Cairo University Faculty Of Engineering Systems And Biomedical Department

Report on

Optical Fibers

submitted by

Ali Ahmed Ali Gendy

Under the supervision of Dr. Mohamed Hesham

مقدمة

ا �تطوًر العلم ساحة تشهد ا على م00ر الس00نوات الس00ابقة � مس00تمر بصوًرة سريعة تك00اد تبه00ر المتمعن في تاًريخ العلم ومس00يرته التقدمي00ة. ك00ان الج000انب األك000بر من نص000يب مج000ال اإلتص00االت واإللكتروني00ات ال00ذي ش00هد طف00رة تقني00ة في س00ابقة ل00ه، وب00الطبع انعكس ذل00ك على مج00االت ش00تى ق00د هي00أت له00ا تل00ك التط00وًرات المج00ال لتخطو خطوة هي األخ00رى في طري00ق

التكنولوجيا والتقنية.

من ض000من ه000ذه التقني000ات واإلكتشافات ك00انت )األلي00اف الض00وئية

Optical Fibers- بمثابة mعد ت والتي )

إنج00000از على المس00000توى النظ00000ري والتطبيقي؛ فقد كانت نواة للعدي00د من اإلختراع000ات واألبح000اث في مج000االت عديدة: كالطب، والصناعة، واإلتصاالت .. وسهلت العدي00د من العملي00ات ال00تي كان يصعب القيام بها قبل وج00ود ه00ذه

األلياف.

في هذا البحث ال00ذي نحن بص00دده سنتكلم بشئ من التفص00يل عن ماهي00ة هذه األلياف، ونشأتها، وفيما تس00تخدم،

، كم00الما يميز ه00ذه التقني00ةوسنتعرض سنتعرض سريع�ا لمستقبل هذه التقنية وإنعكاس0000ها على الحي00000اة العلمي00000ة

.وتكنولوجيا المستقبل

Opticalاأللياف الضوئية - Fibers

نبذة تاريخية

�ا mذكر أن أول من كتب مطالب ي باستخدام األلياف البصرية هو

األميركيو البريطاني بيرد ، وكانت1927وذلك عام ليهانس

مطالبتهما باستخدام األلياف البصرية التلفازية، بيد أنهما لم يقوما لنقل الصوًر

بأية تجربة علمية.

وظل العلماء يولون األلياف البصرية اهتمامهم طوال عقود متوالية، إال أنه لم

يتم استخدام األلياف البصرية بصوًرة عملية إال في بداية الخمسينيات؛ حيث استخدمت في المناظير الطبية لفحص المعدة واألمعاء، وفي الصناعة لفحص مكائن الطائرات. غير أن أطوال هذه

األلياف وقتئذ لم تتعد� عدة أقدام، وكان�ا، والفاقد منها ا نسبي � مرتفع حجمها كبير

للغاية.

وعندما تم اكتشاف أشعة الليزًر عام بدأ التفكير الجاد في استخدام 1960

األلياف البصرية، ذلك إن حزمة ضوئية من أشعة الليزًر يمكنها نقل آالف واحدة

الصوًر التلفازية. ومنذ ذلك الوقت بدأت األبحاث تأخذ شكاًل� جديدا نظرا لإلمكانات

الهائلة التي تقدمها أشعة الليزًر.

العالم أطلق 1970 وفي اغسطس �نة جديدة كيك دونالد شعاع ليزًر في عي

من الزجاج مسحوبة بشكل خيط ًرفيع متر. وبواسطة المجهر بدأ 200 طوله يحاول ضبط مساًر إنطاًلق شعاعكيك

ليزًر مع لmب الخيط الزجاجي الاًلمتناهي نقطة في الضوء. فجأة لفت انتباهه ضربة

الضوء المهجرية في عينه، كان الضوء قد واًردا واًرتد انطلق عبر الخيط الزجاجي،

من الطرف اآلخر إليه.

كشفت التجاًرب السابقة أن النبض

الذي يحمل المعلومات يصل إلى الصوتي نهاية الخيط ثم يتحلل ويختفي، أما تلك

فقد كانت لحظة االنتصاًر اللحظة المذهل، إذ بيد أن االتصال عبر األلياف

أصبح ممكنا. وبقي بعد ذلك البصرية مسألة التوصل إلى معادلة كيفية توليد

حراًرة الغرفة، وفي أواخر ضوء بدًرجة مختبرات شركة كانت 1970أكتوبر

توصلت إلىاألميركية بيل تليفونالمعادلة المطلوبة.

ونتيجة للتقدم الهائل في تقنية صناعة

الزجاج، وإنتاج ثاني أكسيد السليكون من إنتاج1979النقي، تمكن العلماء عام

ألياف زجاجية بلغ حدها األقصى من أكثر الشفافية والنقاء، وأن اإلشاًرة ال تفقد 20من نصف طاقتها بعد قطعها مسافة

األلياف كيلومترا فيها. وبذلك اتضح أن البصرية يمكن أن تتفوق على جميع قنوات

االتصال األخرى.

بيل شركة استعملت 1987 وفي جهاز الليزًر الدقيق واأللياف تليفون

الزجاجية إلجراء أول اتصال الكترونيضوئي.

وعليه فقد استخدمت األلياف بصوًرتها المتطوًرة في العقود األخيرة في العديد

من الصناعات والتجاًرب بصوًرة أفضل مما كانت عليه من قبل بفضل تطوير مكوناتها يوم�ا بعد يوم، وفيما يلي نستعرض تركيب

هذه األلياف والمواد المستخدمة فيصناعتها.

ماهية األلياف وتركيبها

هي عباًرة عن األلياف الضوئية عيرات طويلة من زجاج على mدًرجة ش

عالية من النقاء يصل ًرفعها إلى حد أن تماثل شعرة ًرأس االنسان. مئات أو ًربما اآلالف من هذه األلياف الضوئية تصطفmسمى )الحبل مع�ا في حزمة لتكون ما ي

mحمىoptical cable )الضوئي - الذي ي .بغطاء خاًرجي يسمى جاكيت

بالنظر لهذه األلياف نجد أنها تتكونمن :-

وهو قلب من الزجاج  : Core القلب- الفائق النقاء يمثل المساًر الذي ينتقل

من خاًلله الضوء.

:claddingالقشرة الزجاجية – التي تحيط بالقلب وهو المادة الخاًرجية

الزجاجي و هي مصنوعة من زجاج يختلف معامل إنكساًره عن معامل إنكساًر

الزجاج الذي يصنع منه القلب ويعكس الضوء باستمراًر ليظل في داخل القالب

ي.الزجاج

Buffer coatingي الغالف الواق باًلستيكي يحمي القلب من : وهو غاًلف -

الضرًر.

أنواع األلياف الضوئية

األلي00اف الض00وئية يمكن أن تقس00م بص00فةعامة إلى نوعين أساسيين:

األليYYYYاف الضYYYYوئية ذات النمYYYYط تنتقلsingle mode fiberاالحادي

من خاًللها إشاًرة ضوئية واحدة فق00ط في كل ليفة ضوئية من ألي00اف الحزم00ة و هي تس00تخدم في ش00بكات التلف00ون و كواب00ل التلفزيون. ه00ذا الن00وع من األلي00اف يتم00يز بصغر نص00ف قط00ر القلب الزج00اجي حيث

و تم00ر منmicron 9يص00ل إلى ح00والي خاًلل00ه أش00عة الل00يزًر تحت الحم00راء ذات

.nm 1.55-1.3الطول الموجي  

لياف الضوئية ذات النمط المتعYYددأالmulti-mode fibersوبه000ا يتم نق000ل

العدي000د من اإلش000اًرات الض000وئية من خاًلل الليف000ة الض000وئية الواح000دة مم000ا يجع000ل استخدامها أفضل لشبكات الحاس00وب. ه00ذا النوع من األلياف يكون نص00ف قط00ره اك00بر

و تنتق00لmicron 62.5حيث يص00ل إلى من خاًلله األشعة تحت الحمراء.

األساس الفيزيائي لعملاأللياف الضوئية

افترض انك تريد أن توص00ل ومض00ة ضوئية خاًلل مساًر طويل مس00تقيم ك00ل م00ا عليك هو أن توجه الضوء خاًلل هذا المس00اًر والن الض00وء ينتق00ل في خط00وط مس00تقيمة فانه سيصل للطرف اآلخر باًل مشاكل. لكن ماذا ل00و ك00ان المس00اًر ب00ه انحن00اء؟ بس00هولة يمكن أن تتغلب على ذلك بوضع م00رآة عن00د االنحناء لتعكس الض00وء إلى داخ00ل المس00اًر م0000رة أخ0000رى. و بنفس الطريق0000ة تح0000ل

