إذا كنت قد دخلت للتو إلى عالم الألياف البصرية، فإن جميع المصطلحات والاختصارات التقنية قد تبدو مربكة لك. لهذا السبب أنشأت هذا سلسلة مسرد مصطلحات الألياف - لمساعدتك على فهم معنى هذه المصطلحات بأبسط طريقة ممكنة.

سأشرح كل شيء من وجهة نظر المطلعين على الصناعة، باستخدام صور حقيقية كلما استطعت (وليس مجرد عروض خيالية). كما أنني أتجنب أيضاً التفسيرات المعقدة للغاية، مع الحفاظ على اللغة واضحة ومباشرة، حتى تكون واثقاً من أنك ستفهم المعنى الحقيقي لهذه المصطلحات بعد القراءة.

سنتحدث اليوم عن: الألياف المحافظة على الاستقطاب (PM)

جدول المحتويات

إجابة سريعة: ما هي ألياف PM؟

الألياف المحافظة على الاستقطاب، التي تُعرف عادةً باسم ألياف PM، هي ألياف بصرية خاصة مصممة للحفاظ على محاذاة إشارة الضوء المستقطبة خطيًّا مع أحد المحورين المدمجين أثناء انتقالها.

عادي ألياف أحادية النمط تحمل الألياف نوعًا واحدًا من الأوضاع المكانية، لكن هذا لا يعني أنها تحافظ على حالة استقطاب واحدة ثابتة. فالانحناءات الطفيفة، والضغط، والتغيرات في درجة الحرارة، والاختلافات في التصنيع يمكن أن تؤدي إلى تغيير الاستقطاب. وتقلل الألياف ذات الاستقطاب المتوازي (PM) من هذا الاختلاط غير المرغوب فيه من خلال خلق فرق قوي ومحكوم بين محوري الاستقطاب.

النقطة الأهم بسيطة: يحافظ الألياف من النوع PM على حالة استقطاب تم إطلاقها بشكل صحيح. ولا ينتج ضوءًا مستقطبًا من ضوء غير مستقطب.

رسم تخطيطي للألياف التي تحافظ على الاستقطاب

مصدر الصورة: Vlink

ما معنى كلمة “الاستقطاب”؟

الضوء هو موجة كهرومغناطيسية. يتحرك مجاله الكهربائي في اتجاه معين بينما ينتقل الضوء إلى الأمام. ويصف الاستقطاب كيفية تصرف هذا الاتجاه.

في حالة الضوء المستقطب خطيًّا، يتحرك المجال الكهربائي بشكل أساسي في اتجاه واحد ثابت. وتحتاج بعض الأنظمة البصرية إلى أن يظل هذا الاتجاه ثابتًا. ومن الأمثلة على ذلك: الجيروسكوبات الليفية، وأجهزة التداخل الضوئي، وأنظمة الاتصالات المتسقة، وأجهزة الليزر، ومعدات الاستشعار.

إذا حدث انحراف في الاستقطاب، فقد يفقد النظام دقة القياس أو الطاقة أو الاستقرار. ولهذا السبب تم تطوير الألياف ذات الاستقطاب الثابت (PM).

لماذا لا تحافظ الألياف أحادية النمط العادية على استقرار الاستقطاب؟

قد يثير مصطلح “الألياف أحادية الوضع” بعض الالتباس. فهو يعني أن الألياف تحمل وضعًا مكانيًّا رئيسيًّا واحدًا. ولا يعني ذلك أن هناك استقطابًا واحدًا فقط يمكنه المرور عبرها.

لا يزال بإمكان مكوني الاستقطاب المتعامدين الانتقال عبر الألياف أحادية النمط القياسية. وفي الألياف المثالية ذات التناظر التام، كان سيتصرفان بشكل متماثل تقريبًا. لكن الألياف الحقيقية لا تخلو أبدًا من الإجهاد تمامًا؛ حيث يمكن أن تؤدي عوامل مثل الانحناء والضغط والتغيرات في درجة الحرارة وتركيب الكابلات والتعامل مع الموصلات إلى إحداث اضطرابات فيها.

تؤدي هذه الاضطرابات إلى تغيير العلاقة بين مكوني الاستقطاب. وبالتالي، يمكن أن يتغير استقطاب الخرج حتى عندما يظل الإدخال كما هو.

كيف يعمل PM Fiber؟

تُحدث الألياف من نوع PM عن عمد خاصية تُسمى الانكسار المزدوج. وبعبارة بسيطة، تمنح الألياف اتجاهي استقطاب متعامدين ظروفًا بصرية تختلف قليلاً عن بعضها.

