كيف يعمل كابل الألياف الضوئية: شعاع ضوء واحد عبر المحيط

خيط من الزجاج تحت المحيط

يعمل كابل الألياف الضوئية بالانعكاس الداخلي الكلي: حين يصطدم الضوء بجدار القلب بزاوية أكبر من الزاوية الحرجة، يرتدّ كله ولا يفلت منه شيء، فيظل محبوسًا داخل الخيط الزجاجي ويواصل طريقه. وعندما تفتح صفحة ويب مستضافة في قارة أخرى، فإن طلبك يعبر البحر في الغالب على شكل ومضات من الضوء تحت الأحمر داخل خيط زجاجي أرق من الشعرة. وقد أحصت TeleGeography، التي ترسم خريطة هذه الصناعة، أكثر من 600 كابل بحري عامل ومخطَّط في عام 2026، وأكثر من 1.5 مليون كيلومتر من الكابلات في الخدمة. والوصلات عبر الأقمار الصناعية طريق آخر؛ ولا يقدّر هذا المعروض حصتها من حركة البيانات الدولية.

على الضوء في هذه الكابلات أن يبقى داخل قلب زجاجي عرضه 8.2 ميكرومتر لآلاف الكيلومترات، وأن يخسر أقل ما يمكن في الطريق، وأن يصل نمطًا نظيفًا من الآحاد والأصفار. يتبع هذا المعروض الضوء من طرف ليف واحد إلى قاع الأطلسي. وتتولى كل محطة على المنضدة جزءًا من المشكلة، وتأتي أرقام شاشة القراءة من المعادلات الواردة أدناه.

لماذا يبقى الضوء في القلب

حين يعبر شعاع ضوء من مادة إلى أخرى يغيّر اتجاهه. ويعطي قانون سنيل الزاوية الجديدة:

n1 sin θ1 = n2 sin θ2

هنا n هو معامل الانكسار (مقدار إبطاء المادة للضوء قياسًا بالفراغ)، وθ تُقاس من العمود على السطح، وهو الخط المرسوم عموديًا عليه. وعند الانتقال من مادة أكثف إلى أقل كثافة ينحرف الشعاع مبتعدًا عن العمود.

الآن كبّر θ1 أكثر فأكثر. يقترب الشعاع داخل المادة الثانية من السطح شيئًا فشيئًا إلى أن يلزم عند زاوية معينة أن يساوي sin θ2 الواحد. هذه الزاوية هي الزاوية الحرجة:

θc = arcsin(n2 / n1)

وعند أي زاوية أكبر منها لا يوجد حل لـ θ2. لا يعبر أي ضوء الحدّ الفاصل، ويعكس السطح 100% منه. يسمي الفيزيائيون هذا الانعكاس الداخلي الكلي. وهو أكفأ من أي مرآة، لأنه لا يوجد معدن يمتص جزءًا من الضوء عند كل ارتداد.

والليف الضوئي مبني على هذا التأثير وحده. القلب زجاج أُضيف إليه قليل من أكسيد الجرمانيوم لرفع معامله. والكسوة المحيطة به سيليكا نقية تقريبًا بمعامل أقل قليلًا. والشعاع الذي يسير موازيًا للمحور تقريبًا يلاقي جدار القلب بزاوية صغيرة مماسّة، أكبر بكثير من الزاوية الحرجة، فيرتد من جدار إلى جدار ما دام الليف ممتدًا.

حساب الزاوية الحرجة

يستخدم النموذج هندسة SMF-28e+ من كورنينغ، وهو ليف أحادي النمط قياسي يستوفي توصية ITU-T رقم G.652.D. وتعطي ورقة البيانات قطر قلب 8.2 µm وقطر كسوة 125.0 µm وقطر طلاء 242 µm وفتحة عددية (NA) تساوي 0.14.

وللكسوة نأخذ السيليكا المنصهرة عند 1550 nm، ومعامل انكسارها 1.4440 (قياسات ماليتسون، عبر RefractiveIndex.INFO). والفتحة العددية تربط المعاملين معًا:

NA = √(n1² − n2²)

فمعامل القلب n1 = √(1.4440² + 0.14²) = 1.4508. والفرق 0.47% فقط، وهو نموذجي للألياف أحادية النمط. وتكون الزاوية الحرجة إذن

θc = arcsin(1.4440 / 1.4508) = 84.46°

أي يجب أن يبقى الشعاع على بعد 5.54° من محور الليف. وخارج الليف، في الهواء، يصبح ذلك مخروطًا نصف زاويته arcsin(0.14) = 8.05°. والضوء الموجَّه إلى الوجه الطرفي بميل أشد من 8° لن يُوجَّه داخل الليف.

يضبط المنزلق الأول الزاوية على جدار القلب. عند 87° يكون الشعاع محبوسًا: يلمس الجدار أربع مرات على امتداد النموذج وتبقى البقعة على البطاقة عند الطرف البعيد ساطعة. أنزلها إلى 84° فتعطي معادلات فرينل انعكاسية 19.6% فقط عند كل ارتداد. وعند 80° تصبح 0.8%. يعبر معظم الضوء إلى الكسوة في الارتداد الأول، ويسير إلى الخارج بزاوية 81.7° عن العمود ويمتصه الطلاء، الذي يُختار معامله أعلى من الزجاج ليُزال الضوء الشارد بدل أن يُوجَّه. وتعرض شاشة القراءة الضوء المتبقي في نهاية النموذج في كل حالة.