المشكلة لو ك00ان المس00اًر كث00ير االنحن00اءات حيث تص000ف مراي000ا على ط000ول المس000اًر لتعكس الض00وء باس00تمراًر من ج00انب األخ00ر ليبقى في مساًره. هذه بالض00بط هي فك00رة عمل األلياف الض00وئية. حيث ينتق00ل الض00وء بواس00طة االنعك00اس المس00تمر عن الج00داًر

(claddingالمح00اذي للق00الب الزج00اجي ) انعكاس00ا داخلي00ا كلي00ا. و الن ه00ذا الج00داًر ال يمتص أي من الض00وء الس00اقط علي00ه ف00ان اإلشاًرة الضوئية يمكن أن تسافر مس00افات طويل00ة. ولكن يح00دث أحيان00ا أن يفق00د ج00زء من الضوء حيث تمتصه الشوائب الموجودة

في القلب الزجاجي.

لكي تح00دث االنعكاس00ات المس00تمرة على جداًر الغاًلف الواقي داخل اآللياف الض00وئية فإن هذا يعتمد على ظاهرة فيزيائية تسمى

Totalظ00اهرة اإلنعك00اس ال00داخلي الكلي Internal Reflection

ظاهرة اإلنعكاس ال00داخلي الكلي هي األساس الفيزيائي لتكنولوجي00ا نق00ل الض00وء

ع00بر اآللي00اف الزحاجي00ة حيث أنن00ا ذكرن00ا سابقا أن كاًل من القالب الزجاجي والقشرة الزجاجي00000ة من الزج00000اج ولكن معام00000ل انكس00اًرهما مختل00ف. فلم00اذا ك00ان معام00ل االنكساًر مختلف ولماذا وجدت طبقتين من

الزجاج؟

تخيل لو اننا قمنا بالتجربة الموضحة في الشكل التالي والتي تمثل شعاع من الل00يزًر في ح00وض من الم00اء وتش00كل حاف00ة الم00اء حاجز بين وسطين هما الماء ال00ذي معام00ل انكس00اًره اك00بر من وس00ط اله00واء، فعن00دما يسقط ش00عاع الل00يزًر عمودي00ا على الح00اجز فإن00ه ينف00ذ بالكام00ل، ام00ا اذا زادت الزاوي00ة

� كما في الشكل التالي: تدًريجيا

 

ناًلح00ظ أن ج00زء من الش00عاع ينف00ذ والج00زء األخر ينعكس داخل الماء وكلما زادت زاوية الس00قوط كلم00ا قلت ش00دة الش00عاع الناف00ذ وازدادت ش000دة الش000عاع المنعكس، وعن000د

� دًرج00ة( تس00مى الزاوي00ة48.6زاوية )تقريبا� لس00طح الم00اء الحرجة يخرج الشعاع موازيا� عن الزاوي00ة واذا زادت زاوية السقوط قلياًل الحرج00ة ف00إن الش00عاع ينعكس بالكام00ل وال� وه000ذه الحال000ة تس000مى ينف000ذ من000ه ش000يئا

totalاإلنعكاس الكلي ال00داخلي internal reflection.

لكن حدوث هذه الظاهرة تتطلب :توافر الشرطين التاليين

( ان ينتق00ل الض00وء من وس00ط ذو كثاف00ة1) ض00وئية أعلى )معام00ل انكس00اًره كب00ير( إلى وسط أقل كثافة ض00وئية )معام00ل انكس00اًره

اقل(.الحرجة( 2) الزاوية من اكبر السقوط زاوية تكون .ان

mنيت عليه كان هذا هو األساس الذي ب األلياف الضوئية حيث أن الضوء بمجرد

coreعبوًره إلى داخل القالب الزجاجي سينعكس على السطح الداخلي للقشرة الزجاجية الن معامل انكساًرها اكبر من القالب ويستمر الليزًر باالنعكاس على

جانبي القالب بغض النظر اذا كانتااللياف الضوئية مستقيمة أو منحنية.

مميزات األلياف الضوئية

األلياف الضوئية دخلت في الكثير الصناعات و خصوصا االتصاالت و من

شبكات الكمبيوتر. كما تستخدم في بأنواعه و في التصوير الطبي

كمجسات عالية الجودة للتغير في دًرجة الحراًرة والضغط بما له من

تطبيقات في التنقيب في باطن األًرض، لقد أحدثت األلياف الضوئية

ثوًرة في عالم االتصاالت لتميزهاعلى أساًلك التوصيل العادية فهي:

