مرسلات ومستقبلات الألياف الضوئية

لكي يمكن إرسال البيانات خلال كابل الألياف الضوئية من الضروري أن يكون متوفر مصدر ضوء أو جهاز إرسال بصري، كما يُعد جهاز إرسال الألياف الضوئية أحد العناصر الرئيسية لأي نظام اتصالات ألياف ضوئية وبمجرد إرسال البيانات عبر كابل الألياف الضوئية، ومن الضروري استقبالها وتحويلها إلى إشارات كهربائية بحيث يمكن معالجتها وتوزيعها إلى مكانها النهائي، كما يُعد مستقبل الألياف الضوئية هو الجزء الأساسي في هذه العملية، حيث يقوم بالاستقبال الفعلي للإشارة الضوئية ويغيرها إلى نبضات كهربائية.

ما هي مرسلات الألياف الضوئية Fiber Optic Transmitters؟

مرسلات الألياف الضوئية: هي أجزاء من شبكة الألياف الضوئية التي تترجم الإشارة الإلكترونية إلى إشارة ضوئية، حيث يمكن بعد ذلك إرسال هذه الإشارة على طول الألياف الزجاجية الضوئية كنبضة ضوئية كما تُعد الألياف الضوئية من أكثر أشكال الاتصالات تقدماً، حيث إنّها قادرة على إرسال معلومات ذات نطاق ترددي عالٍ عبر مسافات طويلة جداً ودون التعرض لخطر التداخل الكهرومغناطيسي، حيث أنّ الألياف مصنوعة من الزجاج.

أولاً: آلية عمل مرسلات الألياف الضوئية:

تتكون أجهزة إرسال الألياف الضوئية من دائرة واجهة ودائرة محرك مصدر ومصدر بصري، حيث تستقبل دائرة الواجهة الإشارات الكهربائية، كما تقوم دائرة محرك المصدر بتحويلها إلى إشارات ضوئية وتطلق الصمام الثنائي أو الصمام الثنائي الليزري الذي يرسل بعد ذلك إشارات الضوء إلى كابل الألياف الضوئية حيث ينتقلون إلى وجهتهم.

تقوم أجهزة إرسال الألياف الضوئية بتحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية، وبعد ذلك تحقن هذه الإشارات الضوئية في كابل توصيل صورة مرسل الألياف الضوئية، كما يستخدمون الثنائيات الباعثة للضوء “LED” أو الصمامات الثنائية الليزرية كمصدر بصري، وهي مصممة للاستخدام مع الألياف أحادية الوضع أو متعددة الأوضاع، حيث يمكن لأجهزة إرسال الألياف الضوئية تشغيل أو إيقاف تشغيل الضوء المعدل أو تغيير شدة الضوء خطياً بين مستويين محددين مسبقاً، وهي متوفرة كشرائح أو وحدات قائمة بذاتها.

• “LED” هي اختصار لـ “Light Emitting Diode”.

ثانياً: أنواع مرسلات الألياف الضوئية:

• تنتج مصابيح “LED” ضوء غير متماسك مقترن بالألياف الضوئية، وغالباً ما يتم استخدامها في شبكات المنطقة المحلية.

• تنتج ثنائيات الليزر ضوءاً اتجاهياً ومتماسكاً، ممّا يعني أنّ ضوءاً أقل تشتت وفقداً في عملية النقل، كما قد حلت أشعة الليزر الباعثة لسطح التجويف العمودي “VCSELs” إلى حد كبير محل مصابيح “LED”؛ لأنّها تميل إلى توفير سرعة وقوة أفضل.

ملاحظة:“VCSELs” هي اختصار لـ “Vertical Cavity Surface Emitting Lasers”.

ثالثاً: مواصفات جهاز إرسال الألياف الضوئية:

• نوع “LED” متصل بالتيار المستمر.

• موصلات الواجهة هي مقبس “2 مم”.

• الطول الموجي للمصدر هو “660 نانومتر”.

• تيار العرض بحد أقصى “100 مللي أمبير”.

• المنفذ التسلسلي هو “Max232 IC Driver”.

• نوع إشارة الإدخال عبارة عن بيانات رقمية.

• مشغل “LED” موجود على “IC Driver”.

• واجهة “LED” عبارة عن غطاء ذاتي القفل.

• أعلى جهد دخل هو “+ 5 فولت”.

• سرعة معدل البيانات “1 ميجابت في الثانية”.

• العرض الجهد “+ 15V DC”.

ما هي مستقبلات الألياف الضوئية Fiber Optic Receivers؟

مستقبلات الألياف الضوئية: هو عنصر حاسم في نظام الاتصال البصري لأنّه غالباً ما يحدد أداء النظام الكلي، حيث تتمثل وظيفة المستقبل الضوئي في اكتشاف الطاقة الضوئية الواردة، واستخراج الإشارة سواء كانت تماثلية أو رقمية التي يتم إرسالها، كما يجب أن تحقق هذه الوظيفة مع تلبية متطلبات نظام معينة مثل المستوى المطلوب لنسبة الإشارة إلى الضوضاءومعدل خطأ البتات.

