تعديل الطور الذاتي في الاتصالات SPM

غالباً ما يُنظر إلى تعديل الطور الذاتي على أنّه ضار لأنظمة الاتصالات الضوئية، وفي هذه النظرة العامة يكون له تأثيرها على مثل هذه الأنظمة، كما أنّه يتضمن العديد من التطبيقات المفيدة المتعلقة بمعالجة الإشارات الضوئية بالكامل وتشكيل “soliton” والتجديد البصري.

ما هو تعديل الطور الذاتي SPM

تعديل الطور الذاتي “SPM”: هو تأثير بصري غير خطي لتفاعل الضوء مع المادة، ونبضة ضوئية شديدة القصر، أمّا عند السفر في وسط سوف تُحدث معامل انكسار متغير للوسط بسبب “تأثير كير البصري”، كما سيؤدي هذا الاختلاف في معامل الانكسار إلى تحول طور في النبضة، ممّا يؤدي إلى تغيير طيف تردد النبضة.

إنّ مقدار تعديل الطور الذاتي في نظام إرسال بصري متماسك ينمو ببطء أكبر بالنسبة للإشارة المعدلة بالطور مقارنة بالإشارة ذات الاتساع، كما أنّ تدهور الإشارة يكون من حيث الاختلافات في المحتويات الطيفية لتشكيلات الاتساع والطور، ويتم تقديم التعبيرات التحليلية الصريحة لمؤشرات التشكيل الخطي للطور واتساع أنظمة الإرسال المتماسكة ذات مفتاح إزاحة الطور.

• “SPM” هي اختصار لـ ” Self Phase Modulation”.

أساسيات تعديل الطور الذاتي SPM

يظهر تضخيم النبضات الضوئية فائقة القصر في مكبرات الليزر شبه الموصلة أنّه ينتج عنه توسع طيفي كبير وتشويه نتيجة للظاهرة غير الخطية لتعديل الطور الذاتي “SPM”، والآلية الفيزيائية وراء “SPM” هي اكتساب التشبع ممّا يؤدي إلى تغييرات تعتمد على الكثافة في معامل الانكسار استجابةً للتغيرات في كثافة الموجة الحاملة، كما أنّ تأثير الشكل والتردد الأولي لنبضات الإدخال يكون على شكل وطيف النبضات المضخمة بالتفصيل.

يتم إيلاء اهتمام خاص للحالة التي يكون فيها عرض النبض المدخل مشابهاً لعمر الموجة الحاملة بحيث يكون للكسب المشبع وقتاً للتعافي جزئياً قبل وصول الحافة الخلفية للنبضة، والنتائج التجريبية التي تم إجراؤها باستخدام نبضات إدخال بيكو ثانية من ليزر أشباه الموصلات مغلق الوضع “1.52 ميكرون”، كما تتفق مع النظرية.

وعندما يتم تمرير النبضة المضخمة عبر الألياف يتم ضغطها في البداية بسبب كمية التردد المفروض عليها بواسطة مكبر الصوت، كما يمكن استخدام هذه الميزة للتعويض عن تشتت الألياف في أنظمة الاتصالات الضوئية.

آلية عمل تعديل الطور الذاتي SPM

يتم تحويل الطول الموجي القائم على تعديل الطور الذاتي “SPM” عند “1.55 ميكرومتر” باستخدام ثلاثة أنواع تجارية مختلفة من الألياف الضوئية، كما يتم استخدام محاكاة عددية للتنبؤ بأداء كل نوع من الألياف ولمعالجة إمكانات كل نوع من أنواع الألياف في تطبيقات تحويل الطول الموجي باستخدام تعديل الطور الذاتي، كما أنّ تحويل الطول الموجي الذي يزيد عن “± 5 نانومتر” يمكن تحقيقه باستخدام طاقة إشارة ذروة خرج تبلغ حوالي “30 ميجاواط” ممّا يؤدي إلى أداء أفضل بشكل ملحوظ.

يؤثر تعديل الطور الذاتي على أداء نظام الراديو عبر الألياف “RoF” عن طريق إحداث توسيع طيفي للنبضة المرسلة وبالتالي ينتج عنه تشتت، حيث يحلل هذا تأثيرات “SPM” على النبض البصري الذي ينتشر عبر الألياف، ويقترح تقنية تعويض متماثل متماثل “SSP” للتغلب على تأثيرات “SPM” في نظام “RoF” أحادي النغمة.

تكشف نتائج المحاكاة أن توسيع النبضة بسبب “SPM” يتم تقليله من خلال استخدام تقنية تعويض “SSP” في قناة الإرسال؛ لأنّها توفر زيادة بمقدار “2 ديسيبل” في “OSNR” مقارنةُ بتقنية التعويض التقليدية، كما توفر التقنية المقترحة النتيجة المثلى بمعدل بتات يبلغ “40 جيجابت في الثانية”، وقدرة إطلاق تبلغ “10 ميجاواط” على مسافة نقل تبلغ “400 كم” للتخفيف من تأثيرات “SPM”.