تحويل الضوء إلى آحاد وأصفار

أبسط طريقة لإرسال البيانات عبر ليف هي تشغيل الضوء للرقم 1 وإطفاؤه للرقم 0. وهذا بالضبط ما يفعله المرسِل في النموذج مع البتات الثماني لحرف كبير. في ASCII العدد 65 هو الحرف A، أي 01000001 بالثنائي، فيومض الليزر مرتين في كل مجموعة من ثماني بتات.

وعند الطرف البعيد يحوّل ثنائي ضوئي كل ومضة إلى تيار صغير. ويفحص المستقبِل التيار في منتصف كل فترة بت ويقرر هل هو فوق عتبة معينة أم تحتها. ويبيّن الأثر الثاني على شاشة القراءة لماذا ينجح ذلك رغم أن الإشارة المستلَمة أضعف وحوافها مستديرة: ما دامت الآحاد والأصفار متباعدة بوضوح، يستطيع المستقبِل التمييز بينها.

والسرعات المعنية يصعب تخيّلها. عند 10 غيغابت في الثانية تدوم البت الواحدة 100 بيكو ثانية. ويتحرك الضوء في الزجاج بنحو 204,000 km/s، فتشغل كل بت نحو 2.04 cm من الليف. وفي كابل طوله 6,600 km مئات الملايين من البتات في رحلتها في أي لحظة.

وتذهب منظومات المسافات الطويلة الحديثة أبعد بكثير من التشغيل والإطفاء. فهي تغيّر طور الضوء واستقطابه إلى جانب سطوعه، وترسل عشرات الأطوال الموجية في الليف نفسه في وقت واحد (تعدد إرسال بتقسيم الطول الموجي). لكن المبدأ واحد: نمط من الضوء يستطيع المستقبِل أن يعيده أرقامًا.

خسارة قليل من الضوء في كل كيلومتر

حتى الزجاج النقي جدًّا ليس صافيًا تمامًا. فتقلبات صغيرة في كثافته تبعثر بعض الضوء جانبًا (تبعثر رايلي)، والشوائب تمتص قليلًا آخر. ويقاس الفقد بالديسيبل لكل كيلومتر. وكل 10 dB تخفض القدرة إلى العُشر، فيبقى بعد 20 dB نسبة 1%.

ويُحدَّد للليف أحادي النمط القياسي فقد من 0.19 إلى 0.20 dB/km عند 1550 nm، وهو الطول الموجي الذي يخسر عنده ليف السيليكا أقل ما يمكن. والليف المصنوع لمسارات الكابلات البحرية يُصنع ليخسر أقل من ذلك. تبدأ المحطة الثالثة من 0.17 dB/km، وهي قيمة تمثيلية لهذا الليف وليست قيمة من ورقة بيانات، ويمتد منزلقها من 0.15 إلى 0.40 dB/km.

يبدو هذا قليلًا حتى تضربه في محيط كامل. فعلى امتداد 6,605 km من MAREA يتراكم 0.17 dB/km إلى 1,123 dB. وسيهبط الضوء إلى جزء واحد من 10^112، أقل بكثير من فوتون واحد. والسبيل الوحيد للعبور هو تقوية الإشارة مرات كثيرة في الطريق.

المضخّمات على قاع البحر

كل حجرة رمادية على قاع النموذج هي مكرِّر. وفي داخلها مضخّمات ليفية مطعَّمة بالإربيوم: بضعة أمتار من ليف يحتوي قلبه على أيونات الإربيوم، يضخّها ليزر صغير. والضوء بطول 1550 nm المار عبر الإربيوم المستثار يحفّزه على إطلاق ضوء إضافي بالطول الموجي والطور نفسيهما، فتخرج الإشارة أقوى دون أن تتحول يومًا إلى إشارة كهربائية.

والمسافة بين المضخّمات مفاضلة. فإذا كانت المضخّمات تبعد 70 km بعضها عن بعض والليف 0.17 dB/km، فكل مقطع يفقد 11.9 dB ويبقى 6.5% من الضوء، وعلى كل مضخّم أن يعيد 11.9 dB. ومدّ المقاطع إلى 120 km يجعل الفقد 20.4 dB؛ فتصل الإشارة ضعيفة إلى حد أن الضجيج الذي يضيفه كل مضخّم يبدأ بالتأثير. المقاطع الأقصر تعطي إشارة أنظف لكنها تحتاج إلى مكرِّرات أكثر، وكل مكرِّر يكلّف مالًا وطاقة كهربائية. وتصف SubCom مسافة اسمية من 50 إلى 90 km لمنظوماتها. وتعطي دراسة عام 2024 لكابل Dunant من Google متوسطًا قدره 84 km على امتداد 6,611 km.

وتحتاج المكرِّرات إلى الكهرباء، ولا توجد مقابس على قاع البحر. فتدفع معدات التغذية في كل محطة إنزال تيارًا مستمرًا ثابتًا عبر الموصل النحاسي في الكابل، وكل المكرِّرات موصولة على التسلسل والبحر يعمل مسار عودة. ويصنَّف كابل SL17 من SubCom لجهد 15,000 فولت. ومقاومة موصله نحو 1 أوم لكل كيلومتر، فيزداد الجهد اللازم مع طول الكابل.

