45

االنعكاس الداخلي الكلي واأللياف الضوئية

قوانين االنعكاس واالنكسار .1

االنعكاس الكلي الداخلي .2

األلياف البصرية .3

مكونات األلياف البصرية .4

أنواع األلياف البصرية .5

الضوء في األلياف البصريةآلية نقل .6

آلية صنع األلياف البصرية .7

مكونات نظام االلياف البصرية .8

مزايا واستخدامات االلياف البصرية .9

الرابعةالمحاضرة

46

من حيث ف الكهرطيسيومكان وقوعه ضمن الطيتعرلنا يف احملاضرة الثالثة على مفهوم الضوء بشكل عام ما عرضنا أهم خواص األمواج زايئي واهلندسي ومن خالهلاملوجة والرتدد كما تعرضنا ملفهومي الضوء الفي طول

نكسار ودورها األساسي يف التوالقية البسيطة وآلية تداخل هذه األمواج. كما تعرلنا على مفهوم قرائن اال عملية تشكل األخيلة بواسطة األجهزة البصرية وأمهها العني البشرية.

:Reflection and Refraction Lawsقوانني االنعكاس واالنكسار -1 واً يف الذسي اكو ا وساني خمتا ني م هس جزم ر الا ا ل ي ا ا ضذه واخ ا و ال ان، بنيومو ا سّ

. (1-10) يف الاه، و مهسل اتزم ال ا )أب أن ساره مالف ومو داذلو يف الذسي ال ا (ا ككا ذ ذض ستذب Iني يف المّا، واخ السا ال ان، بني الذسا INري والماة SI ووخ املستذب الءب ذب الا ا الذارد

بني rاسا و سكخ الزاو ،ااو ، االا ه بني الا ا الذارد والماةري ااو ، الذرودا والزاو ، iالذرودا و سكخ الزاو ، الا ا املمهسل والماةري ااو ، االاهسار.

االا هاس ابلّااذاني التالقني: تاضص ذااني

الا ا الذارد والا ا املم هس ّ ان يف ستذب واحو ين الماةري. .1ااو ، االا هاس ساوب ااو ، الذرود .2 i.

يف املام هذن اهاًل ور االحظ أن الااااااا ا الءب خي الذسااااااي ال ا ا احنلافاً ووخ ابالاهسااااااار. فالااااااا ا ان ااو ، الذرود فإن ااو ، االاهسااار سااا ، جتل قاً ال ال )1621( تا أ اااً. لّو حود ساام، rره يف اهلذاما وإذا غ ب ال ، ووخ ااذن سم، يف االاهسار و تاضص اا ا : rو iبني

ر حتّّان ال ال ، التالق،:ااو ، الذرود وااو ، االاهسا 133.sinsin 21 ri nn

أو ابلاه، التايل:

47

134.sin

sin

1

2 nn

n

r

i

سكخ ءه المس ، ل م، ااهسار الذسي ال ا ابلمس ، لبو .لذرود وواخ اتااب الاااااا ال ا ر ااذن سااااام، يف االاهساااااار مص واخ أن الاااااا ا املمهسااااال ّين يف ساااااتذب ا

د.ا ال ر ال كذ واخ الساااااا ال انااااا، بني ميهر أن اساااااتمتت ااااااالًةا هن الاااااا ا الءب لد انةكقاً (1-34)اوتكاداً واخ ال ال ،

وساني خي ءا السا دون أن ا أب احنلاف.

-11) الااااه، يف ساااّي ضاااذم واخ ساااا املام يف ووام اجاج لو ا ساااتذب وساااا ككا ذ ني :(1)مثال

و ل م، ااهسااااااار 1.0ذام ساااااااوب ، اليت خيلج هبا ال ااااااذم ر ا اإلانما واكاً أن ل م، ااهسااااااار اهلا ا الزاو (1 الزجاج أك ر ل م، ااهسار املام؟

