Recommended
More Related Content
What's hot
What's hot (19)
Similar to Optical Fibers
Similar to Optical Fibers (12)
Recently uploaded
Recently uploaded (13)
Optical Fibers
- 1. Cairo University Faculty Of Engineering Systems And Biomedical Department Report on Optical Fibers Report by Kamal Mohamed Moussa Under the supervision of Dr.
- 2. Mohamed Hesham توطئة تشهد ساحة العلم تطورا مستمرا ً ً على مر السنوات السابقة بصورة سريعة تكاد تبهر المتمعن في تاريخ العلم ومسيرته التقدمية. كان الجانب الكبر من نصيب مجال التصالت واللكترونيات الذي شهد طفرة تقنية في سابقة له، وبالطبع انعكس ذلك على مجالت شتى قد هيأت لها تلك التطورات المجال لتخطو خطوة
- 3. هي الخرى في طريق التكنولوجيا والتقنية. من ضمن هذه التقنيات والكتشافات كانت )اللياف الضوئية Optical Fibers ( والتي تعد بمثابة إنجاز على المستوىُ النظري والتطبيقي؛ فقد كانت نواة للعديد من الختراعات والبحاث في مجالت عديدة: كالطب، والصناعة، والتصالت .. وسهلت العديد من العمليات التي كان يصعب القيام بها قبل وجود هذه اللياف. في هذا البحث الذي نحن بصدده سنتكلم بشئ من التفصيل عن ماهية هذه اللياف، ونشأتها، وفيما تستخدم، وسنتعرض لما يميز هذه التقنية، كما
- 4. سنتعرض سريعا لمستقبل هذه التقنية ً وإنعكاسها على الحياة العلمية وتكنولوجيا المستقبل. اللياف الضوئية - Optical Fibers نبذة تاريخية يذكر أن أول من كتب مطالبا باستخدام ً ُ اللياف البصرية هو البريطاني بيرد و الميركي هانسيل وذلك عام 7291، وكانت مطالبتهما باستخدام اللياف البصرية لنقل الصور التلفازية، بيد أنهما لم يقوما بأية تجربة علمية.
- 5. وظل العلماء يولون اللياف البصرية اهتمامهم طوال عقود متوالية، إل أنه لم يتم استخدام اللياف البصرية بصورة عملية إل في بداية الخمسينيات؛ حيث استخدمت في المناظير الطبية لفحص المعدة والمعاء، وفي الصناعة لفحص مكائن الطائرات. غير أن أطوال هذه اللياف وقتئذ لم تتعدَ عدة أقدام، وكان حجمها كبيرا نسبيا، والفاقد منها ً ً مرتفع للغاية. وعندما تم اكتشاف أشعة الليزر عام 0691 بدأ التفكير الجاد في استخدام اللياف البصرية، ذلك إن حزمة ضوئية واحدة من أشعة الليزر يمكنها نقل آلف الصور التلفازية. ومنذ ذلك الوقت بدأت البحاث تأخذ شكل ً جديدا نظرا للمكانات الهائلة التي تقدمها
- 6. أشعة الليزر. وفي اغسطس 0791 أطلق العالم دونالد كيك شعاع ليزر في عينة جديدة ّ من الزجاج مسحوبة بشكل خيط رفيع طوله 002 متر. وبواسطة المجهر بدأ كيك يحاول ضبط مسار إنطلق شعاع ليزر مع لب الخيط ُ الزجاجي اللمتناهي في الضوء. فجأة لفت انتباهه ضربة نقطة الضوء المهجرية في عينه، كان الضوء قد انطلق عبر الخيط الزجاجي، واردا وارتد من الطرف الخر إليه. كشفت التجارب السابقة أن النبض الصوتي الذي يحمل المعلومات يصل إلى نهاية الخيط ثم يتحلل ويختفي، أما تلك اللحظة فقد كانت لحظة النتصار المذهل، إذ بيد أن التصال عبر اللياف البصرية أصبح
- 7. ممكنا. وبقي بعد ذلك مسألة التوصل إلى معادلة كيفية توليد ضوء بدرجة حرارة الغرفة، وفي أواخر أكتوبر 0791 كانت مختبرات شركة بيل تليفون الميركية توصلت إلى المعادلة المطلوبة. ونتيجة للتقدم الهائل في تقنية صناعة الزجاج، وإنتاج ثاني أكسيد السليكون النقي، تمكن العلماء عام 9791 من إنتاج ألياف زجاجية بلغ حدها القصى من الشفافية والنقاء، وأن الشارة ل تفقد أكثر من نصف طاقتها بعد قطعها مسافة 02 كيلومترا فيها. وبذلك اتضح أن اللياف البصرية يمكن أن تتفوق على جميع قنوات التصال الخرى. وفي 7891 استعملت شركة بيل تليفون
- 8. جهاز الليزر الدقيق واللياف الزجاجية لجراء أول اتصال الكتروني ضوئي. وعليه فقد استخدمت اللياف بصورتها المتطورة في العقود الخيرة في العديد من الصناعات والتجارب بصورة أفضل مما كانت عليه من قبل بفضل تطوير مكوناتها يوما بعد ً يوم، وفيما يلي نستعرض تركيب هذه اللياف والمواد المستخدمة في صناعتها.
