biomedical engineer

1. الألياف البصرية
ا
هي أل ياف مصنوعة من الزجاج ال نقي، تكون طويلة ورف يعة ول ي تعدى سمكها سمك الشعرة.
يجمع العد يد من هذه الأل ياف في حزم داخل الكا بلات ال بصرية، وتستخدم في نقل الاشارات
الضوئ ية لمسافات بعيده جدا
مكونات الليف البصري
محاطة بأسطوانة أخرى تسمى الغلاف core الألياف الضوئية تتكون من اسطوانتين متحدتي المركز تسمى الكابل الخارجي
(jacket) والغلاف الأولى بالقلب Buffer Coating ثم الغطاء الواقي Cladding
Silica وهو عبارة عن زجاج رفيع )أسطواني( ينتقل فيه الضوء ويصنع من السليكا (Core): القلب
Ge-Silica). المطعمة )بالجرمانيوم مثلا
مادة تحيط باللب الزجاجي )أسطوانة أخرى محيطة( وتعمل على حفظ (Cladding): الحاجب
الضوء في مركز الليف البصري وهي مصنوعة من السليكا، وذلك لكي يكون معامل انكسار القلب أكبر
من معامل انكسار الغلاف، وهو الشرط المطلوب لحصول ظاهرة الانعكاس التام، الذي هو أساس توجيه
الضوء في الألياف الضوئية، إذ ينعكس الضوء كليا وبتكرار الانعكاس ينتشر الضوء داخل قلب الليف
الضوئي ويصل إلى النهاية الأخرى لليف.
غلاف بلاستيكي يحمي الليف البصري من الرطوبة ويحميه (Buffer Coating): الغطاء الواقي
من الضرر والكسر .

2. مئات أو ربما الآلاف من هذه الألياف الضوئية تصطف معا في حزمة لتكون الحبل الضوئي الذي
يحمى بغطاء خارجي يسمى جاكيت .
تقسيمات الألياف الضوئية
الألياف الضوئية ذات النمط الاحادي تنتقل من خلالها إشارات ضوئية نسق (single mode fiber)
ونمط موحد في كل ليفة ضوئية من ألياف الحزمة وهي تستخدم في شبكات التلفون وكوابل التلفزيون. هذا
وتمر من micron النوع من الألياف يتميز بصغر نصف قطر القلب الزجاجي حيث يصل إلى حوالي 9
nm.3.11- خلاله أشعة الليزر تحت الحمراء ذات الطول الموجي 3.1
الألياف الضوئية ذات النمط المتعدد و بها يتم نقل العديد من الأنماط multi -mode fibers
للإشارات الضوئية من خلال الليفة الضوئية الواحدة مما يجعل استخدامها أفضل لشبكات الحاسوب. هذا
وتنتقل من خلاله الأشعة تحت micron 5.. النوع من الألياف يكون نصف قطره أكبر حيث يصل إلى 1
.[ الحمراء[ 1
مميزات الألياف البصرية
لقد أحدثت الألياف الضوئية ثورة في عالم الاتصالات لتميزها على أسلاك التوصيل العادية فهي
3.أكثر قدرة على حمل المعلومات لان الألياف الضوئية ارفع من الأسلاك العادية فانه يمكن وضع عدد كبير
منها داخل الحزمة الواحدة مما يزيد عدد خطوط الهاتف أو عدد قنوات البث التلفزيوني في حبل واحد. يكفي
في حين إن أكبر عرض نطاق يحتاجه البث THZ أن تعرف إن عرض النطاق للألياف الضوئية يصل إلى 15
MHz التلفزيوني لا يتجاوز 5
..أقل حجما حيث أن نصف قطرها أقل من نصف قطر الأسلاك النحاسية التقليدية فمثلا يمكن استبدال سلك
نحاسي قطره . 2.5 سم بآخر من الألياف الضوئية قطره لا يتجاوز 5.511 سم وهذا يمثل أهمية خاصة عند
مد الأسلاك تحت الأرض.