ام ال ال ، التالق،: – هذن لو ما ومو السا ذام احلل:.sinsin1 221 n

اجاج فقهذن لو ما: -أ ا ومو السا ال ان، ام .sinsin 322 gnn

اّارا، ال ال تني السابّتني جنو:.sinsin.1 31 gn

هر املام ذجذداًا وإذا لَّ االحظ أن ءه امل ادل، ابل ااا ي ال ال ، اليت كان ر املكهر ا جلاااذ واقها إذا ذام هذن لو ما: –ال ذم االًة ر اهلذام إىل الزجاج ومو السا اكا اجاج

.sin0.1sin 43 gn اّارا، ءه ال ال ، ين ال ال ، السابّ، جنو أن:

.sinsin 41 41و مو جنو .

الءب خي هاا لهر حتو ذضاااااا ءه المتقش، أن الا ّ، املتشااساااااا، ملادة ااااااا اف، ال ا اجتاه الااااااا ا ال ااااااذه إااح، جاا ق، لاا ا فّي.

48

:Principle of Reflectivityبدأ االنعكاسية م -1الاااااااااا ا املم هس أو ر اال ذااني االا هاس واالاهساااااااااارا ميهر أن اساااااااااتمتت ااااااااااالًة أاو إذا وهساااااااااما اجتاه

مو ك، سا واكس وك، واملمهسلا فإاو سذف لسري س ه اكنا لًة اثاقً،. إن وأ االا هاسق، ءا ناق سا كاسل.

:The Interior Total Reflectionالكلي الداخلي االنعكاس -2أك ر ل م، 1n)حقث 1nيف وساااااااااي ر املام أو الزجاج اًلا ل م، ااهسااااااااااره Sلم لض أاو لو ما م ين ضاااااااااذه

ملم ين ابجتاه السا ال ان، ر اااهسار الذسي ال ا الءب ميهر أن هذن اهلذام اًل(؛ فإذا اااا ا ا ضذهاا،ا والّساري ا ال خي الذساي بني الذساانيا فإن التشلب، ُ ني أن جزماً ر ال اذم الذارد م هس ل واً حنذ الو

ذاا ً فإن الااااا ا املمهساااال ساااا cال ا ت واً ور الماةري. لهر ومو ا جلاااا ااو ، الذرود ساااااو ً، قك، قم،. ومو ا ز و ااو ، )13-1(و ذض ذلي الاه، 90لاسا ال ان، بني الذسانيا ناا اً ااو ، ااهسار ساو ،ً

ا ااااااااااااااا فإن الاااااااااااااا ا م هس داا، الذساااااااااااااي اكو كاقاًا وال ذد الحظ أب cالذرودا ولذ اقالً ور الزاو ، ، ءه ا ال، ّا إن ال ذم اا هس اا هاساً كاقاً. مهسل. يف

اس الها ا ا واليت إذا ورد ال ااااااااااااذم بزاو ، ورود أك مها ا ااااااااااااين لظا لة االا هcميهر حساااااااااااااب الزاو ، ا لج،

اوتكاداً واخ ااذن سم، يف االاهسار أب:

141.sin

.90sinsin

1

2

21

n

n

nn

c

c

ا والذسااااااي 1.52، ااهساااااااره لذسااااااي الءب لد مو ال ااااااذم ذ الزجاج التاج ا الءب ل مإذا اوت ان أن ا :(2)مثال ل ذم اا هاساً كاقاً.االءب جل، إلقو ال ذم ذ اهلذاما فبحسب قك، الزاو ، ا لج، اليت ر أجاها م هس

احلل:

49

.6579.052.1

1sin c

و مو: .4114.416579.0arcsin c

ال اااااااذم و أانبقب ووخ الوااا ر الظذا ل اهلا ، يف ال اااااااذم كذا ساااااااك بمّ، ت ةا لة االا هاس الهاو لهق،ا واساتضوا ها يف ابكلقاف ال جلال ، الزجاجق، ال اقّ،ا حقث ميهر حتكق، اكاا ، ال اذهق، إااارات ساكذو،

.ا اال جلاالت واّ، ال ذم. ابإلضاف، إىل استضوا ا ا باه، واسين يف اجملا ال

50

أللياف البصرية:ا-3

٬ ال جلل ، اكلقاف ور ا و ث ابل لورة ستت ين اإلا ا أو الهاب، ا ز ذن أاظك، أو اهلا ا أاظك، ور ا و ثذات ال نا جواً ر ل ، الا اف الزجاج ر جواه، ور و ارة ال جلل ، اكلقاف : أك ل سا، اك ذر لمش ،

يف ُ ستضوم أذا ككا ٬ طذ ا، سافات و الل كق، امل اذ ات اّ، املقهلو ادرة واخ . املقهااقهق، واهلموس، الا ق، لااا ت التجلذ ل

البصرية: األلياف مكوانت-4 ر ور قّ، طذ ا، جواه، ر ال جلل ، اكلقاف كب قئ، واخ ل ، و الا لة بّال الا افق، وايل اجاج سا إلر و ستضوم" ال جلل ، الهذاب،" سكخ حزم

ك ة. سافات و ضذهق، إاارات : ر تهذن

: و ذ اب ر الزجاج ال اه المّام مي ، Coreالاب الذسي الءب متّ، ر االلو ال ذم.

اليت ذ املادة الارجق،و Cladding :الّالة الزجاجق، جلمذو، ر اجاج خيتاا و حتقي ابلّاب الزجاج

الزجاج الءب جلمين ا ، ااهساره ور ا ، ااهسار مو الّاب و هس ال ذم ابستكلار لقظ، يف داا، الّالب

.الزجاج

51

بالستقه ك ذ غالفو : Buffer coatingالاالف الذا . الّاب ر ال لر

ئات أو راا ا الف ر ءه اكلقاف ال ذهق، جلاا ا يف حز ، خ جاكق .لتهذن ا ، ال ذه الءب كخ بااام اارج سك

أنواع األلياف الضوئية:-5 اكلقاف ال ذهق، ميهر أن ّسري بجل ، وا ، إىل اذوني أساسقني:

و اذوان: multi -mode fibers:األلياف الضوئية ذات النمط املتعدد ( : step-index multi mode fiber) الاقا ت ود اكمناط ذب امل ا ، ال اب .1

قهلو وميتاا بسهذل، جلمق و وسهذل، 125 قهلو و ال غالفو 100و 50 ا و بني والءب اوح ال

ون، اكلقاف ب ها ولهر سقئتو أاو سك اباتاار ووة ئات ر اكمناط االلو واليت ك، واخ ّاق، ولض ااا و ل وة ئات قاا ز .

: (graded-index multi mode fiber)الاقا ت ود اكمناط ذب امل ا ، التورجي .2

52

ري ر أن ءا المذ سك قهلو . وواخ اللغ 125 قهلو و ال غالفو 60و 50والءب اوح ال ا و بني

اهسار الّاب جي ، سلوات اباتاار ووة ئات ر اكمناط االلو ككا يف المذ اكو إال أن التورج يف ا ، ا و جل، إىل ألا قاا ز. ل ّاراب مها يف المذ اكو وواقو فان ولض ااا و ااتاار اكمناط املضتا ، أك

(: step-index single mode fiber)ايلياف الضوئية ذات النمط االحادي

سك إال لمكي ضذه قهلو ولءلي فهذ ال 125 قهلو و ال غالفو 10ال ز و ال اب ءا الاقا ور

و جل، ولض ااا و إىل ر االلو ولءلي فهذ ميتاا بّور و واخ اّ، ككقات ضضك، ر امل اذ ات و واحو لالاتاا هابووة ىالف قاا ز ولهر سقئتو أاو تاج لتّمقات تّو ، لتجلمق و ولذن، اكلقاف

53

:آلية نقل الضوء يف األلياف البصرية-6 ال ذم لقمتّ، املكل ا،دا املجل اح ذجقو ذ وكاو واقي ا ٬ ووب جل اح بذاسا، ممل إضامة ل و أاي لم ض