أولاً: آلية عمل مستقبلات الألياف الضوئية:

تقوم مستقبلات الألياف الضوئية بتغيير الإشارات الضوئية “traffic lights” إلى إشارات كهربائية لاستعمالها بواسطة معدات مثل شبكات الكمبيوتر، كما تتكون هذه الأجهزة الكهروضوئية من كاشف بصري ومضخم منخفض الضوضاء ودائرة تكييف إشارة، وبعد أن يحول الكاشف البصري الإشارة الضوئية الواردة “traffic lights” إلى إشارة كهربائية، ويعمل مكبر الصوت برفعها إلى مستوى مناسب لمعالجة إضافية للإشارة حيث يحدد نوع التعديل ومتطلبات الناتج الكهربائي ما هي الدوائر الأخرى المطلوبة.

تستخدم مستقبلات الألياف الضوئية الوصلات الموجبة السلبية “PN” أو الثنائيات الضوئية السلبية الجوهرية الموجبة “PIN” أو الثنائيات الضوئية الانهيار “APD” ككاشفات بصرية، حيث يتم إرسال إشارة الضوء الواردة “Light signal” بواسطة جهاز إرسال الألياف البصرية أو جهاز الإرسال والاستقبال، وتنتقل عبر كابل بصري أحادي الوضع أو متعدد الأوضاع اعتماداً على إمكانيات الجهاز، كما يقوم مزيل تشكيل البيانات بتحويل الإشارة الضوئية “traffic lights” إلى شكلها الكهربائي الأصلي، وفي أنظمة الألياف الضوئية الأكثر تعقيداً تُستخدم أيضاً مكونات مضاعفة تقسيم الطول الموجي “WDM“.

يحتوي جهاز الاستقبال الضوئي على مرشح تمرير منخفض “Low pass filter” لكل تطبيق رقمي، حيث يعتمد نطاق تمرير المرشح على معدل بيانات التطبيق لنظام شبكة الألياف الضوئية، كما يستخدم المرشح لتنعيم الإشارة المكبرة لإزالة بعض ضوضاء التردد العالي قبل معالجة الإشارة بشكل أكبر، حيث يحتوي جهاز الاستقبال الرقمي بشكل عام على مقارن، والذي يعيد تنسيق الإشارة الكهربائية المضخمة لإزالة أي تشوهات يتم إدخالها في عملية الإرسال، كما تأتي بعض أجهزة الاستقبال مزودة بدائرة استرداد على مدار الساعة والتي تعمل على إعادة توقيت الإشارة الكهربائية الناتجة أيضاً.

• “PN” هي اختصار لـ “Positive Negative Junctions”.

• “PIN” هي اختصار لـ “Positive Intrinsic Negative”.

• “APD” هي اختصار لـ “Avalanche Photodiodes optical Detectors”.

• “WDM” هي اختصار لـ “Wavelength Division Multiplexing”.

ثانياً: أنواع مستقبلات الألياف الضوئية:

• تحدد المستقبلات الرقمية إشارات الإدخال وتضخمها، وبعد ذلك تعيد تشكيلها إلى إشارات ناتج غير مشوهة كهربائياً.

• تحدد المستقبلات التماثلية إشارات الإدخال البصري، وبعد ذلك تكبر التيارات الضوئية لزيادة جودة الإشارة دون تحويلها.

ثالثاً: مواصفات جهاز استقبال الألياف الضوئية:

• نوع الثنائي الضوئي هو “DC” مقترن.

• موصل الواجهة هو مقبس “2 مم”.

• يتراوح الطول الموجي للديود من “660 نانومتر” إلى “850 نانومتر”.

• الحد الأقصى للعرض الحالي هو “50mA”.

• سرعة نقل البيانات “5 ميجابت في الثانية”.

• مؤشر الكسوة المصنوعة من الألياف “1.402”.

• واجهة الثنائي الضوئي هي غطاء القفل الذاتي.

• الكابل الضوئي عبارة عن ألياف بلاستيكية متعددة الأنماط.

• ناقل الاستقبال هو ناقل الصمام الثنائي الداخلي.

• المنفذ التسلسلي هو “Max232 IC Driver”.

ملاحظة:“DC” هي اختصار لـ “Direct current” و”IC” هي اختصار لـ “Interface Communication”.

أنظمة الألياف الضوئية:

تستخدم معظم الأنظمة “جهاز إرسال واستقبال” يتضمن كلاً من الإرسال والاستقبال في وحدة واحدة كما يأخذ جهاز الإرسال مدخلاً كهربائياً ويحوله إلى ناتج ضوئي من صمام ثنائي ليزر أو “LED”، حيث يقترن الضوء من جهاز الإرسال بالألياف بواسطة موصل وينتقل عبر مصنع كابل الألياف الضوئية، كما يقترن الضوء من نهاية الألياف بجهاز استقبال، حيث يقوم الكاشف بتحويل الضوء إلى إشارة كهربائية يتم تكييفها بعد ذلك بشكل صحيح لاستعمالها بواسطة جهاز الاستقبال.

نظراً لأنّ استخدام الروابط بسرعة “100 جيجابت في الثانية” أو أكثر أصبح شائعاً، فإنّها تصبح روابط البيانات أكثر تعقيداً، وفي وضع السرعة التي أعلى من حوالي “25 جيجابت في الثانية”، يتم استخدام متوسط ​​حد التعديل المباشر لمصادر الليزر النموذجية وتعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي والبصريات المتوازية وأنظمة الألياف البصرية المتماسكة، وبالإضافة إلى ذلك يمكن أن تكون الأنظمة المتماسكة أكثر فعالية للتغلب على التشتت في الروابط الطويلة.