- 9. ماهية اللياف وتركيبها اللياف الضوئية هي عبارة عن شعيرات ُ طويلة من زجاج على درجة عالية من النقاء يصل رفعها إلى حد أن تماثل شعرة رأس النسان. مئات أو ربما اللف من هذه اللياف الضوئية تصطف معا في حزمة ً لتكون ما يسمى )الحبل الضوئي - ) ُ optical cableالذي يحمى بغطاء خارجي ُ يسمى جاكيت.
- 10. بالنظر لهذه اللياف نجد أنها تتكون من :- القلب- : Coreوهو قلب من الزجاج الفائق النقاء يمثل المسار الذي ينتقل من خلله الضوء. القشرة الزجاجية – : claddingوهو المادة الخارجية التي تحيط بالقلب الزجاجي و هي مصنوعة من زجاج يختلف معامل إنكساره عن معامل إنكسار الزجاج الذي يصنع منه القلب ويعكس الضوء باستمرار ليظل في داخل القالب الزجاجي.
- 11. الغلف الواق ي : - Buffer coating وهو غلف بلستيكي يحمي القلب من الضرر. يظهر الشكل ليفة ضوئية بصورة توضح تركيب طبقاتها
- 12. أنواع اللياف الضوئية اللياف الضوئية يمكن أن تقسم بصفة عامة إلى نوعين أساسيين: اللياف الضوئية ذات النمط الحادي single mode fiberتنتقل من خللها إشارة ضوئية واحدة فقط في كل ليفة ضوئية من ألياف الحزمة و هي تستخدم في شبكات التلفون و كوابل التلفزيون. هذا النوع من اللياف يتميز بصغر نصف قطر القلب
- 13. الزجاجي حيث يصل إلى حوالي 9 micron و تمر من خلله أشعة الليزر تحت الحمراء ذات الطول الموجي 3.1-55.1 .nm اللياف الضوئية ذات النمط المتعدد multi-mode fibersوبها يتم نقل العديد من الشارات الضوئية من خلل الليفة الضوئية الواحدة مما يجعل استخدامها أفضل لشبكات الحاسوب. هذا النوع من اللياف يكون نصف قطره اكبر حيث يصل إلى 5.26 micronو تنتقل من خلله الشعة تحت الحمراء.
