اتصالات بصريه

Optical communication - Communication optique

الاتصالات البصرية

فواز موصللي

أنواع نظم الاتصال البصرية

الأجيال الأولى لنظم اتصالات الألياف البصرية

أنظمة الاتصالات بالتضميم بالاقتسام الموجي

 

تُعدّ الاتصالات البصرية Optical Communications امتداداً طبيعياً للاتصالات المِكرويةmicrowave ?communications نظراً لأن كليهما ينقل المعلومات باستخدام الأمواج الكهرطيسية. الفارق الكبير بينهما هو تردد الموجة الحاملة؛ حيث إنها في النظم المِكروية من مرتبة الغيغا هرتز GHz وفي النظم البصرية من مرتبة 10⁵GHz. وهذا من شأنه نقل المعلومات بسعة? capacity كبيرة من المرتبة نفسها. يبيّن الشكل (1) موقع المجال الطيفي البصري في طيف الأمواج الكهرطيسية.??

الشكل (1) المجال الترددي للأمواج الكهرطيسية.

حتى منتصف الثمانينيات، كانت معظم شبكات الاتصال في العالم? نظم اتصالات إما بالكِبال المحورية coaxial cable؛ وإما بالسواتل (الأقمار الصنعية). وكانت السعة القصوى للاتصال بالكِبال 560 Mbit/s، ولكن عملياً كانت شبكات الاتصال تعمل بمعدل بتات bit-rate مقداره 140 Mbit/s، أما في الفضاء الحر Free Space، فكان ممكناً نقل ثماني قنوات اتصال بمعدل مقداره 140 Mbit/s لكل منها. أما الاتصالات بين القارات فقد كانت منقسمة بين استخدام السواتل أو استخدام الكِبال المحورية عبر البحار أو المحيطات. ولزيادة معدل البتات كان لا بد من استخدام تردد موجي أعلى. وقع الخيار على الترددات البصرية بعد توفر المرسلات والمستقبلات الضوئية المناسبة في السبعينيات: الثنائيات (الديودات) المضيئة light-emitting diode (LED) والديودات الليزرية  laser diodes  LD))المضيئة والديودات الضوئية? photodiodes ph D   الحساسة للضوء.

ثمة نوعان رئيسيان من نظم الاتصال البصرية:

- نظم اتصالات الألياف البصرية fiber-optic communication systems.

- نظم الاتصالات في الفضاء الحر، التي قد تكون في الغلاف الجوي الأرضي air optical communication systems? أو في الفضاء? space optical communications.

يبيّن الشكل (2) المكوّنات الرئيسية لنظام اتصالات بصري. من جهة الإرسال، هناك مصدر للمعلومات: قناة صوتية أو قناة فيديو أو معطيات رقمية بصيغة إلكترونية. تُحوَّل هذه المعلومات إلى إشارات ضوئية من خلال تعديل modulation أشعة مرسلٍ ضوئيٍّ: ديود ضوئي أو ديود ليزري. وبحسب قناة الاتصال؛ قد تُحقن هذه الأشعة في ليف بصري أو تُرسل إلى الفضاء الحر باستخدام عدسة بصرية لتوجيه الأشعة نحو مكان الاستقبال. تُعالَج الإشارة الضوئية المستقبَلة بصرياً: بالترشيح filtering? والتكبير البصري optical amplification. ثمّ تُحوّل إلى إشارة إلكترونية بهدف استرداد المعلومات المرسلة.

الشكل (3) منحني تخامد الألياف البصرية.	الشكل (2) مخطط صندوقي لنظام اتصال بصري.

1 -? الأجيال الأولى لنظم اتصالات الألياف البصرية

عند البدء بتطوير الجيل الأول من نظم الاتصالات البصرية؛ كانت تتوفر مرسلات نصف ناقلة ترسل عند الطول الموجي 850 nm الموافق لنافذة التمرير الأولى لمنحني تخامد الألياف البصرية، كما هو موضح في الشكل (3).?????

الشكل (4) مخططات صندوقية لأجيال نظم الألياف البصرية.

