Optical Fibers

Cairo University Faculty Of Engineering Systems And Biomedical Department

Report on

Optical Fibers

Report by

Kamal Mohamed Moussa

Under the supervision of Dr.

Mohamed Hesham

توطئة

را العلم ساحة تشهد را تطو مستم سريعة بصورة السابقة السنوات مر على العلم تاريخ في المتمعن تبهر تكاد

كان. ومسيرته من الكبر الجانب التقدمية الذي واللكترونيات التصالت مجال نصيب وبالطبع له، سابقة في تقنية طفرة شهد

هيأت قد شتى مجالت على ذلك انعكس خطوة لتخطو المجال التطورات تلك لها

التكنولوجيا طريق في الخرى هيوالتقنية.

والكتشافات التقنيات هذه ضمن من Optical Fibers الضوئية اللياف( كانت المستوى على إنجاز بمثابة تعد والتي-)

للعديد نواة كانت فقد والتطبيقي؛ النظري مجالت في والبحاث الختراعات من

كالطب،: .. والتصالت والصناعة، عديدة كان التي العمليات من العديد وسهلتاللياف. هذه وجود قبل بها القيام يصعب

بصدده نحن الذي البحث هذا في ماهية عن التفصيل من بشئ سنتكلم تستخدم، وفيما ونشأتها، اللياف، هذه

كما التقنية، هذه يميز لما وسنتعرض

عا سنتعرض التقنية هذه لمستقبل سري وتكنولوجيا العلمية الحياة على وإنعكاسهاالمستقبل.

Optical- الضوئية الليافFibers

تاريخية نبذة

با كتب من أول أن يذكر باستخدام مطاللبريطاني هو البصرية اللياف و بيرد ا

،1927 عام وذلك هانسيل الميركي البصرية اللياف باستخدام مطالبتهما وكانت بأية يقوما لم أنهما بيد التلفازية، الصور لنقلعلمية. تجربة

البصرية اللياف يولون العلماء وظل يتم لم أنه إل متوالية، عقود طوال اهتمامهم إل عملية بصورة البصرية اللياف استخدام

في استخدمت حيث الخمسينيات؛ بداية في والمعاء، المعدة لفحص الطبية المناظيرغير. مكائن لفحص الصناعة وفي الطائراتد لم وقتئذ اللياف هذه أطوال أن عدة تتع

را حجمها وكان أقدام، يا، كبي منها والفاقد نسبللغاية. مرتفع

عام الليزر أشعة اكتشاف تم وعندما اللياف استخدام في الجاد التفكير بدأ 1960 من واحدة ضوئية حزمة إن ذلك البصرية، التلفازية. الصور آلف نقل يمكنها الليزر أشعة شكل تأخذ البحاث بدأت الوقت ذلك ومنذ تقدمها التي الهائلة للمكانات نظرا جديدا

الليزر. أشعة

العالم أطلق 1970 اغسطس وفي ينة في ليزر شعاع كيك دونالد جديدة ع طوله رفيع خيط بشكل مسحوبة الزجاج من

200 . وبواسطة يحاول كيك بدأ المجهر متر الخيط لب مع ليزر شعاع إنطلق مسار ضبط

فجأة. في اللمتناهي الزجاجي لفت الضوء في المهجرية الضوء نقطة ضربة انتباهه الخيط عبر انطلق قد الضوء كان عينه،

إليه. الخر الطرف من وارتد واردا الزجاجي،

النبض أن السابقة التجارب كشفت إلى يصل المعلومات يحمل الذي الصوتي تلك أما ويختفي، يتحلل ثم الخيط نهاية

إذ المذهل، النتصار لحظة كانت فقد اللحظة أصبح البصرية اللياف عبر التصال أن بيد

وبقي. إلى التوصل مسألة ذلك بعد ممكنا حرارة بدرجة ضوء توليد كيفية معادلة كانت 1970 أكتوبر أواخر وفي الغرفة،

