التوهين في الاتصالات الضوئية

لا يُعتبر نقل الضوء بواسطة الألياف الضوئية فعالاً بنسبة “100%”، حيث هناك عدة أسباب لذلك بما في ذلك الامتصاص بواسطة اللب والكسوة وبسبب وجود الشوائب وتسرب الضوء من الكسوة، وعندما ينعكس الضوء عن الواجهة الكسوة أو الأساسية فإنّه يسافر فعلياً لمسافة قصيرة داخل الكسوة قبل أن ينعكس مرة أخرى.

ما هو توهين الإشارة الضوئية

توهين الإشارة الضوئية: هو أحد الاعتبارات المهمة في تصميم نظام الاتصال البصري أثناء انتشارها على طول الألياف، ونظراً لأنّه يلعب دوراً رئيسياً في تحديد مسافة الإرسال القصوى بين المرسل والمستقبل أو مكبر الصوت الداخلي.

وكلما طالت الألياف وزاد انتقال الضوء زادت ضعف الإشارة الضوئية، وبالتالي يتم قياس التوهين والإبلاغ عنه بالديسيبل لكل كيلومتر “ديسيبل / كم”، والمعروف أيضاً باسم معدل التوهين أو معامل التوهين، كما يختلف التوهين حسب نوع الألياف وطول موجة التشغيل.

يؤدي التوهين أي تقليل الإشارة بما يصل إلى “2 ديسيبل / كم” للألياف متعددة الأوضاع، وعلى سبيل المثال مع هذا المستوى من التوهين، إذا سافر الضوء فوق “10 كيلو متر” من الكابل فإنّ “10%” فقط من الإشارة ستصل إلى النهاية التالية.

أساسيات التوهين في الاتصالات الضوئية

يتم تحديد النافذة الضوئية الأولى من “800 نانومتر” – “900 نانومتر”، حيث يكون الحد الأدنى لفقدان الإشارة “4 ديسيبل / كم”، وفي أوائل السبعينيات تم استخدام هذه النافذة لتشغيل المصادر وأجهزة الكشف البصرية.

من خلال تقليل تركيز أيونات الهيدروكسيل والشوائب المعدنية في مادة الألياف تمكن المصنعون في الثمانينيات من تصنيع الألياف الضوئية بفقد منخفض جداً، وفي منطقة ” 1100 نانومتر ” – “1600 نانومتر” ويسمى هذا النطاق الطيفي منطقة الطول الموجي الطويل.

تتمركز النافذة البصرية الثانية عند “1310 نانومتر” وتسمى أيضاً “O-band” والتي توفر “0.5 ديسيبل / كم”، كما تتمركز النافذة الضوئية الثالثة عند “1550 نانومتر” وتسمى أيضاً النطاق C ممّا يعطي خسارة قدرها “0.2 ديسيبل / كم”.

بالنسبة للألياف الضوئية القائمة على السيليكا يكون للألياف أحادية النمط توهين أقل من الألياف متعددة الوسائط، وكلما زاد الطول الموجي كلما انخفض التوهين، وهذا صحيح على مدى الطول الموجي التشغيلي المعتاد “800 نانومتر” – “1600 نانومتر” لألياف البيانات التقليدية والألياف الضوئية للاتصالات.

مبدأ عمل التوهين في الاتصالات الضوئية

يعتمد مقدار التوهين لكابل معين أيضاً على الطول الموجي، ومثلاً ملف تعريف التوهين يتضمن نوعين رئيسيين من الألياف هما كابل متعدد الأوضاع وأحادي الوضع، تكون ذروة الامتصاص عند “1000 نانومتر” ناتجة عن خصائص الألياف أحادية النمط، بينما تحدث الذروة عند “1400 نانومتر “بسبب آثار الماء المتبقي في الألياف كشوائب.

وبسبب ذروة امتصاص الماء هذه هناك نوعان من الأطوال الموجية أحادية النمط قيد الاستخدام هما “1310 نانومتر” و”1550 نانومتر”، ولقد كان “1310 نانومتر” معياراً لسنوات عديدة والآن فقط هناك اتجاه نحو استخدام “1550 نانومتر” ناتج عن الحاجة إلى تمديد المسافات بين أجهزة إعادة الإرسال.

يُقاس فقد الطاقة في الضوء في الألياف الضوئية بالديسيبل، كما تُعبر مواصفات كابل الألياف الضوئية عن فقد الكابل كتوهين لكل “1 كم بطول ديسيبل / كم”، وتُضرب هذه القيمة في الطول الإجمالي للألياف الضوئية بالكيلومترات لتحديد الخسارة الكلية للألياف بالديسيبل، كما ينتج فقدان ضوء الألياف الضوئية عن عدد من العوامل التي يمكن تصنيفها إلى خسائر داخلية وخارجية:

• خارجي.

• خسارة الانحناء.

• فقدان التوصيل والموصل.

• جوهري.

• فقدان الألياف.

• الخسارة الناتجة عن تصنيع الألياف.

