ما هو الاتصال البصري المتماسك؟

الاتصال البصري المتماسك هو تقنية في مجال اتصالات الألياف الضوئية. بالمقارنة مع الاتصال البصري التقليدي غير المتماسك ، يتمتع الاتصال البصري المتماسك بالمزايا التقنية لمسافة الإرسال الأطول وقدرة النقل الأكبر. لذلك ، فقد حظيت باهتمام واسع من الصناعة ، واستمر الاهتمام البحثي بها في الارتفاع.

Wالقبعة ضوء متماسك؟

قبل تقديم اتصال بصري متماسك ، دعنا نقدم بإيجاز ماهية الضوء المتماسك. غالبًا ما نتحدث عن "التماسك" ، ويفهم الجميع أنه يعني "الترابط أو المشاركة". يعني تماسك الضوء أن موجتين ضوئيتين تستوفيان الشروط الثلاثة التالية في نفس الوقت في عملية الإرسال:

1. التردد (الطول الموجي) هو نفسه.

2. اتجاه الاهتزاز هو نفسه.

3. فرق الطور ثابت.

ضوء متماسك

يمكن أن ينتج هذان الشعاعان تداخلاً مستقرًا مع بعضهما البعض أثناء الإرسال. يمكن أن يكون هذا التداخل إما تداخلًا بناءً (تقوية) أو تداخلًا مدمرًا (إلغاء). كما هو مبين أدناه:

من الواضح أن التداخل البناء يمكن أن يجعل موجات الضوء (الإشارات) أقوى.

ما هو الاتصال البصري المتماسك؟

حسنًا ، دعنا ننتقل إلى النقطة التالية ونتحدث عن ماهية الاتصال البصري المتماسك. قد يعتقد الكثير من الناس أن الاتصال البصري المتماسك هو استخدام ضوء متماسك لاتصالات الإرسال ، وهو أمر غير صحيح في الواقع. يستخدم الاتصال البصري المتماسك والاتصال البصري غير المتماسك الليزر بشكل أساسي دون أي اختلاف جوهري من حيث الضوء.

لا يعتمد سبب تسمية الاتصال البصري المتماسك "بالاتصال البصري المتماسك" على الضوء المستخدم في عملية الإرسال ، ولكن على استخدام التشكيل المتماسك في نهاية الإرسال واستخدام التكنولوجيا المتماسكة في الطرف المستقبل للكشف.

اتصالات بصرية غير متماسكة

اتصال بصري متماسك

الفرق بين الاثنين في كلا الطرفين ، وليس على مسار الإرسال. تعد تقنية الطرف المستقبل جوهر الاتصال البصري المتماسك بالكامل ، وهي أيضًا السبب الرئيسي لكونها قوية جدًا. في ظل نفس الظروف ، مقارنةً بالاتصال البصري التقليدي غير المتماسك ، يمكن لمستقبل الاتصال البصري المتماسك أن يحسن الحساسية بمقدار 20 ديسيبل إلى 100 مرة أكثر من الاتصالات غير المتماسكة! بمساعدة 20 ديسيبل هذه ، يمكن أن تصل مسافة الاتصال للاتصال البصري المتماسك إلى مستوى آلاف الكيلومترات (الضوء غير المتماسك يبلغ حوالي عشرات الكيلومترات فقط).

خلفية تطوير الاتصال البصري المتماسك

في وقت مبكر من الثمانينيات ، عندما كان الاتصال البصري في طور الظهور للتو ، أجرت البلدان المتقدمة مثل الولايات المتحدة والمملكة المتحدة واليابان بالفعل أبحاثًا وتجارب نظرية حول الاتصال البصري المتماسك وحققت نتائج جيدة.

