الهندسةهندسة الاتصالات

أساسيات التحويل البصري Optical Switching basics

اقرأ في هذا المقال
  • ما هو التحويل البصري Optical Switching؟
  • أنواع المحولات الضوئية
  • ما هي أساسيات التحويل البصري؟
  • تطبيقات التحويل البصري
  • أسباب ظهور مشكلات في التحويل البصري
  • آلية عمل التحويل البصري
  • تقنية التحويل البصري

على مدى العقد الماضي أدى تدفق تطبيقات النطاق الترددي العالي إلى تحول نموذجي من الاتصالات الموجهة نحو الاتصال، وإلى حركة مرور البيانات المرتكزة على بروتوكول الإنترنت ذات النطاق الترددي العالي، وأبرز هذا التحول الحاجة إلى شبكات شفافة غير حساسة لمعدل البت والبروتوكول والتنسيق ومع استمرار تطور الشبكات الحديثة من حيث الحجم والتعقيد ظهرت تقنيات جديدة لتسهيل وظائف الشبكات الأساسية، من التوجيه والتبديل وتعدد الإرسال.

 

ما هو التحويل البصري Optical Switching؟

 

التحويل البصري “Optical Switching”: هو العملية التي يمكن من خلالها التحكم في وجهة إشارة المعلومات الضوئية الفردية، باستخدامها يمكن نقل معدل نقل البيانات العالي بين الخطوط البصرية المختلفة، ويُعرف المكون الرئيسي الذي يساعد في التبديل البصري باسم “التبديل البصري”.

 

التحويل البصري هو مفتاح يمكّن الإشارات في الألياف الضوئية أو الدوائر الضوئية المتكاملة “IOCs” من التبديل بشكل انتقائي من دائرة إلى أخرى في الاتصالات، وبالنسبة للمجالات البعيدة عن الاتصالات يُعد المحول البصري هو الوحدة التي تعمل في الأساس بتعديل الضوء بين الألياف، والمحول الضوئي هو الذي يعمل بذلك من خلال استخدام معلمات المواد غير الخطية “non-linear” لتوجيه الضوء أي لتغيير الأطوال الموجية أو الإشارات داخل ألياف محددة.

 

يمكن أن يكون التحكم في التحويل أياً ممّا يلي:

 

  • إلكترونية بحتة.

 

  • بصري بحت.

 

  • هجين من كلا النظامين البصري والالكتروني.

 

ملاحظة: “IOCs” هي اختصار لـ “Integrated Optical Circuits”.

 

أنواع المحولات الضوئية:

 

  • تبديل تقسيم الفضاء.

 

  • تحويل تقسيم الطول الموجي.

 

  • تبديل تقسيم الوقت.

 

  • هجين من الفضاء والطول الموجي والوقت.

 

ما هي أساسيات التحويل البصري؟

 

المفتاح الضوئي: هو العنصر الرئيسي في شبكة الاتصالات الضوئية، وكمفتاح لتحقيق كل الشبكات الضوئية فهي تتمتع بقدرة ضخ منخفضة، وكفاءة تبديل عالية وخصائص وقت استجابة سريع وقد تم إيلاء الكثير من الاهتمام في السنوات الأخيرة.

 

من أواخر الثمانينيات وحتى الوقت الحاضر أجرت العديد من المجموعات البحثية بحثاً متعمقاً لجميع أنواع المحولات الضوئية بالكامل، كما يُعد التبديل الضوئي بالكامل تقنية مهمة للغاية ويمكن تطبيقه في مجال الاتصالات الضوئية وأجهزة الكمبيوتر الضوئية ومعالجة المعلومات الضوئية والبيانات الضوئية، كما أنّ التحويل البصري كمكونات رئيسية لجيل جديد من الشبكة الضوئية بالكامل.

 

يستخدم بشكل أساسي لتحقيق توجيه مستوى الضوء واختيار الطول الموجي وتعدد الإرسال البصري الإضافي والتوصيل البصري المتقاطع وحماية الشفاء الذاتي، لذلك فإنّ التحويل البصري لسرعة الاستجابة والتداخل وأداء فقدان الإدراج سيؤثر بشكل مباشر على جودة الاتصال البصري، كما يقوم تنفيذ الشبكات الضوئية على مفاتيح الإضاءة والمرشح البصري ومكبر الصوت من الجيل الجديد وأجهزة تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف والتقدم التكنولوجي.

 

بالإضافة إلى ذلك يجب أن تتناسب تطبيقات المحولات الضوئية في جميع الشبكات الضوئية بسرعة استجابة سريعة وفقدان إدخال منخفض، وتداخل منخفض للقنوات وعدم حساسية للاستقطاب، كما يجب أن يكون لها تكامل وقابلية للتوسع ومنخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة واستقرار حراري جيد وخصائص أخرى.

 

تطبيقات التحويل البصري:

 

  • تعتمد سرعة حساب الكمبيوتر على السرعة المتزايدة لعناصر التبديل وتقليل حجم الرقاقة، وهو الأمر الذي واجه الصعوبة في هذا الصدد، كما تطوير الكمبيوتر البصري هو مخرج ممكن وقد تكون أجهزة الكمبيوتر الضوئية عبارة عن رقاقة تبديل ضوئي سريعة ورقاقة تشكل التوصيلات البصرية الخارجية، ووفقاً لذلك يُعد المفتاح الضوئي هو المفتاح لتطوير أجهزة الكمبيوتر الضوئية.

