الألياف الضوئية.. فى تقنيات الاتصالات الحديثة

كتب: أشرف شهاب

فى قلب البنية التحتية الرقمية، التى تجعل العالم متصلا على مدار الساعة، تتربع تقنية الألياف الضوئية بصفتها العمود الفقرى للإنترنت عالى السرعة والاتصالات الحديثة. ومنذ بداياتها المتواضعة فى سبعينيات القرن الماضى وحتى تحولها إلى حجر الأساس لشبكات الجيل الخامس والمدن الذكية، تعكس الألياف الضوئية قصة تطور تكنولوجى هادئ ولكنه بالغ التأثير، يعيد رسم ملامح الاقتصادات الرقمية ويمهد الطريق لثورة اتصالات غير مسبوقة.

النشأة والتطور

بدأت تقنية الألياف الضوئية كابتكار علمى يعتمد على توجيه الضوء عبر أسلاك زجاجية أو بلاستيكية دقيقة لنقل البيانات بسرعة الضوء. وتفوقت هذه التقنية على نظيراتها النحاسية التقليدية بسبب قدرتها على نقل كميات هائلة من البيانات، مع انخفاض معدلات فقد الإشارات، ومقاومتها للتداخل الكهرومغناطيسي. وقد تطلب الأمر عقودا من البحث والتطوير لتجاوز التحديات التقنية المتعلقة بانكسار الضوء والتقليل من فقد الإشارة على المسافات الطويلة، قبل أن تصبح قابلة للاستخدام التجارى واسع النطاق فى تسعينيات القرن الماضي. وتتنوع تقنيات الألياف الضوئية مع اختلاف مميزاتها وقدراتها، ومنها:

الألياف متعددة الأنماط

الألياف الضوئية متعددة الأنماط (Multi-Mode Fiber) هى نوع من كابلات الألياف الضوئية التى تستخدم بشكل شائع فى الشبكات المحلية (LANs)، خاصة فى البيئات التى تتطلب نقل بيانات عالى السرعة لمسافات قصيرة، مثل المكاتب، مراكز البيانات، والمبانى التجارية.

تتميز هذه التقنية بأن لها قطرا داخليا أكبر من الألياف أحادية النمط، يتراوح عادة بين 50 إلى 62.5 ميكرومتر، مما يسمح بمرور عدة أشعة ضوئية فى آن واحد. كل نمط يسلك مسارا مختلفا داخل الألياف، وهو ما يمنحها اسمها «متعددة الأنماط». ونتيجة لذلك، يمكن استخدام مصادر ضوء أرخص، مثل صمامات الليزر منخفضة التكلفة (VCSELs) أو الثنائيات الضوئية (LEDs)، مما يجعلها حلا اقتصاديا مقارنة بالألياف أحادية النمط.

ومع ذلك، فإن تعدد الأنماط داخل الكابل يسبب ما يعرف بـ «تشتت الأنماط»، وهو ظاهرة تؤدى إلى تداخل الإشارات وفقدان فى الجودة مع ازدياد المسافة. لهذا السبب، تقتصر الألياف متعددة الأنماط عادة على مسافات لا تتجاوز 500 متر بسرعات عالية مثل 10 جيجابت/ثانية، مما يجعلها مثالية للربط بين مكونات شبكة فى نفس المبنى أو بين مبان متقاربة.

تدعم الألياف متعددة الأنماط بروتوكولات نقل بيانات متقدمة مثل Ethernet وFibre Channel، وتستخدم فى التطبيقات التى تتطلب أداء عاليا لكن دون الحاجة لتغطية مسافات طويلة. كما تتوفر هذه الألياف بأنواع مختلفة حسب المعايير، وكل منها يختلف فى الأداء وسرعة النقل. وبفضل تكلفتها المنخفضة وسهولة تركيبها، تظل الألياف متعددة الأنماط خيارا مفضلا لمشاريع الشبكات الحديثة التى تتطلب توازنا بين السرعة، الموثوقية، والتكلفة.

