التشتت في الاتصالات Dispersion

التشتت يعني بشكل عام توسيع أو انتشار الضوء، وفي عالم اتصالات الألياف الضوئية هذا يعني أنّ جميع الفوتونات التي يتم إرسالها في وقت واحد لتشكيل نبضة قصيرة ومميزة من الضوء، وتتطلب وقتاً أطول أو أقل قليلاً من الفوتونات الأخرى للتنقل عبر الألياف، وبالتالي لا تصل في وقت واحد المستقبل.

ما هو التشتت في الاتصالات؟

التشتت: هو ظاهرة تعتمد فيها سرعة انتشار الموجة الكهرومغناطيسية على الطول الموجي، حيث في تكنولوجيا الاتصالات يُستخدم مصطلح “التشتت” لوصف أي عملية تتدهور بواسطتها إشارة كهرومغناطيسية تنتشر في وسط مادي لأن مكونات الموجة المختلفة أي الترددات للإشارة لها سرعات انتشار مختلفة داخل الوسط المادي.

كما يُستخدم مصطلح التشتت في الألياف الضوئية، حيث هناك العديد من تأثيرات التشتت المهمة، مثل تشتت المادة وتشتت المظهر الجانبي وتشتت الدليل الموجي، ممّا يؤدي إلى تدهور الإشارة، أمّا في اتصالات الألياف الضوئية لا ينبغي استخدام المصطلحين غير الصحيحين “التشتت المتعدد الوسائط” كمرادفات للمصطلح الصحيح “تشويه متعدد الأوضاع”.

أمّا في البصريات الكلاسيكية يستخدم مصطلح “التشتت” للإشارة إلى اعتماد الطول الموجي لمعامل الانكسار في المادة “dn / d”، حيث “n” هو مؤشر الانكسار وهو الطول الموجي الناتج عن التفاعل بين المادة والضوء، كما لا ينبغي الخلط بين “التشتت” كما هو مستخدم في اتصالات الألياف الضوئية و”التشتت” كما يستخدمه مصممو العدسات البصرية.

أنواع التشتت في الألياف الضوئية:

1- تشتت المادة:

في اتصالات الألياف الضوئية، يعتمد الطول الموجي لسرعة الانتشار للإشارة الضوئية على المادة السائبة التي يتكون منها الألياف، ونظراً لأنّ كل إشارة ضوئية لها عرض طيفي محدود، فإنّ تشتت المادة يؤدي إلى انتشار الإشارة، كما لا يُنصح باستخدام مصطلح “التشتت اللوني” الزائد، وفي السيليكا النقية وهي المادة الأساسية التي تُصنع منها ألياف الاتصالات الأكثر شيوعاً، يكون تشتت المادة عند أطوال موجية قريبة من “1.27 متراً” أي أطول قليلاً في الألياف العملية.

2- تشتت المظهر الجانبي:

في الألياف الضوئية يُنسب هذا التشتت إلى تغير تباين معامل الانكسار مع الطول الموجي، وتشتت ملف الكشف هو وظيفة لمعلمة تشتت ملف التعريف.

3- تشتت الدليل الموجي:

التشتت مهم فقط في الألياف أحادية النمط بسبب اعتماد الطور وسرعات المجموعة على نصف قطر النواة والفتحة العددية وطول الموجة، وبالنسبة إلى أدلة الموجات الدائرية يكون الاعتماد على النسبة “a” حيث أنّ “a” هو نصف قطر القلب وطول الموجة، كما تم تصميم ألياف عملية أحادية الأسلوب بحيث يعمل تشتت المادة وتشتت الدليل الموجي “waveguide scattering” إلى حذف بعضهما البعض عند الطول الموجي المحدد.

النبض الذي كان في البداية قصيراً وعالياً وحاداً أصبح أوسع قليلاً وأقل وأقل وضوحاً، حيث إذا تم إرسال نبضة واحدة فقط فلن تنشأ مشكلة، ومع ذلك إذا تم إرسال عدة نبضات خلال فترة زمنية قريبة فستبدأ النبضات في النهاية في التداخل مع بعضها البعض وستحدث أخطاء في البتات.

مصادر التشتت في الاتصالات:

1- التشتت اللوني:

تنقل الألياف الزجاجية ضوءاً بأطوال موجية مختلفة بسرعات مختلفة، وينتج التشتت اللوني عن مزيج من تشتت المواد وتشتت الدليل الموجي.

2- تشتت المواد:

تعرض الألياف الزجاجية خاصية أطوال موجية مختلفة للضوء تظهر مؤشرات مختلفة للانكسار، وبالتالي تنتقل بسرعات مختلفة.

3- تشتت الدليل الموجي:

في الألياف أحادية النمط، ينتقل جزء من الضوء خارج لب الألياف والذي له معامل انكسار آخر، وبالتالي يوسع النبض.

4- تشتت وضع الاستقطاب:

تتكون النبضات الضوئية من وضعي استقطاب متميزين وينتقلان عادة بنفس السرعة ويتنقلان بسرعات مختلفة بسبب العيوب العشوائية وعدم التناسق، ممّا يتسبب في تشتت عشوائي لأطوال الموجات.