- 14. الساس الفيزيائي لعمل اللياف الضوئية افترض انك تريد أن توصل ومضة ضوئية خلل مسار طويل مستقيم كل ما عليك هو أن توجه الضوء خلل هذا المسار ولن الضوء ينتقل في خطوط مستقيمة فانه سيصل للطرف الخر بل مشاكل. لكن ماذا لو كان المسار به انحناء؟ بسهولة يمكن أن تتغلب على ذلك بوضع مرآة عند النحناء لتعكس الضوء إلى داخل المسار مرة أخرى. و بنفس الطريقة تحل المشكلة لو كان المسار كثير النحناءات حيث تصف مرايا على طول المسار لتعكس الضوء باستمرار من جانب الخر ليبقى
- 15. في مساره. هذه بالضبط هي فكرة عمل اللياف الضوئية. حيث ينتقل الضوء بواسطة النعكاس المستمر عن الجدار المحاذي للقالب الزجاجي ) (claddingانعكاسا داخليا كليا. و لن هذا الجدار ل يمتص أي من الضوء الساقط عليه فان الشارة الضوئية يمكن أن تسافر مسافات طويلة. ولكن يحدث أحيانا أن يفقد جزء من الضوء حيث تمتصه الشوائب الموجودة في القلب الزجاجي. لكي تحدث النعكاسات المستمرة على جدار الغلف الواقي داخل اللياف الضوئية فإن هذا يعتمد على ظاهرة فيزيائية تسمى ظاهرة النعكاس الداخلي الكلي Total Internal Reflection ظاهرة النعكاس الداخلي الكلي هي الساس الفيزيائي لتكنولوجيا نقل الضوء عبر
- 16. اللياف الزحاجية حيث أننا ذكرنا سابقا أن كل من القالب الزجاجي والقشرة الزجاجية من الزجاج ولكن معامل انكسارهما مختلف. فلماذا كان معامل النكسار مختلف ولماذا وجدت طبقتين من الزجاج؟ تخيل لو اننا قمنا بالتجربة الموضحة في الشكل التالي والتي تمثل شعاع من الليزر في حوض من الماء وتشكل حافة الماء حاجز بين وسطين هما الماء الذي معامل انكساره اكبر من وسط الهواء، فعندما يسقط شعاع الليزر عموديا على الحاجز فإنه ينفذ بالكامل، اما اذا زادت الزاوية تدريجيا كما في الشكل التالي:
- 17. نلحظ أن جزء من الشعاع ينفذ والجزء الخر ينعكس داخل الماء وكلما زادت زاوية السقوط كلما قلت شدة الشعاع النافذ وازدادت شدة الشعاع المنعكس، وعند زاوية )تقريبا 6.84 درجة( تسمى الزاوية الحرجة يخرج الشعاع موازيا لسطح الماء واذا زادت زاوية السقوط قليل ً عن الزاوية الحرجة فإن الشعاع ينعكس بالكامل ول ينفذ منه شيئا وهذه الحالة تسمى النعكاس الكلي الداخلي total internal .reflection لكن حدوث هذه الظاهرة تتطلب توافر :الشرطين التاليين )1( ان ينتقل الضوء من وسط ذو كثافة ضوئية أعلى )معامل انكساره كبير( إلى وسط أقل كثافة ضوئية )معامل انكساره اقل(.
- 18. )2( ان تكون زاوية السقوط اكبر من الزاوية الحرجة. كان هذا هو الساس الذي بنيت عليه ُ اللياف الضوئية حيث أن الضوء بمجرد عبوره إلى داخل القالب الزجاجي coreسينعكس على السطح الداخلي للقشرة الزجاجية لن معامل انكسارها اكبر من القالب ويستمر الليزر بالنعكاس على جانبي القالب بغض النظر اذا كانت اللياف الضوئية مستقيمة أو منحنية.
- 19. مميزات اللياف الضوئية اللياف الضوئية دخلت في الكثير من الصناعات و خصوصا التصالت و شبكات الكمبيوتر. كما تستخدم في التصوير الطبي بأنواعه و في كمجسات عالية الجودة للتغير في درجة الحرارة والضغط بما له من تطبيقات في التنقيب في باطن الرض، لقد أحدثت اللياف الضوئية ثورة في عالم التصالت لتميزها على أسلك التوصيل العادية فهي:
- 20. )1( أكثر قدرة على حمل المعلومات لن اللياف الضوئية أرفع من السلك العادية فإنه يمكن وضع عدد كبير منها داخل الحزمة الواحدة مما يزيد عدد خطوط الهاتف أو عدد قنوات البث التلفزيوني في حبل واحد. يكفي أن تعرف إن عرض النطاق لللياف الضوئية يصل إلى 50THz في حين إن أكبر عرض نطاق يحتاجه البث التلفزيوني ل يتجاوز .6MHz )2( أقل حجما حيث أن نصف قطرها أقل من نصف قطر السلك النحاسية التقليدية، فمثل يمكن استبدال سلك نحاسي قطره 26.7سم بآخر من اللياف الضوئية قطره ل يتجاوز 536.0سم و هذا يمثل أهمية خاصة عند مد السلك تحت الرض.