على سبيل المثال ، في عامي 1989 و 1990 ، نفذت AT&T و Bell في الولايات المتحدة على التوالي تجربة إرسال تماسك في الموقع بسرعة 1.7 جيجابت في الثانية مع أطوال موجية 1.3 ميكرومتر و 1.55 ميكرومتر دون أي تتابع بين محطة رولينج كريك الأرضية ومركز صنبيري في ولاية بنسلفانيا في عام 1989 و 1990 ، ومسافة الإرسال تصل إلى 35 كيلومترًا.

في وقت لاحق ، في 1990s ، وجد الخبراء أن ناضجة بشكل متزايد إدفا يمكن لتقنيات (مضخم الألياف المشبعة بالإربيوم) وتقنيات WDM (تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي) حل مشاكل نقل التتابع وتوسيع سعة الاتصال البصري بشكل أكثر بساطة وفعالية. نتيجة لذلك ، تم إهمال البحث التقني للاتصال البصري المتماسك.

في حوالي عام 2008 ، مع انتشار الإنترنت عبر الهاتف المحمول ، زادت حركة البيانات في شبكة الاتصالات بشكل سريع ، وزاد الضغط على الشبكة الأساسية بشكل حاد. في هذا الوقت ، فإن إمكانات EDFA و WDM أصبحت التكنولوجيا أصغر. يحتاج مصنعو الاتصالات الضوئية بشكل عاجل إلى إيجاد اختراقات تكنولوجية جديدة ، وتحسين قدرة نقل الاتصالات الضوئية ، وتلبية احتياجات المستخدم ، وتخفيف الضغط.

وجد المصنعون أنه مع نضج معالجة الإشارات الرقمية (DSP) وتصنيع الأجهزة البصرية والتقنيات الأخرى ، فإن الاتصال البصري المتماسك القائم على هذه التقنيات هو مجرد خيار جيد لكسر عنق الزجاجة التقني لاتصالات الألياف الضوئية ذات النطاق الترددي العالي لمسافات طويلة. نتيجة لذلك ، فمن المنطقي أن الاتصالات البصرية المتماسكة قد انتقلت من وراء الكواليس إلى مقدمة المسرح.

المبادئ التقنية للاتصال البصري المتماسك

كما ذكرنا سابقًا ، يستخدم الاتصال البصري المتماسك تقنيتين رئيسيتين ، وهما التعديل المتماسك والكشف عن التغاير. لننظر أولاً إلى التعديل المتماسك على جانب المرسل البصري. في نظام IM-DD العكسي (الكشف المباشر لتعديل الشدة) ، يمكن فقط استخدام تعديل الشدة (السعة) لتعديل موجة الضوء عن طريق تغيير شدة الليزر عبر التيار لتوليد 0 و 1.

تعديل مباشر

يعد التعديل المباشر بسيطًا جدًا ، ولكنه يتمتع بقدرة ضعيفة والعديد من المشكلات. ومع ذلك ، في نظام اتصال بصري متماسك ، بالإضافة إلى تعديل اتساع الضوء ، يمكن أيضًا استخدام التعديل الخارجي لإجراء تعديل التردد أو تعديل الطور ، مثل PSK و QPSK و QAM. لا تؤدي طرق التعديل الإضافية إلى زيادة سعة نقل المعلومات فقط (يمكن أن يمثل رمز واحد المزيد من البتات) ولكنها مناسبة أيضًا للتطبيقات الهندسية المرنة.

فيما يلي رسم تخطيطي لتعديل خارجي:

كما هو موضح في الشكل ، في نهاية الإرسال ، يتم اعتماد طريقة التعديل الخارجي ، ويتم استخدام مُعدِّل الذكاء المستند إلى مُعدِّل Mach-Zehnder (MZM) لتحقيق تنسيق التشكيل عالي الترتيب ، ويتم تعديل الإشارة على الناقل البصري ، وإرسالها. 

إنه الرابط الرئيسي عند دخول الطرف المتلقي. أولاً ، يتم استخدام إشارة الليزر الناتجة عن التذبذب المحلي (ضوء مذبذب محلي) للخلط مع ضوء إشارة الإدخال في الخلاط البصري للحصول على إشارة تردد وسيطة يتغير ترددها وطورها وسعتها وفقًا لنفس القواعد مثل ضوء الإشارة .