ما داخل الكابل البحري

تعرض المحطة الرابعة كابلًا من طراز SubCom SL17، وصفته تفصيلًا طلبُ الحكومة الأيرلندية لاستخدام الشاطئ لكابل AEC-2. من المركز إلى الخارج:

1. أنبوب الألياف. أنبوب بلاستيكي صغير تستلقي فيه الألياف طليقة في هلام يمنع الماء.
2. أسلاك التقوية. 24 سلكًا من الفولاذ عالي المتانة في طبقتين (8 أسلاك بقطر 1.59 mm، ثم 8 بقطر 1.50 mm تتناوب مع 8 بقطر 1.13 mm). تتحمل الشد عند مدّ الكابل أو انتشاله، وتشكّل وعاء ضغط صغيرًا حول الألياف.
3. غلاف النحاس. أنبوب نحاسي ملحوم الدرز حول الأسلاك. ينقل الطاقة إلى المكرِّرات ويعزل اللب عن الماء والهيدروجين اللذين يعتّمان الزجاج مع الزمن.
4. غلاف البولي إيثيلين. يعزل النحاس عن البحر ويبلغ بالكابل 17.0 mm. هذا هو الكابل الخفيف (LW) الذي يُمدّ على قاع المحيط العميق، بعرض خرطوم الحديقة تقريبًا.

يرسم النموذج هذه الطبقات بمقياس صحيح ويُرجع كل طبقة خطوة إلى الوراء لترى كلها دفعة واحدة.

لماذا تكون الكابلات قرب الشاطئ أسمك

على السهل السحيق يُترك الكابل في الغالب وشأنه. وقرب اليابسة يلاقي المراسي وشباك جرّ الصيد والتيارات والصخور. وتقدّر TeleGeography، نقلًا عن اللجنة الدولية لحماية الكابلات، عدد أعطال الكابلات بنحو 200 في السنة، وثلثاها من سفن الصيد والمراسي المجرورة.

لذلك تتغير الحماية مع العمق. ويضع دليل الاختيار من SubCom المستخدم لكابل AEC-2 تدريعًا مزدوجًا (DA) في المياه الأضحل من نحو 600 m: طبقتان من أسلاك فولاذ مجلفن مقطرن، 18 سلكًا ثم 24، سُمك كل منها 3.35 mm، تحت خيوط نايلون مقطرنة. فيصل سُمك الكابل إلى 35.9 mm. أما التدريع بالأسلاك الخفيفة (LWA)، وفيه الطبقة الأولى فقط، فيُستخدم حتى نحو 2,000 m ويبلغ 28.9 mm. وتحت ذلك يمتد الكابل الخفيف 17 mm إلى أقصى عمق المحيط. وتعطي التوصية ITU-T G.978 نطاقات نموذجية مشابهة: كابل خفيف تحت 1,000 m، وتدريع مفرد من نحو 20 إلى 1,500 m، وتدريع مزدوج من الشاطئ إلى 100 m. وفي المياه الضحلة يُدفن الكابل عادة في قاع البحر أيضًا.

كم يستغرق الضوء ليعبر محيطًا

الضوء في الزجاج أبطأ منه في الفراغ. والسرعة التي تهم الإشارة يحددها معامل المجموعة، وهو لـ SMF-28e+ عند 1550 nm يساوي 1.4682. فسرعة الإشارة إذن

v = c / 1.4682 = 299,792 / 1.4682 ≈ 204,190 km/s

أي نحو ثلثي سرعة الضوء في الفراغ. والتأخير على كابل طوله L هو ببساطة L / v. وللمسارات الثلاثة على الكرة الأرضية:

أطوال الكابلات هي المذكورة في خريطة الكابلات البحرية من TeleGeography. والكابل أطول دائمًا من الخط المستقيم على الدائرة العظمى بين طرفيه، لأن المسّاحين يوجّهونه حول المنحدرات الشديدة ومناطق الصدوع ومناطق الصيد المزدحمة. فالمسافة من فرجينيا بيتش إلى بلباو على الدائرة العظمى 6,050 km، ويقطعها الضوء في الفراغ خلال 20.2 ms. والاتصال الحقيقي يضيف زمنًا في الموجِّهات وعلى اليابسة عند كل طرف.

مثال محلول ثانٍ: قلب أعرض وزاوية قبوله

الليف في هذا المعروض أحادي النمط، فتحته العددية 0.14. وكثير من الوصلات الأقصر، كداخل مبنى أو بين خادمين في قاعة بيانات، تستخدم ليفًا متعدد الأنماط قلبه أعرض بعدة أضعاف. ولنرى كيف تتغير الأرقام نأخذ ليفًا زجاجيًا متدرج الخطوة معامل انكسار قلبه n1 = 1.480 ومعامل كسوته n2 = 1.460. هاتان القيمتان افتراض اخترناه ليوضح الحساب؛ ولا تصفان أي منتج بعينه.

NA = √(1.480² − 1.460²) = √(2.1904 − 2.1316) = √0.0588 = 0.2425

θc = arcsin(1.460 / 1.480) = 80.6°

يُوجَّه الشعاع إذا لاقى جدار القلب بزاوية أكبر من 80.6°، أي إذا سار على بعد 9.4° من المحور. ومن الخارج، في الهواء، يقبل الليف مخروطًا نصف زاويته arcsin(0.2425) = 14.0°. ويمكنك مقارنة الرقمين: شعاع ينحرف 9.4° عن المحور داخل الزجاج يغادر الوجه الطرفي بحيث sin θ = 1.480 × sin 9.4° = 0.242، وهو 0.2425 نفسه في حدود التقريب.