 

  • يتم استبدال الاتصالات الإلكترونية تدريجياً باتصالات الألياف الضوئية من أجل تلبية الطلب المتزايد على قدرة الاتصال، وتقنية تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف ونقل إشارة اتصالات الألياف الضوئية لتحقيق كل تبادل الإشارات الضوئية تعتمد أيضاً على الإلكترونيات، ممّا يحد من تحسين معدل الاتصال البصري، لذلك فإنّ الاتصال البصري الشامل هو مفتاح التبديل الضوئي بالكامل.

 

  • أنظمة اتصالات الألياف الضوئية في شبكة المسافات الطويلة وشبكة منطقة العاصمة وشبكة الوصول بين المحول البصري الذي تتطلبه الوصلات المتقاطعة الضوئية لإكمالها، وتعتمد شبكة التبديل الضوئية بين المستعمليت على “OADM“، كما يتكون معدد الإرسال البصري المتقاطع والمضاعف الإضافي من خلال صفيف تبديل بصري، وبالتالي فإنّ المفتاح البصري هو الأساس لكل التحويل البصري.

 

ملاحظة: “OADM” هي اختصار لـ “Optical Add-Drop Multiplexer”.

 

أسباب ظهور مشكلات في التحويل البصري:

 

  • يقوم التحويل البصري بالكامل على التأثير غير الخطي من الدرجة الثالثة والطاقة الضوئية المطلوبة للمفتاح عالية جداً، والتي غالباً ما تحتاج إلى أكثر من شدة إشارة الضوء وأكثر من خمسة أوامر من حيث الحجم، وليس مثل المفتاح الإلكتروني قليل الطاقة لا يمكنه تحقيق التحكم في الإضاءة قليلة الطاقة.

 

  • نظراً لضوء الإدخال القوي الناتج عن التأثير الحراري القوي لا سيما في ذروة امتصاص العازل عند جهاز تبديل الطول الموجي، وإنّ امتصاص الحرارة بحيث يكون الجهاز غير ثابت للغاية ويصعب تحقيق عملية متتالية للجهاز.

 

  • انتشار شعاع الليزر في الميكرونات المتوسطة وكثافة الطاقة ليست عالية، ولكن التأثير غير الخطي محدود المسافة المطلوبة لإنتاج طاقة غير خطية يصعب ضغطها على البعد العرضي للحزمة.

 

آلية عمل التحويل البصري:

 

إنّ تقليل طاقة التحويل هو دراسة جميع المفاتيح الضوئية مهمة مهمة، كما يمكن الحصول على كثافة طاقة ضوئية أعلى وطول تفاعل أطول، وبالتالي تحسين كفاءة توليد تأثيرات بصرية غير خطية بشكل كبير وقد يؤدي إلى خفض كفاءة توليد تأثيرات بصرية غير خطية، والقدرة على تحقيق التبديل البصري بالكامل.

 

أصبح التحويل البصري من نوع الدليل الموجي هو الهدف الرئيسي للدراسة، ودليل الموجات السيليكونية بما في ذلك الألياف الضوئية في امتصاص نطاق الاتصال صغير، ولكن غير خطي قليل للغاية وتراكم تجويف الحلقة المتاح غير خطي.

 

قد يعمل المحول ضوئي من خلال ميكانيكية مثل التبديل الفيزيائي للألياف الضوئية للتحكم في ألياف احتياطية، أو عن طريق التأثيرات الكهروضوئية “Photoelectric effects” أو التأثيرات المغناطيسية البصرية كما يمكن استخدام المفاتيح الضوئية البطيئة، مثل تلك التي تستعمل الألياف المتنقلة للتوجيه الاحتياطي لطريق نقل التحويل البصري.

 

يمكن استعمال المحولات الضوئية السريعة مثل تلك التي تستعمل التأثيرات الكهروضوئية “Photoelectric effects” أو المغناطيسية البصرية لأداء العمليات المنطقية، كما تشمل هذه الفئة أيضاً مكبرات الصوت الضوئية شبه الموصلة وهي أجهزة إلكترونية ضوئية يمكن استخدامها كمفاتيح ضوئية، ويمكن دمجها مع الدوائر الإلكترونية الدقيقة المنفصلة أو المتكاملة.

 

تقنية التحويل البصري:

 

تقنية التبديل البصري كأساس مهم لتكنولوجيا شبكة الاتصالات الضوئية بالكامل، حيث سيؤثر تطويرها وتطبيقها بشكل كبير على اتجاه تطوير شبكات الاتصالات الضوئية المستقبلية، كما يتم تكرير الإشارات الضوئية بثلاث وسائل وهي تقسيم الفضاء وتقسيم الوقت و”WDM“، وطرق التحويل البصرية المعاكس لتحويل تقسيم الفضاء وتحويل تقسيم الوقت وتحويل تقسيم الموجة لأنهاء القنوات متعددة الإرسال.

 

  • “WDM” هي اختصار لـ “Wavelength Division Multiplexing”.

 

المصدر
WIRELESS COMMUNICATIONS/ Andreas F. MolischIntroduction to Analog and Digital Communications/ Simon HaykinData Communication and Computer NetworkTheory and Problems of Signals and Systems/ Hwei P. Hsu, Ph.D./ JOHN M. SENIOR Optical Fiber Communications Principles and Practice Third Edition

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى