التعديل البصري عبر الأطوار XPM

يُشار أحياناً إلى التعديل عبر الطور كآلية لترجمة القناة أي تحويل الطول الموجي، ولكن في هذا السياق يُشير المصطلح عادةً إلى نوع من التشكيل عبر الطور الذي لا يعتمد على “تأثير كير”، بل على التغييرات في معامل الانكسار عبر كثافة الموجة الحاملة في مكبر بصري لأشباه الموصلات.

ما هو التعديل البصري عبر الأطوار XPM؟

التعديل الطور البصري المتقاطع “XPM”: هو عملية بصرية غير خطية، حيث يؤثر الطول الموجي لمصدر ضوء واحد على طور موجة أخرى، كما يتم إحداث تعديل الطور البصري من خلال تأثير “Kerr” البصري وهي ظاهرة بصرية غير خطية تتغير فيها مؤشرات الانكسار للمواد غير الخطية عندما تنتشر نبضة قصيرة جداً من خلالها.

• “XPM” هي اختصار لـ “Cross-phase modulation”.

آثار تعديل الإشارة عبر الطور XPM:

• يؤدي إلى تفاعل نبضات الليزر في وسط ممّا يسمح على سبيل المثال قياس الشدة الضوئية لنبضة واحدة من خلال مراقبة تغير طور للنبض الآخر، وبدون امتصاص أي فوتونات من الحزمة الأولى، وهذا هو أساس مخطط لقياسات عدم التدمير الكمي “QND”.

• يمكن أيضاً استخدام التأثير لمزامنة جهازي ليزر مغلقين باستخدام نفس وسيط كسب الليزر حيث تتداخل النبضات وتختبر تعديلًا عبر الطور.

• في اتصالات الألياف الضوئية، يمكن أن يؤدي تعديل الأطوار المتقاطعة في الألياف إلى مشاكل في تقاطع القنوات.

ملاحظة:“QND” هي اختصار لـ “Quantum non-destruction”.

أساسيات التعديل البصري عبر الأطوار XPM:

يتم تعديل طور النبضة مكانياً وزمنياً، كما يتم إجراء التعديل الذاتي والتركيز الذاتي للموجة بواسطة النبض نفسه، حيث يحدث التعديل عبر الطور بسبب تعديلات الطور التي يتم إنشاؤها بواسطة موجات الانتشار المشترك.

عندما تتكاثر أزواج النبض في الألياف فإنّ كل نبضة تنبه الأخرى من خلال تعديل الطور المتقاطع “XPM” وعلى وجه الخصوص، يتسبب “XPM” في توسيع طيفي لنبضات الإشارة أثناء تضخيم النبضة الضوئية البارامترية أو رامان، حيث أنّ “XPM”  في ألياف “Raman” تعمل على تضخيم ليزر “soliton”، كما أنّه يمكن تفسير الأطياف التي تمت ملاحظتها تجريبياً من خلال نموذج بسيط يركز على تغير الطور كدالة لانطلاق النبض.

مبدأ عمل التعديل البصري عبر الأطوار XPM:

عندما تنتشر موجتان لهما أطوال موجية مختلفة من خلال وسيط غير خطي يتأثر تردد الطور لموجة واحدة بالموجة الأخرى بسبب التأثير على معامل الانكسار لوسط الانتشار، كما يتأثر معامل الانكسار بكثافة المجال الكهربائي وكذلك بموجة الانتشار المشترك، حيث يحدث التعديل عبر الطور في الوسط غير الخطي ويكون تحول الطور أكثر بروزاً في المواد ذات الدرجة الثانية والثالثة من اللاخطية.

تحليل تأثير التشكيل عبر الطور “XPM” على عمليات الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي “WDM” عن طريق التجارب والمحاكاة العددية، وتوفير قيود “XPM” في صيغة طبيعية ومغلقة الشكل، كما يقومون أيضاً بالتحقيق في تأثير “XPM” على عمليات النقل المعوضة للتشتت، حيث أنّه يجب تحديد موقع معوضات التشتت ومقدار التعويض من خلال مراعاة تأثير “XPM”.

يتم تعويض التشكيل عبر الأطوار “XPM” باستخدام مُعدِّل الطور البصري والإلكترونيات ذات النطاق الترددي المنخفض، حيث أنّ المعوض غير الخطي يمنع تشوه “XPM” من قناة “OOK” ذات مفتاح “ON-OFF” بسرعة “10 جيجابت / ثانية” على إشارة مسبار الموجة المستمرة “CW”.

وتقوم بعد ذلك باستبدال نغمة “CW” بإشارة مفتاح إزاحة طور تربيعية “28 جباود QPSK“،حيث أنّه يمكن مضاعفة طاقة “OOK” عند استخدام تعويض “XPM”، ويوضح هذا إثبات المفهوم لتعويض “XPM” باستخدام مُعدِّلات الطور الموضوعة على طول ارتباط ليفي، كما يُعد  التعديل عبر الطور “XPM” والتشكيل الذاتي “SPM” الناجم عن الحديث المتبادل غير الخطي بشكل تحليلي من أجل إشارة “DPSK” و”OOK” المتماسكة في تنسيق تعديل “NRZ” و”RZ” لنظام “WDM” الذي يستخدم مضخم رامان الموزع.