يُطلق على هذين الاتجاهين اسم «المحور السريع» و«المحور البطيء».

  • الضوء المتوازي مع المحور السريع له معامل انكسار فعلي أقل قليلاً.
  • الضوء المتوازي مع المحور البطيء له معامل انكسار فعال أعلى قليلاً.

ونظرًا لاختلاف سلوك المحورين، فإن احتمال ارتباط الضوء المنطلق على أحد المحورين بالمحور الآخر يكون أقل. وبالتالي، يكون الاستقطاب أكثر استقرارًا.

تشكل الأجزاء التي تمارس الضغط المحورين

أشهر التصميمات هو تصميم «PANDA fiber». حيث يتم وضع قضيبين لتوليد الإجهاد بجانب اللب. وعندما يبرد الزجاج أثناء التصنيع، يولّد هذان القضيبان إجهادًا متحكمًا فيه حول اللب. ويؤدي هذا الإجهاد إلى تكوين المحورين السريع والبطيء.

أما التصاميم الأخرى، مثل الألياف ذات الشكل على شكل ربطة عنق والألياف ذات الغلاف الإهليلجي، فتُحدث انكسارًا مزدوجًا بطرق مختلفة. والغرض الأساسي واحد: الحفاظ على الفصل الواضح بين محوري الاستقطاب.

يُعد محاذاة المدخلات أمرًا بالغ الأهمية

لا تعمل ألياف PM بالشكل المقصود إلا عندما يكون الضوء المستقطب متوازياً مع أحد المحاور الرئيسية عند المدخل.

إذا دخل الضوء بزاوية تقع بين المحورين، فإن جزءًا من الطاقة ينتقل على كل محور. ويكتسب هذان الجزءان الطور بمعدلات مختلفة. وقد يصبح استقطاب الخرج عندئذٍ بيضاويًا أو يتغير تبعًا للطول الموجي ودرجة الحرارة والطول.

ولهذا السبب تتطلب الموصلات والوصلات والمجموعات من نوع PM محاذاة دورانية. وعادةً ما يُشار إلى مفتاح الموصل بالنسبة لمحور محدد، ولكن يجب التأكد من القاعدة المحددة في الرسم أو ورقة البيانات. فقد يظل أداء الاستقطاب في الوصلة منخفضة الخسارة ضعيفًا في حالة عدم محاذاة المحاور.

رسم تخطيطي يوضح الحقن المحوري الصحيح والحقن المنحرف بزاوية 45 درجة في ألياف pm.

ثلاثة مصطلحات بسيطة يجدر معرفتها

الانكسار المزدوج

الانكسار المزدوج هو الفرق بين معاملات الانكسار الفعالة للمحورين:

B = |n_fast − n_slow|

وعادةً ما يؤدي الفارق الأكبر إلى تقليل احتمالية حدوث ارتباط غير مرغوب فيه بين المحاور.

طول النغمة

طول النبضة هو المسافة التي يتراكم خلالها مكونا الاستقطاب فرق طور كامل يبلغ 360 درجة:

L_b = λ / B

هنا، يمثل λ الطول الموجي و B الانكسار المزدوج. كلما كان طول النبضة أقصر، زاد الانكسار المزدوج. يجب دائمًا مقارنة طول النبضة عند الطول الموجي المحدد.

نسبة الانقراض الاستقطابي

نسبة انقراض الاستقطاب (PER) تقارن الطاقة في المحور المطلوب بالطاقة في المحور غير المطلوب:

PER (ديسيبل) = 10 log10(P_المطلوب / P_غير المطلوب)

كلما ارتفع معامل PER، كان ذلك أفضل. على سبيل المثال، يعني الرقم 20 ديسيبل أن الطاقة في المحور المطلوب تبلغ 100 ضعف الطاقة في المحور غير المطلوب. وتعتمد النتيجة المقاسة على المصدر، ومحاذاة الإطلاق، وطول الألياف، والموصلات، ووصلات الربط، والانحناء، وطريقة الاختبار.

قد يحدد المصنعون أيضًا التداخل الاستقطابي كقيمة سالبة. وفي هذه الحالة، كلما كانت النتيجة سالبة أكثر، كان ذلك أفضل. احرص دائمًا على التحقق من القياس المستخدم في ورقة البيانات.