قارن ذلك بليف المعروض، حيث نصف زاوية القبول 8.05° فقط. المخروط الأعرض للقبول يسهّل إدخال الضوء من مصدر رخيص. لكنه يتيح أيضًا مسارات مختلفة أكثر داخل القلب، وسيبيّن القسم التالي أن ثمن ذلك هو السرعة.

لماذا تنتشر النبضات: التشتت النمطي واللوني

النبضة التي تبدأ حادة لا تبقى حادة. وهناك سببان رئيسيان.

التشتت النمطي يحدث في الليف متعدد الأنماط. الشعاع الموازي للمحور يسلك أقصر طريق. والشعاع الذي يرتد بأشد زاوية موجَّهة يسلك تعرّجًا أطول، فيصل متأخرًا. وللليف المفترض أعلاه يكون زمن السير الإضافي لكل كيلومتر

Δt = (n1 × L / c) × (n1 − n2) / n2 = (1.480 / 299,792 km/s) × (0.020 / 1.460) ≈ 4.94 µs × 0.0137 ≈ 67.6 ns لكل km

عند 10 Gbit/s تدوم البت 100 ps، فبعد كيلومتر واحد تتلطّخ الومضة الواحدة على نحو 676 فترة بت. وتقول قاعدة تقريبية شائعة إن الانتشار ينبغي أن يبقى دون نصف فترة بت تقريبًا، وهذا يحدّ سرعة هذا الليف على كيلومتر واحد بنحو 1 / (2 × 67.6 ns) = 7.4 Mbit/s. وتشرح جمعية الألياف الضوئية (Fiber Optic Association) أن الليف متعدد الأنماط متدرج المعامل يخفض معامل القلب نحو الخارج، فتسير الأنماط العليا على المسارات الأطول أسرع، وتقلّ فروق أزمنة وصولها. وتبقى في الألياف الحقيقية بقية من التشتت النمطي. أما الحل الآخر للمسافات الطويلة فهو قلب ضيق إلى حد أن يوجد مسار واحد فقط. وقلب المعروض عرضه 8.2 µm يفعل ذلك، ولهذا تستخدم الكابلات البحرية ليفًا أحادي النمط.

التشتت اللوني يبقى حتى في الليف أحادي النمط. فمعامل انكسار الزجاج يعتمد قليلًا على الطول الموجي، فتسير الألوان المختلفة داخل نبضة ليزر واحدة بسرعات مختلفة قليلًا. ويُعبَّر عن التشتت D بالبيكو ثانية من الانتشار لكل نانومتر من العرض الطيفي ولكل كيلومتر. ولـ SMF-28e+ تعطي ورقة بيانات كورنينغ طولًا موجيًا لتشتت صفري بين 1304 و1324 nm وميلًا لا يزيد على 0.092 ps/(nm²·km). والتقريب المعتاد D(λ) = (S0 / 4) × (λ − λ0⁴ / λ³) مع λ0 = 1313 nm (منتصف ذلك المدى، وهو افتراضي) يعطي نحو 17 ps/(nm·km) عند 1550 nm. وهذا تقدير من مدخلات المعادلة في ورقة البيانات نفسها، وليس مواصفة مطبوعة.

لنفترض أن عرض خط الليزر 0.1 nm (افتراض آخر). على 100 km تنتشر النبضة بمقدار 17 × 0.1 × 100 = 170 ps، وهو أطول من البت التي تدوم 100 ps عند 10 Gbit/s. وعلى 6,605 km من MAREA سيكون 17 × 0.1 × 6,605 ≈ 11,200 ps، أي نحو 112 فترة بت. وبما أن الانتشار مقدار ثابت لليف ومسافة معينين، فبوسع المستقبِل أن يلغيه. وكان TAT-8 يعمل عند 1.3 µm، وهي داخل نافذة التشتت الصفري من 1304 إلى 1324 nm، فكان التشتت هناك صغيرًا. والثمن فقد أعلى مما عند 1550 nm.

ميزانية الفقد بالأرقام

يحوّل مقياس الديسيبل الضرب إلى جمع: فقد قدره x dB يترك 10^(−x/10) من القدرة. لنأخذ 0.20 dB/km، وهو الحد الأعلى لمواصفات الليف أحادي النمط القياسي، ونطلق 1 mW (0 dBm، رقم مقرَّب مفترض):

هذه الأرقام تُغفل الموصِّلات ووصلات اللحام، وكلٌّ منها يضيف فقدًا خاصًا به، فهامش الوصلة الحقيقية أقل مما يوحي به الجدول.

ومن المفيد أن نقارن الجدول بالتاريخ. تقول مؤسسة نوبل إنه في عقد 1960 لم يكن يبقى إلا 1% من الضوء بعد 20 مترًا من الليف الزجاجي. وهذا 20 dB في 20 m، أي 1,000 dB/km. وكان هدف كاو أن يبقى 1% بعد كيلومتر كامل، أي 20 dB/km. وتذكر المؤسسة أيضًا أن 95% يبقى اليوم بعد كيلومتر، أي 10 × log10(0.95) = −0.22 dB/km. وخلال نصف قرن انخفض الفقد بنحو 4,500 مرة.