حققت هذه النظم معدل نقل للبت مقداره? 45 Mb/sلمسافة 10 كم من دون مكرِّر إلكتروني repeater، ويعود السبب في عدم تجاوز هذا المعدل إلى التشتت النمطي modal dispersion للألياف البصرية المتعددة الأنماط multimode. ولتحسين أداء هذه النظم جرى العمل على محورين. فمن جهة، جرى تطوير مرسلات ليزرية نصف ناقلة تعمل ضمن النافذة الثانية لتمرير الألياف البصرية بطول موجي 1,3 mm حيث التخامد أقل، وذات عرض طيفي ضيق 10 nm، للحدّ من التشتت اللوني للألياف chromatic dispersion. ومن جهة ثانية، جرى تطوير ألياف بصرية وحيدة النمط single mode (SM) للتخلص من التشتت النمطي. استطاعت نظم الجيل الثاني العمل بمعدل 1,7 Gbit/s لمسافة 50 كم، وأصبح المعدل محدّداً بتخامد الليف. استخدمت نظم الجيل الثالث مرسلات ليزرية بطول موجة 1,55 mm يقع في النافذة الثالثة حيث الضياع في حده الأدنى 0,2 dB/km كما هو مبين في الشكل (3). ووصل معدل الإرسال في هذا الجيل إلى 10 Gbit/s لمسافة 100 km محدداً بالتشتت اللوني.

بدأت مرحلة الجيل الرابع عندما بدأ تضميم multiplexing قنوات الاتصال بإرسال كل قناة بطولٍ موجيٍ مختلف؛ بطريقة مشابهة لطريقة التضميم باقتسام التردد FDM المستخدمة في نظم الاتصالات التقليدية. لذلك سميت هذه الطريقة بالتضميم بالاقتسام الموجي wave division multiplexing (WDM). وما يزال هذا الجيل هو الأساس لنظم الاتصالات بالألياف البصرية.

يبيّن الشكل (4) مخططاً صندوقياً لمختلف الأجيال لنظم الاتصالات بالألياف البصرية.

2 - أنظمة الاتصالات بالتضميم بالاقتسام الموجي

في نهاية الثمانينيات بدأ تطوير نظم الجيل الرابع باستخدام عدد قليل من أطوال الأمواج. وفي بداية التسعينيات جرى تضميم 16 قناة تقع في المجال الطيفي 1300-1600 nm وبفاصل طيفي قدره 20 nm وبمعدل إرسال 40 Gbit/s لكل قناة. وفي نهاية التسعينيات ضُيّق الفاصل الطيفي إلى 0,8 nm (أي بفاصل ترددي قدره 100 MHz)، وسميت هذه النظم بـ dense WDM (DWDM). ولزيادة عدد القنوات طُوّرت ألياف بصرية خالية من الشوارد OH- لإزالة قمة تخامد الألياف بجوار الطول الموجي 1400 nm؛ بحسب الشكل (3).? كذلك طُوّرت مرسلات ليزرية من نوع distributed feedback DFB)) بعرض طيفي بحدود 0.006 nm (1GHz). وعلى هذا الأساس أصبح الفاصل الترددي بين القنوات يساوي 25 GHz، وأصبح المجال الطيفي للنظم DWDM يغطي كامل المجال من 1260 nm إلى 1625 nm. جرى تقسيم هذا المجال إلى النطاقات الطيفية spectral bands التالية:

O-Band[1260-1360], E-Band [1360-1460], S-Band [1460-1560], C-Band [1530-1565], L-Band [1565-1625]

يبيّن الشكل (5) مخططاً يوضح النطاقات الطيفية لنظم DWDM الحديثة.?

ولسد احتياجات نظم DWDM جرى تطوير مكوِّنات بصرية جديدة؛ إضافةً إلى جميع المكوّنات السابقة لنظم الاتصالات البصرية :

* مرسلات ليزرية وحيدة النمط (SM)، مستقرة وقابلة للتوليف بدقة عالية للحصول على الأطوال الموجية لمختلف القنوات.

* مضمِّمات بصرية لتضميم مختلف قنوات النظام optical multiplexers (OMUX).

* موزِّعات بصرية ODeMUX للفصل بين مختلف القنوات عند نهاية الليف.

* مضخِّمات بصرية optical amplifiers ذات عرض طيفي تغطي جميع النطاقات الطيفية لزيادة الاستطاعة الضوئية عند الإرسال optical booster amplifier ولاستبدال المكرّرات الإلكترونيةoptical line amplifier? وزيادة حساسية دارات الاستقبال الأولي optical preamplifier.

الشكل (6) مخطط صندوقي لنظم الجيل الرابع.	الشكل (5) النطاقات الطيفية لنظم DWDM

* معدِّلات بصرية optical modulators لزيادة معدل تدفق البت حتى 40 Gbit/s لكل قناة.

