الألياف الضوئية: الماضي والحاضر

في عام 1966 ، قدم تشارلز كاو كوين ، وهو عالم من الصين ، نتائج بحثه الخاص إلى العالم. كانت الرسالة الرئيسية لتطوره هي أنه يمكن تنظيم الاتصال البصري باستخدام الألياف الزجاجية. قدم كاو في عمله العالم لميزات التصميم الفريدة للألياف وموادها. يمكن اعتبار عالم الأبحاث بحق أساس اتصالات الألياف الضوئية اليوم. تم استخدام أول ذكر لمصطلح "الألياف الضوئية" لأول مرة في عام 1956 من قبل NS Kapany من الولايات المتحدة الأمريكية.

اليوم ، اخترقت تقنيات اتصالات الألياف الضوئية حياتنا بقوة لدرجة أننا لم نعد نرى أي شيء مفاجئ فيها ونرى وجودها وكذلك وجود نظام إمدادات المياه في مبنى سكني. لذلك ، في هذا المنشور ، أود أن أتحدث أكثر عن البصريات وأروي بعض الحقائق المثيرة للاهتمام حول التكنولوجيا التي يعتمد عليها الاتصال الحديث عالي السرعة.

القليل من التاريخ

خلال تاريخ تطور الألياف الضوئية ، تم إجراء العديد من الدراسات والتجارب المثيرة للاهتمام. دعونا نلقي نظرة فقط على بعضها.

أجرى الفيزيائي الإنجليزي جون تيندال تجربة مع انعكاس شعاع ضوئي في مجرى مائي وصفه في كتابه.

"إذا تجاوزت الزاوية التي يسقط فيها شعاع الضوء من الماء إلى الهواء (أي الزاوية بين سطح وسيطين وعمودي) 48 درجة ، فإن الشعاع لا يخرج من الماء - وينعكس تمامًا من حدود الهواء والهواء ... إذا كانت أصغر زاوية يكتب تيندال "القطرة التي يلاحظ عندها انعكاس داخلي كامل ، تسمى زاوية التحديد ، ثم بالنسبة للماء ستكون مساوية لـ 48 درجة 27" ، للزجاج عديم اللون (زجاج الصوان) - 38 درجة 41 "، وللماس - 23 درجة 42".



إعداد جون تيندال التجريبي

هذه التجربة ، إذا رغبت في ذلك ، يمكن وضعها في المنزل من قبل أي شخص. مؤشر الليزر تحتاج للتألق في زوايا مختلفة في الحمام مع تيار من الماء من الصنبور. عند زاوية معينة ، سينعكس شعاع الضوء تمامًا في مجرى الماء.





يمكن إجراء تجربة مماثلة باستخدام مصباح يدوي. للقيام بذلك ، في زجاجة بلاستيكية شفافة ، تحتاج إلى عمل ثقب على الجانب. نمرر الماء من خلال الزجاجة ونبدأ بتألق فانوس على الجانب الآخر من الزجاجة. إذا استبدلنا راحة اليد ، فستنعكس بقعة ضوء عليها.





بدأ الحديث النشط عن المصابيح الليفية في الخمسينات من القرن الماضي. ثم بدأوا في صنعها من أنواع مختلفة من المواد الشفافة. لكن شفافية هذه المواد لم تكن كافية لتوصيل ضوء جيد.

في تلك السنوات ، تفوق الاتحاد السوفييتي على الغرب في مجال الألياف الضوئية. تم إطلاق أول خط اتصال بصري في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في عام 1977 في زيلينوجراد. تم إنشاء القناة لربط المنطقة الصناعية الشمالية وإدارة المدينة. تم تصنيعها على كابل بصري تم تطويره من قبل مكتب تصميم خاص لصناعة الكابلات (OKB KP) ، وهو جزء من مؤسسة التقنيات الإلكترونية الراديوية (KRET) التابعة لشركة Rostec State Corporation ، والتي تتخصص في إنتاج الكابلات وتجميعات الكابلات.

في مايو 1981 ، أصدر اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية مرسوم اللجنة المركزية للحزب الشيوعي السوفياتي ومجلس وزراء الاتحاد السوفياتي "بشأن تطوير وتنفيذ أنظمة اتصالات الألياف الضوئية ونقل المعلومات". كان هذا الحدث بمثابة دافع لتطوير اتصالات الألياف الضوئية وزيادة عدد التطورات في هذا المجال.

في أوائل الستينيات ، أولاً في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، ثم في الغرب ، توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن امتصاص الضوء للزجاج يعتمد بشدة على مواد التلوين ومنتجات تآكل الحراريات. وقد ثبت تجريبياً أن امتصاص الضوء للزجاج النظيف تمامًا صغير جدًا لدرجة أنه يقع خارج حساسية أدوات القياس.
في عام 1966 ، توصلت مجموعة من العلماء بقيادة تشارلز كوين كاو إلى استنتاج مفاده أن زجاج الكوارتز سيكون المادة الأكثر ملاءمة لاتصالات الألياف البصرية. حتى ذلك الحين ، اعتقد كاو أنه بمساعدة البصريات سيكون من الممكن نقل المعلومات وقريبًا سيحل هذا النوع من الاتصالات محل إرسال الإشارة عبر الأسلاك النحاسية.

بعد ثلاث سنوات ، تلقى كاو أليافًا بمعامل توهين قدره 4 ديسيبل / كم. كانت هذه النتيجة هي المثال الأول للزجاج فائق النقاء. بعد ذلك بعام ، أنتجت شركة Corning Incorporated أليافًا ذات مظهر انكساري متدرج ووصلت إلى عامل التخميد 20 ديسيبل / كم عند طول موجي 633 نانومتر. لأول مرة ، نقلت ألياف الكوارتز شعاعًا ضوئيًا يصل إلى كيلومترين.

نتفق بوتيرة مماثلة ، يتطور نقل البيانات الكمية الآن. قليلا ، لكن قليلا. كتجربة واستخدام تجاري لمسافات قصيرة.

أين تستخدم الألياف بجانب الاتصالات؟

اليوم ، يتم استخدام الألياف في العديد من الصناعات إلى جانب الاتصالات. هذه آلات أشعة سينية ، حيث توفر عزلًا كلفانيًا بين مصدر جهد عالي ومعدات تحكم ذات جهد منخفض. لذلك يحصل الموظفون والمرضى على عزل عن جزء الجهد العالي للمعدات. يتم استخدام الألياف في المفاتيح الكهربائية للمحطات الفرعية كمستشعر لنظام الحماية.

تُستخدم الألياف البصرية على نطاق واسع في أنواع مختلفة من أنظمة القياس ، حيث يستحيل استخدام الأجهزة الكهربائية التقليدية. على سبيل المثال ، في أنظمة قياس درجة الحرارة في المحركات النفاثة للطائرة ، في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (أجهزة التصوير المقطعي لفحص الأعضاء الداخلية ، بما في ذلك الدماغ) ، إلخ. يمكن لأجهزة الاستشعار القائمة على الألياف الضوئية قياس تردد الاهتزازات والدوران والإزاحة والسرعة والتسارع ، عزم الدوران ، التواء ومعلمات أخرى.

اليوم ، يتم استخدام الجيروسكوبات التي تعتمد على الألياف الضوئية ، والتي تعمل على أساس تأثير سانياك. لا يحتوي هذا الجيروسكوب على أجزاء متحركة ، مما يجعله موثوقًا للغاية. على الرغم من حقيقة أن أنظمة الملاحة الحديثة تستخدم عددًا كبيرًا من أجهزة الاستشعار المختلفة ، والتي بفضلها يتم تحديد موضع الكائن ، إلا أنه يمكن إنشاء النظام الأكثر استقلالية فقط على أساس جيروسكوبات الألياف الضوئية.
تستخدم البصريات على نطاق واسع في أجهزة الإنذار ضد السرقة. يتم ترتيب هذا النظام الأمني ​​على النحو التالي: عندما يخترق مهاجم المنطقة ، فإن شروط مرور الضوء من خلال تغيير الألياف ، ويتم تشغيل الإنذار.



مثال على تنفيذ جيروسكوب الألياف البصرية



وحدة قياس بالقصور الذاتي بالألياف البصرية ثلاثية المحاور من سلسلة ASTRIX المصنعة بواسطة AIRBUS DEFENSE & SPACE ؛ تم دمج مغير LiNb03 في المستشعر في كل اتجاه

يتم استخدام الألياف بنشاط لأغراض الديكور ، كديكور لقضاء العطلات ، في الفن والإعلان.







يتم تطوير أنواع جديدة من الألياف الضوئية باستمرار. على سبيل المثال ، الألياف البلورية الضوئية. يعتمد توزيع الضوء فيها على مبادئ مختلفة قليلاً. يمكن استخدام هذه الألياف كمستشعرات سائلة وكيميائية وغازية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدامه لنقل الإشعاع القوي للأغراض الصناعية أو الطبية.

لم تعد الليزرات الليفية التي تحتوي على عدة عشرات من الكيلووات من الطاقة الإشعاعية المستمرة جديدة. تم اختبار الأسلحة التي تستند إلى أشعة الليزر المكونة من 6 ألياف 5.5 كيلووات في البحرية الأمريكية في عام 2014. قطع الليزر الألياف المعدنية والخرسانة. على سبيل المثال ، إن آلة قطع المعادن IPG Photonics لديها طاقة 100 كيلووات.



يجري تطوير الألياف الضوئية ، والتي يمكن من خلالها نقل طاقة إشعاع الليزر لعدة كيلووات. من الناحية النظرية ، يعتبر إرسال الإشعاع بطاقة 10 كيلو واط على طول ليف بطول 250 متر وقطر قلب 150 ميكرومتر ممكنًا.



الألياف البلورية الضوئية

ومن الجدير بالذكر أيضًا أنه يتم حاليًا تطوير الألياف متعددة النواة بنشاط. سيزيد استخدامها بشكل كبير من الإنتاجية الإجمالية لوصلات الألياف البصرية.
الألياف بالفعل أكثر من خمسين ، ولكن من الواضح أن التكنولوجيا لن تتقاعد. تظهر الابتكارات في مجال الألياف الضوئية بانتظام ، والاتصالات بعيدة عن الصناعة الوحيدة المهتمة بتطوير التكنولوجيا.