الاتصالات البصرية

التلغراف الإشاري، ويُسمى أيضاً خط الإشارة، أو التلغراف البصري، أو سلسلة التلغراف ذات المصراع، أو تلغراف شاب ، أو الإشارة النابليونية، هو نظام يُستخدم لنقل المعلومات عبر إشارات بصرية، باستخدام أبراج ذات أذرع أو مصاريع دوارة، تُعرف أيضاً بالشفرات أو المجاديف. تُشفّر المعلومات من خلال موضع العناصر الميكانيكية؛ وتُقرأ عندما يكون المصراع في وضع ثابت. ^{[ 2 ] [ 6 ]}

كانت خطوط الإشارات الضوئية بمثابة مقدمة للتلغراف الكهربائي . كانت أسرع بكثير من ساعي البريد في نقل الرسائل لمسافات طويلة، لكنها كانت أغلى بكثير وأقل خصوصية من خطوط التلغراف الكهربائي التي حلت محلها لاحقًا. تُحدَّد أقصى مسافة يمكن أن تغطيها محطتان من محطات التلغراف الضوئية بالجغرافيا والطقس وتوفر الضوء؛ لذا، في الاستخدام العملي، استخدمت معظم أجهزة التلغراف الضوئية خطوطًا من محطات الترحيل لتغطية المسافات الأطول. كما تتطلب كل محطة ترحيل فريقًا من المشغلين والمراقبين المهرة لنقل الرسائل ذهابًا وإيابًا عبر الخط.

كان العالم البريطاني الموسوعي روبرت هوك أول من تنبأ بالتصميم الحديث للإشارات الضوئية ، حيث قدم عرضًا وافيًا وشاملًا للتلغراف المرئي في بحثٍ قُدِّم عام 1684 إلى الجمعية الملكية . لم يُطبَّق اقتراحه (الذي كان مدفوعًا بمخاوف عسكرية أعقبت معركة فيينا في العام السابق) خلال حياته. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

وصل أول خط إشارات ضوئية تشغيلي في عام 1792، أنشأه المهندس الفرنسي كلود شاب وإخوته، الذين نجحوا في تغطية فرنسا بشبكة من 556 محطة تمتد لمسافة إجمالية قدرها 4800 كيلومتر (3000 ميل) . وقد استُخدمت هذه الشبكة للاتصالات العسكرية والوطنية حتى خمسينيات القرن التاسع عشر. 

اعتمدت العديد من الخدمات الوطنية أنظمة إشارات مختلفة عن نظام شاب. فعلى سبيل المثال، اعتمدت بريطانيا والسويد أنظمة لوحات مزودة بمصاريع (مخالفةً بذلك رأي الأخوين شاب بأن القضبان المائلة أكثر وضوحًا). وفي إسبانيا ، طوّر المهندس أغوستين دي بيتانكور نظامه الخاص الذي اعتمدته الدولة. وقد اعتبر العديد من الخبراء في أوروبا، حتى في فرنسا، هذا النظام أفضل من نظام شاب.

كانت هذه الأنظمة شائعة في أواخر القرن الثامن عشر إلى أوائل القرن التاسع عشر، لكنها لم تستطع منافسة التلغراف الكهربائي، وخرجت من الخدمة تمامًا بحلول عام 1880. ^{[ 1 ]}

تُعدّ إشارات السيمفور نظامًا لنقل المعلومات عن بُعد عبر إشارات بصرية باستخدام أعلام محمولة باليد، أو قضبان، أو أقراص، أو مجاديف، أو أحيانًا بأيدٍ عارية أو مُغطاة بقفازات. تُشفّر المعلومات من خلال موضع الأعلام أو الأشياء أو الأذرع؛ وتُقرأ عندما تكون في وضع ثابت.

تم اعتماد إشارات السيمفور واستخدامها على نطاق واسع (مع استبدال الأذرع الميكانيكية لإشارات السيمفور ذات المصراع بالأعلام المحمولة باليد ) في العالم البحري في القرن التاسع عشر. ولا تزال تُستخدم أثناء عمليات التزود بالوقود في عرض البحر ، وهي مقبولة للاتصال في حالات الطوارئ في وضح النهار، أو في الليل باستخدام عصي مضيئة بدلاً من الأعلام.

