تخيل أن كابلات الألياف الضوئية يمكنها حمل المعلومات من خلال ألوان مختلفة مثل قوس قزح، حيث يمثل كل لون قناة بيانات مميزة. في اتصالات الألياف الضوئية، تعمل الأطوال الموجية كـ "ألوان"، مما يحدد خصائص وكفاءة إرسال الإشارات الضوئية. في حين أن "الطول الموجي" قد يبدو مصطلحًا غامضًا للعديد، إلا أنه في الواقع مفتاح فهم تكنولوجيا الألياف الضوئية. توضح هذه المقالة مفهوم الأطوال الموجية للألياف الضوئية، ومبادئها الأساسية، ودورها الحاسم في التطبيقات العملية.
يمتد الضوء إلى ما هو أبعد مما تدركه أعيننا على أنه ضوء مرئي. إنه يشكل جزءًا من طيف كهرومغناطيسي أوسع يشمل أنواعًا مختلفة من الإشعاع - من الأشعة السينية عالية الطاقة والأشعة فوق البنفسجية إلى موجات الراديو والميكروويف المألوفة، وأخيراً إلى ضوء الأشعة تحت الحمراء المستخدم في اتصالات الألياف الضوئية. هذه كلها في الأساس إشعاعات كهرومغناطيسية، تتميز في المقام الأول بأطوالها الموجية. يمكن تصور الطيف الكهرومغناطيسي على أنه لوحة ألوان واسعة، حيث تتوافق الأطوال الموجية المختلفة مع "ألوان" مختلفة. تختار اتصالات الألياف الضوئية بشكل استراتيجي "ألوانًا" معينة من هذه اللوحة لإرسال المعلومات.
عادة ما يتم وصف الإشعاع الكهرومغناطيسي باستخدام الطول الموجي أو التردد. يشير الطول الموجي إلى المسافة بين القمم أو الحضيض المتتالية للموجة أثناء انتشارها عبر الفضاء، وعادة ما يتم قياسها بالنانومتر (نانومتر، جزء من مليار من المتر) أو الميكرومتر (ميكرومتر، جزء من مليون من المتر). يشير التردد إلى عدد مرات تذبذب الموجة في الثانية، ويقاس بالهرتز (هرتز). يشترك الطول الموجي والتردد في علاقة عكسية: تتوافق الأطوال الموجية الأقصر مع الترددات الأعلى، بينما تشير الأطوال الموجية الأطول إلى ترددات أقل. بالنسبة للأطوال الموجية الأقصر مثل تلك الخاصة بالضوء والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية، فإن الطول الموجي هو الواصف المفضل. بالنسبة للأطوال الموجية الأطول مثل موجات الراديو وإشارات التلفزيون والميكروويف، يُستخدم التردد بشكل أكثر شيوعًا.
الشكل الأكثر شيوعًا للضوء هو بالطبع الضوء المرئي. يمكن للعين البشرية اكتشاف الأطوال الموجية التي تتراوح تقريبًا من 400 نانومتر (الضوء الأزرق/البنفسجي) إلى 700 نانومتر (الضوء الأحمر). يتماشى هذا النطاق مع أقوى نطاقات الإشعاع من الشمس، مما يشير إلى أن نظامنا البصري تطور لإدراك أشد الأطوال الموجية كثافة من الشمس - وهو مثال أنيق على التكيف البيولوجي.
لا تعتمد اتصالات الألياف الضوئية على الضوء المرئي، بل على ضوء الأشعة تحت الحمراء، الذي له أطوال موجية أطول - عادةً حوالي 850 نانومتر و 1300 نانومتر و 1550 نانومتر. ينبع اختيار ضوء الأشعة تحت الحمراء من انخفاض التوهين في الألياف الضوئية. ينشأ التوهين في الألياف من عاملين أساسيين: الامتصاص والتشتت.
لتقليل فقدان الإشارة، تعمل أنظمة الألياف الضوئية في طيف الأشعة تحت الحمراء، وتتجنب قمم امتصاص الماء وتستقر على الأطوال الموجية القياسية الثلاثة: 850 نانومتر و 1300 نانومتر و 1550 نانومتر. لحسن الحظ، يمكن تصميم الثنائيات الليزرية (أو مصابيح LED) وأجهزة الكشف الضوئي للعمل بكفاءة عند هذه الأطوال الموجية المحددة.
