المستقبل الليفي البصري الرقمي Digital Fiber Optic Receiver

تم تصميم جهاز الإرسال الرقمي بالألياف الضوئية لنطاق تردد مسموع وتم قياس وتحليل معلمات مثل عرض النطاق الترددي والتوهين والشدة وأداء المكونات المختلفة، وكان أداء النظام على مستوى التوقعات.

ما هو المستقبل الليفي البصري الرقمي Digital Fiber Optic Receiver

المستقبل الليفي البصري الرقمي “Digital Fiber Optic Receiver”: الذي يسمى أحياناً مستقبل الألياف البصرية وهو أحد مكونات شبكة الألياف البصرية، حيث يتمثل دور المستقبل في ترجمة نبضات الضوء التي يتم إرسالها عبر الألياف الضوئية إلى إشارات كهربائية، وبمجرد تحويل المعلومات إلى كهرباء يمكن قراءة المعلومات بواسطة جهاز إلكتروني مثل جهاز كمبيوتر متصل بالشبكة.

أساسيات المستقبل الليفي البصري الرقمي

يُعد المستقبل البصري مكوناً مهماً في شبكة الألياف الضوئية، وفي الألياف الضوئية يتم استخدام الضوء لإرسال المعلومات بين الأجهزة الإلكترونية مثل جهازي كمبيوتر على الشبكة، كما تُستخدم الكابلات التي تُصنع عادةً من زجاج السيليكا شديد الانعكاس لنقل نبضات الضوء ويرتد الضوء أسفل أنبوب السيليكا المجوف حتى يصل إلى المستقبل البصري في الطرف الآخر.

تكون المعلومات المرسلة عبر كابل الألياف الضوئية على أسلوب نبضات ضوئية، كما يتم ترجمة هذه النبضات إلى معلومات كهربائية بواسطة جهاز الاستقبال البصري، ويترجم هذا الجهاز نبضات الضوء إلى سلسلة من الآحاد والأصفار تسمى الكود الثنائي، ويمكن لأجهزة الكمبيوتر بعد ذلك ترجمة هذه الخيوط الطويلة من النظام الثنائي إلى العمليات التي تظهر على شاشات الكمبيوتر.

تنتقل نبضات الضوء عبر كابلات الألياف الضوئية حتى تصل إلى الثنائي الضوئي على جهاز استقبال بصري كما يتكون الثنائي الضوئي من مادة يمكن أن تفقد الإلكترونات، وعندما يصطدم بفوتون يتحرك عند طول موجي معين، وعندما تضرب الطاقة الضوئية الثنائي الضوئي يتم إطلاق الإلكترونات.

تولد هذه الإلكترونات شحنة كهربائية صغيرة جداً يجب على المستقبل البصري تضخيمها بعد ذلك وبمجرد تضخيم الإشارة يمكن ترجمتها إلى معلومات كهربائية على شكل دفق من الأرقام الرقمية والأصفار، كما قد تختلف النبضات الضوئية المرسلة عبر كابل الألياف الضوئية بدرجة كبيرة في مستويات طاقتها، حيث تحدد المادة التي يتكون منها الثنائي الضوئي نطاق مستويات الطاقة التي يمكن ترجمتها إلى كهرباء.

يمكن لثنائيات السيليكون الضوئية على سبيل المثال تلقي معلومات تنتقل بين “190 نانومتر” و”1100 نانومتر” من أطوال موجات الطيف الكهرومغناطيسي، ويمكن لكبريتيد الرصاص تلقي المعلومات فقط من الفوتونات ذات الطاقة الكافية للسفر بين “1000 نانومتر” و”3500 نانومتر”.

يمكن للمستقبلات الضوئية فقط تحويل المعلومات الضوئية إلى معلومات كهربائية، وجهاز مشابه يسمى جهاز الإرسال البصري ويستخدم لتحويل المعلومات الكهربائية إلى ضوء، كما يوجد أيضاً جهاز يسمى جهاز الإرسال والاستقبال البصري والذي يمكنه استقبال ونقل المعلومات الضوئية والكهربائية والترجمة بحرية بين الاثنين.

تطور المستقبل الليفي البصري الرقمي

يهتم بكيفية اختيار المضخم الأمامي ودائرة التحيز للكاشف الضوئي بشكل صحيح وكيف تختلف القدرة المطلوبة لتحقيق معدل الخطأ المطلوب باختلاف معدل البت، وشكل النبض البصري المستقبَل وشكل نبضة الناتج المعادل للنطاق الأساسي المطلوب، كما أنّ التصميم المناسب للواجهة الأمامية يشتمل على مضخم مسبق عالي المقاومة يميل إلى دمج ناتج الكاشف.

ويجب أن يتبع ذلك معادلة مناسبة في المراحل اللاحقة من القناة الخطية، وتُحسب نسبة الإشارة إلى الضوضاء في النطاق الأساسي كدالة لمعلمات المضخم الأولي، ويوفر مثل هذا التصميم انخفاضاً كبيراً في الطاقة الضوئية المطلوبة أو كسب الانهيار الجليدي المطلوب عند مقارنته بتصميم لم يتكامل في البداية.