3. 5 كجم بأخرى من الألياف الضوئية تزن فقط 1.5 .. 1.أخف وزنا فيمكن استبدال أسلاك نحاسية وزنها 1
كجم.
..فقد أقل للإشارات المرسلة
1.عدم إمكانية تداخل الإشارات المرسلة من خلال الألياف المتجاورة في الحبل الواحد مما يضمن وضوح
الإشارة المرسلة سواء أكانت محادثة تلفونية أو بث تلفزيوني. كما أنها لا تتعرض للتداخلات الكهرومغناطيسية
مما يجعل الإشارة تنتقل بسرية تامة مما له أهمية خاصة في الأغراض العسكرية.
5.غير قابلة للاشتعال مما يقلل من خطر الحرائق
2.تنقل البينات بسرعات عالية جدا حيث تصل إلى أكثر من 355 /ميقا بايت بالثانية
8.تحتاج إلى طاقة أقل في المولدات لأن الفقد خلال عملية التوصيل قليل
بسبب هذه المميزات فإن الألياف الضوئية دخلت في الكثير من الصناعات وخصوصا الاتصالات وشبكات
الكمبيوتر. كما تستخدم في التصوير الطبي بأنواعه وكذلك كمجسات عالية الجودة للتغير في درجة الحرارة
.[ والضغط بما له من تطبيقات في التنقيب في باطن الأرض[ 2
هناك أنواع حديثة للألياف البصرية اكتشفت مؤخرا وتسمى الألياف البلورية الفوتونية، لأنها تصنع من
البلورات الفوتونية التي تتميز بنقل الضوء فيها باقل خسارة..
تصنع الألياف الضوئية عادة من مواد ذات معامل انكسار كبير وتكون رفيعة لدرجة أنه لا يمكن للضوء أن
يسقط على جدرانها بزاوية أقل من الزاوية الحرجة ، فتسقط الأشعة الضوئية بزاوية سقوط أكبر من الزاوية
الحرجة فتنعكس انعكاس كلي داخلي في الأنبوب حتى تنفذ من الطرف الآخر.
استخداماتها
3.في المجال الطبي، إجراء العمليات الجراحية الدقيقة ويمكن رؤية أجزاء الجسم الداخلية مثل )تنظير المعدة)
..في مجال الاتصالات. وهو المجال الأوسع الذي يضم عشرات من التطبيقات مثل تطبيقات الاتصالات
والتلفزيونات وغيرها.
1.في مجال الهندسة الوراثية، حيث يمكن تفكيك الشفرة الوراثية ومنع الأمراض الوراثية كالسكري ومتلازمة
داون وفقر الدم.
..في المجال العسكري، حيث انه من الصعب التجسس عليها وسحب الإشارة.
كما سبق و ذكرنا تصنع الألياف الضوئية من زجاج على درجة عالية من النقاء حيث وصفت إحدى
الشركات ذلك بان قالت لو كان هناك محيط من الألياف الضوئية يصل للعديد من الأميال و نظرت من على

4. سطحه للقاع يجب أن تراه بوضوح. وتتم صناعة الألياف الضوئية على النحو التالي:
-1 عمل اسطوانة زجاجية غير مشكلة
-2 سحب الألياف الضوئية من هذه الاسطوانة الزجاجية
-3 اختبار الألياف الضوئية
modified chemical الزجاج المستخدم في عمل الاسطوانة الغير مشكلة يصنع من خلال عملية تسمى
حيث يمرر الأكسجين على محلول من كلوريد السليكون و كلوريد الجرمانيوم vapour deposition
كيماويات أخرى ثم تمرر الأبخرة المتصاعدة داخل أنبوب من الكوارتز موضوع في مخرطة خاصة عندما تدار
يتحرك مجمر حول أنبوب الكوارتز حيث تتسبب الحرارة العالية في حدوث شيئين
1( يتفاعل السليكون و الجرمانيوم مع الأكسجين لتكوين أكسيد السليكون و أكسيد الجرمانيوم (
2( يترسب أكسيد السليكون و أكسيد الجرمانيوم على جدار الأنبوب من الداخل و يندمجان معا لتكوين (
الزجاج الخام المطلوب حيث يمكن التحكم بدرجة نقاء و صفات الزجاج المتكون من خلال التحكم بالخليط.
الآن يتم سحب الألياف من هذه اسطوانة الخام الغير مشكلة بوضعها في أداة السحب حيث ينزل الزجاج
20211 درجة سليزية فتبدأ المقدمة في الذوبان حتى ينزل - الخام في فرن كربوني درجة حرارته 10911
الذائب بتأثير الجاذبية و بمجرد سقوطه يبرد مكونا الجديلة الضوئية. هذه الجديلة تعالج بتغليف متتابع أثناء
سحبها بواسطة جرار مع قياس مستمر لنصف القطر باستخدام ميكرومتر ليزري. تسحب الألياف من
.m/s القالب الخام بمعدل 21

