اقرأ في هذا المقال
- ما هي المرسلات الكهروضوئية في الاتصالات البصرية
- مبدأ عمل المرسلات الكهروضوئية
- مكونات المرسلات الكهروضوئية
- تطور المرسلات الكهروضوئية في الاتصالات البصرية
تتحدد كفاءة المرسل الكهروضوئي بعدة عوامل ولكن أهمها عرض الخط الطيفي وهو عرض طيف الموجة الحاملة وهو صفر بالنسبة لمصدر ضوء أحادي اللون مثالي، وخسارة الإدخال وهي كمية الطاقة المرسلة التي لا تعتمد على الألياف وعمر الإرسال “transmitter lifetime” ومعدل بت التشغيل الأعلى.
ما هي المرسلات الكهروضوئية في الاتصالات البصرية
ينتشر استعمال شكلين من أجهزة الإرسال الكهروضوئية في روابط الألياف الضوئية “Optical fiber links” أي الصمام الثنائي الباعث للضوء “LED” وليزر أشباه الموصلات، و”LED” هو منشأ ضوء ذو عرض واسع يستعمل للوصلات متوسطة السرعة وقصيرة المدى، والتي لا يُعتبر فيها تشتت شعاع الضوء على مسافة مشكلة كبيرة وكما يعتبر “LED” أقل تكلفة وعمراً أطول من ليزر أشباه الموصلات.
ومع ذلك فإنّ ليزر أشباه الموصلات يربط ناتج الضوء بالألياف الضوئية بكفاءة أكبر بكثير من “LED” ممّا يصبح أكثر تناسب لفترات أطول، ولديه أيضاً وقت “ارتفاع” أسرع ممّا يسمح بمعدلات نقل بيانات أعلى كما تتيح ثنائيات الليزر، والتي تتفعل بأطوال موجية قريبة من “0.85 ميكرومتر” و”1.3 ميكرومتر” و”1.5 ميكرومتر” ولها عرض خط طيفي أقل من 0.003 ميكرومتر.
فهي تمتلك القدرة على الإرسال بسرعة تزيد عن “10 جيجابت في الثانية” وتوجد مصابيح “LED” قادرة على العمل على نطاق أوسع من أطوال الموجات الحاملة، ولكنّها عموماً تتضمن على خسائر إدخال أعلى وعرض خط يتعدى “0.035 ميكرومتر”، كما يوجد في قلب الوحدة التي تحول إشارات التردد اللاسلكي إلى ضوء صمام ثنائي ليزر.
- “LED” هي اختصار لـ “Light-Emitting Diode”.
مبدأ عمل المرسلات الكهروضوئية
المبدأ الأساسي هو التعديل المباشر لإشارة التردد اللاسلكي الواردة على ناتج ديود الليزر، كما تعدل إشارة إدخال التردد الراديوي، وبشكل مباشر تيار انحياز الصمام الثنائي لليزر حول نقطة العمل المثلى للتيار المستمر والتي يشار إليها أحياناً باسم نقطة الهدوء والتي تكون عادةً “40 مللي أمبير”.
كما تتراوح مكاسب التعديل من “0.02 ميجاواط / مللي أمبير” إلى “0.2 ميجاواط / مللي أمبير” ويحافظ الثنائي الضوئي للشاشة على استقرار نقطة التشغيل الثابتة لليزر، وللحصول على أداء عالٍ أي ضوضاء منخفضة ونطاق ديناميكي عالٍ يتم استخدام ليزر أشباه الموصلات ذو التغذية المرتدة “DFB”، وعلى الرغم من أنّه يمكن استخدام ليزر “FP” الأقل تطلباً.
- “FP” هي اختصار لـ “Fabry-Perot”.
- “DFB” هي اختصار لـ “Distributed Feedback”.
مكونات المرسلات الكهروضوئية
1- الألياف الضوئية
الألياف الضوئية: هي وسيط نقل الإشارة وبالتالي فهي جزء مهم من الأنظمة المطلوبة للحفاظ على سلامة الإشارة العالية.
يقترن الضوء المنبعث من جهاز الإرسال بألياف ضوئية أحادية الأسلوب للإرسال عبر الموقع إلى موقع المستقبل، وعادةً ما يتم تثبيت الألياف أحادية النمط من “Corning SMF28” لنقل حركة التردد اللاسلكي إمّا بأطوال موجية ليزر “1310 نانومتر” أو “1550 نانومتر”، حيث يكون التوهين البصري “0.4 ديسيبل / كم” و”0.25 ديسيبل / كم” على التوالي.
كما يتم إنهاء الكابل البصري من المصنع باستخدام موصلات “FC / APC” القياسية في الصناعة، حيث تضمن الواجهة الأمامية المصنوعة من الألياف ذات الجوانب بزاوية “8 درجات”، والحد الأدنى من فقدان الإرجاع بمقدار “60 ديسيبل”.
- “FC” هي اختصار لـ “Fiber Connector”.
2- جهاز استقبال بصري
ينبعث الضوء المنبعث من جهاز الإرسال من الألياف الضوئية ذات الوضع الفردي في موقع الاستقبال ويتم اقترانها بوحدة الاستقبال باستخدام موصلات “FC / APC”، وداخل وحدة الاستقبال يقوم الثنائي الضوئي عالي السرعة “PIN” بإجراء عملية تحويل “O / E” لتوصيل ناتج إشارة كهربائية “RF”، كما يتم تمثيل سلوك الثنائي الضوئي النموذجي من خلال منحنى الاستجابة.