الألياف أحادية النمط

الألياف الضوئية أحادية النمط (Single-Mode Fiber) هى تقنية متقدمة لنقل البيانات تستخدم بشكل واسع فى شبكات الاتصالات بعيدة المدى، مثل شبكات الإنترنت العالمية، الربط بين المدن، وشبكات الجيل الخامس. تتميز هذه الألياف بقدرتها على نقل البيانات بسرعات عالية لمسافات طويلة دون فقد كبير فى الإشارة.

يبلغ قطر النواة فى الألياف أحادية النمط نحو 8 إلى 10 ميكرومتر فقط، وهى صغيرة جدا لدرجة أنها تسمح بمرور شعاع ضوئى واحد (أو نمط ضوئى واحد) فقط عبر النواة. هذا المسار المفرد يقلل من تشتت الإشارة، ما يجعلها مثالية لنقل البيانات على مسافات تتجاوز مئات الكيلومترات باستخدام تقنيات تقوية الإشارة مثل المضخمات الضوئية.

تستخدم هذه الألياف عادة مصابيح ليزر دقيقة وعالية الدقة كمصدر للضوء، ما يوفر إشارات مستقرة وأكثر قدرة على التحمل مقارنة بالألياف متعددة الأنماط. وتدعم الألياف أحادية النمط معدلات نقل بيانات تصل إلى تيرابت/ثانية، مما يجعلها الخيار الأول فى البنية التحتية الأساسية لشبكات الإنترنت، الكابلات البحرية، وأنظمة الاتصالات الفضائية.

ورغم أن تكلفة تجهيز الألياف أحادية النمط لها متطلبات تقنية أعلى من نظيرتها متعددة الأنماط، إلا أن كفاءتها فى نقل البيانات لمسافات طويلة دون الحاجة إلى مكررات أو مضخمات يجعلها أكثر فعالية من حيث التكلفة على المدى الطويل. وبفضل كفاءتها العالية، تعد الألياف الضوئية أحادية النمط عنصرا حاسما فى مستقبل الاتصالات، خصوصا مع تزايد الطلب على نقل البيانات بسرعات فائقة واستقرار عال.

تقنية التقسيم الكثيف

تعتبر تقنية DWDM أو التقسيم الكثيف للطول الموجى المتعدد، واحدة من أكثر تقنيات الاتصالات تطورا وفعالية، وتستخدم لزيادة سعة نقل البيانات عبر شبكات الألياف الضوئية بشكل هائل. تعتمد هذه التقنية على مبدأ بسيط لكنه ذكي، فبدلا من إرسال إشارة ضوئية واحدة عبر كابل الألياف، يتم تقسيم الكابل إلى عدة قنوات ضوئية، كل قناة يتم تخصيصها لطول موجى مختلف، ما يسمح بنقل بيانات متعددة فى الوقت نفسه عبر الألياف نفسها.

ومن خلال هذه التقنية يمكن إرسال العشرات أو حتى المئات من إشارات البيانات المستقلة، كل منها على «لون» مختلف من الضوء (طول موجى مختلف)، عبر ليف ضوئى واحد. وباستخدام مرشحات ضوئية وأجهزة إرسال واستقبال دقيقة، تفصل هذه الإشارات فى نهايات النظام لتقرأ أو تعالج بشكل منفصل.

ومن أهم ما يميز هذه التقنية قدرتها على تحقيق سرعات نقل هائلة تصل إلى تيرابت فى الثانية دون الحاجة إلى تمديد ألياف إضافية. وهذه الميزة تجعلها خيارا مثاليا لشبكات الإنترنت العملاقة، وشركات الاتصالات، ومراكز البيانات، وخطوط الربط بين الدول والقارات، خصوصا فى الكابلات البحرية.

كما تتيح هذه التقنية قابلية توسيع الشبكة بسهولة، فإذا احتاجت شركة ما إلى مضاعفة سعة النقل، يمكنها ببساطة إضافة أطوال موجية جديدة دون المساس بالبنية الأساسية للألياف.