5- التشتت متعدد الوسائط:

ينتقل كل نمط من الضوء في مسار مختلف وبعض المسافات أقصر وبعضها أطول، ونتيجةً لذلك لن يتم استقبال الأوضاع في نفس الوقت وسيتم تشويه الإشارة.

ما هو تشتت الألياف الضوئية Dispersion؟

تشتت الألياف الضوئية: هو عملية كيفية توسيع أو ​​انتشار إشارة الإدخال أثناء انتشارها أو انتقالها إلى أسفل الألياف، وعادةً يشتمل التشتت في كابل الألياف الضوئية على التشتت النموذجي والتشتت اللوني وتشتت وضع الاستقطاب.

1- التشتت النموذجي:

التشتت النموذجي: هو آلية تشويه تحدث في الألياف متعددة الأنماط وأدلة الموجات الأخرى، حيث تنتشر الإشارة في الوقت المناسب بسبب سرعة الانتشار المختلفة لجميع الأنماط، كما إن أشعة الضوء التي تدخل الألياف في زوايا مختلفة من الوقوع ستمر عبر مسارات أو أوضاع مختلفة.

ستنتقل بعض هذه الأشعة الضوئية مباشرة عبر مركز الألياف أو الوضع المحوري بينما يرتد البعض الآخر بشكل متكرر عن حدود الكسوة أو النواة لتتعرج في طريقها على طول الدليل الموجي، وعندما يكون هناك ارتداد يحدث تشتت مشروط أو تشتت متعدد الوسائط، وكلما زاد طول المسار زاد تشتت النموذج، فعلى سبيل المثال تتميز أوضاع الترتيب العالي دخول الضوء بزوايا حادة بمزيد من تشتت النموذج مقارنة بأوضاع الترتيب المنخفض أي دخول الضوء بزوايا أصغر.

يمكن أن تدعم الألياف متعددة الأوضاع ما يصل إلى “17 وضعاً” من الضوء في وقت واحد، ممّا يؤدي إلى تشتت مشروط كثيراً، بينما إذا كانت الألياف عبارة عن ألياف أحادية النمط فلن يكون هناك تشتت شكلي نظراً لوجود وضع واحد فقط، ويدخل الضوء على طول محور الألياف أي يدخل في الوضع المحوري دون الارتداد عن حدود الكسوة.

ومع ذلك تختلف الأمور إذا استخدم المرء أليافاً متعددة الأنماط ذات مؤشر متدرج، وعلى الرغم من أنّ أشعة الضوء تنتقل في أوضاع مختلفة أيضاً، إلّا أنّ التشتت النموذجي سينخفض ​​بشكل كبير بسبب سرعات انتشار الضوء المختلفة.

2- التشتت اللوني:

التشتت اللوني: هو ظاهرة انتشار الإشارة بمرور الوقت الناتج عن السرعات المختلفة لأشعة الضوء والتشتت اللوني هو مزيج من تأثيرات تشتت المواد والدليل الموجي.

ينتج تشتت المواد عن اعتماد الطول الموجي لمعامل الانكسار على مادة الألياف الأساسية، كما يحدث تشتت الدليل الموجي بسبب اعتماد ثابت انتشار النمط على معلمات الألياف، أي نصف القطر الأساسي والفرق بين مؤشرات الانكسار في قلب الألياف وتكسية الألياف وطول موجة الإشارة، وعند بعض الترددات الخاصة يمكن لهذين التأثيرين إلغاء بعضهما البعض لإعطاء طول موجي مع تشتت لوني تقريباً.

وعلاوة على ذلك فإنّ التشتت اللوني ليس دائماً أمراً سيئاً، حيث ينتقل الضوء بسرعات مختلفة وبأطوال موجية أو مواد مختلفة، كما تتسبب هذه السرعات المتغيرة في انتشار النبضات أو ضغطها أثناء انتقالها عبر الألياف، ممّا يجعل من الممكن تخصيص مؤشر ملف الانكسار لإنتاج ألياف لتطبيقات مختلفة، وعلى سبيل المثال تم تصميم ألياف “G.652” بهذه الطريقة.

3- تشتت وضع الاستقطاب:

يمثل تشتت وضع الاستقطاب “PMD” اعتماد الاستقطاب لخصائص انتشار الموجات الضوئية في الألياف الضوئية، حيث في الألياف الضوئية عادةً ما يكون هناك بعض الاختلاف الطفيف في خصائص انتشار موجات الضوء مع حالات الاستقطاب المختلفة، وعندما يتم تعريف الضوء على أنّه موجة طاقة أو منطقة طاقة، فإنّه يمتلك محورين متعامدين بشكل متبادل، وهما القوة الدافعة الكهربائيةوالقوة الدافعة المغناطيسية، وفي اللحظة التي تنتقل فيها الطاقة داخل هذين المحورين بسرعات مختلفة في الألياف يحدث “PMD”.

• “PMD” هي اختصار لـ “Polarized mode dispersion”.