كيف تعمل الألياف الضوئية؟ دليل شامل

تُعد تقنية الألياف الضوئية من أهم التطورات في مجال الاتصالات، إذ جعلت الاتصال والتواصل في عالم اليوم أسهل وأسرع وأكثر موثوقية من أي وقت مضى. فعلى عكس الكابلات التقليدية، تستخدم الألياف الضوئية الضوء كوسيلة لنقل البيانات، مما يسمح بإجراء الاتصالات بكفاءة أكبر، حتى من مسافات بعيدة. 

لذا، معرفة كيفية كابلات الألياف الضوئية تُعد الوظيفة أمرًا بالغ الأهمية سواءً كنت تُنشئ شبكة منزلية أو تُحسّن بنية تكنولوجيا المعلومات في شركتك. لذا، سنناقش في هذه المدونة بالتفصيل آلية عمل تقنية الألياف الضوئية، وغيرها الكثير. انضموا إلينا!

الشكل رقم 1 دليل عمل الألياف الضوئية

1) مبادئ انتقال الضوء في الألياف الضوئية

لفهم كيفية الألياف البصرية لأداء هذه التقنية، علينا أولاً النظر في مبدأ الانعكاس الداخلي الكلي. هذا المبدأ هو ما يحافظ على إشارات الضوء معلقة في الألياف الضوئية دون أي توهين. لنفترض أنك تُسلط مصباحًا يدويًا على أحد طرفي أنبوب زجاجي طويل جدًا، وتخيل أنه إذا سقط هذا الضوء على الجدران بزاوية مناسبة، فإنه سيرتد وينتقل إلى الأمام. وهكذا، تُرسل البيانات عبر الألياف الضوئية بسرعات فائقة لمسافات طويلة.

• معامل الانكسار ودوره  

يعود سبب بقاء الضوء البصري محصورًا داخل الألياف إلى معامل الانكسار. وهو خاصية للمادة تُحدد قدرتها على ثني أشعة الضوء الساقطة عليها. علاوة على ذلك، تتكون الألياف البصرية من طبقتين أساسيتين متحدتي المركز:

• يحافظ القلب، وهو الجزء المركزي الشفاف، على إشارة الضوء.

• تتمتع الكسوة بمعامل انكسار أقل وتحيط بالنواة.  

بما أن معامل الانكسار في النواة أعلى، فإن الضوء سينحني عائدًا إلى النواة بدلًا من التسرب إلى الغلاف. ويُعد اختلاف معامل الانكسار أساسيًا لحدوث الانعكاس الداخلي.

الشكل رقم 2 عملية انتقال الضوء في الألياف البصرية

• قانون سنيل وزاوية السقوط

قانون سنيل زاوية السقوط هي أحد قوانين الفيزياء التي تُحدد كيفية انكسار الضوء عند انتقاله من مادة لأخرى ذات قرينات انكسار مختلفة. زاوية السقوط هي مقياس لكيفية اقتراب الضوء من سطح معين، سواءً كان سيمر أم سينعكس. إذا كانت الزاوية حادة، فإن الضوء سينكسر. أما إذا كانت ضمن نطاق معين، فسوف يرتد دون فقدان الإشارة.

وباختصار، توضح هذه المبادئ الأسباب وراء كفاءة الألياف الضوئية وانتشار استخدامها في أنظمة الاتصالات الحديثة.

2) كيف يعمل كابل الألياف الضوئية؟

أ كابل الألياف الضوئية ينقل إشارات الضوء عبر عدة خيوط رفيعة من البلاستيك أو الزجاج، مما يجعله مختلفًا عن الأسلاك النحاسية التي تستخدم إشارات كهربائية. لنلقِ نظرة على آلية عمل هذا الكابل الصغير!

الشكل رقم 3: مخطط سير عمل الألياف الضوئية

i) توليد إشارات الضوء

أولاً، تُولَّد الإشارات الضوئية باستخدام جهاز إرسال، قد يكون مصباح LED أو ليزر. يُحوِّل هذا المُكوِّن البيانات الإلكترونية، مثل إشارات الهاتف أو الإنترنت، إلى نبضات ضوئية. يُنشئ مصباح LED أو الليزر تدفقًا من البيانات الثنائية عن طريق الوميض والانطفاء السريع.

ii) دخول الضوء إلى قلب الألياف

يُوجَّه الضوء إلى قلب كابل الألياف الضوئية. هذا القلب مصنوع من زجاج أو بلاستيك عالي الجودة، ومُغطى بطبقة زجاجية تُعرف بالكسوة.