ورغم أن تكلفة المعدات لتنفيذ هذه التقنية قد تكون مرتفعة نسبيا، إلا أنها توفر حلا اقتصاديا جدا على المدى الطويل، نظرا لما تقدمه من زيادة هائلة فى سعة البيانات باستخدام نفس البنية التحتية. ولهذا ينظر خبراء الاتصالات إلى هذه التقنية على أنها أحد أعمدة شبكات الاتصالات الحديثة، ودعامة رئيسية فى مواكبة تزايد الطلب العالمى على استهلاك البيانات.

الألياف منخفضة الفقد

تمثل تقنية الألياف الضوئية منخفضة الفقد (Low-Loss Fiber) طفرة تقنية فى مجال نقل البيانات عبر الضوء، إذ تم تصميمها لتقليل فقدان الإشارة الضوئية أثناء انتقالها داخل كابل الألياف. فى أنظمة الألياف التقليدية، تفقد الإشارة جزءا من طاقتها مع كل كيلومتر تقطعه، ما يستدعى وضع مقويات أو معززات للإشارة على مسافات منتظمة، خاصة فى الشبكات طويلة المدى. أما فى الألياف منخفضة الفقد، فإن هذا التراجع فى قوة الإشارة يصبح ضئيلا جدا، ما يمكن من نقل البيانات لمسافات أطول دون الحاجة إلى تعزيزات متكررة.

تعود هذه الميزة إلى تحسينات فى جودة المواد المستخدمة داخل الألياف، مثل استخدام زجاج نقى للغاية، وتقنيات التصنيع المتقدمة التى تقلل من التشتت والانكسار الداخلي. وتصل نسبة الفقد فى بعض أنواع الألياف منخفضة الفقد إلى أقل من 0.16 ديسيبل لكل كيلومتر، وهو رقم مذهل مقارنة بالأجيال السابقة من الألياف.

تستخدم هذه التقنية بشكل أساسى فى البنية التحتية لشبكات الاتصالات بعيدة المدى، مثل الكابلات البحرية التى تربط بين القارات، وشبكات العمود الفقرى (Backbone) لمزودى الإنترنت، والربط بين مراكز البيانات الكبرى. كما تلعب دورا مهما فى تقليل التكاليف التشغيلية على المدى الطويل، لأنها تقلل الحاجة إلى المعدات المعقدة لتقوية الإشارة.

من خلال الألياف منخفضة الفقد، يمكن تحسين كفاءة نقل البيانات، وزيادة سرعة الاستجابة، وتوسيع نطاق التغطية دون الحاجة إلى تدخلات تقنية مستمرة، ما يجعلها خيارا مثاليا فى عالم يعتمد بشكل متزايد على تدفق البيانات عالى الكثافة وعلى مدار الساعة.

الألياف المجوفة

تمثل تقنية الألياف الضوئية المجوفة (Hollow-Core Fiber) نقلة نوعية فى عالم الاتصالات الضوئية، فهى تختلف جوهريا عن الألياف التقليدية المصمتة التى تنقل الضوء عبر قلب زجاجى صلب. فى الألياف المجوفة، ينتقل الضوء عبر نواة فارغة من الهواء أو الغاز، محاطة بهيكل متناهى الدقة من الزجاج أو المواد العازلة المصممة هندسيا لتوجيه الضوء بكفاءة عالية.

الميزة الجوهرية لهذه التقنية تكمن فى أن الضوء ينتقل أسرع فى الهواء منه فى الزجاج، مما يسمح بسرعات نقل أعلى تصل إلى 1.5 مرة أسرع من الألياف التقليدية، ويؤدى هذا إلى تقليل كبير فى زمن الاستجابة. مما يجعل الألياف المجوفة مثالية للتطبيقات التى تتطلب تفاعلا آنيا وسرعة فائقة فى المعالجة، مثل الذكاء الاصطناعي، الحوسبة السحابية، والتداول المالى عالى السرعة.