أكثر ق00دًرة على حم00ل المعلوم00ات(1) ألن األلياف الضوئية أًرف00ع من األس00اًلك العادية فإنه يمكن وضع عدد كب00ير منه00ا داخل الحزم00ة الواح00دة مم00ا يزي00د ع00دد خط00وط اله00اتف أو ع00دد قن00وات البث التلفزي00وني في حب00ل واح00د. يكفي أن تع000رف إن ع000رض النط000اق لأللي000اف

في حين إن50THzالضوئية يص00ل إلى

أك0000بر ع0000رض نط0000اق يحتاج0000ه البث.6MHzالتلفزيوني ال يتجاوز

أقل حجما حيث أن نص00ف قطره00ا(2) أقل من نصف قطر األس00اًلك النحاس00ية التقليدي00ة، فمثاًل يمكن اس00تبدال س00لك

س000م ب000آخر من7.62نحاس000ي قط000ره األلي000اف الض000وئية قط000ره ال يتج000اوز

س00م و ه00ذا يمث00ل أهمي00ة خاص00ة0.635عند مد األساًلك تحت األًرض.

أخف وزنا فيمكن اس00تبدال أس00اًلك(3) كجم ب00أخرى من94.5نحاس00ية وزنه00ا

كجم.3.6األلياف الضوئية تزن فقط فقد أق00ل لإلش00اًرات المرس00لة في(4)

اآللي000اف الض000وئية من000ه في األس000اًلكالنحاسية.

ع00دم إمكاني00ة ت00داخل اإلش00اًرات(5) المرس00لة من خاًلل األلي00اف المتج00اوًرة في الحب00ل الواح00د مم00ا يض00من وض00وح اإلشاًرة المرسلة س00واء أك00انت محادث00ة تلفوني00ة أو بث تلفزي00وني. كم00ا إنه00ا ال تتع00رض للت00داخاًلت الكهرومغناطيس00ية

مما يجعل اإلش00اًرة تنتق00ل بس00رية تام00ة مم00ا ل00ه أهمي00ة خاص00ة في األغ00راض

العسكرية. غير قابلة لإلشتعال مم00ا يقل00ل من(6)

خطر الحرائق. تحت00000اج إلى طاق00000ة اق00000ل في(7)

المول0000دات الن الفق0000د خاًلل عملي0000ةالتوصيل قليل.

 

كم000ا س000بق و ذكرن000ا تص000نع األلي000اف من الضوئية من زج00اج على دًرج00ة عالي00ة

النقاء حيث وصفت إحدى الش0ركات ذل0ك بان قالت لو كان هناك محيط من األلياف الضوئية يصل للعديد من األميال و نظرت من على س000طحه للق000اع يجب أن ت000راه

.بوضوح

أللياف الضوئية ا تطبيقات

تدخل األلياف الضوئية في كثير من الصناعات والمجاالت ولعل أكثرها هو

مجال األتصاالت ونقل األشاًرات المعلوماتية ونعرض هنا بعض تطبيقاتها

:واستخدماتها

نقل المعلومات عبر المسافات الطويلة وهو االستخدام األكثر

شيوع�ا لأللياف الضوئية.

نقل المعلومات عبر المسافات القصيرة أيضا حيث تصل بين

الكمبيوتر الرئيسي و الكمبيوتراتالجانبية أو الطابعة.

نتيجة لمرونتها و دقتها دخلت في صناعة الكاميرات الرقمية المتعددة

المستخدمة في التصوير الطبيمثل التصوير الشعبي و المناظير.

استخدمت األلياف الضوئية أيضا كمجسات لتحديد التغير في دًرجات

حيثstrainالحراًرة و الضغط تفضل على المجسات العادية

لصغر حجمها و حساسيتها للتغيراتالصغيرة و دقة أدائها.

استخدماتها فى مجال الهندسة الطبية

امثلة تطبيقية في المجال الطبي تقومباألساس على استخدام األلياف الضوئية

Examination lights

FO headlight Vet Otoscope Laryngoscope )blade

illumination( Anoscope )with annular

illumination( Otoscope Binocular indirect

ophthalmoscope Amnioscope Microscope illumination Heart catheter

كل ما سبق ال يعتبر سوى جزئ بسيط فى ما يخص االلياف الضوئية , فهناك العديد من االستخدمات التى لم تذكر , ومن المؤكد حدوث الكثير من

التطوًرات فى المستقبل فى هذا فقدًرتها على نقل اإلشاًرات المجال ,

المعلوماتية دون فقد يذكر وعبر مسافات طويلة جعل لها أهمية فائقة, ،مما ينعكس على الحياة العملية بصوًرة mسهل لنا أجراء العديد من واضحة ت . العمليات فى المجاالت المختلفة