إذا كانت الأطوال الموجية الأطول تتعرض لتوهين أقل، فلماذا لا تستخدمها؟ تكمن الإجابة في قرب الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء من الإشعاع الحراري. تمامًا كما يمكننا رؤية التوهج الأحمر الخافت للموقد الكهربائي والشعور بحرارته، فإن الأطوال الموجية الأطول تصبح عرضة للضوضاء الحرارية المحيطة، والتي يمكن أن تتداخل مع إرسال الإشارة. بالإضافة إلى ذلك، توجد قمم امتصاص أخرى للماء في نطاق الأشعة تحت الحمراء.
على عكس الألياف الزجاجية، تُظهر الألياف الضوئية البلاستيكية (POF) امتصاصًا أقل عند الأطوال الموجية الأقصر. وبالتالي، تستخدم POF عادةً ضوءًا أحمر بطول 650 نانومتر، على الرغم من أن 850 نانومتر تظل قابلة للتطبيق للتطبيقات قصيرة المدى مع أجهزة إرسال الألياف الزجاجية.
في شبكات الألياف الضوئية، لا تعتبر الأطوال الموجية حاسمة للإرسال فحسب، بل أيضًا للاختبار. يجب قياس توهين الكابل عند نفس الطول الموجي المستخدم لإرسال الإشارة. وبالمثل، تتطلب مقاييس القدرة الضوئية المعايرة عند هذه الأطوال الموجية المحددة لتقييم أداء الشبكة بدقة.
يوفر المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) خدمات المعايرة لمقاييس القدرة الضوئية عند الأطوال الموجية الثلاثة الرئيسية للألياف الضوئية: 850 نانومتر و 1300 نانومتر و 1550 نانومتر. تم تصميم الألياف متعددة الأوضاع عادةً لـ 850 نانومتر و 1300 نانومتر، بينما تم تحسين الألياف أحادية الوضع لـ 1310 نانومتر و 1550 نانومتر. يرجع التباين الطفيف بين 1300 نانومتر و 1310 نانومتر إلى اتفاقيات المصطلحات التاريخية التي وضعتها AT&T، حيث استخدمت الألياف أحادية الوضع ليزرات 1310 نانومتر واستخدمت الألياف متعددة الأوضاع مصابيح LED 1300 نانومتر.
| نوع الألياف | الطول الموجي (نانومتر) |
|---|---|
| الألياف الضوئية البلاستيكية (POF) | 650 |
| ألياف ذات مؤشر متدرج متعددة الأوضاع | 850، 1300 |
| ألياف أحادية الوضع | 1310، 1490-1625 |
تستخدم أنظمة الاتصالات الحديثة على نطاق واسع تقنيات تقسيم الإرسال الموجي (WDM)، بما في ذلك WDM الكثيف (DWDM) و WDM الخشن (CWDM). يتيح WDM للألياف الواحدة حمل ألوان متعددة من الضوء في وقت واحد، حيث يمثل كل لون قناة بيانات مستقلة. في أنظمة WDM، يتم ضبط الليزرات بدقة على أطوال موجية مميزة، متباعدة عن كثب بما يكفي لزيادة السعة إلى أقصى حد ولكنها متباعدة بما يكفي لمنع التداخل. هذا يوازي البث الإذاعي FM، حيث تعمل المحطات على ترددات مختلفة. يستخدم WDM نطاق الطول الموجي بأكمله من 1260 نانومتر إلى 1670 نانومتر، مقسمًا إلى نطاقات معينة.
أحد الجوانب الهامة ولكن التي غالبًا ما يتم تجاهلها في الألياف الضوئية هو السلامة. نظرًا لأن معظم أنظمة الألياف الضوئية تعمل خارج الطيف المرئي، فإن الضوء المنقول يكون عادةً غير مرئي للعين المجردة. لا تنظر أبدًا مباشرة إلى نهاية الألياف للتحقق من الإشارات - يمكن لبعض الأنظمة عالية الطاقة مثل CATV و DWDM أن تنبعث منها إشعاعًا خطيرًا. تحقق دائمًا من مستويات القدرة الضوئية باستخدام مقياس معاير قبل التعامل مع وصلات الألياف.
يعد فهم الأطوال الموجية للألياف الضوئية أمرًا أساسيًا لإتقان تكنولوجيا الاتصالات الضوئية. من خلال كشف "رمز الألوان" للألياف الضوئية، يمكن للمهنيين تحسين تصميم الشبكة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها بفعالية ودفع حدود قدرات نقل البيانات.