5. .
يتم بعد ذلك اختبار الألياف من ناحية: معامل الانكسار، الشكل الهندسي و خصوصا نصف القطر، تحملها
للشد، تشتت الإشارات الضوئية خلالها، سعة حمل المعلومات، تحملها لدرجات الحرارة و إمكانية توصيل
الضوء تحت الماء
يتطلب اقتران الضوء في اللب البصري وقوع شعاع ضمن زاوية معينة تدعى زاوية القبول ويعبر عن قدرة
زاوية القبول والذي يطلق علية فتحة النفوذ العددية ويعبر عنها رياضيا بالتالي : Sine تجميع الضوء يجيب
n12 - n22 = no sin Ф
معامل انكسار n تمثل معامل انكسار الوسط الفاصل بين منبع الضوء والليف و 1 no حيث أن
معامل انكسار الكساء . تحدد فتحة النفوذ العددية مقدار القد ة ر المقترنة بالليف . n اللب و 2
Attenuation 2-3 التوهين
يعتبر التوهين أحد العناصر الأساسية في تقويم أنظمة الاتصالات حيث تتعرض الموجات
الحاملة للوهن عند انتشارها في قناة الاتصال نتيجة عوامل عديدة
ويجب استخدام قنوات اتصال بأقل توهين Scattering والتناثر Absorption كالامتصاص
ممكن حتى تنتشر الموجات الحاملة الأطول مسافة ممكنة . وفي قنوات الاتصال المصنعة من
الألياف البصرية ، يلعب التوهين دوا رً أساسياً في اختيار الليف ، وفقد الضوء في الليف البصري
يعتمد الى حد كبير على الطول الموجي للضوء المستخدم حيث يقل عند بعض الأطوال الموجية
ويزيد عند اطوال الموجية وي زيد عند اطوال موجية أخرى ، حيث أن امتصاص
للضوء يزداد عند بعض الأطوال الموجية ويقل عند أطوال موجية أخرى ، ) OH ( جزيئات
للضوء يزداد مثلا عند طول موجي قد ة ر 0931 ) OH ( حيث أن امتصاص جزيئات
نانومتر وتقاس قيمة التوهين لليف البصري بوحدة الديسيبل لتعبر عن النسبة بين الطاقة الضوئية
المستقبلة والطاقة الضوئية المرسلة في الليف .
Dispersion 3-3 التشتيت