كما أنّه عندما تتداخل النبضات الضوئية المستقبلة وعندما تتصرف القناة الضوئية خطياً في الطاقة يمكن استخدام معادلة النطاق الأساسي لفصل النبضات مع زيادة عملية، ولكن مهمة في الطاقة الضوئية المطلوبة ويتم حساب عقوبة الطاقة المطلوبة هذه كدالة لمدخلات وأشكال النبضات المتساوية.

يحتوي رابط النقل البصري على كل من وحدة الإرسال ووحدة الاستقبال القابلة للتشغيل في ظل ظروف غير مبردة أي دون الحاجة إلى معدات تبريد مكلفة مثل المبردات الكهروحرارية، كما يتضمن نظام الإرسال البصري كلاً من مصدر الصمام الثنائي الليزري لأشباه الموصلات ووحدة الاستقبال الضوئية المصممة للعمل بدون تبريد، وتحت ترددات عالية نطاق جيجاهرتز على نطاق واسع من درجات الحرارة دون تغييرات كبيرة في عرض النطاق الترددي للإشارة وفي درجات حرارة تزيد عن “125 ° C”.

يتم توفير التعويض لتقليل تأثير ضوضاء الثنائي الضوئي وضوضاء مكبر الصوت، بالإضافة إلى ذلك يمكن توفير تعويض درجة الحرارة الذي يوفر تقليلًا عاماً لضوضاء المستقبِل، وعبر عرض النطاق الترددي لوحدة الاستقبال من خلال الحفاظ على بيئة درجة الحرارة التي تعمل على تحسين أداء المستقبل.

مبدأ عمل المستقبل الليفي البصري الرقمي

تشتمل أنظمة الاتصال أو الإرسال الضوئية بشكل أولي على وحدة إرسال بصرية مقترنة بوسيط إرسال بصري مثل الألياف الضوئية والتي تقترن بجهاز استقبال بصري، وتحتوي وحدة الإرسال الضوئية على مصدر صمام ثنائي ليزر ومحرك دائرته لتعديل شدة المصدر وفقاً للبيانات المراد نقلها عبر الرابط.

عادةً يتم استقبال الإشارة الضوئية في وحدة الاستقبال البصري، حيث يتم تغيير الإشارة من خلال جهاز كشف ضوئي إلى إشارة تيار كهربائي يتم تضخيمها بعد ذلك، وتعتبر وحدة الاستقبال مكوناً مهماً في ارتباط اتصال البيانات، حيث يكون للضوضاء أكبر تأثير ضار، والهدف العام في تصميم أنظمة الإرسال البصري هذه هو تحسين عرض نطاق الإشارة وتقليل الضوضاء بالنسبة إلى معدل بتات بيانات معين، ولكن هذه العوامل مقيدة بأداء وحدة المستقبل البصري.

وبالتالي في محاولة تحسين أداء الإشارة إلى الضوضاء “SNR” هناك متطلبات متضاربة لعرض النطاق الترددي الواسع وتوليد الضوضاء المنخفضة، لذلك من المرغوب بشكل عام في تصميم النظام تحقيق عرض نطاق ممتد للمستقبل دون زيادة إجمالي الضوضاء، كما تتميز الصمامات الثنائية الليزرية النموذجية المستخدمة في جهاز إرسال ضوئي بدرجات حرارة عالية للتوصيل، مثل أعلى من “80 درجة مئوية” بحيث يكون من الضروري توفير تبريد فعال لها.

وخلاف ذلك سوف يدمرون أنفسهم في فترة زمنية قصيرة، كما يتم التبريد بشكل عام باستخدام المبردات الكهروحرارية، ومع ذلك فإنّ هذه المبردات هي سبب رئيسي لفشل أجهزة إرسال الليزر المعبأة ولا يمكن التسامح مع مثل هذه الإخفاقات في العديد من التطبيقات، كما هو الحال في حالة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية.

عادةً ما تتطلب هذه المبردات “4 واط” من الطاقة لكل واط من الطاقة الحرارية التي يتم إزالتها وهو استهلاك رئيسي للطاقة، ويمكنهم عادة خفض درجة حرارة الصمام الثنائي لليزر بما يصل إلى “45 درجة مئوية”، ومع ذلك من الواضح أنّ هذا لا يكفي لوحدات الإرسال الضوئية المطلوبة للعمل في درجات حرارة تزيد عن “100 درجة مئوية”، وعلاوة على ذلك في درجات الحرارة العالية هذه المبردات تميل إلى التفكيك بسبب درجة حرارة الانصهار المنخفضة المستخدمة في تصنيعها.

لذلك بالنسبة لبيئات التشغيل ذات درجات الحرارة العالية فإنّ استخدام المبردات الكهروحرارية ليس عملياً، ومن المرغوب فيه استخدام ثنائيات الليزر غير المبردة بالإضافة إلى وحدات الاستقبال المتوافقة في درجات حرارة تشغيل بيئية عالية، مثل التي تزيد عن “80 درجة مئوية” لأنّها تلغي الحاجة إلى المبردات الكهروحرارية التي تضيف تعقيداً، وتكلفة إضافية إلى حزمة وصلة النقل البصري نظراً لضرورة وجود مصادر طاقة إضافية وأجهزة استشعار ووحدات تحكم في درجة الحرارة.