يستخدم نظام الإشارات الضوئية الحديث عمودين قصيرين يحملان أعلامًا مربعة، يمسكها مُرسِل الإشارات في أوضاع مختلفة لنقل حروف الأبجدية والأرقام. يمسك المُرسِل عمودًا في كل يد، ويُمدّ كل ذراع في أحد الاتجاهات الثمانية الممكنة. لا يمكن للأعلام أن تتداخل إلا في وضع الراحة. تختلف ألوان الأعلام باختلاف ما إذا كانت الإشارات تُرسَل من البحر أو من البر. في البحر، تكون الأعلام حمراء وصفراء ( أعلام أوسكار )، بينما على البر، تكون بيضاء وزرقاء ( أعلام بابا ). الأعلام ليست إلزامية، إنما تُسهّل فقط رؤية الأحرف.

مصابيح الإشارة (مثل مصابيح ألدس) هي أجهزة إشارة مرئية للاتصالات الضوئية (عادةً باستخدام شفرة مورس). مصابيح الإشارة الحديثة عبارة عن مصباح مركز يُصدر نبضة ضوئية. في الإصدارات الكبيرة، تُصدر هذه النبضة عن طريق فتح وإغلاق مصاريع مثبتة أمام المصباح، إما يدويًا بواسطة مفتاح ضغط أو تلقائيًا في الإصدارات الأحدث.

في المصابيح اليدوية، تُمال مرآة مقعرة بواسطة زر لتركيز الضوء على شكل نبضات. عادةً ما تكون هذه المصابيح مزودة بنوع من أنواع الرؤية البصرية، وتُستخدم بكثرة على السفن الحربية، كما تُستخدم في أبراج مراقبة المطارات مع إشارات ضوئية مشفرة خاصة بالطيران .

تُستخدم إشارات الضوء في الطيران في حالات تعطل أجهزة الراديو ، أو عدم تجهيز الطائرة بجهاز راديو، أو في حالة وجود طيار يعاني من ضعف السمع. لطالما استخدم مراقبو الحركة الجوية مسدسات الإشارة الضوئية لتوجيه هذه الطائرات. يحتوي مصباح مسدس الإشارة على شعاع ضوئي مركز ساطع قادر على إصدار ثلاثة ألوان مختلفة: الأحمر والأبيض والأخضر. قد تكون هذه الألوان وامضة أو ثابتة، وتُقدّم تعليمات مختلفة للطائرات أثناء الطيران أو على الأرض (على سبيل المثال، "مسموح بالهبوط" أو "مسموح بالإقلاع"). يمكن للطيارين تأكيد التعليمات عن طريق تحريك أجنحة طائراتهم، أو تحريك الجنيحات إذا كانوا على الأرض، أو عن طريق تشغيل أضواء الهبوط أو الملاحة ليلاً. يتم توجيه 12 تعليمات قياسية بسيطة فقط للطائرات باستخدام مسدسات الإشارة الضوئية، حيث لا يُستخدم نظام شفرة مورس.

الهيليوغراف ( باليونانية : Ἥλιος helios ، وتعني "الشمس"، و γραφειν graphein ، وتعني "الكتابة") هو جهاز تلغراف شمسي لاسلكي يُرسل إشاراته عبر ومضات من ضوء الشمس (عادةً باستخدام شفرة مورس) تنعكس بواسطة مرآة . وتُنتج هذه الومضات إما بتدوير المرآة لحظيًا، أو بقطع الشعاع بواسطة مصراع.

كان الهيليوغراف أداة بسيطة لكنها فعالة للاتصال البصري الفوري عبر مسافات طويلة خلال أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين. وكانت استخداماته الرئيسية في الأعمال العسكرية، والمسوحات، وحماية الغابات. وكان جهازاً قياسياً في الجيشين البريطاني والأسترالي حتى ستينيات القرن العشرين، واستخدمه الجيش الباكستاني حتى عام 1975. ^{[ 5 ]}

تُعدّ الألياف الضوئية أكثر أنواع قنوات الاتصالات الضوئية شيوعًا. وتتكون أجهزة الإرسال في وصلات الألياف الضوئية عادةً من ثنائيات باعثة للضوء (LEDs) أو ثنائيات ليزر . ويُستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء بشكلٍ أكثر شيوعًا من الضوء المرئي ، لأن الألياف الضوئية تنقل أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء بتوهين وتشتت أقل . وتكون عملية ترميز الإشارة عادةً عبارة عن تعديل بسيط للشدة ، على الرغم من أنه تم إثبات تعديل الطور والتردد الضوئيين في المختبرات. وقد تم الاستغناء إلى حد كبير عن الحاجة إلى تجديد الإشارة الدوري مع ظهور مُضخّم الألياف المُطعّم بالإربيوم ، الذي وسّع مسافات الوصلات بتكلفة أقل بكثير. وكان طرح تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف (WDM) تجاريًا في عام 1996 من قِبل شركة سيينا بمثابة البداية الحقيقية للشبكات الضوئية. ^{[ 9 ] [ 10 ]} وتُعدّ تقنية WDM الآن الأساس المشترك لجميع أنظمة الاتصالات الضوئية عالية السعة تقريبًا في العالم. ^{[ 11 ]}

