل (قياس الضوء) لكل كيلومتر.

في 1964 تم تحديد مواصفات حرجة (ونظرية) من قبل الدكتور CK Kao لأجهزة الاتصالات بعيدة المدى. كانت المواصفات 10 أو 20 ديسيبل من فقدان الضوء لكل كيلومتر ، والتي تحدد المعيار. كما أوضح Kao الحاجة إلى شكل أنقى من الزجاج للمساعدة في تقليل فقدان الضوء.
في 1970 بدأ فريق من الباحثين بتجربة السليكا المزهر.

 وهي مادة قادرة على النقاوة الشديدة مع نقطة انصهار عالية ومؤشر انكسار منخفض. اخترع الباحثون روبرت كورنر ، ودونالد كيك ، وبيتر شولتز سلك الألياف البصرية أو "الألياف البصرية الموجية" (براءة الاختراع رقم 3،711،262) القادرة على حمل 65،000 مرة من المعلومات أكثر من الأسلاك النحاسية. 

يسمح هذا السلك للحصول على المعلومات التي يحملها نمط من موجات الضوء ليتم فك شفرته في وجهة حتى على بعد آلاف الأميال. وقد حل الفريق المشاكل التي قدمها الدكتور كاو.في 1975 قررت حكومة الولايات المتحدة ربط الحواسيب بمقر NORAD بجبل شايان باستخدام الألياف الضوئية للحد من التداخل.

في 1977 تم تركيب أول نظام اتصالات هاتفية ضوئية على بعد 1.5 ميل في وسط مدينة شيكاغو. كل ألياف ضوئية تحمل ما يعادل 672 قناة صوتية. بحلول نهاية هذا القرن ، تم نقل أكثر من 80 في المئة من حركة المرور لمسافات طويلة في العالم عبر كابلات الألياف الضوئية و 25 مليون كيلومتر من الكابل. تم تركيب كابلات مورير وكيك وشولتز في جميع أنحاء العالم.

البصريات الألياف الزجاجية في إشارة الجيش الأمريكي كورب


المعلومات التالية قدمها ريتشارد ستورزيبيشر. تم نشره في الأصل في منشور مؤسسة الجيش Monmouth Message .في عام 1958 ، في مختبرات جيش الإشارة الأمريكية في فورت مونموث نيوجيرزي ، كره مدير شركة كوبر كبل آند واير مشاكل نقل الإشارات الناجمة عن البرق والماء. وشجع مدير أبحاث المواد سام ديفيتا على إيجاد بديل للسلك النحاسي.

الألياف الضوئية، البصرية،والتقنيات المستخدمة لسرعة الإنترنت optical-fiber

 يعتقد سام أن الزجاج والألياف والإشارات الضوئية قد تنجح ، لكن المهندسين الذين عملوا لصالح سام أخبروه بأن الألياف الزجاجية ستنكسر.في سبتمبر 1959 ، طلب سام ديفيتا من اللفتنانت الثاني ريتشارد ستورزيبيخر إذا كان يعرف كيفية كتابة صيغة الألياف الزجاجية القادرة على نقل الإشارات الضوئية. وقد علمت DiVita أن Sturzebecher ، الذي كان يحضر مدرسة الإشارة ، قد ذابت ثلاثة أنظمة زجاجية ثلاثية المحاور باستخدام SiO2 لأطروحته العليا عام 1958 في جامعة Alfred.

عرف Sturzebecher الجواب.وذلك أثناء استخدام الميكروسكوب لقياس مؤشر الانكسار على زجاج SiO2 ، طور ريتشارد صداع شديد. يسمح مساحيق الزجاج SiO2 60 في المائة و 70 في المائة تحت المجهر بكميات أعلى وأعلى من الضوء الأبيض اللامع للمرور عبر شريحة المجهر وإلى عينيه. 
وتذكر Sturzebecher أن الصداع والضوء الأبيض اللامع من زجاج SiO2 عالي ، كان يعرف أن الصيغة هي SiO2 نقية للغاية. 

