الألياف الضوئية:
من أجل تلبية الطلب المتزايد باستمرار على قدرة الاتصالات السلكية واللاسلكية ، تطورت أنظمة اتصالات الألياف الضوئية بشكل كبير خلال العقد الماضي. بلغ نمو حركة اتصالات الألياف الضوئية حوالي 2 ديسيبل في السنة ، وهو ما يمثل زيادة بنسبة بمقدار 100 مرة خلال10 سنوات. تم تحقيق زيادة السعة في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية بشكل أساسي من خلال نشر المزيد من روابط الألياف ، وملء المزيد من قنوات الطول الموجي لكل رابط ليفي من خلال تقنية تعدد الإرسال الكثيف لتقسيم الطول الموجي (DWDM) ، وزيادة معدل البيانات لكل قناة طول موجي. يلعب النقل عبر كبلات الألياف الضوئية دورًا مهمًا في شبكات الاتصال في الوقت الحاضر. الدافع الرئيسي لهذا هو النطاق الترددي الهائل المحتمل للألياف الضوئية (> 100 تيراهيرتز) ، وهو أكبر بعدة مرات من عرض النطاق الترددي للوسائط النحاسية مثل الكابلات المحورية أو أزواج الأسلاك الملتوية.
يقارن الشكل (1) بين الترددات الراديوية (RF) وتقنيات الاتصال البصري الأكثر استخدامًا للاتصالات السلكية واللاسلكية ، بناءً على هذا المقياس. الشكل (1) يوضح أن أنظمة الاتصالات الضوئية يمكن أن تدعم قدرات Tb / s على مدى عدة آلاف من الكيلومترات ، مما يجعلها قاعدة تقنية مثالية لشبكات سلكية عالية السعة.

تطور اتصالات الألياف الضوئية:
يمكن تقسيم تطور أنظمة اتصالات الألياف الضوئية إلى أجيال. يعمل الجيل الأول من أنظمة الموجات الضوئية بالقرب من 0.8 ميكرومتر واستخدم ليزر أشباه الموصلات من زرنيخيد الغاليوم (GaAs). بعد العديد من التجارب الميدانية خلال الفترة 1977-79 ، أصبحت هذه الأنظمة متاحة تجاريًا في عام 1980. كانت تعمل بمعدل بت 45 ميجا بايت / ثانية وتسمح بتباعد مكرر يصل إلى 10 كيلومترات. كان التباعد الأكبر للمكرر مقارنة بمسافة 1 كم للأنظمة المحورية دافعًا مهمًا لمصممي النظام لأنه قلل من تكاليف التركيب والصيانة المرتبطة بكل مكرر.
كان من الواضح خلال السبعينيات أنه يمكن زيادة تباعد المكرر بشكل كبير عن طريق تشغيل نظام الموجة الضوئية في منطقة الطول الموجي بالقرب من 1.3 ميكرومتر ، حيث تقل خسارة الألياف عن 1 ديسيبل / كم. علاوة على ذلك ، تظهر الألياف الضوئية الحد الأدنى من التشتت في منطقة الطول الموجي هذه. أدى هذا الإدراك إلى جهد عالمي لتطوير ليزر أشباه الموصلات وأجهزة الكشف عن أشباه الموصلات التي تعمل بالقرب من 1.3 ميكرومتر.
أصبح الجيل الثاني من أنظمة اتصالات الألياف الضوئية متاحًا في أوائل الثمانينيات ، ولكن معدل البت للأنظمة المبكرة كان محدودًا إلى أقل من 100 ميجا بايت / ثانية بسبب التشتت في الألياف متعددة الأوضاع. تم التغلب على هذا القيد باستخدام الألياف أحادية الوضع. بحلول عام 1987 ، كانت أنظمة الموجات الخفيفة من الجيل الثاني ، والتي تعمل بمعدلات بت تصل إلى 1.7 جيجابت / ثانية مع تباعد مكرر يبلغ حوالي 50 كم ، متاحة تجارياً. تم تقييد تباعد مكرر لأنظمة الموجات الضوئية من الجيل الثاني بسبب فقد الألياف عند طول موجة التشغيل البالغ 1.3 ميكرومتر (عادةً 0.5 ديسيبل / كم). أصبح فقدان ألياف السيليكا عند الحد الأدنى بالقرب من 1.55 ميكرومتر. في الواقع ، تم تحقيق خسارة قدرها 0.2 dB / km في عام 1979 في هذه المنطقة الطيفية.