- 21. )3( أخف وزنا فيمكن استبدال أسلك نحاسية وزنها 5.49كجم بأخرى من اللياف الضوئية تزن فقط 6.3كجم. )4( فقد أقل للشارات المرسلة في اللياف الضوئية منه في السلك النحاسية. )5( عدم إمكانية تداخل الشارات المرسلة من خلل اللياف المتجاورة في الحبل الواحد مما يضمن وضوح الشارة المرسلة سواء أكانت محادثة تلفونية أو بث تلفزيوني. كما إنها ل تتعرض للتداخلت الكهرومغناطيسية مما يجعل الشارة تنتقل بسرية تامة مما له أهمية خاصة في الغراض العسكرية. )6( غير قابلة للشتعال مما يقلل من خطر الحرائق. )7( تحتاج إلى طاقة اقل في المولدات لن الفقد خلل عملية التوصيل قليل.
- 22. كما سبق و ذكرنا تصنع اللياف الضوئية من زجاج على درجة عالية من النقاء حيث وصفت إحدى الشركات ذلك بان قالت لو كان هناك محيط من اللياف الضوئية يصل للعديد من الميال و نظرت من على سطحه للقاع يجب أن تراه بوضوح. تطبيقات ا للياف الضوئية
- 23. تدخل اللياف الضوئية في كثير من الصناعات والمجالت ولعل أكثرها هو مجال التصالت ونقل الشارات المعلوماتية ونعرض هنا بعض تطبيقاتها واستخدماتها: • نقل المعلومات عبر المسافات الطويلة وهو الستخدام الكثر شيوعا لللياف ً الضوئية. • نقل المعلومات عبر المسافات القصيرة أيضا حيث تصل بين الكمبيوتر الرئيسي و الكمبيوترات الجانبية أو الطابعة.
- 24. • نتيجة لمرونتها و دقتها دخلت في صناعة الكاميرات الرقمية المتعددة المستخدمة في التصوير الطبي مثل التصوير الشعبي و المناظير. • دخلت في تصنيع الكاميرات المستخدمة في التصوير الميكانيكي لفحص اللحام و الوصلت في النابيب و المولدات. و لفحص أنابيب المجاري الطويلة من الداخل. • استخدمت اللياف الضوئية أيضا كمجسات لتحديد التغير في درجات الحرارة و الضغط strainحيث تفضل على المجسات العادية لصغر حجمها و حساسيتها للتغيرات الصغيرة و دقة
- 25. أدائها. احد التطبيقات المهمة لها كمجسات لقياس strainيكون بإدخالها في صناعة جدار بعض الطائرات مما يمنح الطائرة جدار مميز يحذر الطيار من الضغط الواقع على أجنحة أو جسم الطائرة.
- 26. Uses in Biomedical امثلة تطبيقية في المجال الطبي تقوم بالساس على استخدام اللياف الضوئية • • • • • • • Examination lights FO headlight Vet Otoscope Laryngoscope (blade illumination) Anoscope (with annular illumination) Otoscope Binocular indirect ophthalmoscope
- 27. Amnioscope Microscope illumination Heart catheter • • • لن تكون هذه نهاية اللياف الضوئية، لكن هناك العديد من الستخدامات لم نذكرها هنا، وهناك كثير من التطورات سنراها في اليام القادمة في مجال اللياف الصناعية. فقدرتها على نقل الشارات المعلوماتية دون فقد يذكر وعبر مسافات طويلة جعل
- 28. لها أهمية فائقة وثروة ل تنضب. لذلك فهي صاحبة مستقبل يعول عليه في كثير من ُ المجالت والصناعات، مما ينعكس على الحياة العملية بصورة واضحة تسهل لنا ُ أجراء عمليات نراه غير ممكنه، ويراه العلماء ممكنة. في الطب والكيمياء .. والتصالت والصناعات انتهى كمال موسى