تخيل أن كابلات الألياف الضوئية يمكنها حمل المعلومات من خلال ألوان مختلفة مثل قوس قزح، حيث يمثل كل لون قناة بيانات مميزة. في اتصالات الألياف الضوئية، تعمل الأطوال الموجية كـ "ألوان"، مما يحدد خصائص وكفاءة إرسال الإشارات الضوئية. في حين أن "الطول الموجي" قد يبدو مصطلحًا غامضًا للعديد، إلا أنه في الواقع مفتاح فهم تكنولوجيا الألياف الضوئية. توضح هذه المقالة مفهوم الأطوال الموجية للألياف الضوئية، ومبادئها الأساسية، ودورها الحاسم في التطبيقات العملية.
يمتد الضوء إلى ما هو أبعد مما تدركه أعيننا على أنه ضوء مرئي. إنه يشكل جزءًا من طيف كهرومغناطيسي أوسع يشمل أنواعًا مختلفة من الإشعاع - من الأشعة السينية عالية الطاقة والأشعة فوق البنفسجية إلى موجات الراديو والميكروويف المألوفة، وأخيراً إلى ضوء الأشعة تحت الحمراء المستخدم في اتصالات الألياف الضوئية. هذه كلها في الأساس إشعاعات كهرومغناطيسية، تتميز في المقام الأول بأطوالها الموجية. يمكن تصور الطيف الكهرومغناطيسي على أنه لوحة ألوان واسعة، حيث تتوافق الأطوال الموجية المختلفة مع "ألوان" مختلفة. تختار اتصالات الألياف الضوئية بشكل استراتيجي "ألوانًا" معينة من هذه اللوحة لإرسال المعلومات.
عادة ما يتم وصف الإشعاع الكهرومغناطيسي باستخدام الطول الموجي أو التردد. يشير الطول الموجي إلى المسافة بين القمم أو الحضيض المتتالية للموجة أثناء انتشارها عبر الفضاء، وعادة ما يتم قياسها بالنانومتر (نانومتر، جزء من مليار من المتر) أو الميكرومتر (ميكرومتر، جزء من مليون من المتر). يشير التردد إلى عدد مرات تذبذب الموجة في الثانية، ويقاس بالهرتز (هرتز). يشترك الطول الموجي والتردد في علاقة عكسية: تتوافق الأطوال الموجية الأقصر مع الترددات الأعلى، بينما تشير الأطوال الموجية الأطول إلى ترددات أقل. بالنسبة للأطوال الموجية الأقصر مثل تلك الخاصة بالضوء والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية، فإن الطول الموجي هو الواصف المفضل. بالنسبة للأطوال الموجية الأطول مثل موجات الراديو وإشارات التلفزيون والميكروويف، يُستخدم التردد بشكل أكثر شيوعًا.
الشكل الأكثر شيوعًا للضوء هو بالطبع الضوء المرئي. يمكن للعين البشرية اكتشاف الأطوال الموجية التي تتراوح تقريبًا من 400 نانومتر (الضوء الأزرق/البنفسجي) إلى 700 نانومتر (الضوء الأحمر). يتماشى هذا النطاق مع أقوى نطاقات الإشعاع من الشمس، مما يشير إلى أن نظامنا البصري تطور لإدراك أشد الأطوال الموجية كثافة من الشمس - وهو مثال أنيق على التكيف البيولوجي.
لا تعتمد اتصالات الألياف الضوئية على الضوء المرئي، بل على ضوء الأشعة تحت الحمراء، الذي له أطوال موجية أطول - عادةً حوالي 850 نانومتر و 1300 نانومتر و 1550 نانومتر. ينبع اختيار ضوء الأشعة تحت الحمراء من انخفاض التوهين في الألياف الضوئية. ينشأ التوهين في الألياف من عاملين أساسيين: الامتصاص والتشتت.
لتقليل فقدان الإشارة، تعمل أنظمة الألياف الضوئية في طيف الأشعة تحت الحمراء، وتتجنب قمم امتصاص الماء وتستقر على الأطوال الموجية القياسية الثلاثة: 850 نانومتر و 1300 نانومتر و 1550 نانومتر. لحسن الحظ، يمكن تصميم الثنائيات الليزرية (أو مصابيح LED) وأجهزة الكشف الضوئي للعمل بكفاءة عند هذه الأطوال الموجية المحددة.