نسخة مكبرة من هيكل المستقبل البصري

في نظام اتصال بصري متماسك ، يتناسب حجم التيار الضوئي الناتج بعد الخلط المتماسك مع منتج الطاقة الضوئية للإشارة والقدرة البصرية للمذبذب المحلي. نظرًا لأن قوة ضوء المذبذب المحلي أعلى بكثير من قوة ضوء الإشارة ، يزداد التيار الضوئي الناتج بشكل كبير ، كما تم تحسين حساسية الكشف.

بمعنى آخر ، يستخدم الاتصال البصري غير المتماسك الكثير من مكبرات الصوت لترحيل الإشارة وتضخيمها باستمرار أثناء عملية الإرسال ، بينما يتمثل جوهر الاتصال البصري المتماسك في خلط وتضخيم الإشارة الواصلة الضعيفة مباشرةً عند الطرف المستقبل.

بعد الخلط ، يتم إجراء الكشف باستخدام جهاز استقبال متوازن. يمكن تقسيم الاتصال البصري المترابط إلى كشف غير متجانس ، وكشف intradyne ، وكشف متجانس وفقًا للعلاقة بين تردد الإشارة الضوئية للمذبذب المحلي والتردد البصري للإشارة.

تصنيفات الاتصال البصري المتماسك

في الاتصال البصري المتماسك للكشف عن التغاير ، يتم الحصول على إشارة التردد الوسيطة بواسطة الكاشف الكهروضوئي. يلزم أيضًا إزالة التشكيل الثانية قبل أن يمكن تحويلها إلى إشارة النطاق الأساسي. ينتج عن اكتشاف Homodyne و intradyne ضوضاء أقل ويقلل من عبء الطاقة لمعالجة الإشارات الرقمية اللاحقة ومتطلبات الأجهزة ذات الصلة ، لذلك يتم استخدامها بشكل شائع. في الاتصال البصري المتماسك للكشف عن التجانس ، يتم تحويل الإشارة الضوئية مباشرة إلى إشارة النطاق الأساسي بعد المرور عبر كاشف كهروضوئي دون إزالة التشكيل الثانوية. ومع ذلك ، فإنه يتطلب أن يكون تردد ضوء المذبذب المحلي وتردد إشارة الضوء متطابقين بشكل صارم ، وأن قفل الطور لضوء المذبذب المحلي وضوء الإشارة مطلوب.

بعد ذلك ، يعتبر ارتباط معالجة الإشارات الرقمية (DSP) ذا أهمية كبيرة.

 معالجة الإشارات الرقمية (DSP)

يحدث التشوه عندما يتم إرسال إشارة ضوئية في رابط ألياف بصرية. تستفيد تقنية DCP من خاصية التعامل السهل للإشارات الرقمية لمكافحة التشويه والتعويض عنه ، وتقليل تأثير التشويه على معدل خطأ بتات النظام. لقد أوجد العصر الرقمي لأنظمة الاتصالات الضوئية وأصبح دعمًا مهمًا لتقنية الاتصالات البصرية المتماسكة. لا يمكن تطبيق تقنية DSP فقط على أجهزة الاستقبال ، ولكن أيضًا على أجهزة الإرسال.

كما هو مبين أدناه:

دسب التكنولوجيا

رقمي إلى تناظري ومن تناظري إلى رقمي

كما يتضح من الشكل أعلاه ، تقوم تقنية DSP بمعالجة مختلفة لتعويض الإشارة ، مثل تعويض التشتت اللوني وتعويض تشتت وضع الاستقطاب (PMD).

