الاتصالات البصرية - Optical Communication

منذ بدء ثورة الاتصالات مع اختراع الألياف الضوئية منخفضة الخسارة في عام 1970م، كانت شركة (Corning) تبتكر باستمرار لزيادة سرعة وسعة الشبكات الضوئية مع تقليل تكاليف التركيب، أمّا اليوم قُدمت حلول الاتصالات البصرية لقطاعات متنامية مثل الألياف إلى المنزل والتكنولوجيا اللاسلكية ومراكز البيانات واسعة النطاق.

يتمثل الهدف النهائي لشبكة النقل المستقبلية في إنشاء شبكة بصرية كاملة والتي تتمثل في تحقيق نقل الألياف الضوئية بدلاً من نقل الأسلاك النحاسية في شبكة الوصول والشبكة الأساسية، أدركت الشبكة الأساسية وشبكة المنطقة الحضرية أساس الشبكة الضوئية بالكامل، وفي الوقت الحاضر يتطور مجتمع المعلومات بشكل أسرع وأسرع لإنّ الاتصال البصري سيسهل حتماً المزيد من تقدم الشبكة.

ما هو الاتصال البصري – Optical Communication؟

الاتصال البصري (Optical Communication): هو نوع من الاتصالات يستخدم فيه الضوء لنقل الإشارة إلى الطرف البعيد بدلاً من التيار الكهربائي، ويعتمد الاتصال البصري على الألياف الضوئية لنقل الإشارات إلى وجهاتها ويعد المغير أو مزيل التشكيل وجهاز الإرسال والمستقبل والإشارة الضوئية والقناة الشفافة اللبنات الأساسية لنظام الاتصالات البصرية، وبسبب مزاياها العديدة على النقل الكهربائي حلت الألياف الضوئية إلى حد كبير محل اتصالات الأسلاك النحاسية في الشبكات الأساسية في العالم المتقدم.

مكونات الاتصالات البصرية:

منذ تطوير كابلات الألياف الضوئية منخفضة الفاقد في السبعينيات، أصبحت الاتصالات البصرية واحدة من أكثر طرق الاتصال شيوعاً، وتتكون أنظمة الاتصالات البصرية من المكونات التالية:

• المرسل (Transmitter): يحول وينقل الإشارة الإلكترونية إلى إشارة ضوئية وأكثر أجهزة الإرسال شيوعاً هي أجهزة أشباه الموصلات مثل الثنائيات الباعثة للضوء (LED) وثنائيات الليزر.
  
• أجهزة الاستقبال (Receive): تتكون عادةً من كاشف ضوئي والذي يحول الضوء إلى كهرباء باستخدام التأثير الكهروضوئي وعادةً ما يكون كاشف الصور عبارة عن ثنائي ضوئي قائم على أشباه الموصلات.
  
• الألياف الضوئية (Optical fiber): تتكون من لب وكسوة وعازل يتم من خلاله توجيه الضوء على طول القلب باستخدام الانعكاس الداخلي الكلي.
  

يتم استخدام العناصر الإضافية مثل مفاتيح الربط والكابلات والمولدات ومقسمات الحزمة والمضخمات الضوئية لتحسين أداء نظام الاتصالات.

الفوائد الرئيسية للاتصال البصري:

• عرض النطاق الترددي العالي.
  
• الخسارة المنخفضة بشكل استثنائي.
  
• نطاق الإرسال الكبير.
  
• عدم وجود تداخل كهرومغناطيسي.
  

عيوب الاتصال البصري:

• التكلفة العالية للكابلات.
  
• جهاز الإرسال والاستقبال ومعدات الدعم الأخرى عالية التكلفة.
  
• يجب توفر المهارة والخبرة العالية أثناء تركيب الكابلات والتوصيل البيني.
  

مزايا الاتصال البصري:

1. مسافة انتقال طويلة وتوفير الطاقة:

افترض أنّك تريد إرسال 10 جيجابت من المعلومات في ثانية واحدة أي 10 مليارات إشارة، إذا كنت تستخدم اتصالاً كهربائياً فأنت بحاجة إلى ضبط الإشارة كل 100 متروفي المقابل يتطلب استخدام الاتصال البصري فاصل زمني يزيد عن 100 كيلومتر وكلما قل عدد مرات ضبط الإشارة سيتم استخدام عدد أقل من الأجهزة وبالتالي توفير الطاقة.

