أساسيات أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية Optical Transmitters and Receivers 

في الوقت الحاضر، ازداد النمو في تكنولوجيا المعلومات باستخدام أنظمة الاتصالات الحالية، حيث في الغالب تلعب اتصالات الألياف الضوئية “OFC” دوراً أساسياً في تطوير نظام الاتصالات بسرعة عالية بالإضافة إلى الجودة، حيث في الوقت الحاضر تشتمل تطبيقات الألياف الضوئية بشكل أساسي على أنظمة الاتصالات وأيضاً في الإنترنت والشبكات المحلية “LAN“، لتحقيق معدلات إشارة عالية.

ما هي الألياف الضوئية؟

الألياف الضوئية “Optical Fiber”: هي وسيط الإرسال داخل أنظمة “OFC”، والألياف الضوئية هي الشعيرة الشفافة والمطاطة التي تنقل الضوء من طرف جهاز الإرسال إلى طرف المستقبل، حيث عندما تدخل الإشارة الضوئية في نهاية الليف المرسل، ينتقل نظام الاتصال البصري إلى نهاية المستقبل باستخدام الألياف الضوئية.

• “OFC” هي اختصار لـ “Optical Fiber Communication”.

• “LAN” هي اختصار لـ “Local Area Network”.

ما هي أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية Optical Transmitters and Receivers؟

يشتمل نظام اتصالات الألياف الضوئية بشكل أساسي على جهاز إرسال وجهاز استقبال، حيث يوجد جهاز الإرسال على أحد طرفي كابل الألياف، ويوجد جهاز استقبال على الجانب الآخر من الكابل، كما تستخدم معظم الأنظمة جهاز إرسال واستقبال، ممّا يعني وحدة تتضمن جهاز إرسال واستقبال، ومدخل المرسل هو إشارة كهربائية ويتحول إلى إشارة ضوئية من “LED” أو صمام ثنائي ليزر.

تتضمن وحدة اتصالات الألياف الضوئية بشكل أولي من وحدة إرسال مثل “PS-FO-DT” بالإضافة إلى وحدة استقبال مثل “PS-FO-DR”، كما يمكن إجراء اتصالات نقل واستقبال البيانات الرقمية بالألياف الضوئية باستعمال كابل الألياف البلاستيكية.

يتم توصيل إشارة الضوء من طرف المرسل بكابل الألياف باستعمال موصل ويتم بثها عبر الكابل، كما يمكن توصيل إشارة الضوء من طرف الألياف بجهاز استقبال، حيث أينما يتغير الكاشف من الضوء إلى إشارة كهربائية، فسيتم تكييفه بشكل مناسب لاستخدامه بواسطة جهاز الاستقبال.

مصدر الألياف الضوئية المستخدم في جهاز الإرسال هو “LED“، وإلّا فإنّ مصدر الليزر والإلكترونيات لتكييف الإشارة تستخدم بشكل أساسي لإضافة إشارة إلى الألياف، كما يجمع جهاز الاستقبال في الألياف الضوئية إشارة الضوء من “FOC”، ويفك تشفير المعلومات الثنائية وينقلها إلى إشارة كهربائية.

يمكن إرسال البيانات من مصدر “LED” إلى جهاز إرسال عبر إشارة كهربائية، وبعد ذلك يحمل المعلومات الثنائية ويرسلها في اتجاه إشارة ضوئية، كما يمكن إرسال إشارة الضوء من خلال “FOC” حتى تصبح عند جهاز الاستقبال، وبعد ذلك يتلقى المستلم إشارة ضوئية؛ لفك تشفيرها مرة أخرى إلى إشارة كهربائية للإتاحة للمشغل بدراسة المعلومات الثنائية، كما يُعد جهاز الإرسال والاستقبال “FOC” نوعاً واحداً من الأجهزة التي توحد وظائف جهاز الإرسال والاستقبال.

المرسل في الاتصالات الضوئية:

في نظام “FOC”، يتم استعمال مصدر الضوء مثل “LED” أو الصمام الثنائي بالليزر كجهاز إرسال، كما تُعد الوظيفة الرئيسية لمصدر الضوء، مثل “LED” أو “Laser” بأنّها وظيفة تغيير الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية، أمّا مصادر الضوء هذه عبارة عن أجهزة صغيرة شبه موصلة تعمل بكفاءة على تحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة ضوئية.

كما تحتاج مصادر الضوء هذه توصيلات تزويد بالطاقة ودائرة التعديل، حيث يتم توصيل كل هذه بشكل عام داخل حزمة “IC” واحدة، ومن الأمثلة على مؤشر “LED” لجهاز الإرسال هو “HFBR 1251″، كما يحتاج هذا الشكل من مصابيح “LED” دائرة تفعيل خارجية، وهنا يمكن استعمال “IC 75451” للتحكم في منشأ الضوء.

• “IC” هي اختصار لـ “Integrated Circuit”.

أولاً: مواصفات جهاز الإرسال في الاتصالات الضوئية:

• نوع “LED” متصل بالتيار المستمر.

• موصلات الواجهة هي مقبس “2 مم”.

• الطول الموجي للمصدر هو “660 نانومتر”.

• تيار العرض بحد أقصى “100 مللي أمبير”.

• المنفذ التسلسلي هو “Max232 IC Driver”.

• نوع إشارة الإدخال عبارة عن بيانات رقمية.

• مشغل “LED” موجود على متن “IC Driver”.