6. التشتيت هو انبساط أو اتساع النبضة عند مرورها في قناة الاتصال وفي نظم الألياف البصرية
والذي يتم نتيجة Intermodal dispersion ينقسم التشتيت الى نوعين وهما التشتيت النمطي
سلوك الاشا ا رت المرسلة مساوات مختلفة عند انتشارها داخل الليف مما يؤدي الى عدم وصولها
في وقت واحد . أما النوع الأخر فهو التشتيت الباطني وينقسم هذا التشتيت الى نوعين ) أ (
waveguide ب( تشتيت الدليل الموجي ( material dispersion تشتيت المادة
يحصل هذا النوع من التشتيت في جميع أنواع الألياف البصرية وينتج من عرض dispersion
خط المنبع البصري حيث أن المنابع البصرية لا تبث الضوء بطول موجي واحد بل بحزمة من
الأطوال الموجية وحيث أن معامل انكسار الزجاج المستخدم في الألياف يتغير مع الطول
الموجي فإن ذلك سيؤدي الى اختلاف في سرعة الاشا ا رت أو النبضات مما يؤدي الى انبساطها
ويؤثر ذلك على كمية المعلومات الم ا رد نقلها .
Optical Fiber Applications 5. تطبيقات الألياف البصرية
تعرضنا في الأقسام السابقة الى فوائد الألياف البصرية ومكانات النظام الليفي البصري ، مما لا
شك فيه أن كثي ا ر من الحقول في المجالات المدنية والعسكرية بدأت تستفيد من هذه الفوائد ومن
الصعب جداً التعرف على كل المجالات الممكن استخدام الألياف البصرية فيها وسنقوم في هذا
القسم بالتعرف على بعض الاستخدامات العامة .
Telephone Communications 1-5 الاتصالات الهاتفية
لعبت الأسلاك المجدولة والكابلات المحورية دوا رً كبي ا رً في السنوات الماضية في مجال
الاتصالات الهاتفية وبصفة خاصة بين البدالات ، وحيث أن أحد الصفات الهامة هي سعة
الألياف البصرية ، فقد بدأت كثير من الشركات بالتفكير في بناء خطوط هاتفية جديدة واحلال
بعض الخطوط القديمة سواء كانت اسلاك مجدولة أو كابلات محورية وأول خط تجاري يستخدم
الألياف البصرية في الولايات المتحدة بدأ تشغيله في 22 ابريل 0311 م وقد استخدم الارسال
الرقمي في هذا الخط ، كما أن المكرا رت كانت على مسافة 9.3 كيلومتر واستخدمت الثنائيات
في أجه ة ز الارسال وثنائيات الضوء Light Emitting Diodes الباعثة للضوء
في أجه ة ز الاستقبال وكانت سعة هذا الخط 22 مكالمة avalanche photodiodes الجرفية
في هذا الخط وقد شاع Pulse code modulation آنية وقد استخدم تشكيل الرمز النبضي
استخدامها لهذا الغرف من قبل شركات الاتصالات في انحاء العالم وعلى سبيل المثال لا حصر
فقد تم في المملكة العربية السعودية تركيب 01.111 كيلومتر من الكابلات البصرية لصالح

7. شركة الاتصالات السعودية وكمثال آخر نجد أن أطوال الكابلات البصرية في الصين تبلغ
019111 كليومتر وطول الألياف البصرية يتعدى مليون كيلومتر خاصة إذا ما علمنا أن معدل
الزيادة السنوية في عدد الهواتف تصل الى 21 مليون خط حتى عام 2121 ليصل المجموع
الكلي للهواتف الى 0111 مليون خط .وجود السعة الكافية للألياف وامكانية توسيعها مستقبلا لما
أمكن إنجاز ذلك .
TV Communications 2-5 الاتصالات التلفزيونية
بدأ اول استخدام الألياف البصرية بربط الكامي ا رت التلفزيونية بسيا ا رت النقل التلفزيوني وفي
الدوائر المغلقة ثم استخدمت في ايصال الخدمات التلفزيونية للمنازل وقد استخدمت لنقل قناة
واحدة فقط وتستخدم الأن لنقل عش ا رت القنوات التلفزيونية والفيديو ضمن الكابل
وت ا رهن إحدى الشركات الامريكية على انفاق 003 ) Cable television ( CATV التلفزيوني
بليون دولار لتركيب خطوط كابلات تلفزيونية تصل للمنازل مما يعطي المشتركين نطاقا واسعاً
للتطبيقات المختلفة ولا يقتصر استخدامها على النقل التلفزيوني فحسب بل يستخدم للدوائر
المغلقة والانظمة الأمنية والنقل التلفزيوني عالي الوضوح .
Power Stations 3-5 محطات القوى
نظ ا رً لعدم تأثر الألياف البصرية بالداخل أو الحدث الناتج عن المولدات الكهربائية أو خطوط
الضغط العالي فقد تم تركيب الألياف البصرية في محطات القوى الكهربائية لنقل المكالمات
الهاتفية ونقل المعلومات ، كما تم تركيبها جنبا الى جنب مع الخطوط الضغط العالي لنقل
. control والسيط ة ر Data transmission المعطيات
Local Area Networks 4-5 الشبكات المحلية
يطلق هذا الاسم على شبكات الاتصالات المستخدمة لتبادل المعلومات بين الحسابات
والمستخدمين وهذه الشبكات تكون في نطاق جغ ا رفي محدود كمكاتب الشركات أو الجامعات أو
المستشفيات أو غيرها ومجالاتها ما بين 011 متر الى 01 كم وسعة نطاقها فوق المليون وحدة
ثنائية / ثانية وهناك عدة تكوينات لهذه الشبكات تذكر منها الشبكة الحقية والنجمية وغيرها .
. Military Applications 5-5 الاستخدامات العسكرية