التعويضات المختلفة وتقدير DSP

وحدة	المسمى الوظيفي
تربيع معدل الذكاء	تعويض معدل الذكاء الناجم عن المغيرات والخلاطات
استعادة الساعة	التعويض عن خطأ أخذ العينات
تعويض التشتت	تعوض عن التشتت
معادلة الاستقطاب	التعويض عن الانحطاط المعتمد على الاستقطاب ، الاستقطاب إزالة التضاعف
تقدير التردد	تقدير تحول تردد الموجة الحاملة والتعويض عند المرسل والمستقبل
تقدير المرحلة	تقدير ضوضاء المرحلة الحاملة والتعويض
إخراج القرار	قرار مرن / صعب ، فك تشفير القناة ، فك تشفير المصدر ، تقدير معدل الخطأ في البت

أدوار كل وحدة من DSP

يؤدي الاتصال البصري التقليدي غير المتماسك تعويض التشتت ووظائف أخرى من خلال أجهزة تعويض المسار البصري ، والتي يكون تأثيرها التعويضي أقل بكثير من تأثير DSP. يعمل إدخال تقنية DSP على تبسيط تصميم النظام وتوفير التكلفة والقضاء على الأصل وحدة تعويض التشتت (DCM) أو ألياف تعويض التشتت في النظام ، مما يجعل تصميم الارتباط للإرسال لمسافات طويلة أكثر بساطة. مع تطوير DSP ، تتم إضافة المزيد من الخوارزميات والوظائف بشكل مستمر ، مثل تقنية التعويض غير الخطي وتقنية التعديل واستخلاص الشفرات المتعددة.

تعويضات	الخوارزمية المقابلة
تعويض عدم التوازن التربيعي	"عملية جرام-شميدت المتعامدة (GSOP) طريقة تصحيح القطع الناقص (EC) "
تعويض التشتت	معادل تشتت مجال التردد
معادلة الاستقطاب	خوارزمية المعامل الثابت (CMA)
تردد الموجة الحاملة offوضع التقدير	"خوارزمية التقدير على أساس فرق الطور ، خوارزمية FFT على أساس مرحلة التسجيل أو التوقيع "
تقدير مرحلة الناقل	خوارزمية تحويل الكوكبة (CT) ، خوارزمية البحث في المرحلة العمياء (BPS) ، خوارزمية تقدير الاحتمالية القصوى (ML) ، إلخ.
التعويض غير الخطي	خوارزمية فولتيرا ، بعض خوارزميات التعويض غير الخطي للشبكة العصبية ، إلخ.
خوارزمية ترميز تصحيح خطأ القناة	ترميز LDPC وتشفير Turbo وما إلى ذلك.

خوارزميات التعويض شائعة الاستخدام

بعد معالجة DSP ، يتم إخراج الإشارة الكهربائية النهائية. بعد ذلك ، نراجع العملية برمتها من خلال حالة انتقال متماسك 100G.

حالة انتقال متماسك 100G

العملية المحددة هي كما يلي:

1. بعد معالجة الإشارات الرقمية والتحويل من رقمي إلى تناظري ، يخضع تيار إشارة 112Gbps ، بعد دخوله إلى جهاز الإرسال البصري ، لتحويل "تسلسلي متوازي" ويصبح 4 قنوات بإشارات 28Gbps ؛

2. تصبح الإشارة المنبعثة من الليزر إشارة ضوئية مستقطبة في اتجاهين عموديين x و y من خلال مقسم حزمة الاستقطاب ؛

3. من خلال مُعدِّل الترتيب العالي المكون من مُعدِّل MZM ، يتم إجراء تعديل عالي الدرجة QPSK على الإشارة الضوئية في اتجاهات الاستقطاب x و y ؛

4. يتم دمج إشارة الضوء المستقطبة المعدلة مع الألياف الضوئية من خلال مُجمع الاستقطاب للإرسال ؛

5. بعد استقبال الإشارة ، يقوم الطرف المستقبل بفصل الإشارة إلى اتجاهين للاستقطاب العمودي X و Y ؛

6. من خلال الكشف والاستقبال المتماسك ، تصبح الإشارات المستقطبة عموديًا X و Y إشارات تيار / جهد ؛

7. من خلال تحويل ADC ، يتم تحويل إشارات التيار والجهد إلى تدفقات رمز رقمي مثل 0101…؛

8. من خلال معالجة الإشارات الرقمية ، تتم إزالة عوامل التداخل مثل التشتت ، والضوضاء ، وعدم الخطية ، ويتم استعادة دفق رقم الاتصالات 112 جيجابت في الثانية ، وهذا هو النهاية.