يعد توفير ارتباط موثوق به مع نسبة إشارة إلى ضوضاء كافية “SNR” وعرض النطاق الترددي لتقديم اتصالات عالية السعة، تحدياً حاسماً للاتصالات اللاسلكية الضوئية “OW” وفهم وتحسين أداء الأنظمة الفرعية للمرسل والمستقبل بشكل مشترك وجزء أساسي من هذا، وفي جهاز الإرسال يجب تعديل مصدر الضوء سواء كان ليزراً أو الصمام الثنائي الباعث للضوء بإشارة الاتصالات.
كما يجب توجيه الانبعاث الناتج باستخدام البصريات أو أنظمة التوجيه كما هو مطلوب للتطبيق المعين ويجب أن يكون ضمن أي مستويات أمان تحددها المعايير ذات الصلة، كما يُعد جهاز الاستقبال أهم جزء في أي ارتباط بصري، حيث يعد تصميمه عاملاً مهيمناً في تحديد نسبة الإشارة إلى الضوضاء “SNR” المستلمة والتي تحدد السعة وفائدة الارتباط في النهاية.
كما يجب أن يقوم المستقبل بجمع إشعاع الإشارة وتصفيته وتركيزه ثم اكتشاف وتضخيم الإشارة الكهربائية الناتجة، كما كان الهدف الرئيسي هو تحقيق الحد الأدنى من تشويه النبض مع أقصى مدى ديناميكي، وكما يتم استخدام النظام في إطار تجربة التلسكوب “MAGIC” لنقل المخرجات التماثلية من مضاعف للصور مخصص للرصد البصري للأجسام الفيزيائية الفلكية، ولا سيما النجوم النابضة.
تستقطب الإشارة المستقبلة مؤشر “LED” للأشعة تحت الحمراء (λ = 850 نانومتر)، والذي يحول النبضة إلى نبضة تماثلية بصرية، كما يتم إرسال النبضات الكهروضوئية عن طريق ألياف بصرية متعددة الأنماط ويتم تضخيمها في النهاية وترشيحها بواسطة جهاز الاستقبال البصري، ويتم اختبار النظام بأكمله باستخدام مولد نبضي يشبه نوع الإشارة النبضية التي يتم توقعها من النجوم النابضة، أي مع فترة تبلغ حوالي عشرات الملي ثانية وبضعة ملي ثانية في العرض، وكما يتم معايرة النظام من أجل:
- الحصول على علاقة ثابتة بين النبضة المستقبلة والبيانات النهائية.
- تعزيز النطاق الديناميكي والتشوه المنخفض.
كما يتم إظهار سلوك المرسل البصري تحت أشكال مختلفة من النبضات والسعة والترددات التي تصل إلى عدة مئات من هرتز، ويتم تركيب النظام الكهروضوئي على تلسكوب ماجيك وتم اختباره بنجاح من خلال مراقبة الإشارة الضوئية النبضية من نجم السرطان النابض.
ملاحظة: “APC” هي اختصار لـ “Association for Progressive Communications”.
ملاحظة: “OW” هي اختصار لـ “Optical wireless”.
ملاحظة: “RF” هي اختصار لـ “radio frequency”.
ملاحظة: “SNR” هي اختصار لـ “Signal to Noise Ratio”.
تطور المرسلات الكهروضوئية في الاتصالات البصرية
أدى النمو السريع للخدمات الرقمية إلى انتشار واسع للإلكترونيات الضوئية التي تزود الإنترنت كعمود أساسي للاتصال الفعال، كما يُعد الليزر المعدل بالامتصاص الكهربائي “EML” مثالاً تمثيلياً لمحول ضوئي كهربائي متكامل مترابط أصبح في وقت مبكر سلعة، كما تم اعتماده على نطاق واسع في شبكات الاتصالات نظراً لتوليد الضوء وتعديله الموفر للتكلفة والطاقة.
كما يتم استعراضه لدراسة أحدث تطبيقات “EML” وعلى الرغم من بساطته يعالج “EML” العديد من حالات الاستخدام التي تتطلب إمّا إرسال أو استقبال إشارات ضوئية، مثل روابط تعديل أو كشف مباشر لكثافة النطاق الترددي الخالي من المعادل عند محرك إشارة منخفض، ونقل إشارة تماثلية مع سلامة إشارة عالية والنحت الطيفي للانتقال المتسامح مع التشتت وتعديل ناقلات.
كما يتم في النهاية الوصول إلى وظيفة جهاز الإرسال والاستقبال ثنائي الإرسال بدلاً من زوج من الأنظمة الفرعية أحادية الاتجاه أحادية الاتجاه من خلال الجمع بين الإرسال والاستقبال، كما تتمثل الإستراتيجية في تقليل تكلفة محرك اتصالات ثنائي الاتجاه بشكل كبير من أجل البيانات الرقمية المتماسكة، والنقل التماثلي عبر الألياف والمدى البصري.
كما يتم إثبات نضج “EMLs” باعتبارها أجهزة إرسال واستقبال متماسكة من خلال عقوبة صغيرة لتحقيق الإرسال المزدوج الكامل وإنجاز الكشف عن التجانس، والذي يتجنب معالجة الإشارات الرقمية لغرض استعادة الإشارة.
- “EML” هي اختصار لـ “Electro-absorption modulated laser”.