• واجهة “LED” عبارة عن غطاء ذاتي القفل.

• أعلى جهد الإدخال هو “+ 5 فولت”.

• سرعة معدل البيانات “1 ميجابت في الثانية”.

• جهد العرض “+ 15 فولت” تيار مستمر.

ثانياً: مصادر جهاز إرسال الألياف الضوئية:

يستخدم مرسل الألياف الضوئية مصادر تعتمد على عدة معايير، مثل الثنائيات وليزر “DFB” وليزر FP” VCSEL”، كما تتمثل الوظيفة الرئيسية لهذه المصادر في التغيير من إشارة كهربائية إلى إشارة ضوئية حيث كل هذه أجهزة أشباه الموصلات.

يتم تصميم مصابيح “LED” و”VCSELs” على رقائق أشباه الموصلات لإنتاج ضوء من خارج الشريحة، بينما ينبعث ليزر “f-p” من سطح الرقاقة، كما في تجويف الليزر المتكون داخل مركز الشريحة.

تنفرد نواتج مصابيح “LED” بمخرجات طاقة منخفضة مقارنة بأشعة الليزر، وعرض النطاق الترددي لمصابيح “LED” أقل مقارنة بأشعة الليزر، ونظراً لطرق تصنيع مصابيح “LED” و”VCSELs” فهي غير مكلفة في البناء لكن الليزر غالي الثمن بسبب تجويف الليزر داخل الجهاز.

• “VCSELs” هي اختصار لـ “vertical cavity surface emitting laser”.

• “DFB” هي اختصار لـ “distributed feedback laser”.

• “FB” هي اختصار لـ “Fabry-Perot Laser”.

ثالثاً: مواصفات مصادر الألياف البصرية المختلفة:

مصادر الألياف الضوئية المتنوعة هي “LED” و”Fabry-Perot Laser” و”DFB Laser” و”VCSEL”.

1- مصباح “LED”:

• الطول الموجي هو “850 نانومتر” و”1300 نانومتر”.

• الطاقة في الألياف بالديسيبل هي “-30 ديسيبل” إلى “-10 ديسيبل”.

• عرض النطاق الترددي أقل من “250 ميجاهرتز”.

• نوع الألياف “MM”.

2- ليزر “Fabry-Perot Laser”:

• الطول الموجي نانومتر هو “850 نانومتر” و”1310 نانومتر” ومن “1280 نانومتر” إلى “1330 نانومتر” و”1550 نانومتر” ومن “1480 نانومتر”  إلى “1650 نانومتر”.

• تتراوح الطاقة في الألياف بالديسيبل من “0 ديسيبل” إلى “+10 ديسيبل”.

• عرض النطاق الترددي أكبر من “10 جيجاهرتز”.

• أنواع الألياف هي “MM” و”SM”.

3- ليزر “DFB”:

• الطول الموجي هو “1550 نانومتر ” من “1480 نانومتر” إلى “1650 نانومتر”.

• تتراوح الطاقة في الألياف بالديسيبل من “0 ديسيبل” إلى “+25 ديسيبل”.

• عرض النطاق الترددي أكبر من “10 جيجاهرتز”.

• نوع الألياف هو “SM”.

4- بالنسبة لـ “VCSEL”:

• الطول الموجي هو “850 نانومتر”.

• الطاقة في الألياف بالديسيبل هي “-10 ديسيبل” إلى “0 ديسيبل”.

• عرض النطاق الترددي أكبر من “10 جيجاهرتز”.

• نوع الألياف “MM”.

المستقبل في الاتصالات الضوئية:

في نظام “FOC”، يمكن استعمال جهاز الكشف الضوئي كمستلم، كما تُعد الوظيفة الرئيسية للمستقبل هي تغيير إشارة البيانات الضوئية إلى إشارة كهربائية، وهذا هو الثنائي الضوئي “Photodiode” لأشباه الموصلات في جهاز الكشف الضوئي في نظام “FOC” الحالي.

كما أنّ “المستقبل في الاتصالات الضوئية” هو جهاز صغير يتم تصنيعه بشكل عام بالاشتراك مع الدوائر الكهربائية لتشكيل حزمة “IC” لتقديم اتصالات، مثل مزود الطاقة وتضخيم الإشارة، وأفضل مثال على جهاز الكشف الضوئي للمستقبل هو “HFBR 2521″، كما يشتمل هذا النوع من الثنائي الضوئي على دائرة تشغيل، لذا لا يتطلب دائرة تشغيل خارجية.

مواصفات جهاز الاستقبال في الاتصالات الضوئية:

• نوع الثنائي الضوئي هو “DC” مقترن.

• موصل الواجهة هو مقبس “2 مم”.

•  يتراوح الطول الموجي للدايود من “660 نانومتر” إلى “850 نانومتر”.

• الحد الأقصى لتيار العرض الحالي هو “50 ملي أمبير”.

• سرعة نقل البيانات “5 ميجابت في الثانية”.

• مؤشر الكسوة المصنوعة من الألياف “1.402”.

• واجهة الثنائي الضوئي هي غطاء القفل الذاتي.

• الكابل البصري عبارة عن ألياف بلاستيكية متعددة الأنماط.

• ناقل الاستقبال هو سائق الصمام الثنائي الداخلي.

• المنفذ التسلسلي هو “Max232 IC Driver”.

ملاحظة: “DC” هي اختصار لـ “Direct current”.