تقنيات داعمة أخرى للاتصال البصري المتماسك:

أداء الاتصال البصري المتماسك قوي ، لكن النظام معقد للغاية ومن الصعب جعل التكنولوجيا تحدث.

	اتصال غير متماسك	اتصال متماسك
تعريف	نظام نقل بصري لا يتطلب ضوء مذبذب محلي متماسك	نظام النقل البصري باستخدام مذبذب محلي للكشف المتماسك
التعديل و الإستخلاص التكنلوجيا	المرسل: تعديل الشدة المتلقي: الكشف المباشر	المرسل: تعديل خارجي جهاز الاستقبال: مذبذب محلي للكشف البصري المتماسك
التنسيق البصري	تعديل السعة (RZ / NRZ / ODB) تعديل الطور التفاضلي (DQBSK)	تعديل المرحلة (BPSK / QPSK) تعديل سعة التربيع (QAM)
هيكل النظام	الاشارات سهل التنفيذ والتكامل	مجمع متطلبات فنية عالية
الكفاءة الطيفية	منخفض لا يمكن استغلال معلومات التردد والمرحلة الخاصة بالناقل البصري ؛ سعة النطاق الترددي أحادية القناة محدودة	مرتفع يمكن الكشف عن المعلومات التي يحملها الاتساع والتردد والمرحلة للإشارة الضوئية ؛ عرض النطاق الترددي أحادي القناة مرتفع
تحمل التشتت	منخفض يحتاج DCM إلى التكوين لتعويض التشتت	مرتفع استخدام تقنية DSP ل offضبط تشتت الألياف ، يمكن استخدامه على مسافة طويلة جدًا لتحقيق تعويض التشتت الخالي من DCM
هندسة ROADM	مجمع يحتاج اتجاه الاستقبال إلى استخدام مزيل تعدد الإرسال لتصفية إشارة الطول الموجي المقابلة	موجز يمكن للاستقبال المتماسك تحديد طول موجي معين من الإشارة المضاعفة ، دون الحاجة إلى إصدار إزالة تعدد الإرسال

الضوء غير المتماسك مقابل الضوء المتماسك

من أجل تحقيق التطبيق العملي للاتصال البصري المتماسك ، من الضروري الاعتماد على التقنيات التالية:

• تقنية الحفاظ على الاستقطاب

يتطلب الاكتشاف المتماسك أن تكون اتجاهات الاستقطاب لضوء الإشارة وضوء المذبذب المحلي متطابقتين في بصري متماسك الاتصال ، أي ، يجب أن تكون اتجاهات المتجه الكهربائي للاثنين هي نفسها ، وذلك للحصول على الحساسية العالية التي يمكن أن يوفرها الاستقبال المتماسك.

لأنه ، في هذه الحالة ، فقط إسقاط المتجه الكهربائي لضوء الإشارة في اتجاه المتجه الكهربائي لضوء المذبذب المحلي يمكن أن يساهم حقًا في تيار إشارة التردد المتوسط ​​الناتج عن الخلط. من أجل ضمان الحساسية العالية ، من الضروري اتخاذ تدابير تثبيت استقطاب الموجة الخفيفة. هناك طريقتان رئيسيتان حاليًا:

أولاً ، يتم استخدام "الألياف المحافظة على الاستقطاب" للحفاظ على حالة الاستقطاب للموجة الضوئية دون تغيير أثناء عملية النقل. (ستغير الألياف العادية أحادية الوضع حالة الاستقطاب لموجة الضوء بسبب عوامل مثل الاهتزاز الميكانيكي أو تغير درجة حرارة الألياف.)