الأنواع الشائعة من ألياف PM

النوع كيف ينتج عن ذلك انكسار مزدوج الأسباب الشائعة لاستخدامه
PANDA
يوجد قضيبان من قضبان الضغط بجانب القلب
متوفرة على نطاق واسع وتُستخدم بشكل شائع في مجالات الاتصالات والاستشعار وتركيبات الليزر
ربطة عنق على شكل فراشة
تحيط مناطق إجهاد على شكل ربطة عنق باللب
انكسار مزدوج قوي ناتج عن الإجهاد للاستخدامات المتخصصة
ذو قلب بيضاوي أو مغلف بشكل بيضاوي
يؤدي وجود قلب أو غلاف غير متماثل إلى تكوين محورين
تُستخدم في الحالات التي تتطلب هندسة مختلفة أو تصميمًا متخصصًا

«PANDA» هو الاسم الذي سيراه معظم المشترين، لكن نوع الألياف وحده لا يثبت ملاءمته للاستخدام المطلوب. فما زالت عوامل مثل الطول الموجي، والطلاء، والتوهين، والأبعاد، ومعدل PER أو التداخل، والمتطلبات البيئية، ذات أهمية.

ألياف PM مقارنةً بأنواع الألياف الأخرى

نوع الألياف الغرض الرئيسي هل يحافظ ذلك على الاستقطاب؟ ملاحظة مهمة
الألياف الضوئية أحادية النمط القياسية
نقل نمط مكاني واحد عبر مسافات طويلة
ليس بشكل موثوق
قد يتغير الاستقطاب مع تغير الإجهاد ودرجة الحرارة
ألياف تحافظ على الاستقطاب
حافظ على محاذاة الضوء مع المحور المحدد
نعم، عند تشغيلها واستخدامها بالطريقة الصحيحة
إنه لا يقوم باستقطاب الضوء غير المستقطب
ألياف ذات استقطاب أحادي
توجيه أحد الاستقطابين مع قمع الآخر بقوة
نعم، ضمن نطاق الطول الموجي المحدد لها
وهي تعمل بطريقة تختلف عن ألياف PM العادية

لا تختر ألياف PM لمجرد أن النظام يستخدم ضوءًا أحادي النمط. فالعديد من وصلات الاتصالات العادية لا تحتاج إلى الحفاظ على الاستقطاب.

المقطع العرضي لـ PM Fiber مقابل Panda Fiebr

كيفية قراءة ورقة بيانات ألياف PM

1. الطول الموجي التشغيلي وطول الموجة الفاصل

صُممت ألياف PM لتعمل في نطاقات طول موجي محددة، مثل 850 أو 1060 أو 1310 أو 1550 نانومتر. تأكد من أن طول الموجة التشغيلي يقع ضمن النطاق المحدد. تحقق أيضًا من طول الموجة الفاصل حتى تعمل الألياف في نطاق الوضع الأحادي المقصود.

2. طول النبضة

عادةً ما يشير قصر طول النبضة إلى انكسار مزدوج أقوى. لا تقارن القيم إلا عندما يكون الطول الموجي وظروف الاختبار متشابهين.

3. التداخل عبر الاستقطاب (PER)

يوضح هذا مدى كفاءة المجموعة في الحفاظ على قوة الإشارة على المحور المختار. ولا تعني قيمة الألياف المجردة بالضرورة أنها مطابقة لنتائج كابل التوصيل النهائي. فقد تؤدي محاذاة الموصلات، وعمليات الربط، والانحناء، وطريقة التعامل مع الكابل إلى انخفاض الأداء.

4. التوهين

يُعبِّر التوهين عن الفقد البصري لكل وحدة طول، وعادةً ما يُقاس بالديسيبل لكل كيلومتر (dB/km). وبالنسبة لمجموعات الألياف البصرية متعددة الأطراف (PM) القصيرة، قد تكون خسائر الموصلات والوصلات أكثر أهمية من التوهين الذي تتعرض له الألياف على مستوى الكيلومتر.

5. قطر حقل الوضع والفتحة العددية

تؤثر هذه القيم على التوافق بين الوصلات والربط. وقد يؤدي عدم التوافق بين أليفتين إلى حدوث خسارة إضافية، حتى لو تم وصف كلا المنتجين بأنهما من ألياف PM.

6. الكسوة، والطلاء، والطبقة العازلة

تحقق من قطر الزجاج، وقطر الطلاء، ومواد الطلاء، ونطاق درجات الحرارة. تُستخدم طلاءات الأكريلات القياسية، والطلاءات المقاومة للحرارة العالية، والطلاءات المعدنية في بيئات مختلفة.