كما تقلل الألياف المجوفة من التداخل الضوئى والتشتت داخل الكابل، مما يحسن جودة الإشارة ويقلل من فقدان البيانات، خاصة فى المسافات الطويلة. بالإضافة إلى أنها أكثر مقاومة لبعض التأثيرات البيئية، مثل الحرارة أو الإشعاع، ما يجعلها خيارا مناسبا أيضا للتطبيقات الصناعية والعسكرية.

ورغم أن هذه التقنية لا تزال فى مرحلة التطوير التجارى الواسع، إلا أن التجارب الميدانية أثبتت فعاليتها، ويتوقع أن تلعب دورا محوريا فى الجيل التالى من شبكات الاتصالات، خاصة فى مراكز البيانات العملاقة وشبكات الجيل السادس.

التحول الرقمى يقود الطلب

مع تنامى الاعتماد على خدمات الإنترنت فائقة السرعة، من البث المتدفق (Streaming) إلى الألعاب السحابية والاجتماعات الافتراضية، شهدت الألياف الضوئية انتعاشا غير مسبوق. فالشبكات التى كانت تستخدم سابقا فقط فى توصيل مراكز البيانات أو شبكات الاتصالات الدولية أصبحت اليوم تمتد إلى المنازل، فيما يعرف بتقنية «الألياف إلى المنزل (FTTH). وتشير تقديرات شركة «Statista» للأبحاث إلى أن عدد مشتركى FTTH عالميا تجاوز 700 مليون مشترك فى عام 2024، مقارنة بـ 180 مليون فقط فى 2015.

تمكين الجيل الخامس

ولا تعد الألياف الضوئية مجرد وسيلة اتصال، بل أصبحت عامل تمكين رئيسيا لتقنيات مثل شبكات الجيل الخامس، والحوسبة السحابية، وإنترنت الأشياء، بل وحتى للذكاء الاصطناعي. فالسرعات الفائقة التى توفرها والتى يمكن أن تصل إلى تيرابت فى الثانية، تعد شرطا أساسيا لتحقيق استجابة فورية فى التطبيقات الحساسة كالقيادة الذاتية أو الجراحة عن بعد. وتكمن أهميتها فى قدرتها على تقليل زمن الاستجابة إلى أجزاء من الألف من الثانية، وهو ما لا تستطيع التقنيات اللاسلكية وحدها تحقيقه دون دعم من بنية تحتية من الألياف.

منافسة جيوسياسية

أدركت الدول الكبرى مبكرا أن السيطرة على شبكات الألياف الضوئية تعنى التحكم فى تدفقات البيانات العالمية، وهو ما دفع العالم إلى سباق محموم للاستثمار فى هذه التقنية. فالصين، على سبيل المثال، قامت بمد أكثر من 50 مليون كيلومتر من كابلات الألياف الضوئية فى عام واحد فقط، لتصبح أكبر سوق للألياف الضوئية عالميا. أما الولايات المتحدة وأوروبا، فتركزان على مد الشبكات إلى المناطق الريفية وتطوير شبكات الجيل القادم المدعومة بالألياف. وفى الشرق الأوسط، تقود دول مثل مصر، الإمارات والسعودية مشروعات طموحة لربط المدن ببنية تحتية ذكية تعتمد كليا على الألياف الضوئية.

مصر بوابة إقليمية

وفى قلب المنطقة العربية، تبرز مصر كمركز إقليمى ناشئ فى مجال تصنيع وتصدير كابلات الألياف الضوئية، بعد تدشين مصانع متقدمة فى المنطقة الاقتصادية لقناة السويس. وتعد هذه الخطوة جزءا من استراتيجية أوسع تهدف إلى جعل البلاد مركزا لصناعات الاتصالات فى إفريقيا والشرق الأوسط، مستفيدة من موقعها الجغرافى الفريد ومرور أكثر من 90 % من كابلات الإنترنت العالمية عبر أراضيها.