8. بدأ أول الاستخدامات العسكرية للألياف البصرية في السفن والطائ ا رت الحربية نظ ا رً للمي ا زت
التي ذكرناها وبصفة خاصة قلة الوزن والحجم ثم تلا ذلك استخدامها في ميادين المعارك حيث
أن خفة الوزن وصغر الحجم وسهولة النقل ، أمور هامة في مثل هذا الوضع ، كما تم
استخدامها في الخطوط الأمامية في جبهات القتال .
Data transmission 6-5 نقل المعطيات
ادى الطلب المت ا زيد على خطوط نقل ذات سعات عالية وبصفة خاصة ما يتعلق بتطبيقات
الانترنت الى تساع الأبحاث في مجال الألياف البصرية المواكبة هذا الطلب . إذا يزداد الطلب
في مجال المعطيات ضعفين سنويا عما هو عليه النمو اليوم وسيتعدى الطلب على نقل الصوت
في بداية القرن القادم كما هو موضح بالشكل ) 9( بالنسبة لليابان ) 1( . في لولايات المتحدة
الامريكية على الجانب الآخر نرى أن الطلب على الإنترنت يتضاعف كل ستة شهور لتصل
سعة النقل اللازمة عام 2112 م الى 281 تي ا ربت لكل ثانية ) 8( . وتهدف كثير من الأبحاث
الحالية الى الوصول الى عرض النطاق النظري لليف أحادي النمط البالغ 21 تي ا رهرتز . وقد تم
بالفعل الحصول على سعة نقل قدرها 2.32 تي ا ربت كل ثانية لمسافة 021 كيلومتر مستخدمين
.) ليف أحادي النمط ) 3
Undersea Cables ) 7-5 الكابلات المغمورة ) 01
تعاونت كثير من الدول والشركات على إب ا رم اتفاقيات تم بموجبها ربط عدة دول مع بعضها
الذي يربط الولايات المتحدة الامريكية TAT بواسطة الكابلات البصرية ولعل أولها كان 8
بطول يبلغ 2309 كيلومتر وبسعة قدرها 2 TAT-12/ بأوروبا تلاه خطوط أخرى كان آخرها 13
جيجا بت لكل ثانية يمكن زيادتها الى 21 جيجا بت لكل ثانية أو أكثر وذلك لمقابلة الطلب حتى
عام 2113 م .
كما أن هناك خطوط مغموة ر أخرى تربط الولايات الامريكية المتحدة باليابان وأخرى تربط اوروبا
الذي يبلغ طوله 21111 كيلومتر وخط أخر FLAG بأسيا عن طريق الشرق الاوسط مثل
بسعة 01 جيجا بت لكل ثانية وتربط الدول الاسيوية بخط طوله SEA-ME-WE يدعى 3
يستخدم احدث ARFICA ONE 00211 كم وأحدث خط يلتف حول القا ة ر الافريقية يدعى
التقنيات المتاحة وبسعة تصل الى 21 جيجا بت لكل ثانية :
Auture Directions -6 التوجهات المستقبلية

9. أدت التطوا رت السريعة في مجال البصريات الليفية الى صعوبة التكهن فيها سيحدث مستقبلا
وبناء على ما يجري من ابحاث في هذا المجال فإن هذه التطوا رت ستشمل المجالات التالية :
.1 الارسال المتماسك .
.2 التبديل الفوتوني .
.3 ليزا رت أحادية الطول الموجي وممكن مواءمتها .
.4 دوائر البصريات المتكاملة .
.5 انتشار النبضات الطبيعية .
.6 ألياف الهالايد .