المنظومات البحرية: الأمس واليوم

دخل TAT-8 الخدمة في 14 ديسمبر 1988. ويسجّل سجل المعالم لدى IEEE مسافة على قاع البحر 5,846 km وليفًا أحادي النمط عند 1.3 µm ومكرِّرات تعمل بسرعة 280 Mbit/s وسعة 40,000 دائرة هاتفية، أي عشرة أضعاف آخر كابل نحاسي. وأول كابل هاتفي عبر الأطلسي، الذي مُدّ عام 1956، كانت سعته 36 مكالمة متزامنة، بحسب مؤسسة نوبل.

وتنسب TeleGeography إلى كابل MAREA الأحدث سعة محتملة قدرها 224 تيرابت في الثانية. وبقسمتها على 280 Mbit/s لمكرِّرات TAT-8 نجد معاملًا قدره 224 × 10¹² / 280 × 10⁶ = 800,000. وتفرّق TeleGeography بين السعة المحتملة، وهي ما يستطيع الكابل حمله لو ركّب مالكه كل المعدات الممكنة عند الطرفين، والسعة المضاءة فعلًا، والرقم الأكبر هو ما تنقله الصحافة عادة.

وتختلف الكابلات في الحجم كما تختلف في السرعة. فتذكر TeleGeography كابل CeltixConnect بين أيرلندا والمملكة المتحدة وطوله 131 km بين القصيرة، وكابل Asia America Gateway وطوله 20,000 km بين الطويلة. وهي ترصد أكثر من 600 كابل عامل ومخطَّط وتضع المجموع في الخدمة بأكثر من 1.5 مليون km في مطلع 2026. وتشير أسئلتها الشائعة أيضًا إلى تغير في من يبنيها: فمزودو المحتوى مثل Google وMeta وMicrosoft وAmazon أصبحوا مستثمرين رئيسيين، وتجاوزت السعة التي نشرتها مشغّلات الشبكات الخاصة مؤخرًا ما نشرته مشغّلات العمود الفقري للإنترنت.

مفاهيم خاطئة شائعة

«داخل الليف مطلي بمرآة». لا حاجة إلى أي طلاء. الانعكاس الداخلي الكلي ينشأ من درجة معامل الانكسار بين القلب والكسوة، ولا يخسر شيئًا عند كل ارتداد. أما المرآة المعدنية فتمتص جزءًا من الضوء في كل مرة.

«الضوء في الليف يسير بسرعة الضوء». في الفراغ فقط. في الزجاج تسير الإشارة بسرعة c / 1.4682، أي نحو 204,190 km/s، وهي أبطأ بنحو الثلث.

«الليف الزجاجي هش». الزجاج الرقيق يبدو قابلًا للكسر، لكن مؤسسة نوبل تذكر أن الزجاج المسحوب إلى خيط طويل يصبح قويًا خفيفًا مرنًا، وهذا ما يسمح بدفنه وجرّه تحت الماء وثنيه حول الزوايا.

«أسماك القرش والأسماك هي الخطر الرئيسي». تتسبب معدات الصيد والمراسي بنحو ثلثي أعطال الكابلات، بحسب بيانات اللجنة الدولية لحماية الكابلات التي تنقلها TeleGeography.

«الكابل الأسمك ينقل بيانات أكثر». الكابل في أعماق البحر سُمكه 17 mm، ونسخة التدريع المزدوج قرب الشاطئ 35.9 mm. والسُّمك الإضافي أسلاك فولاذ ضد المراسي، لا ألياف أكثر.

«المكرِّر يحوّل الضوء إلى كهرباء ثم يعيده». مكرِّرات TAT-8 كانت تفعل ذلك بالضبط. أما المكرِّرات الحديثة فتضخّم الضوء نفسه بليف مطعَّم بالإربيوم. والكهرباء تشغّل ليزرات الضخّ فقط.

أربعة أزواج من المواد وزواياها الحرجة

يتيح لك المشهد الأول تبديل الزجاج. والقاعدة واحدة في الأربعة: الزاوية الحرجة arcsin(n2 / n1)، تُقاس من العمود على الجدار، ولا يبقى في الداخل إلا الأشعة التي تلاقي الجدار بزاوية أكبر.

تعطي Mitsubishi Chemical الليف البلاستيكي معامل قلب 1.49 وفتحة عددية 0.5، فيُستخرج معامل كسوته من NA = sqrt(n1² - n2²): sqrt(1.49² - 0.5²) = 1.4036. وكلما صغر الفرق بين المعاملين وجب أن يسير الشعاع أقرب إلى المحور، ولهذا يبدو شعاع ليف الاتصالات شبه مستقيم على المنصة.

وللقضيب الزجاجي في الهواء خاصية ليست عند الباقين. فالضوء الداخل من الهواء إلى طرفه المسطح ينحرف نحو المحور بشدة حتى إنه يلاقي الجدار الجانبي دائمًا بزاوية فوق الحرجة: الفتحة العددية sqrt(1.5² - 1²) = 1.12 أكبر من 1، وهو أكبر ما يستطيع الهواء تغذيته. لذلك لا تستطيع على المنصة أن تجعل القضيب الزجاجي يسرّب بالليزر؛ فيتوقف المقبض عند 48.19°، وهي أصغر زاوية جدار يمكن أن يبلغها الضوء القادم من الهواء.