ثانيًا ، استخدم الألياف العادية أحادية النمط ، ولكن استخدم تقنية تنوع الاستقطاب عند الطرف المستقبل.

• تقنية استقرار التردد

يعد استقرار تردد ليزر أشباه الموصلات مهمًا جدًا في الاتصال البصري المتماسك. تردد الليزر حساس للغاية للتغيرات في درجة حرارة التشغيل والتيار. إذا انحرف تردد الليزر مع ظروف تشغيل مختلفة ، فسيؤثر على تيار IF ، مما يزيد من معدل خطأ البت.

• تقنية ضغط الطيف

العرض الطيفي لمصدر الضوء مهم أيضًا في الاتصال البصري المتماسك. فقط من خلال ضمان عرض خطي ضيق لموجة الضوء ، يمكن التغلب على تأثير تعديل السعة الكمومية وضوضاء تعديل التردد لليزر أشباه الموصلات على حساسية المستقبل. إلى جانب ذلك ، كلما كان عرض الخط أضيق ، قل ضوضاء الطور الناتج عن انجراف الطور. من أجل تلبية متطلبات الاتصال البصري المتماسك على العرض الطيفي لمصدر الضوء ، يتم عادةً اعتماد تقنية ضغط العرض الطيفي.

 تطبيق ال اتصال بصري متماسك

باختصار ، إنه نظام نقل بصري متقدم ومعقد مناسب لنقل المعلومات لمسافات أطول وسعة أعلى. في النقل لمسافات طويلة للألياف الضوئية ، تُستخدم EDFAs (مكبرات صوت الإربيوم المشبعة بالألياف) بشكل عام لكل مسافة 80 كم.

إدفا

مع الاتصال البصري المتماسك ، يكون النقل لمسافات طويلة أسهل بكثير. علاوة على ذلك، اتصالات بصرية متماسكةn يمكن تحويلها مباشرة باستخدام الألياف الضوئية الموجودة والكابلات ، والتي يمكن التحكم في تكلفتها.

يمكن استخدام الاتصال البصري المتماسك لترقية نظام إدارة الطلب على الطاقة للشبكة الأساسية الحالية ، ويمكن استخدامه أيضًا في سيناريوهات نقل البيانات المتوسطة لشبكات الجيل الخامس. حتى الوصول إلى الألياف المترو FTTx بدأ في دراسة إدخال الاتصال البصري المتماسك. في الوقت الحاضر ، تركز المناقشة الأكثر سخونة حول الاتصال البصري المتماسك على سيناريو "التوصيل البيني لمركز البيانات" (DCI).

مراكز البيانات

DCI لديها طلب قوي على وحدات بصرية متماسكة لمسافات طويلة. في هذا العام على وجه الخصوص ، تعزز الدولة بقوة توجيه المزيد من موارد الحوسبة من المناطق الشرقية إلى المناطق الغربية الأقل تطورًا ، مما له تأثير تحفيزي كبير على سوق الاتصالات البصرية المتماسكة.

الخلاصة:

وبشكل عام، فإن عودة وتعميم تكنولوجيا الاتصالات البصرية المتماسكة يفضي إلى زيادة الاستفادة من إمكانات أداء الاتصالات البصرية، وزيادة الحد الأقصى لعرض النطاق الترددي، وتقليل تكاليف النشر. في الوقت الحاضر، لا يزال البحث حول تكنولوجيا الاتصالات البصرية المتماسكة قيد التقدم. مشاكل العملية المعقدة والحجم الكبير والاستهلاك العالي للطاقة وحدات بصرية متماسكة لم يتم حلها بالكامل. لا يزال هناك مجال كبير للابتكار التكنولوجي في كل رابط رئيسي للاتصال البصري المتماسك.