تحديات التكلفة

رغم الفوائد الواضحة، لا يزال أمام الألياف الضوئية عقبات يجب تجاوزها، أبرزها الكلفة العالية لمد الشبكات، خاصة فى المناطق الجغرافية الوعرة أو ذات الكثافة السكانية المنخفضة. كما أن هناك تحديات تتعلق بتحديث البنية التحتية القائمة، والتكامل مع شبكات الاتصالات القديمة، إضافة إلى الحاجة لتدريب كوادر فنية متخصصة فى تركيب وصيانة هذه الشبكات.

نظرة مستقبلية

تشير الاتجاهات الراهنة إلى أن الألياف الضوئية ستظل مكونا أساسيا فى معادلة الاتصال المستقبلي، خاصة مع تطور تقنيات مثل «الألياف النشطة» و»الليدار البصري» الذى يعتمد على ضوء الليزر، التى توسع من قدراتها لتشمل نقل الطاقة والمراقبة الأمنية. كما أن الأبحاث الحالية فى استخدام الألياف الضوئية فى الحوسبة الكمومية تفتح آفاقا جديدة قد تجعل منها أكثر من مجرد وسيلة نقل بيانات، بل أداة معالجة ذات قدرات خارقة.

لذا، تقف الألياف الضوئية اليوم فى مفترق طرق حاسم بين كونها تقنية نقل معلومات وبين كونها دعامة أساسية لعالم ذكى ومترابط، فهى ليست فقط أسرع وسيلة اتصال، بل أكثرها استراتيجية.

فرص اقتصادية

فى ظل التحول الرقمى العالمي، أصبحت الألياف الضوئية لا تمثل فقط ضرورة تكنولوجية، بل فرصة اقتصادية ضخمة للدول والمستثمرين على حد سواء. فمع تنامى الطلب على البنية التحتية للاتصالات، ظهرت فجوة تمويلية ضخمة تقدر بمئات المليارات من الدولارات، ما فتح الباب أمام شركات الاتصالات، وشركات الاستثمار فى البنية التحتية، وصناديق الثروة السيادية للدخول بقوة إلى هذا السوق الواعد.

تقدر مؤسسة «McKinsey» أن استثمارات البنية التحتية الرقمية، التى تشكل الألياف الضوئية عمودها الفقري، ستتجاوز 1.1 تريليون دولار بحلول عام 2030، فى إطار سعى الحكومات إلى توفير اتصال شامل وآمن وعالى السرعة. وتشهد الأسواق الناشئة خصوصا فى إفريقيا والشرق الأوسط وجنوب شرق آسيا، زخما استثماريا متصاعدا لتوسيع التغطية وتعويض الفجوة الرقمية بين المناطق الحضرية والريفية.

شركات ناشئة

إلى جانب الشركات الكبرى، فتحت الثورة فى الألياف الضوئية المجال أمام الشركات الناشئة لتطوير حلول مبتكرة فى مجالات مثل تركيب الكابلات بطريقة آلية، وأدوات اختبار الشبكات، وتحسين تقنيات التشفير والحماية. كما تنمو الصناعات المغذية المرتبطة، كصناعة الموصلات، والأنابيب البلاستيكية الخاصة بالألياف، ومعدات اللحام البصري، مما يخلق منظومة صناعية متكاملة ذات قيمة مضافة عالية.

فرص التوطين

وبالنظر إلى حاجة الدول لبنية تحتية سيادية وآمنة، تبرز فرص توطين صناعة الألياف الضوئية من خلال شراكات بين القطاعين العام والخاص، وتعاونات مع الشركات العالمية لنقل التكنولوجيا وبناء القدرات المحلية. كما تدفع الحاجة إلى تطوير شبكات الجيل الخامس والأنظمة الذكية إلى تسريع عمليات الاستثمار، وخلق فرص واعدة للمهندسين، والفنيين، وشركات البرمجيات المرتبطة بهذه المنظومة.