الميركية تليفون بيل شركة مختبراتالمطلوبة. المعادلة إلى توصلت

صناعة تقنية في الهائل للتقدم ونتيجة

النقي، السليكون أكسيد ثاني وإنتاج الزجاج، ألياف إنتاج من 1979 عام العلماء تمكن الشفافية من القصى حدها بلغ زجاجية نصف من أكثر تفقد ل الشارة وأن والنقاء، فيها. كيلومترا 20 مسافة قطعها بعد طاقتها أن يمكن البصرية اللياف أن اتضح وبذلكالخرى. التصال قنوات جميع على تتفوق

تليفون بيل شركة استعملت 1987 وفي

لجراء الزجاجية واللياف الدقيق الليزر جهازضوئي. الكتروني اتصال أول

بصورتها اللياف استخدمت فقد وعليه من العديد في الخيرة العقود في المتطورة كانت مما أفضل بصورة والتجارب الصناعات

ما مكوناتها تطوير بفضل قبل من عليه بعد يو اللياف هذه تركيب نستعرض يلي وفيما يوم،

صناعتها. في المستخدمة والمواد

بها اللياف ماهية وتركي

شعيرات عن عبارة هي الضوئية اللياف النقاء من عالية درجة على زجاج من طويلة رأس شعرة تماثل أن حد إلى رفعها يصل

مئات. هذه من اللف ربما أو النسانعا تصطف الضوئية اللياف حزمة في م- ( الضوئي الحبل( يسمى ما لتكون

optical cableخارجي بغطاء يحمى الذي .جاكيت يسمى

من تتكون أنها نجد اللياف لهذه بالنظر -:

الزجاج من قلب وهو :Coreالقلب- من ينتقل الذي المسار يمثل النقاء الفائقالضوء. خلله

وهو :cladding – الزجاجية القشرة الزجاجي بالقلب تحيط التي الخارجية المادة

معامل يختلف زجاج من مصنوعة هي و الذي الزجاج إنكسار معامل عن إنكساره باستمرار الضوء ويعكس القلب منه يصنع ي.الزجاج القالب داخل في ليظل

: -Buffer coating يالواق الغلف من القلب يحمي بلستيكي غلف وهو

الضرر.

بصورة ضوئية ليفة الشكل يظهر طبقاتها تركيب توضح

الضوئية اللياف أنواع

عامة بصفة تقسم أن يمكن الضوئية الليافأساسيين: نوعين إلى

الحادي النمط ذات الضوئية الليافsingle mode fiber خللها من تنتقل

ليفة كل في فقط واحدة ضوئية إشارة في تستخدم هي و الحزمة ألياف من ضوئيةهذا. كوابل و التلفون شبكات النوع التلفزيون

القلب قطر نصف بصغر يتميز اللياف من

micron 9 حوالي إلى يصل حيث الزجاجي الحمراء تحت الليزر أشعة خلله من تمر و

.nm 1.55-1.3 الموجي الطول ذات

المتعدد النمط ذات الضوئية الليافmulti-mode fibers العديد نقل يتم وبها

الضوئية الليفة خلل من الضوئية الشارات من لشبكات أفضل استخدامها يجعل مما الواحدة

هذا. نصف يكون اللياف من النوع الحاسوب و micron 62.5 إلى يصل حيث اكبر قطرهالحمراء. تحت الشعة خلله من تنتقل

اللياف لعمل الفيزيائي الساسالضوئية

ضوئية ومضة توصل أن تريد انك افترض أن هو عليك ما كل مستقيم طويل مسار خلل الضوء ولن المسار هذا خلل الضوء توجه سيصل فانه مستقيمة خطوط في ينتقل

لكن. بل الخر للطرف كان لو ماذا مشاكل تتغلب أن يمكن بسهولة انحناء؟ به المسار لتعكس النحناء عند مرآة بوضع ذلك على

و. مرة المسار داخل إلى الضوء بنفس أخرى كثير المسار كان لو المشكلة تحل الطريقة

المسار طول على مرايا تصف حيث النحناءات ليبقى الخر جانب من باستمرار الضوء لتعكس

هذه. في عمل فكرة هي بالضبط مسارهحيث. اللياف بواسطة الضوء ينتقل الضوئية

للقالب المحاذي الجدار عن المستمر النعكاسو. داخليا انعكاسا) cladding( الزجاجي كليا

الضوء من أي يمتص ل الجدار هذا لن أن يمكن الضوئية الشارة فان عليه الساقطولكن. مسافات تسافر أن أحيانا يحدث طويلة الشوائب تمتصه حيث الضوء من جزء يفقد

الزجاجي. القلب في الموجودة

جدار على المستمرة النعكاسات تحدث لكي هذا فإن الضوئية اللياف داخل الواقي الغلف ظاهرة تسمى فيزيائية ظاهرة على يعتمد

Total الكلي الداخلي النعكاس Internal Reflection

هي الكلي الداخلي النعكاس ظاهرة عبر الضوء نقل لتكنولوجيا الفيزيائي الساس

كل أن سابقا ذكرنا أننا حيث الزحاجية اللياف من الزجاجية والقشرة الزجاجي القالب من

مختلف. انكسارهما معامل ولكن الزجاج ولماذا مختلف النكسار معامل كان فلماذاالزجاج؟ من طبقتين وجدت

في الموضحة بالتجربة قمنا اننا لو تخيل في الليزر من شعاع تمثل والتي التالي الشكل بين حاجز الماء حافة وتشكل الماء من حوض اكبر انكساره معامل الذي الماء هما وسطين

الليزر شعاع يسقط فعندما الهواء، وسط من اذا اما بالكامل، ينفذ فإنه الحاجز على عمودياالتالي: الشكل في كما تدريجيا الزاوية زادت

الخر والجزء ينفذ الشعاع من جزء أن نلحظ السقوط زاوية زادت وكلما الماء داخل ينعكس

شدة وازدادت النافذ الشعاع شدة قلت كلما 48.6 تقريبا( زاوية وعند المنعكس، الشعاعتسمى) الشعاع يخرج الحرجة الزاوية درجة السقوط زاوية زادت واذا الماء لسطح موازيا

ل ينعكس الشعاع فإن الحرجة الزاوية عن قلي تسمى الحالة وهذه شيئا منه ينفذ ول بالكامل

total الداخلي الكلي النعكاس internal reflection.

توافر تتطلب الظاهرة هذه حدوث لكن التاليين الشرطين :

ضوئية كثافة ذو وسط من الضوء ينتقل ان) 1(إلى) انكساره معامل( أعلى أقل وسط كبيراقل). انكساره معامل( ضوئية كثافة

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

عليه بنيت الذي الساس هو هذا كان عبوره بمجرد الضوء أن حيث الضوئية اللياف

سينعكس core الزجاجي القالب داخل إلى لن الزجاجية للقشرة الداخلي السطح على

ويستمر القالب من اكبر انكسارها معامل بغض القالب جانبي على بالنعكاس الليزر أو مستقيمة الضوئية اللياف كانت اذا النظر

منحنية.

الضوئية اللياف مميزات

من الكثير في دخلت الضوئية اللياف و التصالت خصوصا و الصناعات

كما. شبكات في تستخدم الكمبيوتر كمجسات في و بأنواعه الطبي التصوير

الحرارة درجة في للتغير الجودة عالية التنقيب في تطبيقات من له بما والضغط

اللياف أحدثت لقد الرض، باطن في التصالت عالم في ثورة الضوئية العادية التوصيل أسلك على لتميزها

فهي:

لن المعلومات حمل على قدرة أكثر)1( العادية السلك من أرفع الضوئية اللياف

داخل منها كبير عدد وضع يمكن فإنه خطوط عدد يزيد مما الواحدة الحزمة في التلفزيوني البث قنوات عدد أو الهاتف

يكفي. حبل عرض إن تعرف أن واحد 50THz إلى يصل الضوئية لللياف النطاق

البث يحتاجه نطاق عرض أكبر إن حين في.6MHz يتجاوز ل التلفزيوني

أقل قطرها نصف أن حيث حجما أقل)2( التقليدية، النحاسية السلك قطر نصف من

قطره نحاسي سلك استبدال يمكن فمثل قطره الضوئية اللياف من بآخر سم7.62

أهمية يمثل هذا و سم0.635 يتجاوز لالرض. تحت السلك مد عند خاصة

أسلك استبدال فيمكن وزنا أخف)3( من بأخرى كجم94.5 وزنها نحاسيةكجم.3.6 فقط تزن الضوئية اللياف

في المرسلة للشارات أقل فقد)4(النحاسية. السلك في منه الضوئية اللياف

الشارات تداخل إمكانية عدم)5( في المتجاورة اللياف خلل من المرسلة

الشارة وضوح يضمن مما الواحد الحبل بث أو تلفونية محادثة أكانت سواء المرسلة

كما. للتداخلت تتعرض ل إنها تلفزيوني تنتقل الشارة يجعل مما الكهرومغناطيسية

في خاصة أهمية له مما تامة بسريةالعسكرية. الغراض

من يقلل مما للشتعال قابلة غير)6(الحرائق. خطر

المولدات في اقل طاقة إلى تحتاج)7(قليل. التوصيل عملية خلل الفقد لن

الضوئية اللياف تصنع ذكرنا و سبق كما حيث النقاء من عالية درجة على زجاج من

كان لو قالت بان ذلك الشركات إحدى وصفت للعديد يصل الضوئية اللياف من محيط هناك

للقاع سطحه على من نظرت و الميال منبوضوح. تراه أن يجب

الضوئية للياف ا تطبيقات

من كثير في الضوئية اللياف تدخل هو أكثرها ولعل والمجالت الصناعات

الشارات ونقل التصالت مجال تطبيقاتها بعض هنا ونعرض المعلوماتية

واستخدماتها:

الطويلة المسافات عبر المعلومات نقل•عا الكثر الستخدام وهو لللياف شيو

الضوئية.

المسافات عبر المعلومات نقل• الكمبيوتر بين تصل حيث أيضا القصيرة أو الجانبية الكمبيوترات و الرئيسيالطابعة.

في دخلت دقتها و لمرونتها نتيجة• المتعددة الرقمية الكاميرات صناعة

مثل الطبي التصوير في المستخدمةالمناظير. و الشعبي التصوير

الكاميرات تصنيع في دخلت • الميكانيكي التصوير في المستخدمة

النابيب في الوصلت و اللحام لفحصو. و المجاري أنابيب لفحص المولدات

الداخل. من الطويلة

أيضا الضوئية اللياف استخدمت• درجات في التغير لتحديد كمجسات

تفضل حيث strain الضغط و الحرارة حجمها لصغر العادية المجسات على

دقة و الصغيرة للتغيرات حساسيتها و

احد. لها المهمة التطبيقات أدائها يكون strain لقياس كمجسات

بعض جدار صناعة في بإدخالها مميز جدار الطائرة يمنح مما الطائرات

على الواقع الضغط من الطيار يحذرالطائرة. جسم أو أجنحة

Uses in Biomedical

تقوم الطبي المجال في تطبيقية امثلة الضوئية اللياف استخدام على بالساس

• Examination lights • FO headlight • Vet Otoscope • Laryngoscope (blade

illumination) • Anoscope (with annular

illumination) • Otoscope • Binocular indirect

ophthalmoscope

• Amnioscope • Microscope illumination• Heart catheter

لكن الضوئية، اللياف نهاية هذه تكون لن نذكرها لم الستخدامات من العديد هناك في سنراها التطورات من كثير وهناك هنا،

الصناعية. اللياف مجال في القادمة اليام المعلوماتية الشارات نقل على فقدرتها

جعل طويلة مسافات وعبر يذكر فقد دون

لذلك. ل وثروة فائقة أهمية لها فهي تنضب من كثير في عليه يعول مستقبل صاحبة

على ينعكس مما والصناعات، المجالت لنا تسهل واضحة بصورة العملية الحياة ويراه ممكنه، غير نراه عمليات أجراء

في. العلماء والكيمياء الطب ممكنة والصناعات والتصالت ..

انتهى

موسى كمال

مراجع

http://www.hazemsakeek.info http://www.timbercon.com

http://www.slideshare.net