إلى أي حد يمكن أن يضيق الانحناء

في مشهد الانحناء تدخل تسعة أشعة ليفًا يدور نصف دورة حول أسطوانة. المقطع المستقيم يُبقي كل شعاع على زاوية الجدار نفسها، لكن في الانحناء ينحني الجدار الخارجي مبتعدًا، فيلاقيه كل شعاع بزاوية أصغر من قبل. والشعاع الذي يسير على طول المحور عند نصف قطر انحناء R (إلى مركز القلب) يلاقي الجدار الخارجي، عند R + a، بحيث sin(الزاوية) = R / (R + a). ويهرب حالما تنخفض هذه عن n2 / n1، وذلك حين يكون R أقل من a n2 / (n1 - n2).

وللليف البلاستيكي يكون هذا الحد 1.4036 / (1.49 - 1.4036) = 16.2 من أنصاف عرض القلب. والأشعة التي تسير بزاوية أصلًا تهرب قبل ذلك، وعلى المنصة يعبر نحو نصف الضوء عند نحو 19 من أنصاف العرض. وتستخدم الأشعة المتتبَّعة انعكاسية فرينل عند كل ارتداد، فالشعاع الذي هو تحت الزاوية الحرجة بقليل يفقد جزءًا فقط من ضوئه في كل مرة.

ولليف الاتصالات تعطي المعادلة نفسها 213 من أنصاف العرض، أي نحو 0.9 mm لنصف قطر قلب 4.1 µm. والليف أحادي النمط الحقيقي يبدأ بفقد الضوء عند أنصاف أقطار أكبر بكثير، لأن ضوءه نمط موجي يمتد في الكسوة، ولا تستطيع صورة الأشعة إظهار ذلك. وقيمة كورنينغ لـ SMF-28 Ultra هي: لا يزيد الفقد على 0.50 dB في لفّة واحدة حول نصف قطر 10 mm عند 1550 nm. وليف ITU-T G.657.A2 المصنوع للشقق والمباني مصنَّف لنصف قطر 7.5 mm بفقد لا يزيد على 0.5 dB في لفّة. ويفقد الليف البلاستيكي على الأكثر 0.5 dB في ربع انحناءة بنصف قطر 25 mm.

إلى أي مدى تسير النبضة قبل أن تتلطّخ

يرسل مشهد الأنماط البتات الثماني نفسها في ليفين معًا. في الليف متعدد الأنماط متدرج الخطوة (قيم النموذج: القلب 1.4570 والكسوة 1.4440) يقطع الشعاع الموجَّه الأشد ميلًا مسارًا أطول من المستقيم بمقدار n1 / n2 مرة. فينتشر زمن الوصول بمقدار L n1 / c x (n1 / n2 - 1)، وهو 43.7 ns لكل كيلومتر. عند 1 Gbit/s تدوم البت 1 ns، فتتداخل النبضات بعد 1 / 43.7 km، أي نحو 23 m. وعند 100 Mbit/s يكون الحد أطول عشر مرات، نحو 230 m.

أما الليف أحادي النمط فله مسار واحد، والانتشار يأتي من التشتت اللوني: 17 ps لكل نانومتر من عرض الإشارة ولكل كيلومتر (SMF-28 Ultra لا يزيد على 18). وعرض إشارة بسرعة B bit/s نحو lambda² B / c، أي 0.080 nm عند 10 Gbit/s و1550 nm، فيكون الانتشار 1.36 ps لكل km. ومع 100 ps للبت تختلط النبضات بعد نحو 73 km. وعند 1 Gbit/s يصغر العرض عشر مرات وتطول البت عشر مرات، فيزيد الحد مئة ضعف إلى نحو 7,340 km. والكابلات الطويلة الحقيقية تصحح التشتت إلكترونيًا في المستقبِلات، ولهذا تعمل أبعد بكثير من هذه الحدود.

منحنى الفقد ونطاق المضخّمات

يرسم مشهد الفقد التوهين مقابل الطول الموجي من 800 إلى 1700 nm. والمنحنى نموذج من ثلاثة أجزاء: تبعثر رايلي، ويتناقص كـ 1 / lambda⁴ ويسود عند الأطوال الموجية القصيرة؛ والامتصاص تحت الأحمر من السيليكا نفسها، ويرتفع بشدة بعد نحو 1600 nm؛ وقمة صغيرة عند 1383 nm من الماء المتبقي في الزجاج. وقد طُوبق ليبقى تحت القيم العظمى من كورنينغ لـ SMF-28 Ultra: 0.32 dB/km عند 1310 و1383 nm، و0.21 عند 1490، و0.18 عند 1550، و0.20 عند 1625. ويعطي النموذج 1.46 dB/km عند 850 nm، و0.275 عند 1310، و0.164 عند 1550.

والمضخّمات على قاع البحر مضخّمات ليفية مطعَّمة بالإربيوم. وتعمل في النطاق C من نحو 1530 إلى 1565 nm، ومع ليف إربيوم أطول في النطاق L حتى نحو 1625 nm. انقل الطول الموجي إلى 1310 nm في المشهد فيحمرّ المكرِّران: الضوء هناك لا يُستعاد، وبعد مقطعين يختفي. والفقد المنخفض مع نطاق المضخّمات هما معًا سبب استخدام الكابلات الطويلة 1550 nm.