كان Sturzebecher يعلم أيضًا أن Corning يقدم مسحوق SiO2 عالي النقاء عن طريق أكسدة SiCl4 النقي إلى SiO2. واقترح أن يستخدم DiVita سلطته في منح عقد فدرالي لشركة Corning لتطوير الألياف.وقد عملت DiVita بالفعل مع الناس البحوث كورنينغ. لكنه اضطر إلى جعل الفكرة عامة لأن جميع مختبرات الأبحاث كان لها الحق في المزايدة على عقد اتحادي. 

لذلك في عامي 1961 و 1962 ، تم استخدام فكرة استخدام SiO2 عالي النقاوة لألياف زجاجية لنقل الضوء في المعلومات العامة في طلب عروض لجميع مختبرات الأبحاث. وكما هو متوقع ، منحت DiVita عقد Corning Glass Works في كورنينج ، نيويورك في عام 1962. كان التمويل الفيدرالي لألياف الزجاج في كورنينغ حوالي 1،000،000 دولار بين عامي 1963 و 1970.

 تم استخدام فيالق الإشارة للتمويل الفيدرالي للعديد من برامج الأبحاث حول الألياف البصرية حتى عام 1985 ، وبالتالي زرع هذه الصناعة وجعل صناعة اليوم بمليارات الدولارات التي تقضي على الأسلاك النحاسية في الاتصالات حقيقة واقعة. استمر ديفيتا في العمل يوميا في سلاح الإشارة الأمريكي في أواخر الثمانينيات وتطوع كمستشار في علوم النانو حتى وفاته في عمر 97 عام 2010.

سرعة الألياف الضوئية

الألياف الضوئية هي أحدث التقنيات الحالية التي توفر الوصول إلى الإنترنت. تمتد تغطية الشبكة الفرنسية من سنة إلى أخرى. ومع ذلك ، من الضروري التحقق من أهليتها قبل الاشتراك في العرض. وتجدر الإشارة إلى أنه من الأسهل الاستفادة منه بالقرب من التجمعات السكانية الكبيرة حيث تكون الكثافة السكانية أكبر.سواء كنت محترفًا تبحث عن حل لشركته أو فردًا ، فإن الوصول إلى الإنترنت من الألياف الضوئية يوفر العديد من المزايا:

· اتصال أكثر ثباتًا وانسيابية بفضل تناسق التدفق .
· نقل البيانات حتى 100 مرة أفضل من ADSL .
· تكلفة متوازنة للاشتراك .
· توفير تدفقات HD و Ultra-HD (4K) وحتى ثلاثية الأبعاد ، خاصة للتنزيلات التلفزيونية والفيديو حسب الطلب.

· عدم الحساسية للاضطرابات الكهرومغناطيسية وبالتالي تجنب الانقطاعات المفاجئة في الاتصال .
· لا تعتمد سرعة الاتصال على المسافة بين نقطة الوصول وعقدة الاتصال .
· إمكانية استخدام التطبيقات المخصصة للسحابة ، بالإضافة إلى البنية التحتية لأتمتة المنزل .
· عدم وجود إشارة انخفاض في حالة اتصال العديد من الأشخاص بأجهزة مختلفة في وقت واحد: الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة اللوحية وما إلى ذلك.

كيف تعمل الألياف الضوئية؟

عندما يستخدم ADSL الأسلاك النحاسية ، فإن الألياف الضوئية بها شبكة من الأسلاك الزجاجية أو البلاستيكية التي تعادل نعومتها شعرة. تسهل هاتان المادتان نقل البيانات وعبورها بفضل الإشارة الضوئية. من المعروف أن تشغيل النظام لا يعاني من مخاطر الانقطاع مع سرعة الاتصال بسرعة عالية جدًا.
                          