تم تصميم وتسليم أول أنظمة الاتصالات الضوئية إلى الجيش الأمريكي وشركة شيفرون بواسطة شركة أوبتليكوم، ^{[ 12 ]} وهي الشركة التي شارك في تأسيسها جوردون جولد، مخترع المضخم الضوئي ^{[ 13 ]} والليزر. ^{[ 14 ]}

الفوتوفون (الذي كان يُعرف سابقًا باسم الراديوفون ) هو جهاز اتصال يسمح بنقل الكلام عبر شعاع ضوئي . اخترعه ألكسندر غراهام بيل ومساعده تشارلز سومنر تاينتر في 19 فبراير 1880، في مختبر بيل الكائن في شارع "إل" رقم 1325 في واشنطن العاصمة ^{[ 15 ] [ 16 ].} أصبح كلاهما لاحقًا عضوين كاملين في جمعية مختبر فولتا ، التي أنشأها وموّلها بيل.

في 21 يونيو 1880، أرسل مساعد بيل رسالة صوتية لاسلكية لمسافة كبيرة، من سطح مدرسة فرانكلين إلى نافذة مختبر بيل،  على بعد حوالي 213 مترًا (حوالي 700 قدم). ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

كان بيل يعتقد أن الفوتوفون هو أهم اختراعاته . من بين 18 براءة اختراع مُنحت باسمه وحده، و12 براءة اختراع شاركها مع معاونيه، كانت أربع منها للفوتوفون، الذي وصفه بيل بأنه "أعظم إنجازاته"، مصرحًا لمراسل صحفي قبيل وفاته أن الفوتوفون "أعظم اختراع قمت به على الإطلاق، أعظم من الهاتف". ^{[ 21 ]}

كان جهاز الفوتوفون بمثابة مقدمة لأنظمة الاتصالات بالألياف الضوئية التي حققت استخدامًا شائعًا في جميع أنحاء العالم بدءًا من ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} تم إصدار براءة الاختراع الرئيسية للفوتوفون ( براءة الاختراع الأمريكية رقم 235199، جهاز للإشارة والاتصال، يسمى الفوتوفون ) في ديسمبر 1880، ^{[ 19 ]} قبل عقود عديدة من أن تصبح مبادئه ذات تطبيقات عملية.

تُستخدم أنظمة الاتصالات الضوئية في الفضاء الحر (FSO) في اتصالات " الميل الأخير " ، ويمكنها العمل على مسافات تصل إلى عدة كيلومترات طالما كان هناك خط رؤية واضح بين المصدر والوجهة، وكان جهاز الاستقبال الضوئي قادرًا على فك تشفير المعلومات المرسلة بدقة. ^{[ 25 ]} كما توفر أنظمة أخرى في الفضاء الحر روابط عالية السرعة وطويلة المدى باستخدام أنظمة فرعية صغيرة الحجم وخفيفة الوزن ومنخفضة استهلاك الطاقة، مما يجعلها مناسبة للاتصالات في الفضاء. ^{[ 26 ]} وتستفيد العديد من مجموعات الأقمار الصناعية المخطط لها ، والتي تهدف إلى توفير تغطية عالمية واسعة النطاق، من هذه المزايا، وتستخدم الاتصالات الليزرية لإنشاء روابط بين الأقمار الصناعية، والتي يتراوح عددها بين مئات وآلاف الأقمار، مما يُنشئ فعليًا شبكة ضوئية فضائية مترابطة .

وبشكل عام، يُعرف نقل الإشارات الضوئية غير الموجهة باسم الاتصالات اللاسلكية الضوئية (OWC). ومن الأمثلة على ذلك الاتصالات الضوئية المرئية متوسطة المدى والاتصالات الضوئية بالأشعة تحت الحمراء قصيرة المدى ، باستخدام مصابيح LED تعمل بالأشعة تحت الحمراء.