ومع ذلك ، فإن إدخال أنظمة الموجات الضوئية من الجيل الثالث التي تعمل عند 1.55 ميكرومتر قد تأخر بشكل كبير بسبب تشتت الألياف الكبير بالقرب من 1.55 ميكرومتر. لا يمكن استخدام ليزر أشباه الموصلات InGaAsP التقليدي بسبب انتشار النبضات نتيجة التذبذب المتزامن لعدة انماط طولية. يمكن التغلب على مشكلة التشتت إما عن طريق استخدام ألياف مزاحة بالتشتت مصممة بحيث يكون لها حد أدنى من التشتت بالقرب من 1.55 ميكرومتر أو عن طريق قصر طيف الليزر على وضع طولي واحد. تم اتباع كلا النهجين خلال الثمانينيات.

أصبحت أنظمة الموجات الخفيفة من الجيل الثالث التي تعمل بسرعة 2.5 جيجابت / ثانية متاحة تجاريًا في عام 1990. هذه الأنظمة قادرة على العمل بمعدل بت يصل إلى 10 جيجابت / ثانية. يتم تحقيق أفضل أداء باستخدام الألياف المزاحة بالتشتت مع الليزر المتذبذب في وضع طولي واحد. عيب أنظمة الجيل الثالث 1.55 ميكرومتر هو أن الإشارة يتم تجديدها بشكل دوري باستخدام مكررات إلكترونية متباعدة بشكل نموذجي بمقدار 60-70 كم. يمكن زيادة تباعد المكرر عن طريق الاستفادة من مخطط الكشف عن التماثل المتماثل أو غير المتجانسة لأن استخدامه يحسن حساسية المستقبل. يشار إلى هذه الأنظمة على أنها أنظمة موجات ضوئية متماسكة. كانت الأنظمة المتماسكة قيد التطوير في جميع أنحاء العالم خلال الثمانينيات ، وقد تم توضيح فوائدها المحتملة في العديد من تجارب النظام. ومع ذلك ، تم تأجيل الإدخال التجاري لهذه الأنظمة مع ظهور مكبرات الصوت الليفية في عام 1989.
يستخدم الجيل الرابع من أنظمة الموجات الضوئية التضخيم البصري لزيادة تباعد المكرر وتعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي (WDM) لزيادة معدل البت. في معظم أنظمة WDM ، يتم تعويض خسائر الألياف بشكل دوري باستخدام مضخمات ألياف مخدرة بالإربيوم (EDFA) متباعدة 60-80 كم. تم تطوير هذه المضخمات بعد عام 1985 وأصبحت متاحة تجاريًا بحلول عام 1990. وأشار هذا الأداء إلى أن نظام الإرسال البحري القائم على مكبر الصوت ، والذي يتكون بالكامل من البصريات ، كان ممكنًا للاتصال عبر القارات. بحلول عام 1996 ، لم يتم إظهار الإرسال الذي يزيد عن 11300 كم بمعدل بت قدره 5 جيجابت / ثانية فقط باستخدام الكابلات البحرية الفعلية ، ولكن أصبحت أنظمة الكابلات التجارية عبر المحيط الأطلسي وعبر المحيطات متاحة أيضًا. منذ ذلك الحين ، تم نشر عدد كبير من أنظمة الموجات الضوئية تحت سطح البحر في جميع أنحاء العالم [4].