ثالثًا) الحفاظ على الضوء بالداخل باستخدام الانعكاس الداخلي الكلي

الآن، تذكّر أن الضوء لا يتدفق فحسب، بل ينعكس عن الجدران الداخلية للنواة نتيجةً للانعكاس الداخلي الكلي. وهذا ممكنٌ للأسباب التالية:

• يتمتع القلب بمعامل انكسار أعلى من الكسوة، وبالتالي غير قادر على السماح للضوء بالهروب.

• الضوء، عندما يضرب حدود الغلاف الأساسي بزاوية معينة، ينعكس إلى الداخل بدلاً من المرور من خلاله. 

وبالتالي، بفضل هذا الارتداد، يصبح الضوء قادراً على قطع مسافات كبيرة مع الحد الأدنى من الخسارة.

الشكل رقم 4 عملية عمل الألياف الضوئية

رابعا) الحفاظ على قوة الإشارة

بغض النظر عن كفاءة انتقال الضوء، يحدث فقدان جزئي للطاقة على مسافات طويلة. لذلك، للحفاظ على الإشارة، تُركّب مُضخّمات ضوئية على طول مسار الكابل. تُضخّم هذه الأجهزة الإشارة الضوئية دون الحاجة إلى تحويلها إلى كهرباء. 

v) استقبال الضوء وتحويله إلى بيانات

وأخيرًا، يجمع كاشف ضوئي (مستقبل) عند نقطة النهاية نبضات الضوء الواردة ويحولها إلى إشارات كهربائية. ثم تُعالج بواسطة أجهزة الكمبيوتر أو الهواتف أو أجهزة توجيه الإنترنت، لتُرسل البيانات بصيغة قابلة للتنفيذ. 

وبالتالي، تتم جميع العمليات المذكورة أعلاه بسرعة مذهلة، مما يتيح اتصالاً سريعًا بالإنترنت، وإجراء مكالمات هاتفية واضحة، ونقل البيانات في الوقت الفعلي عبر مسافات هائلة.

3) هل كابل الألياف الضوئية خطير؟

نعم، كابلات الألياف الضوئية آمنة تمامًا، لكن سوء التعامل معها قد يُشكل خطرًا. على سبيل المثال، على عكس الأسلاك النحاسية، لا تنقل هذه الكابلات الكهرباء، لذا لا يوجد خطر التعرض للصدمات الكهربائية أو الحرائق أو قصر الدائرة. ومع ذلك، هناك بعض المخاطر التي تتطلب الحذر.

! التعرض للضوء الليزري: يتم نقل البيانات عبر الألياف الضوئية باستخدام أشعة ليزر عالية الكثافة. عادةً ما يكون هذا الضوء تحت الأحمر، مما يجعل رؤيته مستحيلة، إلا أن النظر مباشرةً إلى كابل ألياف ضوئية نشط قد يُسبب حرقًا في شبكية العين. ولأن تلف العين غير مؤلم ودائم، تأكد دائمًا من فصل الكابل قبل الفحص.

! جزيئات الزجاج المجهرية: تتكون كابلات الألياف الضوئية من خيوط زجاجية رقيقة. لذلك، عند توصيل الكابل أو قطعه أو كسره، قد تتطاير قطع صغيرة من الزجاج في الهواء. هذه الجزيئات غير مرئية، وقد تسبب تهيجًا عند ثقب الجلد. علاوة على ذلك، قد تسبب إصابات خطيرة عند دخولها إلى العينين. كما يمكن استنشاقها، مما قد يؤدي إلى إصابة الرئتين.

لذا، ارتدِ دائمًا قفازات واقية وحماية للعينين لتجنب المخاطر عند التعامل مع الألياف الضوئية والتأكد من التخلص السليم من نفايات الزجاج.