وعندما تتصل أو تدردش عبر الإنترنت الآن مع أصدقائك البعيدين ستشعر أنّه لا يوجد فرق مع المحادثة المحلية دون تأخر في الصوت وفي عصر الاتصالات الكهربائية يمكن للمرء أن يرسل على مسافة قصيرة ونقل معلومات أقل ويتم نقل الاتصالات الدولية بشكل أساسي عبر القمر الصناعي كمرحل، ومع الاتصال البصري يمكن للمرء أن ينتقل لمسافات طويلة ونقل المزيد من المعلومات، لذلك باستخدام كابلات الألياف الضوئية الموضوعة في قاع البحر يمكن التواصل مع الخارج والموجات الكهربائية لها نفس سرعة الموجات الضوئية ولأنّ مسار الإرسال أطول بواسطة القمر الصناعي فإنّ الإشارة تصل بشكل أبطأ، والكبل البحري أقصر بكثير لذا ستكون الإشارة أسرع.

2. نقل كمية هائلة من المعلومات في وقت واحد باستخدام الاتصال البصري:

يمكن لعدد كبير من المستخدمين تلقي المعلومات المطلوبة في نفس الوقت كأفلام أو أخبار في ثانية واحدة، يمكن أن تنقل الاتصالات الكهربائية بسرعة (10 جيجابت فقط) من المعلومات أي 10 مليار إشارة في النظام الثنائي، أمّا في المقابل يمكن أن ينقل الاتصال البصري معلومات تصل إلى 1 تيرابايت أي 1 تريليون إشارة في النظام الثنائي.

3. سرعة الاتصال السريع:

يمكن أن يتسبب الاتصال الكهربائي في حدوث أخطاء في الضوضاء الكهربائية ممّا يؤدي إلى انخفاض سرعة الاتصال، ومع ذلك لا يتأثر الاتصال البصري بالضوضاء لذلك يمكنه نقل الإشارات بسرعة.

تاريخ الاتصالات البصرية:

استخدام الضوء لنقل المعلومات من مكان واحد إلى مكان آخر هي تقنية قديمة جداً، في 800 قبل الميلاد، استخدم الإغريق إشارات النار والدخان لإرسال المعلومات مثل الانتصار في الحرب والتنبيه ضد العدو وطلب المساعدة، وفي الغالب تم نقل نوع واحد فقط من الإشارات خلال الثانية، أمّا في القرن الأول قبل الميلاد تم تشفير الإشارات الضوئية باستخدام الإشارات مصابيح بحيث يمكن إرسال أي رسالة ولم يكن هناك تطور مهم في الاتصالات البصرية حتى نهاية القرن الثامن عشر، وكانت سرعة ارتباط الاتصال البصري محدودة نظراً لمتطلبات مسارات نقل خط البصر فإنّ العين البشرية كمستقبل وطبيعة غير موثوقة للإرسال وتتأثر مسارات سيون بالتأثيرات الجوية مثل الضباب والمطر.

في عام 1835م اخترع صموئيل مورس التلغراف وبدأ عصر الاتصالات الكهربائية في جميع أنحاء العالم حيث استخدام الكابلات السلكية لنقل إشارات مورس المشفرة تم تنفيذه في عام 1844م، وفي عام 1872م اقترح الكسندر جراهام بيل الهاتف المصور مع غشاء يعطي الكلام انتقال على مسافة 200 م؛ لكن في غضون أربع سنوات قام جراهام بيل بتحويل الفوتوفون إلى هاتف التيار الكهربائي لنقل الإشارات الكلامية، وفي 1878م تم تركيب أول مقسم هاتفي في نيو هاف وفي غضون ذلك اكتشف هيرتز موجات الراديو في عام 1887م أظهر ماركو اتصالاً لاسلكياً بدون استخدام أسلاك في 1895م وباستخدام تقنيات التعديل تم تحويل الإشارات وتم تقليده على مسافة طويلة باستخدام موجات الراديو والميكروويف كحامل.

تطبيق واستخدامات الاتصالات البصرية:

• تستخدم في أنظمة الهاتف.
  
• تستخدم في شبكات الكابلات البحرية.
  
• تستخدم في ربط البيانات لشبكات الكمبيوتر وأنظمة الكيبل التلفزيوني.
  
• تستخدم في كاميرات المراقبة (CCTV).
  
• تستخدم لتوصيل النار والشرطة وخدمات الطوارئ الأخرى.
  
• تستخدم في المستشفيات والمدارس وأنظمة إدارة المرور.
  
• لها العديد من الاستخدامات الصناعية وتستخدم أيضاً في الإنشاءات الشاقة.
  

المشاكل التي تواجه الاتصالات البصرية:

نظرًا لأنّ أنظمة الاتصالات البصرية أصبحت أكثر تعقيداً فقد أصبحت عرضة لرفض الخدمة والتنصت بطرق جديدة وفريدة من نوعها ويمكن أن يوفر القياس والمراقبة أماناً معززاً لتحديد النشاط المشبوه وبدء تدابير وقائية ضد رفض الخدمة والتنصت الناتج عن خطأ بشري أو هجوم ضار، ويعتمد المخطط الفعال على فهم الفيزياء الكامنة وراء نقل البيانات في شبكة (WDM) البصرية.

