أنواع الضوضاء في الاتصالات البصرية

بسبب تأثيرات الضوضاء والتشويه تتطلب روابط الألياف الضوئية الخطية الالتزام الدقيق بقوانين الفيزياء وقواعد التصميم المعمول بها والممارسات الهندسية التي أثبتت جدواها، وثنائياً يتكون ارتباط الألياف الضوئية من جهاز إرسال وكابل ألياف ضوئية وجهاز استقبال، وفي جهاز الإرسال تعدل إشارة التردد الراديوي للإخراج البصري لليزر، كما يتم إرسال هذه الإشارة الضوئية المعدلة بعد ذلك عبر كابل ألياف ضوئية إلى جهاز الاستقبال، حيث يتم إزالة تشكيلها لاستعادة إشارة التردد اللاسلكي الأصلية.

ما  هي الضوضاء في الاتصالات البصرية

الضوضاء في الاتصالات البصرية: هي الضوضاء الداكنة والتيار الداكن، حيث من الناحية المثالية عندما يصطدم الفوتون بجهاز أشباه الموصلات، فإنّه يتم إنشاء زوجاً من الثقوب الإلكترونية ممّا ينتج تياراً، وفي بعض الأحيان قد يكون لدينا تيار حتى في حالة عدم وجود فوتونات تهبط على جهاز الكشف الضوئي.

هناك العديد من الأسباب لظهور عيوب وهي عيوب في بنية أشباه الموصلات والسلوك العشوائي للإلكترونات بسبب ميكانيكا الكم، ودرجة الحرارة أو الإلكترونيات سيئة التصميم والتيار المظلم مزعج بشكل خاص في “CMOS” و”CCDs”.

• “CMOS” هي اختصار لـ “Complementary metal–oxide–semiconductor”.

• “CCD” هي اختصار لـ “Command & Control Distribution”.

ما هي أنواع الضوضاء في الاتصالات البصرية

1- الضوضاء المفاجأة

عندما نكتشف إشارة ضوئية فإنّ تدفق الفوتونات إلى جهاز الكشف الضوئي لا يكون ثابتاً، كما قد تفكر في الأمر على أنّه اختلافات في شدة الضوء، وهذا بسبب الأعداد الهائلة من الفوتونات التي تضرب جهاز الكشف الضوئي كل ثانية، ومع ذلك عندما نعمل في ظروف إضاءة منخفضة جداً تصبح هذه الاختلافات مهمة لأنّ قيمة الإشارة المكتشفة لدينا ستقفز في كل مكان، ويسمى هذا الاختلاف في الإشارة المكتشفة من لحظة إلى أخرى بضوضاء المفاجأة.

2- الضوضاء الحرارية

الضوضاء الحرارية مهمة بشكل خاص في أنظمة الاتصالات، كما أنّها ناتج عن درجة الحرارة في أشباه الموصلات، حيث تؤدي درجة الحرارة غير الصفرية إلى تحريك الإلكترونات ويمكن لهذه الحركة أن تنتج تياراً أي يمكن أن يكون لديها طاقة كافية للقفز إلى نطاق التوصيل وإنشاء إشارة ضوضاء.

ومع زيادة درجة الحرارة تصبح الضوضاء أكثر صلة ممّا يحد من الحد الأدنى من الإشارة التي يمكن أن يكتشفها المستشعر، وفي بعض الأنظمة مثل التلسكوبات، حيث نعمل بإشارات منخفضة للغاية من الضروري تبريد أشباه الموصلات بالنيتروجين السائل لتقليل وجود الضوضاء الحرارية.

أساسيات الضوضاء في الاتصالات البصرية

في الأنظمة التماثلية عالية الأداء يكون مصدر الضوء في جهاز الإرسال عموماً عبارة عن صمام ثنائي ليزر لأشباه الموصلات ذو التغذية المرتدة يعمل عند “1310 نانومتر، كما لا يتم استخدام ليزر “Fabry-Perot” لأنّ ضوضاء تقسيم النمط تقلل بشدة من أدائها على مسافات نقل الألياف التي تزيد عن بضعة كيلومترات، أمّا بالنسبة لليزر المستخدم في وصلات النطاق العريض تكون الكفاءة عادةً “0.25 مللي واط / ملي أمبير”.

لتحسين أداء الصمام الثنائي الليزري في جهاز إرسال واسع النطاق يتم استخدام دوائر التيار المباشر والتردد اللاسلكي، كما يتضمن جهاز الإرسال كسب التردد اللاسلكي لتضخيم إشارة الإدخال إلى المستوى الأمثل لتعديل الليزر، وفي شبكات التلفاز الكابلي يحتوي جهاز الإرسال عادةً على تشويه خطي مسبق ودائرة كسب تلقائية، وعلى الرغم من أنّ ثنائيات الليزر ذات التغذية المرتدة الموزعة هي أجهزة خطية إلّا أنّ القيم اللاخطية الصغيرة تبقى بسبب عيوب المعالجة.

مصادر الضوضاء في الاتصالات البصرية

تتضمن أربعة مصادر ضوضاء رئيسية في وصلة ألياف بصرية عريضة النطاق الضوضاء الصادرة عن مضخمات التردد الراديوي في المرسل، والصمام الثنائي الليزري ومضخمات الترددات الراديوية الضوئية ومضخمات التردد الراديوي في المستقبل، ونظراً لأنّ وصلات الألياف الضوئية تعرض عادةً فقدان إشارة فإنّ الضوضاء الصادرة عن مضخمات جهاز الإرسال تكون عموماً أقل بكثير من الضوضاء الناتجة عن مضخمات جهاز الاستقبال وبالتالي يتم إهمالها.