٬ داا، ال ذم لتذجقو املماىن داا، لىة وضين ميهمي ماىن؟ واخ تذب املكل كان لذ اذا لهر ٬اك ام إىل املكل طذ واخ تّابا، لا وضين ستاقين إذ ٬ابملمامقات اقئاً املكل كان حا يف ا قّو ميهر امل وأ وا س

ال جلل ،. اكلقاف وك، وأ ابل ي ذ و ءا ٬ال ذم واقها م هسلق

ووخ وأ و ذ ٬ ا اهي( واخ ت،)امللا امل الهسذة ر ال اب ابالا هاس ( املكل أو ) المذاة و ال ذم متّ،

لهر ٬ ب قوة تملسافا ّ، مت أن لا ذم ميهر المذاة ر ال ذم ُتتص ال وكن الهسذة. الها ، الوااا االا هاس واخ ال ذم احنلاف و تكوو ٬الّاب الزجاج يف املذجذدة الاذاهب بس ب الهاب، داا، مالف ال ذم ب (.املذج، وطذ الزجاج ا افق، يف % 60 إىل 50 اناذ =1300الذاحو الهقاذ يف % 75 إىل 60 = اناذ 580 : س ق، امل ا واخ

أ ، ورة املكتااة اذا اك ب وُتتاي (الهقاذ الذاحو يف % 50 ر أك اناذ 1550 الذاحو الهقاذ .اناذ ( 1550 ومو الذاحو الهقاذ يف % 10 أ ، ر أب االحنلافات ذلقو واخ

ءا تكو واخ ةا لة له حتو االا هاسات املستكلة واخ جوار الاالف الذا داا، اكلقاف ال ذهق، فإن ه الظا لة وكقا فكا ء total internal reflectionق، سكخ ةا لة االا هاس الوااا الها فقز ه

ك،؟

54

لياف البصرية:اس الفيزايئي لنقل الضوء خالل األاألسهمذلذجقا اّ، ال ذم اكساس ال قز ه لت total internal reflectionا هاس الوااا الها الةا لة االزجاجق، ر الزجاج ولهر حاجق، حقث ان أاما ذكلان سابّا أن كال ر الّالب الزجاج والّالةلقاف الز و اك

لزجاج؟ا ا ، ااهسارمها خمتاا. فاكاذا كان ا ، االاهسار خمتاا وملاذا وجوت ط ّتني ر ر املام و اه، حاف، حذض يفختق، لذ ااما كما ابلتشلب، املذضا، يف الاه، التايل واليت ُت ، ا ا ر الاقزر

سّي ا ا الاقزر وكذد املام حاجز بني وساني مها املام الءب ا ، ااهساره اك ر وسي اهلذاما ف مو ا يل:واخ ا اجز فإاو م ء ابلها ،ا ا ا اذا اادت الزاو ، ورجيقاً ككا يف الاه، التا

سّذط كاكا ا اوة ، املام وكاكا اادت ااو ، الاالحظ أن جزم ر الا ا م ء واتزم اكال م هس داالزاو ، ا لج، خيلج الا ا ادرج،( سكخ 48.6الا ا المافء واادادت اوة الا ا املم هسا وومو ااو ، ) ّل اً

قئاً م هس ابلها ، وال م ء مو ا ذاا ً لسا املام واذا اادت ااو ، السّذط اقالً ور الزاو ، ا لج، فإن الا ا .total internal reflectionو ءه ا ال، سكخ اإلا هاس الها الوااا

حتو ةا لة االا هاس الها الوااا اذا حتّ الالطني التالقني:

55

ان متّ، ال ذم ر وسي ذو ك اف، ضذهق، أواخ ) ا ، ااهساره ك ( إىل وسي أ ، ك اف، ضذهق، ) ا ، (1) ااهساره ا ،(.