تعزز مضخمات الألياف المشبعة بالإربيوم (EDFA) أطوال الموجات في نطاق (1550 نانومتر) وعادةً ما يكون ضوء المضخة (1480) وعند إضافة طول موجة عالي الطاقة غير مرغوب فيه يمكن أن تحدث تأثيرات مهينة بشدة كمقياس لتحقيق هجوم رفض الخدمة، كما يمكن أن يتشبع الطول الموجي غير المرغوب فيه بشكل مكثف ويقلل من كسب مكبر بصري ويمكن أن يؤدي الحديث المتبادل البسيط إلى تدمير البيانات الموجودة على القنوات فإذا اختفى هذا الطول الموجي تعود الشبكة إلى وضعها الطبيعي دون أي أثر دائم للجاني، ويتم استخدام ضوء المضخة لإثارة ذرات الإربيوم إلى مدارات أعلى وتحفزها إشارة الإدخال على إطلاق الطاقة الزائدة كفوتونات في الطور وبنفس الطول الموجي.

الاتصالات البصرية وتكنولوجيا المعلومات ونقل بيانات المستقبل:

تتمتع المكونات والوسائط البصرية لنقل البيانات ببعض المزايا المهمة على نظيراتها الكهربائية مقارنة بالكابلات النحاسية، فإنّ استخدام كابلات الألياف البصرية أسهل وأكثر مرونة ويحتاج إلى مساحة أقل بينما يقلل من مخاطر الحريق بسبب انخفاض توليد الحرارة، ويكون عرض النطاق الترددي غير المحدود لتطبيقات الألياف البصرية (80 تيرابايت / ثانية) يفوق الإرسال الكهربائي بمقدار (50 ميجابت / ثانية) عدة مرات، وبالإضافة إلى ذلك يمكن نقل العديد من قنوات البيانات المستقلة عبر مسافات شاسعة مع خسائر منخفضة.
تتمثل الخطوة الأولى في تصميم أي نظام اتصال بصري في تحديد كيفية تحويل البيانات الثنائية الكهربائية إلى تيار بتات ضوئية ويتم استخدام المغير الكهروضوئي لهذا الغرض وتستخدم أبسط تقنية نبضات ضوئية بحيث يقابل وجود نبضة في الفترة الزمنية للبت 1 وغيابها يشير إلى 0 بت، يشار إلى هذا على أنّه مفتاح التشغيل والإيقاف لأنّ الإشارة الضوئية إما متوقفة أو قيد التشغيل اعتماداً على ما إذا كان يتم إرسال (0 أو 1 بت).

شبكة اتصالات الألياف البصرية العالمية:

جعل ظهور الإنترنت في أوائل التسعينيات من الضروري تطوير شبكة عالمية قادرة على توصيل جميع أجهزة الكمبيوتر بما في ذلك الهواتف المحمولة بطريقة شفافة، وتتطلب مثل هذه الشبكة نشر الكابلات البحرية القائمة على الألياف عبر جميع المحيطات وتم تركيب أول كابل من هذا القبيل في عام 1988م عبر المحيط الأطلسي (TAT– 8) ولكن تم تصميمه للعمل بسرعة (280 ميجابت/ثانية فقط) باستخدام تقنية الجيل الثاني، وتم استخدام نفس التكنولوجيا لأول كابل ألياف ضوئية عبر المحيط الهادئ (TPC– 3) والذي بدأ تشغيله في عام 1989م.

وبحلول عام 1990م، تم تطوير أنظمة الموجات الضوئية من الجيل الثالث واستخدم نظام الغواصة (TAT-9) هذه التكنولوجيا في عام 1991م؛ تم تصميمه للعمل بالقرب من (1.55 ميكرومتر بمعدل بت يبلغ 560 ميجا بايت/ثانية) مع تباعد مكرر يبلغ حوالي 80 كم، أدّت زيادة حركة المرور عبر المحيط الأطلسي إلى نشر الكابلات (TAT-10 وTAT-11) بحلول عام 1993م بنفس التكنولوجيا، يجب أن يكون الكبل البحري قوياً والهيكل الداخلي لكابل بحري يحتوي على عدة ألياف لحمل حركة ثنائية الاتجاه يتم غمر الألياف الضوئية في هلام مقاوم للماء محاط بالعديد من قضبان الصلب لتوفير القوة ويتم الاحتفاظ بقضبان الصلب داخل أنبوب نحاسي مغطى بالبولي إيثيلين العازل.