تركيب الالياف الضوئية:
بشكل عام ، هناك ثلاثة أنواع من كابلات الألياف الضوئية
- الكيبل المتعدد الانماط Multimode Step-Index
- الكيبل المتعدد الانماط المتدرج Multimode Graded-Index
- الكيبل ذو النمط الواحد Single-Mode (Step-Index)
يكمن الاختلاف بين هذه الانواع في الطريقة التي ينتقل بها الضوء على طول الألياف. في الشكل 2 مقطع يوضح طريقة عمل الألياف "متعددة الأنماط". هناك اثنان أجزاء مختلفة من الألياف. في الشكل ، يوجد لب 50 ميكرون (ميكرومتر) في قطرها وقطرها 125 ميكرون. (حجم الألياف عادة ما يقتبس قطر اللب متبوعًا بقطر الغلاف. وبالتالي فإن الألياف في الشكل تم تحديده على أنه 50/125.) الغطاء يحيط القلب. زجاج الغطاء له معامل انكسار مختلف (أقل) عن معامل انكسار القلب ، ويشكل حدود المرآة.
هذا التأثير الذي يتم رؤيته عند النظر للأعلى من تحت الماء. ماعدا الجزء ألعلوي مباشرة ، يظهر تقاطع الماء والهواء باللون الفضي مثل مرآة. ينتقل الضوء (بفقد منخفض جدًا) إلى أسفل الألياف عن طريق الانعكاس من المرآة الحدود بين اللب و الغطاء. هذه الظاهرة تسمى "الانعكاس الداخلي الكلي ". ولعل أهم ما يميزه هو أن الألياف ستفعل الانحناء حول الزوايا إلى دائرة نصف قطرها بضعة سنتيمترات فقط دون أي فقد خفيف. يتوقع الكثير أنه إذا سلط الضوء على الألياف ، ثم يدخل الضوء إلى الألياف بعدد لا نهائي من الزوايا و ينتشر عن طريق الانعكاس الداخلي على عدد لا حصر له من المسارات الممكنة. هذا ليس صحيحا. ما يحدث هو أنه لا يوجد سوى عدد محدود من المسارات الممكنة للضوء ليأخذها. تسمى هذه المسارات "أنماط" و تحديد السمة العامة لنظام نقل الضوء تستخدم. الألياف التي يكون قطرها الأساسي كبير بما يكفي للعثور على الضوء المستخدم المسارات المتعددة تسمى الألياف "متعددة الأنماط". للألياف ذات القطر الأساسي من 62.5 ميكرون باستخدام ضوء بطول موجة 1300 نانومتر ، عدد الأنماط هو حوالي 400 اعتمادًا على الاختلاف في معامل الانكسار بين الأساسية والغطاء.
مشكلة الالياف متعددة الأنماط هي أن بعض المسارات التي اتخذتها أنماط معينة أطول من المسارات الأخرى. هذا يعني أن النور سوف يصل في أوقات مختلفة حسب المسار المتخذ. لذلك النبض يميل إلى الانتشار (المنتشر) أثناء انتقاله عبر الألياف. هذا التأثير أحد أسباب "التداخل بين الرموز". و يحد من المسافة التي يمكن إرسال النبض بشكل مفيد عبر الألياف متعددة الأنماط. شكل رقم 2 يوضح انواع الالياف الضوئية.

الكيبل المتعدد الانماط المتدرج Multimode Graded-Index:هناك طريقة واحدة لحل مشكلة التشتت (النمطي) في الألياف متعددة الأنماط هي ان يكون معامل الانكسار للنواة يتغير تدريجياً من المركز إلى الحافة. اثناء انتقال الضوء إلى أسفل يتعرض مركز الألياف لمعامل انكسار أعلى من الضوء الذي ينتقل إلى الخارج نحو الغطاء. وهكذا فان الضوء صاحب أقصر المسارات (الأنماط) ينتقل بشكل أبطأ من الضوء على المسارات الأطول فعليًا. يتبع الضوء مسارًا منحنيًا داخل الألياف كما هو موضح في الشكل. الهدف من ذلك هو الحفاظ على سرعة انتشار الضوء على كل منهما المسار نفسه فيما يتعلق بمحور الألياف. هكذا نبضة من الضوء الذي يتكون من العديد من الأنماط تبقى معًا أثناء انتقالها عبر الألياف. هذا يسمح بالإرسال لمسافات أطول مما يفعله متعدد الأنماط العادية . يسمى هذا النوع من الألياف ألياف "الفهرس المتدرج".