والتحدي في هذا المشهد يطلب مسار النموذج من سيول إلى لوس أنجلوس، 11,378 km، بما لا يزيد على 100 مضخّم وبفقد لا يزيد على 20 dB في كل مقطع (20 dB هو حد النموذج لما يعيده مضخّم واحد). ويلزم 101 مقطع على الأقل، فيجب ألا يقل طول المقطع عن 11,378 / 101 = 112.7 km، وعند 1550 nm لا يزيد طول المقطع على 20 / 0.164 = 121.8 km. وأي قيمة بين 113 و121 مناسبة. ومن دون أي مضخّم كان المسار كله سيفقد 1,868 dB، فيبقى 10⁻¹⁸⁷ من الضوء: ولا فوتون واحد.

من سيول إلى لوس أنجلوس، محسوبة

لا يوجد كابل واحد يمتد من سيول إلى لوس أنجلوس. ومسار النموذج في مشهد سيول إلى لوس أنجلوس من ثلاثة أجزاء: برًّا من سيول إلى نقطة إنزال بوسان، ثم تحت المحيط الهادئ من بوسان إلى باسيفيك سيتي في أوريغون (طرفا كابل New Cross Pacific في خريطة TeleGeography)، ثم برًّا مرة أخرى إلى لوس أنجلوس. وكل جزء هو مسافة الدائرة العظمى مضروبة في هامش لكون الطريق الحقيقي أطول: 1.25 على اليابسة و1.1 في البحر (قيم النموذج).

عند c / 1.4682 يستغرق الضوء 55.7 ms في اتجاه واحد و111.4 ms ذهابًا وإيابًا. والدائرة العظمى المستقيمة من سيول إلى لوس أنجلوس 9,586 km؛ وفي الليف يكون الذهاب والإياب عليها 93.9 ms، وفي الفراغ 63.9 ms. وبلغ متوسط قياسات ping كل ساعة من WonderNetwork بين خوادم في المدينتين، من 25 إلى 27 أكتوبر 2026، ما بين 139 و145 ms. والفارق الزائد، نحو 30 ms، سببه الموجِّهات والمسارات البرية الأطول والخوادم نفسها.

يرسل زر السباق نبضة على كل مسار في وقت واحد، مبطأة 100 مرة، لترى TAT-8 (5,846 km، 28.6 ms) يسبق Unity (9,620 km، 47.1 ms) ومسار سيول إلى لوس أنجلوس.

اسمك ضوءًا

يحوّل مشهد 0 و1 ما تكتبه إلى بايتات UTF-8 ويرسل البتات ومضات. الحرف اللاتيني بايت واحد، أي ثماني بتات؛ ومقطع الهانغول ثلاثة بايتات، أي 24 بتًّا، فاسم كوري من ثلاثة مقاطع يساوي 72 بتًّا. ويجمع المستقبِل ثماني بتات في كل مرة ويفكّ الحروف عند وصولها. عند 10 Gbit/s تدوم كل بت 100 ps وتشغل 2.04 cm من الزجاج، فاسم من 72 بتًّا طوله 7.2 ns ويمتد 1.47 m على الليف. وفي كيلومتر من الليف نحو 49,000 بت في رحلتها.

زوج ألياف واحد مقابل إنترنت بيتك

تحت أدوات التحكم يمكنك كتابة سرعة إنترنتك واختيار فيلم. أحجام الأفلام قيم نموذجية: نحو 5 GB لـ HD و20 GB لـ 4K. وتعطي Google كابل Dunant سعة تصميمية 250 Tbit/s على 12 زوج ألياف، أي نحو 20.8 Tbit/s للزوج الواحد. والفيلم بحجم 20 GB يساوي 160 Gbit، فيحمله زوج واحد في 7.7 ms؛ وعند 500 Mbit/s في البيت يستغرق 320 s، أي نحو خمس دقائق ونصف.

جرّبه على الشاشة

يستخدم كل اقتراح الأسماء الموجودة في شريط المشاهد وعلى اللوحات.

1. في حبس الضوء اسحب المقبض الأحمر على الليزر للأسفل حتى تقول اللوحة إن الضوء يتسرّب، ثم أعده حتى يُحبس من جديد. مع الليف البلاستيكي يحدث التغير عند 70.39°؛ ويطلب أحد التحديات أن تتوقف على أقل من 0.5° فوقه.
2. اختر SMF-28 واسحب مرة أخرى. تقفز الزاوية الحرجة إلى 84.46°، ويكاد الشعاع الباقي في الداخل لا يتعرّج.
3. اختر قضيب زجاجي وحاول أن تجعله يسرّب. يتوقف المقبض عند 48.19°، فوق الزاوية الحرجة 41.81°.
4. اضغط «اركب مع الضوء» وسر مع نبضة إلى الطرف البعيد.
5. في الانحناء اسحب المقبض الأحمر نحو الأسطوانة. مع الليف البلاستيكي تهرب أولى الأشعة تحت 33 من أنصاف العرض، ويضيع نحو نصف الضوء قرب 19.
6. في الأنماط اختر 1 Gbit/s وحرّك الطول من 10 m إلى 100 m. يتحول أثر الليف متعدد الأنماط على الشاشة إلى البرتقالي ويتلطّخ، بينما يبقى أثر أحادي النمط مربعًا.
7. في الفقد اضبط الطول الموجي على 1310 nm وراقب المكرِّرات وهي تحمرّ؛ ثم عُد إلى 1550 nm ووسّع المسافة إلى 118 km.
8. في 0 و1 اكتب اسمك واضغط «أرسل».
9. في سيول إلى لوس أنجلوس خمّن الذهاب والإياب بالمنزلق، واضغط «تحقّق»، ثم اضغط «سباق كل المسارات».