ن ااو ، السّذط اك ر الزاو ، ا لج،.ان هذ (2) core ءه الظا لة حتو يف الاقزر و االلقاف ال ذهق، حقث أن ال ذم اشلد و ذره إىل داا، الّالب الزجاج

سقم هس واخ السا الوااا لاّالة الزجاجق، الن ا ، ااهسار ا اك ر الّالب و ستكل الاقزر ابالا هاس با المظل اذا كاا االلقاف ال ذهق، ستّقك، أو مامق،.واخ جاا الّالب

آلية نع األلياف الضوئية:7- ذكلان جلمين اكلقاف ال ذهق، ر اجاج واخ درج، و ككا س

والق، ر المّام حقث ون إحو الالكات ذلي ابن ال لذ كان ماك حمقي ر اكلقاف ال ذهق، جل، لا و و ر

ر واخ سااو لاّا جيب أن لاه اظلت و اك قا و تري نماو، اكلقاف ال ذهق، واخ الماذ بذضذح.

التايل: وك، اساذاا، اجاجق، غ اها، .1ساب اكلقاف ال ذهق، ر ءه االساذاا، .2

الزجاجق، اات ار اكلقاف ال ذهق، .3

الزجاج املستضوم يف وك، االساذاا، الا اها، modified chemical جلمين ر اال وكاق، سكخ

vapour deposition كاذر و اتل ااقذم كقكاو ت و حقث ميلر اككسشني واخ حماذ ر كاذر و الساقهذن

56

أال ض ُتلر اكخبلة املتجلاووة داا، أا ذب ر الهذار ز ذضذ يف خملط، اان، ومو ا وار تالك كل حذ نيأا ذب الهذار ز حقث تس ب ا لارة ال الق، يف حوو اقئ

ااقذماتل أكسقوو اتل ااقذم ين اككسشني لتهذ ر أكسقو الساقهذنو ( ت او، الساقهذن1) ا لتهذ ر الزجاج مو انو أكسقو اتل ااقذم واخ جوار اكا ذب ر الواا،و ( سب أكسقو الساقهذن2)

.لاقيلتاهري اب ر اال ا ن ات الزجاج املتهذنو الام املااذب حقث ميهر التاهري بورج، اّام

57

ا ن تري ساب اكلقاف ر ءه اساذاا، الام الا اها، بذض ها يف أداة الساب حقث مز الزجاج الام يف درج، ساقز ، فت وأ املّو ، يف الءوابن ح مز الءاهب بتبث اتاذبق، 2.200-1.900فلن كلبذ درج، حلار و

، ال ذهق،. ءه اتو ا، اجل بتااقا تتابين أثمام سا ها بذاسا، جلار ين قاس اشلد سّذطو د هذان اتو او .20m/s ستكل لمجلا الّال ابستضوام قهلو لقزرب. ساب اكلقاف ر الّالب الام ا و

اجلذنا اجلا الّالا حتكاها و ا ، االاهسارا الاه، اهلموس تري ب و ذلي اات ار اكلقاف ر انحق،: إ هااق، ذنق، ال ذم و ا ات اإلاارات ال ذهق، االهلاا س ، مح، امل اذ اتا حتكاها لورجات ا لارةلااو

حت املام

مكوانت نظام األلياف -8 البصرية:

تهذن اظام اكلقاف ال ذهق، ر ثال أجزام أساسق، :

:transmitterاملرسل ا ل اإلاارة ال ذهق، و و ذ الءب متتزم اكساس بو ذ املجلور حقث هذن ات

ال ذه الءب و هذن لقزر أو الوا ذد ال ذه ا فإذا أردان ال اّ، إاارة ا ز ذاق، أو أب اذ ، فااو ر ال لورب حتذ ل الاارة ال ذهق، ط ّا لاك اذ ،

أو إا اهلا analogue modulationاخن اضا ، و تري بتاق او ا ار اوا و امللاد اّاها. حتذ ل اإلاارة ال ذهق digital modulation ذ ا لف با وإط اهها يف تابين و :fiber-opticايلياف البصرية

ذ اتزم الءب مت الحو س ّاً.اإلاارة ال ذهق، و املسافات و ذ الءب ّذم بتذنق،و

58

:receiverاملستقبل الءب و هذن التا ز ذن أو ، لس، إىل املستضوم ي ا ل ا لقاذهلا إىل إاارة كهلبقو ستّ ، اإلاارة ال ذهق،