ينتقل ضوء الألياف عادةً في حوالي 400 وضع (بطول موجة يبلغ 1300 نانومتر) أو 800 وضع (في نطاق 800 نانومتر). يتم تصنيف معامل الانكسار للب فقط.

الكيبل ذو النمط الواحد Single-Mode (Step-Index):
إذا كان قلب الألياف ضيقًا جدًا مقارنة بالطول الموجي للضوء عند الاستخدام ، لا يمكن للضوء السفر في أنماط مختلفة وبالتالي الألياف تسمى "أحادية النمط" أو "النمط الأحادي". لم يعد هناك أي انعكاس من حدود الغطاء الأساسية. من الواضح أن كلما كان الطول الموجي للضوء المستخدم اكبر ، كلما زاد قطر الألياف التي يمكننا استخدامها. القطر الأساسي المستخدم في الألياف أحادية النمط النموذجية هي تسعة ميكرون. الأمر ليس بهذه البساطة في الممارسة العملية. نسبة كبيرة (تصل إلى 20٪) من الضوء الموجود في الألياف أحادية النمط خلال الغطاء. لهذا السبب في "القطر الظاهر" للنواة (المنطقة التي يوجد فيها معظم الضوء) أوسع إلى حد ما من اللب نفسه. يطلق على المنطقة التي يمر فيها الذي ينتقل في ليف أحادي النمط اسم "منطقة المجال". هذا المجال يختلف في القطر اعتمادًا على مؤشرات الانكسار النسبية للنواة الغطاء. لا يمكننا أن تكون النواة ضيقة للغاية بسبب الخسائر في الانحناءات في الألياف. مع انخفاض قطر النواة مقارنة بطول الموجة (يصبح اللب أضيق أو يصبح الطول الموجي أطول) ، وهو الحد الأدنى لنصف القطر الذي يمكننا ثني الألياف دون زيادة المفاقيد. إذا كان الانحناء حادًا جدًا ، فإن الضوء يخرج من القلب الى الأجزاء الخارجية من الكسوة.
يمكن عمل الألياف أحادية النمط من خلال:
- جعل النواة رقيقة بما فيه الكفاية
- جعل فرق معامل الانكسار بين اللب والغطاء صغيراً للغاية .
- استخدام طول موجي أطول
عادةً ما يكون للألياف أحادية النمط توهين أقل بكثير من الألياف متعددة الأنماط (حوالي النصف).و هذا لا علاقة له بهندسة الألياف أو تصنيعها. تتميز الألياف أحادية النمط تتميز باختلاف قليل في معامل الانكسار بين اللب و الغطاء. هذا يعني أن هناك حاجة إلى كمية أقل من تثبيط تعديل معامل الانكسار حيث أن التثبيط هو مصدر رئيسي للتوهين.
الألياف الاحادية او المتعددة عند طول موجي معين. إذا استخدمنا ضوء موجة طويل جدًا (لنقل 10.6 نانومتر من ليزر ثاني أكسيد الكربون) ، فإن معظم ألياف المتعددة ستكون أحادية لذلك الطول الموجي. إذا استخدمنا ضوء 600 نانومتر على الألياف أحادية النمط القياسية ، فعندئذ يكون لدينا عدد أكبر من الأنماط (على الرغم من أنه عادةً ما يكون حوالي 3 إلى 5 أنماط فقط).
هناك خاصية للألياف أحادية النمط تسمى "طول موجة القطع". و هو عادةً حوالي 1100 نانومتر للألياف أحادية النمط التي يبلغ قطرها الأساسي 9 ميكرون. الطول الموجي المقطوع هو أقصر طول موجي تبقى فيه الألياف أحادي النمط . في الأطوال الموجية الأقصر من القطع تكون الألياف متعددة الأنماط. عندما يتم إدخال الضوء إلى نهاية الألياف هناك زاوية حرجة للقبول. يمر الضوء الذي يدخل بزاوية أكبر في الغطاء ويضيع. بحجم زاوية أصغر ينتقل الضوء خلال الألياف.