ما يتركه النموذج

صورة الأشعة تبسيط. فالقلب العريض 8.2 µm لا يتجاوز بضعة أطوال موجية، والضوء في الليف أحادي النمط يسير نمطًا واحدًا من المجال (نمطًا) ينتشر قليلًا في الكسوة. ورسم الأشعة دقيق للقلوب العريضة متعددة الأنماط، ويعطي الزاوية الحرجة وزاوية القبول الصحيحتين لهذا القلب، لكنه ليس ما يفعله الضوء حرفيًا، ولا يستطيع أن يبيّن لماذا يفقد الليف أحادي النمط الحقيقي الضوء في انحناءات بضعة مليمترات.

الليف في المشهد الأول مرسوم أسمك من الواقع بمرات كثيرة، ومشهد الانحناء يستخدم أنصاف عرض القلب مقياسًا له؛ أما الزوايا والمعاملات فحقيقية. وفي مشهد الأنماط رُسمت المسارات المتعرجة أشد ميلًا من 7.6° الحقيقية لتتميز بعضها عن بعض، وزوج الزجاج متعدد الأنماط نموذج.

الضوء مرسوم أحمر. أما ضوء 1550 nm الحقيقي فتحت أحمر وغير مرئي. ومنحنى الفقد نموذج مطابَق للقيم العظمى في ورقة بيانات، وليس قياسًا، وحد المضخّم 20 dB وأحجام الأفلام قيم نموذجية.

والمسارات على الكرة الأرضية دوائر عظمى بين نقاط الإنزال، لا المسارات المسحية، ومسار سيول إلى لوس أنجلوس نموذج مبني من ثلاث دوائر عظمى مع هوامش. وخطوط اليابسة من مجموعة بيانات Natural Earth ذات الملكية العامة.

تاريخ موجز

في يناير 1966 خلص تشارلز كاو، وهو يعمل مع جورج هوكهام في Standard Telecommunication Laboratories في إنجلترا، إلى أن الفقد الكبير في الألياف الزجاجية يأتي من الزجاج لا من عيوب في الخيط، وأن الزجاج يمكن تنقيته. وبحسب مؤسسة نوبل، حسب أن ليفًا من أنقى زجاج يمكنه نقل إشارات الضوء أكثر من 100 km، مقابل نحو 20 m لألياف عقد 1960. وصدرت الورقة، Dielectric-fibre Surface Waveguides for Optical Frequencies، في Proceedings of the IEE في تلك السنة. وأشار كاو إلى السيليكا المنصهرة مادةً. وهي تنصهر عند ما يقارب 2,000 °C، ويصعب التحكم في ذلك لكنها تعطي أنقى زجاج.

ثم صنعت Corning Glass Works ليفًا بصريًا طوله 1 km بعمليات كيميائية. وتؤرخ المعلومات الشعبية لدى مؤسسة نوبل ذلك بعام 1971.

وفكرة توجيه الضوء أقدم بكثير. فقد أرسل دانيال كولادون الضوء على طول نافورة ماء في جنيف عام 1841 ووصفه في العام التالي في Comptes Rendus؛ وأظهر جون تندال التأثير نفسه في المعهد الملكي في لندن في 19 مايو 1854، وتعترف ملاحظاته بأنه لم يكن جديدًا تمامًا. وكان الأطباء يستخدمون حزمًا من قضبان زجاجية رفيعة لرؤية داخل المعدة بحلول عقد 1930، وإضافة كسوة بمعامل أقل أوقفت تسرّب الضوء من القضبان حيث تتلامس.

وتروي Optics & Photonics News كيف قاس دونالد كيك من Corning 17 dB/km على قطعة ليف طولها 29 m في أغسطس 1970 وكتب «Whoopee!» في دفتره. وأعلن كابرون وكيك وموراير نحو 20 dB/km في Applied Physics Letters في نوفمبر 1970. وفي 1979 بلغ ميا وزملاؤه في NTT قيمة 0.20 dB/km عند 1.55 µm في ليف أحادي النمط، قريبًا من الحد الذي يفرضه التبعثر في السيليكا. وفي يناير 1987 أعلن ميرز وريكي وجونسي وباين في جامعة ساوثهامبتون عن مضخّم ليفي مطعَّم بالإربيوم بكسب 26 dB عند 1.536 µm، وهو الجهاز الذي يوجد الآن في كل مكرِّر.

ودخل TAT-8، أول كابل ألياف ضوئية عبر الأطلسي، الخدمة في 14 ديسمبر 1988. وامتد 5,846 km على قاع البحر بين أمريكا الشمالية وأوروبا، واستخدم ليفًا أحادي النمط عند 1.3 µm ومكرِّرات تعمل بسرعة 280 Mbit/s، وكانت سعته 40,000 دائرة هاتفية. وكانت مكرِّراته لا تزال تحوّل الضوء إلى إشارات كهربائية والعكس. وحلّت المضخّمات الضوئية لاحقًا محل ذلك. وتحصي مؤسسة نوبل مجموع الألياف الضوئية المركَّبة اليوم بأكثر من 1,000,000,000 km، ومنحت كاو عام 2009 نصف جائزة الفيزياء عن عمل فتح الطريق إلى الاتصال بالألياف.