7. متطلبات الانحناء

قد يؤدي الانحناء إلى زيادة الخسائر وإرباك الاستقطاب. يرجى الالتزام بنصف قطر الانحناء الأدنى وشروط الاختبار المحددة من قبل المورد. إن منتجاتنا دليل نصف قطر انحناء الألياف يشرح الفرق الأساسي بين الانحناء الكلي والانحناء الجزئي.

بطاقة مرجعية سريعة لورقة بيانات الألياف المحافظة على الاستقطاب

مثال حقيقي على ورقة البيانات

تورد ورقة بيانات منتج PANDA PM 1550 من شركة كورنينج، الصادرة في يناير 2019، القيم التالية لهذا المنتج بالتحديد:

المعلمة القيمة المعلنة والحالة
طول الموجة التشغيلية
1550 نانومتر
أقصى توهين
0.5 ديسيبل/كم عند 1550 نانومتر
قطر مجال الوضع
10.5 ± 0.5 ميكرومتر عند 1550 نانومتر
طول النغمة
من 3.0 إلى 5.0 ملم عند 1550 نانومتر
الحد الأقصى للتداخل
−30 ديسيبل عند مسافة 100 متر
التداخل النموذجي
−40 ديسيبل عند مسافة 4 أمتار

هذه القيم الخاصة بالألياف PM ليست قيمًا عامة. بل هي مثال مفيد يوضح كيف ترتبط المواصفات بطول الموجة وطول الاختبار. يجب على المشتري مقارنة ورقة البيانات الفعلية الخاصة بالألياف أو مجموعة الكابلات المحددة التي ينوي شراؤها.

أين تُستخدم ألياف PM؟

تشمل التطبيقات الشائعة ما يلي:

  • الجيروسكوبات التي تعمل بالألياف الضوئية وأنظمة الملاحة
  • مستشعرات التداخل ومستشعرات التيار
  • الاتصالات الضوئية المتسقة
  • ليزرات الألياف وأنظمة توصيل الليزر
  • أجهزة اختبار حساسة للاستقطاب
  • البصريات الكمومية وأدوات البحث
  • الأجهزة الضوئية المتكاملة

في النظام النهائي، لا تمثل الألياف سوى جزء واحد من مسار الاستقطاب. موصلات الألياف البصرية, ، كما يجب أن تدعم الوصلات والموصلات والمكونات الأخرى المحاذاة والأداء المطلوبين.

كيفية اختيار ألياف PM أو مجموعة PM

قبل الشراء، أجب عن الأسئلة التالية:

  1. ما هو الطول الموجي وعرض النطاق الترددي الدقيقان للتشغيل؟
  2. ما هو تصميم PM ونموذج الألياف اللذين تتطلبهما هذه المعدات؟
  3. أي محور يجب أن يحمل الضوء: المحور البطيء أم المحور السريع؟
  4. ما هي قيمة معدل التداخل (PER) أو التداخل (crosstalk) المطلوبة، وعلى أي طول اختبار؟
  5. ما هو نوع الموصل، ومستوى الصقل، واتجاه المفتاح، وتفاوت المحور المطلوب؟
  6. ما هي المتطلبات القصوى لفقدان الإدخال وفقدان العودة؟
  7. ما هي درجة الحرارة، والانحناء، والطلاء، والظروف الميكانيكية المطبقة؟
  8. هل سيتم توريد المنتج على شكل ألياف عارية، أم كابلات توصيل، أم منتج نهائي؟ سلك توصيل الألياف البصرية?

بالنسبة للتركيبات، اطلب رسمًا يحدد المحور المزود بمفتاح. واسأل أيضًا عما إذا كان معامل التوازن (PER) يُقاس على التركيب الكامل، وعما إذا كانت النتيجة تشمل الموصل.

الأخطاء الشائعة

الخطأ الأول: الافتراض بأن ألياف PM تولد ضوءًا مستقطبًا

لا. لا تزال هناك حاجة إلى مرشح استقطاب أو مصدر مستقطب عندما لا يكون الإدخال مستقطبًا بالفعل.

الخطأ الثاني: تجاهل محاذاة المحاور

لا يضمن انخفاض خسارة الإدخال وجود نسبة PER جيدة. يجب محاذاة المحاور عبر الموصلات ووصلات الربط.

الخطأ الثالث: مقارنة المواصفات دون مراعاة الظروف

لا يمكن مقارنة قيمة التداخل عند مسافة 4 أمتار مباشرةً بالقيمة المقاسة عند مسافة 100 متر. وينطبق الأمر نفسه على الطول الموجي وحالة الانحناء ودرجة الحرارة.