يتم عرض الديناميكيات الناتجة عن التأثيرات المجمعة للحيود المكاني واللاخطي ومؤشر متدرج مكافئ لانتشار الموجات في الألياف الضوئية، كما يتم الحصول على حل تحليلي تقريبي لمعادلة “شرودنجر” اللاخطية في ألياف مؤشر متدرج باستخدام نهج متغير، حيث يتم التركيز بشكل خاص على تباين كل من عرض النبضة وتأخر المرحلة الطولية مع مسافة الانتشار على طول الألياف.

لا يزال انتشار النبضات الضوئية شديدة القصر في وسط “كير” مثل الألياف الضوئية يمثل مشكلة حرجة لأداء العديد من الأنظمة الضوئية، مثل توصيل الحزمة أو الاتصال البصري أو أنظمة تضخيم النبض، وذلك لأنّ تعديل الطور الذاتي “SPM” لنبضة الانتشار عادةً ما يؤدي إلى توسيع طيف النبضة المصحوب عادةً ببنية متذبذبة تغطي نطاق التردد بأكمله.

• “OSNR” هي اختصار لـ “Optical Signal to Noise Ratio”.

• “SSP” هي اختصار لـ “service switching point”.

• “RoF” هي اختصار لـ “Radio over Fiber”.

تطور واستخدامات تعديل الطور الذاتي SPM

تم اقتراح العديد من الاستراتيجيات ونشرها بنجاح لمواجهة الآثار الضارة لـ “SPM” في أنظمة الألياف الضوئية، وتشمل هذه التحجيم المكاني أو الزماني لتقليل تأثير اللاخطية عن طريق استخدام ألياف منطقة النمط الكبيرة جداً أو تضخيم النبضات المزقدة “turquoise”، كما تعتمد فئة مختلفة من المناهج على استغلال الخصائص المميزة للنبضات ذات الشكل المكافئ والتطور الذاتي المماثل واستخدام أنواع أخرى من نبضات المدخلات مسبقة التشكيل، وكذلك تعويض تحولات الطور غير الخطي مع تشتت الدرجة الثالثة.

ومع ذلك لا تحافظ أي من هذه التقنيات الأخيرة على المدة الزمنية للنبض، حيث تتمثل إحدى التقنيات البسيطة لتعويض المرحلة غير الخطية الناتجة عن “SPM”، وتوسيع الطيف المرتبط بنبضات ضوئية نانوثانية أو بيكو ثانية في استخدام مُعدِّل الطور الكهروضوئي لنقل المرحلة المعاكسة إلى النبضات، وأثبتت هذه الطريقة التي تحاكي استخدام مادة ذات مؤشر انكسار غير خطي سالب نجاحها في تطبيقات الاتصالات الضوئية للألياف الضوئية، والفضاء الحر باستخدام أنظمة مفتاح إزاحة الطور وفي توليد نبضات نانوثانية عالية القدرة.

كما أنّه مؤخراً تم إثبات بشكل تجريبي أنّه بالنسبة لنبضات الإدخال ذات الشكل الغاوسي، فإنّ استخدام إشارة محرك جيبية بسيطة لمغير الطور بسعة وتردد مناسبين كافٍ لتقليل توسيع الطيف غير الخطي إلى حد كبير ولتعزيز الجودة الطيفية بشكل كبير النبضات بينما تبقى مدتها الزمنية غير متأثرة، كما تم تقديم تحليلاً شاملاً لطريقة التخفيف “SPM” التي تتضمن استخدام تعديل الطور الجيبي.

معظم الأعمال التجريبية لم تناقش حساسية التقنية لخصائص النبض الأولية، حيث يجب تذكر مفهوم الطريقة ومعرفة إذا كانت النظرية قادرة على إثبات المبدأ، بعد ذلك يتم اشتقاق صيغة مغلقة دقيقة للعرض الطيفي لجذر متوسط ​​التربيع لنبضة غاوسية مبدئية بعد خضوعها لـ “SPM”، ومع تطبيق المرحلة التصحيحية ممّا يؤكد التخفيض الكبير لتوسيع الطيف الناجم عن “SPM” الذي يمكن تحقيقه مع تعويض الطور.

بعد ذلك يتم وصف تأثير شكل النبضة الأولية ومدتها على فعالية التقنية من خلال المحاكاة العددية للمعادلة الحاكمة، حيث أظهرت أنّه بالنسبة للنبضات القاطعة الزائدية فإنّ تحسين معلمات الجيب للموجة الجيبية المُعدّل من خلال مسح مساحة تردد السعة يتفوق على اختيار المعلمة بناءً على إرشادات تحليلية بسيطة.

ومن خلال تغيير مدة النبضة الأولية عبر ترتيب من حيث الحجم تم إظهار الاختلافات المهمة في الأداء بين مخططات التعويض قبل وبعد الانتشار، وتبين أنّ التخفيف الملحوظ لـ “SPM” يمكن تحقيقه حتى في وجود تشتت الألياف غير المهمل.