فإن الاختلاف الأول هو الشبكة. ينشر ADSL الكابلات النحاسية ، بينما تتميز الألياف الضوئية بأسلاك بلاستيكية أو زجاجية. تباين ملحوظ آخر: التدفق. لدى ADSL نقل بيانات تقديري يتراوح بين 1 و 15 ميجابت في الثانية. تبلغ سرعة الألياف الضوئية 300 ميجابت في الثانية على الأقل. بالإضافة إلى ذلك ، يسمح بتماثل التدفق. هذا ليس هو الحال مع ADSL. في ظل هذه الظروف ، يمكن أن يصل التنزيل إلى 1 جيجابت في الثانية .

 حيث يعرض ADSL 300 ميجابت في الثانية. من حيث إمكانية الوصول وسرعة المعلومات ، لا يدعم ADSL المقارنة مع الألياف الضوئية. يتعلق سوق الألياف الضوئية بشكل أساسي بمزودي خدمة الإنترنت (أو مزودي خدمات الإنترنت). يمكننا بعد ذلك ذكر Bouygues Telecom أو Orange أو Free أو حتى Altice France (اندماج Numericable و SFR). قبل تقديم الطلب ، من الضروري مع ذلك التأكد من أهليته

الألياف البصرية

تشير الألياف الضوئية إلى الوسيلة والتكنولوجيا المرتبطة بنقل المعلومات في شكل نبضات ضوئية في سلك أو ألياف زجاجية أو بلاستيكية.يحتوي كابل الألياف الضوئية على عدد من هذه الألياف الزجاجية ، من عدد قليل إلى حوالي مائتي. يتم تغليف قلب الألياف بطبقة أخرى من الزجاج تسمى "الكسوة البصرية". طبقة تسمى الطلاء تحمي الغلاف البصري ، ثم يضيف غلاف الكابل الطبقة الواقية النهائية.

ملية الألياف الضوئية Optical fiber process

تنقل الألياف الضوئية البيانات على شكل جسيمات ضوئية ، أو فوتونات ، مرسلة في كابل ألياف بصرية. يحتوي قلب الألياف والغطاء البصري على مؤشرات انكسار مختلفة تعكس إشارة الضوء الواردة بزاوية معينة. عندما يتم إرسال الإشارات عبر كابل الألياف الضوئية ، فإنها تنعكس في اللب والكسوة الضوئية في سلسلة من الارتدادات المتعرجة في ظاهرة تُعرف بالانعكاس الكلي.

بسبب طبقات الزجاج الأكثر كثافة ، تنتقل الإشارات الضوئية بنسبة 30٪ أبطأ من الضوء. لتجديد الإشارة أو تضخيمها طوال رحلتها ، يلجأ إرسال الألياف الضوئية أحيانًا ، على فترات زمنية ، إلى مكررات تقوم بتجديد الإشارة الضوئية عن طريق التحويل إلى إشارة كهربائية ، ومعالجة الإشارة الكهربائية المذكورة وإعادة الإرسال في شكل بصري .

أنواع كابلات الألياف الضوئية

 الألياف متعددة وطريقة واحدة هي نوعان رئيسيان من كابل الألياف البصرية. تُستخدم الألياف أحادية الوضع ، بنواتها الرقيقة التي تقلل التوهين (توهين الإشارة) ، لمسافات طويلة. يعزل القطر الأصغر الضوء في حزمة واحدة: يكون المسار أكثر مباشرة وتنتشر الإشارة على مسافة أطول.

بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع الألياف أحادية الوضع بنطاق ترددي أعلى بكثير من الألياف متعددة الأوضاع . عادةً ما يكون مصدر الضوء المستخدم في الألياف أحادية الوضع هو الليزر. تعتبر الألياف أحادية الوضع أكثر تكلفة بشكل عام بسبب مستوى الدقة في الحسابات المطلوبة لإصدار ضوء الليزر إلى فتحة أصغر.