ملاحظة:تتناقص قوة الحزمة الضوئية التي تنتقل على طول الألياف بشكل كبير مع المسافة.

آليات فقد الألياف الضوئية للإشارة

1- تشتت رايلي

تشتت رايلي: هو عملية تعتمد على الطول الموجي وتعتمد على عدم تجانس المواد الأصغر من الطول الموجي.

يحد توهين رايلي من استخدام الألياف بطول موجي قصير ويحدد تشتت رايلي الحد الأساسي لتوهين الألياف الذي يمكن الوصول إليه، كما يعتبر تشتت رايلي من أهم آليات التوهين داخل النوافذ الضوئية.

2- امتصاص الإشارة

امتصاص الإشارة: هو عملية تحويل طاقة الموجة الكهرومغناطيسية إلى أشكال أخرى من الطاقة مثل الاهتزاز الشبكي.

يحدث امتصاص زجاج السيليكا الداخلي في كل من نطاقات الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء، كما يتسبب ذيل امتصاص الأشعة تحت الحمراء في إضعاف أطوال الموجات التي تزيد عن “1،6 مم”، ومشكلة أخرى مرتبطة بخسائر امتصاص الشوائب وأهم شوائب في الألياف الضوئية هو الماء على شكل أيونات الهيدروكسيل “OH-“، وتحدث أهم خسائر “OH” عند “950 نانومتر” و”1250 نانومتر” و”1380 نانومتر”.

بالنسبة لألياف السيليكا يمكن الحصول على أقل خسائر تبلغ حوالي “0.18 ديسيبل / كم” في منطقة “1550 نانومتر” كما إنّها قريبة جداً من حد التشتت الأساسي، وبالنسبة للأطوال الموجية الأطول يتزايد توهين السيليكا، ومن أجل الحصول على ألياف ذات خسائر أقل من أدلة موجات السيليكا من الضروري تنفيذ مواد مختلفة ذات امتصاص جوهري منخفض في منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة.

3- الانحناءات العيانية والميكروسكوبية

تحدث الانحناءات العيانية عند تركيب الألياف، وعندما لا يقل قطر النطاق عن “50 مم” فإنّ الخسائر لا تكاد تذكر، وتحدث خسائر النطاق المجهري بسبب التشوهات المحلية لهندسة الألياف أو معامل الانكسار.

التوهين والتشتت في كابل الألياف الضوئية

يعتمد الأداء الصحيح لوصلة البيانات الضوئية على وصول الضوء المُعدَّل إلى جهاز الاستقبال بطاقة كافية لإزالة التشكيل بشكل صحيح، والتوهين هو انخفاض قوة إشارة الضوء أثناء إرسالها ويحدث التوهين بسبب مكونات الوسائط السلبية، مثل الكابلات ووصلات الكابلات والموصلات.

وعلى الرغم من أنّ التوهين أقل بشكل ملحوظ بالنسبة للألياف الضوئية مقارنة بالوسائط الأخرى إلّا أنّه لا يزال يحدث في كل من الإرسال متعدد الأوضاع والأسلوب الأحادي، كما يجب أن يحتوي ارتباط البيانات الضوئية الفعال على ضوء كافٍ للتغلب على التوهين، والتشتت هو انتشار الإشارة بمرور الوقت ويمكن أن يؤثر النوعان التاليان من التشتت على ارتباط البيانات الضوئية:

• التشتت اللوني: هو انتشار الإشارة بمرور الوقت الناتج عن السرعات المختلفة لأشعة الضوء.

• التشتت النموذجي: هو انتشار الإشارة بمرور الوقت الناتج عن أنماط الانتشار المختلفة في الألياف.

للإرسال متعدد الأنماط عادةً ما يحد التشتت الوسيط، وبدلاً من التشتت اللوني أو التوهين من الحد الأقصى لمعدل البت وطول الارتباط، وبالنسبة للإرسال أحادي الأسلوب لا يُعد التشتت النمطي عاملاً ومع ذلك عند معدلات بت أعلى وعلى مسافات أطول، فإنّ التشتت اللوني بدلاً من التشتت النمطي يحد من أقصى طول للوصلة.

يجب أن يحتوي ارتباط البيانات الضوئية الفعال على إضاءة كافية لتجاوز الحد الأدنى من الطاقة التي يتطلبها جهاز الاستقبال للعمل ضمن مواصفاته، وبالإضافة إلى ذلك يجب أن يكون التشتت الإجمالي أقل من الحدود المحددة لنوع الارتباط في وثيقة تقنيات “Telcordia GR-253-CORE” ووثيقة الاتحاد الدولي للاتصالات “ITU G.957”.

عندما يكون التشتت اللوني عند الحد الأقصى المسموح به يمكن اعتبار تأثيره بمثابة عقوبة قوة في ميزانية الطاقة، كما يجب أن تسمح ميزانية الطاقة الضوئية بمجموع توهين المكونات وعقوبات الطاقة بما في ذلك تلك الناتجة عن التشتت وهامش أمان للخسائر غير المتوقعة.