الشكل رقم 5 قواعد السلامة لكابل الألياف الضوئية

! الطلاءات الكيميائية والطبقات الواقية: تتميز بعض كابلات الألياف الضوئية بطبقات كيميائية لتحسين متانتها. هذه الطبقات شديدة السمية في حال ملامستها للجلد أو استنشاقها. لذلك، يُنصح بغسل اليدين بعد التعامل مع كابلات الألياف الضوئية لتجنب احتمالية ابتلاعها.  

! السلامة ضد تسرب البيانات والتداخل: بالمقارنة مع أسلاك النحاس، يُعدّ اختراق الألياف الضوئية أصعب بكثير، لأنها لا تنقل إشارات كهربائية، مما يجعل اعتراض البيانات أمرًا بالغ الصعوبة. كما أن الألياف الضوئية لا تُصدر تداخلًا كهرومغناطيسيًا، مما يضمن حماية الأجهزة الإلكترونية الأخرى المحيطة.  

وهكذا، إذا تم صيانتها بشكل صحيح، توفر كابلات الألياف الضوئية أمانًا استثنائيًا مقارنة بالتقنيات الأخرى في الاتصالات والشبكات.

4) هل كابل الألياف الضوئية يوصل الكهرباء؟

لا، لا يوجد توصيل للكهرباء في كابلات الألياف الضوئية. هذه الطبيعة غير الموصلة تجعل الألياف الضوئية آمنة من المخاطر الكهربائية. 

• لماذا الألياف الضوئية لا توصل الكهرباء  

• تكوين المواد: إن التوصيل الكهربائي مستحيل للمواد غير المعدنية مثل الزجاج والبلاستيك، والتي تتكون منها كابلات الألياف الضوئية.  

• طريقة نقل البيانات: علاوة على ذلك، لا يوجد تدفق كهربائي لأن الألياف الضوئية تنقل نبضات الضوء التي تولدها أشعة الليزر أو مصابيح LED.  

الشكل رقم 6 طبيعة الألياف الضوئية غير الموصلة

• الفوائد العملية لعدم التوصيل  

+ التثبيت الأكثر أمانًا: أولاً، تعتبر المناطق التي تحتوي على مياه أو هياكل معدنية أو جهد عالي آمنة أيضًا للمنشآت التي تستخدم كابلات الألياف الضوئية بسبب عدم وجود مخاطر كهربائية فيها.  

+ لا يوجد تداخل كهرومغناطيسي (EMI): بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الألياف الضوئية في الأماكن التي توجد بها معدات كهربائية ثقيلة لأنها لا تتداخل مع المجالات الكهرومغناطيسية مثل الأسلاك المعدنية.  

+ حماية أفضل من الصواعق: تكون الكابلات المعدنية التقليدية عرضة لصواعق البرق، لكن شبكات الألياف الضوئية لا تتأثر بذلك لأنها لا تنقل التيارات الكهربائية.

5) ما هي مكونات كابلات الألياف الضوئية؟

المادتان الرئيسيتان اللتان تُصنع منهما كابلات الألياف الضوئية هما الزجاج والبلاستيك. وقد اختيرت هاتان المادتان لقدرتهما على نقل الضوء لمسافات بعيدة مع الحفاظ على جودتهما. فيما يلي تفصيل لهما: كيف يتم تصنيع كابلات الألياف الضوئية: 

i) النواة

يمر الضوء عبر النواة، وهي الجزء الأوسط من الكابل. عادةً ما تكون النواة مصنوعة من الزجاج أو البلاستيك. 

• زجاج: تُصنع جميع كابلات الألياف الضوئية تقريبًا من زجاج السيليكا عالي النقاء، إذ يسمح بنقل الضوء لمسافات شاسعة مع انخفاض كبير في تدهور الإشارة. علاوة على ذلك، يتميز الزجاج بمتانته ومرونته الفائقة، مما يجعله مثاليًا للاستخدام في البنى التحتية للاتصالات والإنترنت. 

• البلاستيك: بعض الكابلات قصيرة المدى أو الاقتصادية تستبدل الزجاج بنوى بلاستيكية. ورغم رخص ثمنها، إلا أن لها عيبًا كبيرًا يتمثل في ضعف الإشارة، ما يعني أنها تفقد ضوءًا أكثر مع المسافة مقارنةً بالألياف الزجاجية. 

ii) الكسوة 

تُغلّف طبقة الكسوة القلب. وهي عادةً ما تكون مصنوعة من الزجاج أو البلاستيك، لكن معامل انكسارها أقل من القلب. وللكسوة غرضٌ لا يقل أهمية، إذ تضمن بقاء الضوء داخل القلب من خلال عكسه، ما يسمح بنقل الإشارات الضوئية لمسافات طويلة عبر الانعكاس الداخلي الكلي.

الشكل رقم 7 تركيبات مواد الألياف الضوئية

ثالثا) الطلاء

يُوضع غطاء واقٍ بشكل متكرر على اللب والكسوة لتجنب التلف والتأثيرات البيئية على الألياف. عادةً ما تكون هذه الطبقة الواقية مصنوعة من بوليمر (مكون بلاستيكي).

كما أن الطلاء يحمي الألياف ويوفر القوة والمرونة اللازمتين حتى لا تنكسر أو تتلف بسهولة.

رابعا) أعضاء القوة

كما أُضيفت عناصر تقوية لتوفير الدعم الهيكلي للكابل ومنع تمدده. هذه العناصر مصنوعة من الفولاذ أو ألياف كيفلر. الكيفلار مادة خفيفة الوزن ومتينة تُستخدم عادةً في السترات الواقية من الرصاص، مما يزيد من قوة الكابل ومرونته.

v) الغلاف الخارجي

يحمي الغلاف الخارجي الكابل من الرطوبة والأضرار المادية والظروف البيئية، مع توفير عوامل حماية أخرى. الغلاف الخارجي مصنوع من مواد بلاستيكية مثل PVC وTeflon، والمعروفة بمتانتها ضد المواد الكيميائية والأشعة فوق البنفسجية وتقلبات درجات الحرارة.

باختصار، المكونات الرئيسية للكسوة الخارجية والداخلية لكابلات الألياف الضوئية هي الزجاج والبلاستيك، في حين يتم استخدام طبقات الحماية وعناصر القوة لمزيد من الموثوقية في مجموعة أوسع من التطبيقات.

6) هل تصدر كابلات الألياف الضوئية إشعاعات؟

لا تُصدر كابلات الألياف الضوئية أي إشعاعات مثل الأشعة السينية أو الموجات الدقيقة. بل تحمل إشارات ضوئية تُشكل نوعًا من الطاقة الكهرومغناطيسية، وهي الأشعة تحت الحمراء. هذه الأشعة غير ضارة، ولها أطوال موجية أطول من الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية. 

علاوة على ذلك، تُستخدم أشعة الليزر ومصابيح LED كمصادر للضوء في الألياف الضوئية، ورغم قوتها العالية، إلا أن الضوء يُمرر عبر الألياف فقط ولا يشع خارج النظام. علاوة على ذلك، وعلى عكس الكابلات الكهربائية، تتمتع الألياف الضوئية بمقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، ما يعني أنها لا تتداخل مع الأجهزة الإلكترونية القريبة. 

إن غياب مثل هذا الإشعاع هو أحد الأسباب التي تجعل هذه الألياف الضوئية مفضلة في الأماكن التي قد تتسبب فيها التداخلات في الإشارات الإلكترونية في حدوث مشاكل صعبة، مثل المستشفيات والمرافق العسكرية.

7) الكلمات الختامية

باختصار، تُعد تقنية الألياف الضوئية أسرع وأكثر الطرق موثوقية وأمانًا لنقل البيانات عبر الإشارات الضوئية. فهي تتفوق بشكل ملحوظ على كابلات النحاس التقليدية في جميع المقاييس تقريبًا، وخاصةً في المسافة والسرعة العالية. إذا كنت ترغب في شراء كابلات ألياف ضوئية عالية الجودة، فإن Dekam Fiber خيار ممتاز. منتجاتنا موثوقة ومتينة، مما يضمن قيمة استثنائية مصممة خصيصًا لتلبية احتياجات شبكاتك. لذا، اتصل بنا اليوم!