انواع كابل الألياف البصرية

تُستخدم الألياف متعددة الأوضاع لمسافات صغيرة: يسمح اللب (الدعم المركزي المادي الذي ينقل الإشارات الضوئية بين مصدر الضوء وجهاز الاستقبال) بقطر أكبر للإشارات الضوئية بالارتداد والانعكاس أكثر على مسارها.يسمح القطر المتزايد لنبضات ضوئية متعددة بالانتشار في وقت واحد عبر الكابل ، مما يزيد من كمية البيانات المنقولة. ومع ذلك ، فإن هذه التقنية تزيد أيضًا من فقد أو تلاشي الإشارة ، أو حتى الضوضاء التي تتعرض لها الأخيرة. 

عادةً ما تُنشئ الألياف الضوئية متعددة الأنماط نبضة ضوئية باستخدام الصمام الثنائي الباعث للضوء.إذا كان النحاس لفترة طويلة الوسيلة التقليدية للاتصالات السلكية واللاسلكية والشبكات وتوصيلات الكابلات ، فقد برزت الألياف الضوئية كمنافس عام. تعمل معظم خطوط الهاتف البعيدة الآن عبر كابلات الألياف البصرية.

الألياف الضوئية الكابلات النحاسية التقليدية

بفضل عرض النطاق الترددي الأوسع والسرعات الأسرع ، تحمل الألياف الضوئية معلومات أكثر من الكابلات النحاسية التقليدية. وبما أن الزجاج ليس موصلًا للكهرباء ، فإن الألياف الضوئية لا تخضع للتداخل الكهرومغناطيسي ؛ خسائر الإشارة محدودة.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن غمر كابلات الألياف الضوئية في الماء واستخدامها في بيئات أكثر خطورة ؛ على سبيل المثال للكابلات البحرية. بالمقارنة مع الكابلات النحاسية ، فإن كابلات الألياف الضوئية أقوى وأرق وأخف وزناً ، كما أن وتيرة صيانتها أو استبدالها أقل تواتراً.

ومع ذلك ، غالبًا ما يكون النحاس أرخص من الألياف ، ويتم تركيبه بالفعل في العديد من المناطق التي لم يتم فيها نشر الألياف الضوئية. تتطلب الألياف الزجاجية أيضًا حماية أكثر من النحاس الموجود داخل الغلاف ، كما أن تركيب أي كابلات جديدة يتطلب عمالة كثيفة.

مضاعفة تقسيم الطول الموجي الكثيف ثنائي الاتجاه (DWDM 
أو مضاعفة تقسيم الطول الموجي)

استخدامات الألياف الضوئية

تستخدم الألياف الضوئية على نطاق واسع في شبكات الكمبيوتر نظرًا لقدرتها على نقل البيانات وتوفير نطاق ترددي عالٍ. وبالمثل ، غالبًا ما تُستخدم الألياف الضوئية في البث والإلكترونيات لتوفير اتصالات وأداء أفضل.تستخدمه الصناعات العسكرية والفضائية أيضًا كوسيلة لنقل الإشارات والاتصالات ، فضلاً عن قدرتها على الفحص الحراري. الميزة الأخرى للكابلات الضوئية هي انخفاض وزنها وحجمها.

غالبًا ما توجد الألياف الضوئية في العديد من الأجهزة الطبية لتوفير إضاءة دقيقة. كما أنه موجود بشكل متزايد في أجهزة الاستشعار الطبية الحيوية المستخدمة في الإجراءات الطبية طفيفة التوغل.
نظرًا لأن الألياف الضوئية لا تعاني من أي تداخل كهرومغناطيسي ، فإن استخدامها يفسح المجال لفحوصات مختلفة ، لا سيما في التصوير بالرنين المغناطيسي. تشمل التطبيقات الأخرى في المجال الطبي التصوير الطبي (الأشعة السينية) والتنظير الداخلي والعلاج بالضوء والفحص المجهري الجراحي

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. وشكرا على التعليق