التا ذن

البصرية : واستخدامات األلياف مزااي-9 التّاقو ، المااسق، الهذاب، ور تكقز كذا اال جلاالت وا يف ثذرة زا وال كاا ال جلل ، اكلقاف أن امل لوف ر

: ابلتايل الاذ بم س كاا وإن ح المااسق، الهذاب، ر مثماً أراص ال جلل ، اكلقاف ر أ قا ت : كلفة أهنا أقل

. ست وا افك ال ميهر : حقث أن اجلا ال ا أ ، ر اجلا ال اكسالك المااسق، التّاقو ،ا اقل حجماأهنا

أمهق، اان، ومو ءا مي ،سري و 0.635ل ذهق، اله ال تشاوا سري آبال ر اكلقاف ا7.62ساي حناس اله ك حت اكرض. و اكسال

كشري.3.6ل ذهق، زن فّي كشري هال ر اكلقاف ا94.5: فقكهر است وا أسالك حناسق، واذا اخف وزان أهنا ل ذهق، ارفين ر اكسالك ال اد ، أك ل ورة واخ مح، امل اذ ات كن اكلقاف ا : هائلة استيعاب قدرة أهنا متلك

ود مذات ال ث التا ز ذ الذاحوة مما ز و وود ااذط اهلا ا أو وفااو ميهر وضين وود ك مها داا، ا ز ، ن اك ولض يف حني إ 50THzيف ح ، واحو. ه أن لف إن ولض الماا لبلقاف ال ذهق، جل، إىل

6MHzااا تاجو ال ث التا ز ذ ال تشاوا أقل احنرالات ضوئية. ال ذهق، اإلاارات تواا، ال ٬ المااسق، الهذاب، يف الههلابهق، اإلاارات ر ال هس واخ : اإلشارات الضوئية . التا ز ذ وال ث ق،اهلا لاكهاملات أف ، جذدة ين و ءا ٬ الهاب، ا س يف أال ألقاف ين كاب، ألقاف يف

ذلاق،ال والق، بههلابم ك، اليت امللسالت ر بوالً اك ، الاا ، ذات امللسالت استضوام ميهر : طاقة أقل . ال جلل ، اكلقاف كذاب، يف اإلاارات احنلاف ا، بس ب وذلي

59

.ا اسذب( ا هات يف جواً قوة التّمق، ءه ) الل كق، امل اذ ات لمّ، اكاسب و : اإلشارات الرقمية . الههلابم إىل ا اج، الات ام دوم ين لاال الت لض اال : لالشتعال م قابلة

: اراال وذلي الل كق، لالتجلذ ىالت يف ال جلل ، اكلقاف استضوام ورام الس ب لءاتاب الانق، ءه :مرنة ،.املضتا التمظ ل كاقات : الا التجلذ ل - ال اهق، وامللك ات والجلذار ا الااهلات وحملكات اكانبقب يف امللابي لت اص : املقهااقه التجلذ ل -

. والسقارات .الجلا الجللف أانبقب لت اص : الس اك، أوكا -

اال جلاالت ابكاصو الجلماوق، التا قّات ر اله يف ست كا، ال جلل ، اكلقاف جنو فإاما املزا اي ك، وب ، أو ) املتاوة ذال تال ر أوروبق، دول، ين ا ق، هامل، أجل إن امل ا س ق، ف اخ ٬ ا اسذب وا هات ٬ اهلا ا و ذتن نو إىل ستستكين اكغاب ف اخ الجلماوق، اراك ك بذاسا، اإلاارات اّ، ومت ( ابل هس

نو وجذد دون هاملاتامل إجلام ابإل هان جل اكطاس احملقي و املكتوة ال جلل ، اكلقاف كذاب، ين لهر قّات يف التمّقب يف ابطر ككا ستضوم ككشسات والق، اتذدة لاتا يف درج، ا لارة وال اي اا لو ر ا

.السك ق، التا قّات يف استضوا ها ميهر ككا رضاك

60

إضافات مدرس المقرر