كما أنّ إشارة “40 جيجابت / ثانية” لـ “RZ-DPSK” مع دورة عمل بنسبة “33.3%” تواجه الحد الأدنى من تداخل “XPM” و”SPM” المستحث، كما تكشف النتائج أيضاً أنّ الحد الأدنى من الحديث المتبادل قد تم إحداثه في “DRA” الذي تم ضخه للخلف بين مخططات الضخ الثلاثة، أي للأمام والخلف وثنائي الاتجاه وتفترض النتائج أهمية لتقليل تأثيرات “XPM” و”SPM” الضارة في نظام الاتصال البصري.

• “WDM” هي اختصار لـ “Wavelength Division Multiplexing” و”OOK” هي اختصار لـ “on/off keying”.

• “CW” هي اختصار لـ “continuous wave” و”QPSK” هي اختصار لـ “Quadrature Phase Shift Keying”.

• “DPSK” هي اختصار لـ “Differential Phase-Shift Keying” و”NRZ” هي اختصار لـ “non-return-to-zero”.

• “SPM” هي اختصار لـ “Self-phase modulation” و”RZ” هي اختصار لـ “Return to Zero”.

• “DRA” هي اختصار لـ “Dielectric resonator antennas” و”RZ-DPSK” هي اختصار لـ “Return to Zero-Differential Phase Shift Keyed”.

تطبيقات التعديل البصري عبر الأطوار XPM:

• التوسيع الطيفي.

• ضبط التردد وتعدد الإرسال.

• التعديل المكاني للنبضات فائقة السرعة.

• مضاعفة تقسيم الطول الموجي الكثيفة.

تعديل متعدد الأطوار في روابط ليفية مع مضخمات ضوئية متعددة ومعوضات تشتت:

يمكن نمذجة تأثير “XPM” كمعدّل طور بمدخلات من شدة موجات التكاثر المشترك، وتعتمد استجابة التردد لمعدل الطور المقابل لكل موجة تكاثر مشترك على تشتت الألياف، وفصل الطول الموجي وطول الألياف، كما إنّ إزاحة الطور الإجمالية التي يسببها “XPM” هي جزء لا يتجزأ من مساهمات إزاحة الطور من جميع مكونات التردد لموجات التكاثر المشترك، وفي الألياف غير المشتتة يكون “XPM” مستقلاً عن التردد.

في الألياف المشتتة تتناسب استجابة تردد “XPM” تقريباً عكسياً مع ناتج التردد وتشتت الألياف وفصل الطول الموجي، وفي الارتباط المضخم للجزء “N” تزداد استجابة التردد “XPM” بمقدار “N” ولكن فقط في نطاقات التردد الضيقة جداً، وفي معظم نطاقات التردد الأخرى يكون مقدار الزيادة محدوداً ومستقلاً تقريباً عن “N”.

ومع ذلك في الوصلة المضخمة للمقطع “N” مع معوضات التشتت تتم زيادة استجابة التردد “XPM” بمقدار “N” في جميع الترددات إذا تم تعويض التشتت عن داخل كل جزء من الألياف، وبالتالي فإنّ إزاحة الطور المستحثة بـ “XPM” أصغر في الأنظمة التي تستخدم تعويض التشتت المجمع مقارنة بالأنظمة التي تستخدم تعويض التشتت الموزع.

تم اعتبار التشكيل عبر الطور “XPM” الناجم عن قنوات القفل “OOK” ذات المعدل المنخفض على أنّه الانحطاط الرئيسي في قنوات مفتاح إزاحة الطور التربيعي “QPSK”، أي في أنظمة تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الهجين “WDM”، حيث يتم توسيع نموذج “IM / XPM” الخطي لـ “XPM” من خلال النظر في التأثيرات غير الخطية الناتجة عن ألياف تعويض التشتت “DCF” في الروابط البصرية المعوضة للتشتت.

كما يتم تقدير التباين في ضوضاء المرحلة غير الخطية المستحثة في “XPM”، حيث يتم توفير معدل خطأ البتات “BER” لإشارة “QPSK” المتضمنة ضوضاء المرحلة المستحثة “XPM” و”ASE”، وكما يُظهر الموسع والتعبيرات التحليلية توافقاً جيداً مع محاكاة مونت كارلو “MC”، وتظهر المحاكاة أيضاً أنّ مساهمات “XPM” الخاصة بـ “DCFs” تؤثر على سعة مرشح “IM / XPM” وأداء نظام تعويض التشتت.

• “DCF” هي اختصار لـ “Dispersion compensation fiber” و”ASE” هي اختصار لـ “Amplified Spontaneous Emission”.