إذا كانت الأطوال الموجية الأطول تتعرض لتوهين أقل، فلماذا لا تستخدمها؟ تكمن الإجابة في قرب الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء من الإشعاع الحراري. تمامًا كما يمكننا رؤية التوهج الأحمر الخافت للموقد الكهربائي والشعور بحرارته، فإن الأطوال الموجية الأطول تصبح عرضة للضوضاء الحرارية المحيطة، والتي يمكن أن تتداخل مع إرسال الإشارة. بالإضافة إلى ذلك، توجد قمم امتصاص أخرى للماء في نطاق الأشعة تحت الحمراء.
على عكس الألياف الزجاجية، تُظهر الألياف الضوئية البلاستيكية (POF) امتصاصًا أقل عند الأطوال الموجية الأقصر. وبالتالي، تستخدم POF عادةً ضوءًا أحمر بطول 650 نانومتر، على الرغم من أن 850 نانومتر تظل قابلة للتطبيق للتطبيقات قصيرة المدى مع أجهزة إرسال الألياف الزجاجية.
في شبكات الألياف الضوئية، لا تعتبر الأطوال الموجية حاسمة للإرسال فحسب، بل أيضًا للاختبار. يجب قياس توهين الكابل عند نفس الطول الموجي المستخدم لإرسال الإشارة. وبالمثل، تتطلب مقاييس القدرة الضوئية المعايرة عند هذه الأطوال الموجية المحددة لتقييم أداء الشبكة بدقة.
يوفر المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) خدمات المعايرة لمقاييس القدرة الضوئية عند الأطوال الموجية الثلاثة الرئيسية للألياف الضوئية: 850 نانومتر و 1300 نانومتر و 1550 نانومتر. تم تصميم الألياف متعددة الأوضاع عادةً لـ 850 نانومتر و 1300 نانومتر، بينما تم تحسين الألياف أحادية الوضع لـ 1310 نانومتر و 1550 نانومتر. يرجع التباين الطفيف بين 1300 نانومتر و 1310 نانومتر إلى اتفاقيات المصطلحات التاريخية التي وضعتها AT&T، حيث استخدمت الألياف أحادية الوضع ليزرات 1310 نانومتر واستخدمت الألياف متعددة الأوضاع مصابيح LED 1300 نانومتر.
| نوع الألياف | الطول الموجي (نانومتر) |
|---|---|
| الألياف الضوئية البلاستيكية (POF) | 650 |
| ألياف ذات مؤشر متدرج متعددة الأوضاع | 850، 1300 |
| ألياف أحادية الوضع | 1310، 1490-1625 |
تستخدم أنظمة الاتصالات الحديثة على نطاق واسع تقنيات تقسيم الإرسال الموجي (WDM)، بما في ذلك WDM الكثيف (DWDM) و WDM الخشن (CWDM). يتيح WDM للألياف الواحدة حمل ألوان متعددة من الضوء في وقت واحد، حيث يمثل كل لون قناة بيانات مستقلة. في أنظمة WDM، يتم ضبط الليزرات بدقة على أطوال موجية مميزة، متباعدة عن كثب بما يكفي لزيادة السعة إلى أقصى حد ولكنها متباعدة بما يكفي لمنع التداخل. هذا يوازي البث الإذاعي FM، حيث تعمل المحطات على ترددات مختلفة. يستخدم WDM نطاق الطول الموجي بأكمله من 1260 نانومتر إلى 1670 نانومتر، مقسمًا إلى نطاقات معينة.
أحد الجوانب الهامة ولكن التي غالبًا ما يتم تجاهلها في الألياف الضوئية هو السلامة. نظرًا لأن معظم أنظمة الألياف الضوئية تعمل خارج الطيف المرئي، فإن الضوء المنقول يكون عادةً غير مرئي للعين المجردة. لا تنظر أبدًا مباشرة إلى نهاية الألياف للتحقق من الإشارات - يمكن لبعض الأنظمة عالية الطاقة مثل CATV و DWDM أن تنبعث منها إشعاعًا خطيرًا. تحقق دائمًا من مستويات القدرة الضوئية باستخدام مقياس معاير قبل التعامل مع وصلات الألياف.
يعد فهم الأطوال الموجية للألياف الضوئية أمرًا أساسيًا لإتقان تكنولوجيا الاتصالات الضوئية. من خلال كشف "رمز الألوان" للألياف الضوئية، يمكن للمهنيين تحسين تصميم الشبكة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها بفعالية ودفع حدود قدرات نقل البيانات.
