كيف تنقل الألياف البيانات بالضوء

ينقل الكبل الليفي البصري البيانات على شكل نبضات من الضوء بدلًا من الإشارات الكهربائية عبر النحاس. ويومض الليزر أو LED بالضوء ويطفئه، أو يعدّل شدته، لتمثيل الواحدات والأصفار في البيانات الرقمية، ثم يقرأ كاشف في الطرف الآخر هذه الومضات ويحوّلها مجددًا إلى بيانات. وبما أن الضوء ينتقل عبر الزجاج مع فقد ضئيل جدًا، فإن الألياف تحقق سرعات ومسافات أكبر بكثير من النحاس.

تتكوّن الليفة البصرية من بنية متعددة الطبقات:

• القلب — مركز زجاجي بالغ الدقة يحمل الضوء.
• الكسوة — زجاج يحيط بالقلب ويعكس الضوء إلى الداخل.
• الطبقة العازلة والغلاف — طبقات حماية خارجية.

يتكوّن القلب والكسوة من زجاج ذي خصائص مختلفة قليلًا، وهذا الاختلاف هو ما يبقي الضوء مرتدًا على امتداد القلب.

تعمل الألياف بفضل الانعكاس الداخلي الكلي. إذ يكسر زجاج القلب الضوء بدرجة أكبر من زجاج الكسوة، ولذلك عندما يصطدم الضوء بالحد الفاصل بزاوية ضحلة، ينعكس بالكامل إلى داخل القلب بدلًا من أن يتسرب خارجه. وترتد نبضة الضوء على امتداد الليفة، متبعةً حتى الانحناءات اللطيفة. ويُعد حبس الضوء هذا جوهر طريقة نقل الألياف للبيانات عبر كيلومترات من دون فقد الإشارة.

يفقد الضوء طاقته في الزجاج ببطء أكبر بكثير من فقدان الإشارات الكهربائية لها في النحاس. وهذا يعني أن الألياف تدعم عرض نطاق أعلى وتمتد عبر مسافات أطول بكثير — كيلومترات بدلًا من حد النحاس البالغ 100 متر — قبل الحاجة إلى تقوية الإشارة. كما تنقل الألياف معدلات بيانات هائلة لأن الضوء يمكن أن يومض بسرعة فائقة. وتجعل هذه الخصائص الألياف العمود الفقري للإنترنت ومراكز البيانات.

من أكبر مزايا الألياف أنها مقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي. وبما أنها تنقل الضوء لا الكهرباء، فلا تستطيع المحركات القريبة أو خطوط الطاقة أو الضوضاء الراديوية إفساد الإشارة. وهذا يجعل الألياف مثالية في المواقع الصناعية ذات الضوضاء الكهربائية، وللوصلات بين المباني حيث قد يتسبب البرق أو اختلافات التأريض في إتلاف النحاس. كما أنها لا تشع إشارة، ما يجعل التنصت عليها أصعب.

تتواصل الأجهزة عبر Ethernet كهربائي، ولذلك تحتاج وصلات الألياف إلى جهاز إرسال واستقبال — وهو وحدة تحوّل الإشارات الكهربائية إلى ضوء للإرسال، ثم تعيد تحويل الضوء إلى إشارات كهربائية عند الاستقبال. وتُسمى أجهزة الإرسال والاستقبال الشائعة القابلة للتركيب SFP (Small Form-factor Pluggable) وSFP+ للسرعات الأعلى. وتُركّب هذه الأجهزة في منافذ المحولات، وتتيح اختيار نوع الألياف والمسافة المناسبين لكل وصلة.

تتميز الألياف بقدرات كبيرة، لكنها ليست خالية من السلبيات:

• المزايا — سرعة عالية، ومسافة طويلة، ومقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي، وأمان.
• العيوب — كبلات وأجهزة إرسال واستقبال أعلى تكلفة، وزجاج هش، وصعوبة أكبر في الوصل وإنهاء الأطراف.

قد يتشقق القلب الزجاجي إذا ثُني بحدة شديدة، كما يتطلب وصل الألياف أدوات دقيقة؛ لذلك تزداد أهمية مهارة التركيب مقارنةً بالنحاس.

تحتاج الألياف إلى التعامل معها بعناية. لا تثنها أبدًا بما يتجاوز نصف قطر الانحناء الأدنى، وإلا فقد يتسرب الضوء وقد ينكسر الزجاج. حافظ على نظافة أطراف الموصلات، فحتى ذرة غبار واحدة قد تحجب قدرًا كافيًا من الضوء لتعطيل الوصلة. ولا تنظر مباشرةً إلى ليفة فعالة أو جهاز إرسال واستقبال، لأن ضوء الليزر بالأشعة تحت الحمراء غير مرئي، لكنه قد يؤذي عينيك. وتظهر نقاط السلامة هذه في الاختبار.

تهيمن الألياف حيث تكون السرعة والمسافة أهم ما في الأمر:

• العمود الفقري للإنترنت الذي يمتد عبر المدن والمحيطات.
• الطبقات الأساسية لمراكز البيانات التي تربط المحولات عالية السرعة.
• وصلات بين المباني داخل الحرم.
• الألياف إلى المنزل لتوفير نطاق عريض سريع.

لا يزال النحاس غالبًا الخيار الأقل تكلفة عند سطح المكتب، لكن الألياف تنقل حركة المرور الكثيفة خلف الكواليس.

بما أن الليفة البصرية الواحدة تحمل الضوء عادةً في اتجاه واحد، تستخدم الوصلات غالبًا ليفتين — واحدة للإرسال وأخرى للاستقبال — لتحقيق اتصال مزدوج بالكامل. ولهذا تأتي كبلات توصيل الألياف غالبًا على شكل زوج متصل بمشبك. وترسل بعض الأنظمة المتقدمة ذات الليفة الواحدة البيانات وتستقبلها باستخدام أطوال موجية مختلفة عبر ليفة واحدة، لكن الحالة الشائعة هي ليفة للإرسال وأخرى للاستقبال.

تخيّل نفقًا طويلًا تصطف على جدرانه المرايا، وشخصًا يومض بمصباح يدوي وفق شفرة مورس عبره. تعكس الجدران الضوء، فينتقل لمسافة بعيدة من دون أن يخفت، وتصل الرسالة سليمة إلى الطرف الآخر. الألياف هي ذلك النفق المصنوع من الزجاج، والومضات هي بياناتك. لا تنتقل الكهرباء عبر النفق، ولذلك لا تستطيع الضوضاء الكهربائية الخارجية إزعاج الرسالة.

تعلّمت أن الألياف تنقل البيانات على شكل نبضات ضوئية عبر قلب زجاجي تحيط به كسوة، مستخدمةً الانعكاس الداخلي الكلي لحبس الضوء. ويمنح ذلك الألياف عرض نطاق عاليًا ومسافة طويلة ومقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي. وتحول أجهزة الإرسال والاستقبال مثل وحدات SFP الإشارات بين الكهرباء والضوء. وتكلف الألياف أكثر وهي هشة، ولذلك تحتاج إلى موصلات نظيفة وعناية بنصف قطر الانحناء وسلامة العينين. وهي تشغّل أعمدة الإنترنت الفقرية ومراكز البيانات ووصلات الحرم.