تنشأ ضوضاء الليزر من التقلبات العشوائية في شدة الإشارة الضوئية، والعاملان الرئيسيان في الضوضاء هما التقلبات في شدة الضوء، والتي تأتي من الصمام الثنائي الليزري وضوضاء قياس التداخل والتي تنشأ بسبب انعكاسات الضوء المتعددة في الألياف الضوئية، كما تُعرف ضوضاء الليزر غالباً باسم ضوضاء الكثافة النسبية لأنّه يُشار إلى سعة الضوضاء على أنّها متوسط ​​السعة للإشارة الضوئية.

وإذا لم تكن هناك مصادر ضوضاء أخرى فإنّ نسبة الإشارة إلى الضوضاء للإشارة الضوئية المكتشفة ستكون مساوية لضوضاء الكثافة النسبية مضروبة في مربع عمق التشكيل، وتحدث ضوضاء الثنائي الضوئي أو ضوضاء اللقطة لأنّ الضوء يتكون من فوتونات وهي حزم منفصلة من الطاقة، وهكذا يتم نقل الإشارة ليس كتدفق سلس للطاقة ولكن كـ “كوانتا” متناهية الصغر من الطاقة.

تولد العشوائية لوقت وصول كل فوتون ضوضاء عشوائية في تيار الخرج للديود الضوئي، حيث توضح قوانين الفيزياء أنّ حجم ضوضاء المفاجئة يتناسب مع متوسط ​​قيمة الإشارة الضوئية، وعندما يتم جمع ضوضاء الليزر والصورة الضوئية والمستقبل في المستقبل يخضع كل مصدر ضوضاء لقانون مختلف فيما يتعلق بحجم الإشارة الضوئية المستقبلة، وتأثير ضوضاء مكبر المستقبل مستقل عن القدرة الضوئية وضوضاء اللقطة تتناسب مع القدرة الضوئية المستقبلة وضوضاء الليزر تتناسب مع مربع القدرة الضوئية.

وبالتالي مع زيادة الطاقة المستقبلة تسود ضوضاء الليزر، وفي الواقع بالنسبة لمعظم روابط الألياف الضوئية إذا كان الفقد البصري منخفضاً، مما يعني طاقة بصرية عالية ويتم تحديد ضوضاء الارتباط بالكامل بواسطة الليزر، وعلى العكس من ذلك بالنسبة للقدرة البصرية الصغيرة المستقبلة يتم تحديد ضوضاء الوصلة بالكامل بواسطة مضخمات المستقبل.

الهدف من تصميم معظم أنظمة النطاق العريض هو التأكد من أنّ ضوضاء المفاجأة هي عامل الضوضاء السائد، كما يمثل هذا التصميم المحدود للضوضاء الناتجة عن التصوير “أفضل” تصميم نظري للأنظمة البصرية.

الضوضاء الخطية بالتشويه المسبق

تعد كل من ثنائيات الليزر والصمامات الضوئية من الأجهزة الخطية، وكما ينتج الصمام الثنائي الليزري فوتوناً واحداً لكل إلكترون يتم حقنه في الجهاز، وينتج الثنائي الضوئي إلكتروناً واحداً لكل فوتون يقع على الثنائي الضوئي، ومن الناحية العملية فإنّ كفاءات التحويل أقل من واحد وبشكل أساسي باستخدام ليزر التغذية الراجعة الموزعة تظهر اللاخطية الصغيرة من عملية التحويل الكهربية إلى الضوئية.

العديد من التشوهات تفسد ناتج ليزر التغذية الراجعة الموزعة وفي بعض التطبيقات ويمر جزء من التيار المحقون أو يتسرب حول الطبقة النشطة من الليزر، وغالباً ما يزيد هذا التسرب بشكل غير خطي مع زيادة التيار الكلي ممّا يؤدي إلى عدم خطية في إخراج الليزر، ونظراً لخصائص الانبعاث المحفز بالليزر يحدث “احتراق الثقب” أثناء تحويل الإلكترونات الموجودة داخل الليزر إلى فوتونات.

يشير احتراق الفتحة المحورية على سبيل المثال إلى التأثير الناتج عندما تكون كثافة الطاقة الضوئية بطول شريحة الليزر من الوجه الأمامي إلى الجانب الخلفي غير منتظمة، ومع زيادة طاقة الناتج الضوئي لليزر يحدث انبعاث أكثر تحفيزاً نسبياً في المناطق التي تكون فيها كثافة الضوء عالية.

ويقلل هذا التأثير من كثافة الموجات الحاملة في تلك المناطق لأن الإلكترونات تتحول إلى عدد أكبر من الفوتونات، كما يؤدي قمع الناقل أو احتراق الثقب إلى تغيير خصائص تشغيل الليزر ويؤدي إلى عدم الخطية، بالإضافة إلى تأثيرات التسرب وحرق الثقب عند الترددات العالية يمكن أن تؤدي التفاعلات الأساسية بين الضوء والحاملات داخل الليزر أيضاً إلى إنتاج اللاخطية.