المبدأ الفيزيائي الأساسي والتحليل الهندسي
يعتمد مجال اتصالات الألياف البصرية بالكامل على ظاهرة بصرية أساسية: الانعكاس الداخلي الكلي (TIR). ويسمح هذا المبدأ بتوجيه الضوء لمسافات مذهلة - مئات أو حتى آلاف الكيلومترات - داخل خيط زجاجي رفيع للغاية بأقل قدر من الفقد.
من من منظور هندسي، يحكم قانون Snell's Law حالة TIR. عندما ينتقل الضوء من وسط أكثر كثافة (قلب الألياف، بمعامل انكسار n₁) إلى وسط أقل كثافة (الكسوة، بمعامل انكسار n₂)، ينكسر الضوء بزاوية. والزاوية الحرجة (θ_c) هي زاوية السقوط التي ينعكس بعدها كل الضوء إلى القلب، وتُعرَّف بالصيغة التالية
sin θ_c = n₂ / n₁ (حيث n₁> n₂)
ولكي يحدث TIR، يجب أن تكون زاوية سقوط الشعاع الضوئي داخل القلب أكبر من θ_c المحسوبة. وبالتالي، فإن التحكم الدقيق في فرق معامل الانكسار بين القلب والكسوة هو المعلمة الأولى والأكثر أهمية في تصميم الألياف الضوئية. إن انحصار الضوء ليس مثاليًا؛ حيث توجد بعض الطاقة على شكل مجال متطاير يخترق قليلاً في الكسوة، وهو عامل حاسم في تصميم المقرنات وأجهزة الاستشعار.
أحد مقاييس الأداء الرئيسية المستمدة من فرق المؤشر هذا هو الفتحة العددية (NA)، والتي تحدد قدرة تجميع الضوء ومخروط القبول للألياف. ويتم حسابه على النحو التالي:
NA = sin θ_a = √(n₁² - n₂²)
يسمح ارتفاع NA بإقران المزيد من الضوء في الألياف ولكن يمكن أن يؤدي إلى تشتت متعدد الأوضاع، مما يحد من عرض النطاق الترددي. تتميز ألياف الاتصالات السلكية واللاسلكية الحديثة أحادية الوضع عادةً بخاصية عدم التخصيص (حوالي 0.1-0.2)، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الاقتران وسلامة الإشارة عالية السرعة لمسافات طويلة.
تطور ما بعد الانعكاس البسيط: الهياكل الضوئية وتصميم الألياف المتقدمة
في حين تعتمد الألياف التقليدية ذات النواة الصلبة على تباين المؤشر بين طبقات زجاج السيليكا المخدرة ، فإن تصميمات الألياف المتقدمة تتلاعب بالضوء باستخدام هياكل ضوئية أكثر تطوراً[1].
أظهرت الأبحاث في مجال الألياف البلورية الضوئية (PCFs) والعاكسات المهيكلة أنه يمكن هندسة نطاقات انعكاس متعددة الاتجاهات. وقد أظهرت إحدى الدراسات المنشورة في مجلة الهندسة البصرية والكمية أن البلورة الفوتونية أحادية البعد المشوهة (كومة عاكسات براغ) يمكن أن تعمل كمرآة متعددة الاتجاهات تغطي الأطوال الموجية الرئيسية للاتصالات السلكية واللاسلكية التي تتراوح بين 1.3 و1.55 ميكرومتر[1]. وبالمثل، نشرت ورقة بحثية في عام 2021 في مجلة Applied Nanoscience في مجلة Applied Nanoscience، تناولت بالتفصيل بنية بلورية ضوئية أوكتوناتشي باستخدام السيليكا المنصهرة ومادة فائقة التوصيل (YBCO) لإنشاء عاكس عالي الفعالية عند أطوال موجية تبلغ 650 و850 و1300 و1550 نانومتر[2]. وتوفر هذه الهياكل المصممة هندسيًا تحكمًا فائقًا في خصائص الانعكاس مقارنةً بالعاكس البيني البسيط TIR.
أدى السعي وراء قدرات أعلى وقدرات جديدة إلى تطوير نوعين ثوريين من الألياف:
- الألياف متعددة النوى (MCF): تدمج هذه الألياف عدة نوى مستقلة داخل كسوة واحدة، مما يضاعف السعة من خلال تعدد تقسيم المساحة (SDM). يقوم باحثون رائدون في مجال الاتصالات، مثل فرق العمل في شركة NTT، بتطوير ألياف ذات ما يصل إلى 12 نواة للتغلب على السعة المتوقعة للألياف أحادية النواة التي تبلغ 100 تيجابت/ثانية[3]. ويتمثل التحدي الهندسي الكبير في الحديث المتبادل بين النوى، والذي تتم إدارته إما عن طريق تصميم نوى “غير مقترنة” مع تباعد كافٍ أو نوى “مقترنة” تستخدم معالجة الإشارات المتقدمة (MIMO) لفصل الإشارات.
- الألياف المجوفة النواة (HCF): في نقلة نوعية، تقوم هذه الألياف بتوجيه الضوء من خلال قلب هوائي أو فراغي، وتحصره عبر تأثير فجوة النطاق الضوئي أو الفجوة الضوئية بدلاً من TIR. وهذا يقلل من التأثيرات غير الخطية والكمون. وقد حققت النماذج الأولية الحديثة خسائر منخفضة بشكل ملحوظ، حيث أفادت إحدى الدراسات التي أجريت عام 2024 عن 0.03 ديسيبل/متر عند 620 نانومتر[5]. وهذا يجعلها واعدة لتوصيل الليزر عالي الطاقة والشبكات المستقبلية منخفضة الفقد في المستقبل.
المفاضلات الهندسية: الخسارة والسعة وقابلية النظام للاستمرار
يتطلب اختيار تقنية الألياف نهجًا هندسيًا للأنظمة، يوازن بين الأداء المادي والقيود العملية مثل استهلاك الطاقة والتوافق.
وقارنت دراسة فنية نقدية في مجلة تكنولوجيا الموجات الضوئية بين الترددات ذات الترددات المتعددة الكابلات MCF والترددات عالية السعة HCF لأنظمة الكابلات البحرية المقيدة الطاقة[4]. وخلصت الدراسة إلى أنه على الرغم من أن الترددات الهيدروكلوروفلوروكربونية الهيدروليكية توفر زمن استجابة أقل وعدم خطية، إلا أن مستويات التوهين الحالية (على الرغم من تحسنها) تجعلها أقل قدرة على المنافسة من الترددات الهيدروليكية المتعددة الأغراض في معظم سيناريوهات السعة العالية على المدى القريب. ومع ذلك، في الوصلات ذات الطاقة المحدودة بشدة، يمكن أن تصبح الترددات الهيدروليكية الهيدروجينية قابلة للتطبيق إذا انخفض توهينها إلى أقل من 0.10 ديسيبل/كم[4].
بالنسبة لمضخمات مولدات الطاقة متعددة النوى، فإن زيادة عدد النوى يزيد مباشرة من الطلب على طاقة النظام لأن كل نواة تتطلب عادةً مضخمها البصري الخاص بها. ويتمثل الحل المبتكر في المضخم متعدد النواة الذي يتم ضخه بالكسوة والذي يمكنه تضخيم الإشارات في جميع النوى في وقت واحد باستخدام مصدر مضخة واحد، مما يحسن كفاءة الطاقة بشكل كبير[3]. يعد هذا النهج الشامل للتصميم المشترك للألياف ومضخم الصوت ضروريًا لتوسيع نطاق الشبكة بشكل مستدام.
التوقعات المستقبلية وتحديات التنفيذ
يواجه الانتقال من النماذج الأولية المختبرية إلى البنية التحتية المنتشرة عقبات كبيرة. فالبنية التحتية للألياف الضوئية لها عمر افتراضي يمتد لعدة عقود، لذا فإن عائق اعتماد نوع جديد من الألياف مرتفع للغاية. لا يعتمد النجاح على أداء الألياف فحسب، بل يعتمد على نضج جميع التقنيات الطرفية، بما في ذلك:
- الربط والتوصيل: تقنيات الربط منخفضة الخسارة والموثوقة للألياف الجديدة مثل HCF قيد التطوير النشط[5].
- مضخمات متوافقة: كما ذكرنا، يجب أن تتطور تقنية المضخمات بالتوازي مع الألياف[3].
- التوحيد القياسي والتكلفة: يجب وضع معايير على مستوى الصناعة وعمليات تصنيع فعالة من حيث التكلفة.
تهدف خرائط الطريق البحثية إلى تسويق هذه الألياف من الجيل التالي حوالي عام 2030، بما يتماشى مع الحاجة المتوقعة للشبكات التي يمكن أن تدعم النمو الهائل للبيانات من الذكاء الاصطناعي والاستشعار المتقدم والاتصال في كل مكان[3،4].
المراجع الفنية الرئيسية
- قانون سنيل وشرط TIR: sin θ_c = n₂ / n₁ (البصريات الأساسية)
- الفتحة العددية: NA = √ (n₁² - n₂²) (مبدأ الألياف البصرية)
- هدف سعة MCF: >10 أضعاف سعة الألياف أحادية الوضع [3]
- هدف خسارة الترددات عالية التردد للمسافات الطويلة: <أقل من 0.10 ديسيبل/كم [4]
- الفقد المنخفض الحالي لـ HCF: 0.03 ديسيبل/متر عند 620 نانومتر [5]
باختصار، يظل الانعكاس الداخلي الكلي هو المبدأ الأساسي للشبكات البصرية العالمية. ومع ذلك، فإن دفع حدود السعة والكمون والكفاءة يتطلب الآن من المهندسين إتقان التصميم الضوئي المتقدم، وإتقان الهياكل التي تتجاوز الانعكاس الداخلي الكلي البسيط لتسخير التحكم الدقيق في الضوء الذي توفره البلورات الضوئية والأشكال الهندسية متعددة النواة والتوجيه المجوف.