الخطأ الرابع: اعتبار جميع ألياف PANDA قابلة للتبادل

وقد تختلف في أقطار حقول الأوضاع، والطلاءات، وأطوال الموجات القصوى، ومستويات اختبار المقاومة، والحدود البيئية.

الخطأ الخامس: استخدام الألياف PM في الحالات التي تكفي فيها الألياف القياسية

عادةً ما تكون ألياف PM ومجموعات PM أكثر تكلفة وتتطلب معالجة أكثر دقة. استخدمها عندما يعتمد النظام بشكل فعلي على استقرار الاستقطاب.

الأسئلة الشائعة حول تقنية CWDM

هل الألياف PM هي نفسها الألياف أحادية النمط؟

تُعد ألياف PM عادةً نوعًا من الألياف أحادية النمط، لكن الألياف أحادية النمط القياسية لا تحافظ على الاستقطاب.

يمكنه نقل الضوء غير المستقطب، لكنه لن يحول هذا الضوء إلى استقطاب خطي واحد ثابت. وتظهر الفائدة الرئيسية عندما يُرسَل الضوء المستقطب على طول المحور الرئيسي.

تستخدم العديد من الأنظمة المحور البطيء، ولكن ليس جميعها. يجب اتباع متطلبات الشركة المصنعة للليزر أو المكون أو الجهاز، والتأكد من قواعد استخدام مفتاح الموصل.

نعم، لكن الوصلة لم تعد تضمن الحفاظ على الاستقطاب بعد قسم PM. كما أن عدم تطابق مجال الوضع قد يؤدي أيضًا إلى حدوث خسائر.

نعم. يجب أن يقوم جهاز الربط المناسب بتحديد ومحاذاة هياكل أو محاور الإجهاد. فقد تؤدي محاذاة اللب العادية وحدها إلى خسارة منخفضة، لكنها تؤدي إلى أداء استقطاب ضعيف.

كلما ارتفع معدل PER المقاس، زاد الفصل بين طاقة الاستقطاب المرغوب فيها وغير المرغوب فيها. ومع ذلك، ينبغي تقييم هذا المقياس في ظل ظروف واقعية تتعلق بالطول، والانحناء، والطول الموجي، ودرجة الحرارة، والموصل، وظروف الاختبار.

النقطة الأساسية ببساطة

تم تصميم ألياف PM بحيث تحافظ على محاذاة الضوء المستقطب مع محور داخلي محدد. وتحقق ذلك من خلال إحداث انكسار مزدوج قوي بين المحور السريع والمحور البطيء.

تذكر ثلاث نقاط:

  1. الألياف PM تحافظ على الاستقطاب؛ ولا تولده.
  2. يُعد المحاذاة الصحيحة للمحاور أمرًا لا يقل أهمية عن انخفاض الخسارة البصرية.
  3. لا تكون قيم ورقة البيانات ذات معنى إلا عند تضمين الطول الموجي والطول والانحناء وظروف الاختبار.

بفضل هذه الأساسيات، يصبح فهم ورقة بيانات الألياف PM ومقارنتها أسهل بكثير.

المصدر

  1. IEC 60793-2-70:2017 – الألياف الضوئية، الجزء 2-70: الألياف المحافظة على الاستقطاب
  2. موسوعة RP Photonics – الألياف التي تحافظ على الاستقطاب
  3. كورنينغ – ورقة بيانات الألياف الضوئية PANDA PM 1550
  4. FiberLabs – مسرد مصطلحات الألياف الضوئية المحافظة على الاستقطاب
  5. Optica / مجلة تكنولوجيا الموجات الضوئية – الوصلات الليفية التي تحافظ على الاستقطاب

هل لا تزال لديك أسئلة؟

إذا كنت لا تزال غير متأكد من شيء ما، فلا تتردد في التواصل معنا.

هل تريد استكشاف المزيد من مصطلحات الألياف البصرية؟ توجه إلى قسم المدونة.

إذا كان المصطلح الذي تبحث عنه لم يتم تغطيته بعد، فأخبرني بذلك - سأضيفه إلى قائمة الأولويات!

وأخيرًا — إذا كنت مزود خدمات اتصالات أو مشغل شبكة، أو تعمل في مجال تطوير البنية التحتية للألياف الضوئية وتبحث عن شريك موثوق به في مجال مكونات الألياف الضوئية — فلا تتردد في اتصل بنا.