* ألياف بصرية ذات تشتت مسطح dispersion-flattened fibers لتقليل التشتت اللوني في نافذة التمرير الثالثة للألياف البصرية.

* ألياف بصرية لتعويض التشتت اللوني للألياف compensated dispersion لزيادة مدى نظم الألياف البصرية.

* دارات كشف مترابط coherent detection لتحسين حساسية الكشف.

يوضح الشكل (6) مخططاً صندوقياً لنظم الجيل الرابع.

3 - شبكات الألياف البصرية

هي شبكات اتصال تُستخدم فيها نظم الألياف البصرية بدلاً من الكبال النحاسية. تُصنّف هذه الشبكات بحسب المساحات التي تغطيها:

- شبكات شاملة global network? تغطي مساحات ذات أبعاد أكبر من 100 km، وتصل إلى 1000 km، وتصل سعة الاتصال فيها إلى 10 Tbit/s.

- شبكات واسعة wide area network (WAN)?لمناطق بأبعاد أقل من 100 km، وبمعدل بتات أقل من 1 Tbit/s.

- شبكات مدينية? metropolitan area network (MAN) لمناطق بأبعاد أقل من 20 km، وبمعدل بتات أقل من 10 Gbit/s.

- شبكات محلية local area network (LAN) لمناطق بأبعاد أقل من 1 km، وبمعدل بتات أقل من 100 Mbit/s.

يبين الشكل (7) أصناف شبكات الاتصال البصرية.

ثمة تشكيلات توصيل هندسية? متنوعة للربط بين مختلف مكوّنات عقد nodes الشبكة، وقد اعتمدت أربع طرق:

* التوصيل المسرويbus: تتصل كل محطة عمل بخط واحد لنقل المعلومات.

* التوصيل النجميstar: هناك محطة عمل مركزية تتصل بها باقي محطات العمل.

* التوصيل الحلقي ring: تتصل محطات العمل بعضها ببعض بحلقة مغلقة. وتتصل كل محطة اتصالاً مباشراً بالمحطتين المجاورتين.

* التوصيل العُرَوي mesh: تتصل كل محطة مباشرةً بكل المحطات الأخرى.

الشكل (8): شبكة اتصال بصرية.	الشكل (7) طبولوجيا شبكات الاتصال وتصنيفها.

يسمى المعيار المعتمد للتضميم الزمني للإشارة الإلكترونية بـ synchronous optical network (SONET). في إطار هذا المعيار؛ اعتُمدت معدلات معيارية للبتات تبدأ بـ? 51,840 Mbit/sوتُرمّز إشاراتها الكهربائية بالطريقة المتزامنة synchronous transport (STS(). وفي الجدول (1) القيم المعيارية للمعدلات STS ورموز الإشارات الضوئية optical carrier )OC) المقابلة.

معدل البتاتMbit/s	OC	SONET
51.840	OC-1	ٍ STS-1
155.520	OC-3	STS-3
466.560	OC-9	STS-9
622.080	OC-12	STS-12
933.120	OC-18	STS-18
1244.160	OC-24	STS-24
1866.230	OC-36	STS-36
2488.320	OC-48	STS-48
4976.640	OC-96	STS-96
9953.280	OC-192	STS-192
39818.120	OC-768	STS-768
الجدول (1): المعدلات المعيارية للمعيارSONET

 

من جهة أخرى، طُوِّرت عناصر إلكتروبصرية جديدة لسد احتياجات شبكات اتصال الألياف البصرية. يبيّن الشكل (8) مثالاً لشبكة ألياف بصرية مؤلفة من عدة شبكات حلقية رئيسية (فقارية) backbone ring وثلاث حلقات نفاذ access ring. تتصل هذه الحلقات بعضها ببعض بنوعين من المسيَرات routing لنظم الاتصال البصرية: جهاز ?تضميم وحذف/إضافة بصري? optical add-drop multiplexer (OADM) الذي يسمح بحذف بعض القنوات أو إضافتها بين خطي ألياف يصلان بين حلقة النفاذ والمستخدم؛ وجهاز يسمى الرابط البصري المتصالب optical cross connect (OXC) الذي يسمح بتبادل القنوات الموجية بين عدة حلقات اتصال.?

الشكل (9) بنية جهاز OADM

يوضح الشكل (9) بنية الجهاز OADM الذي يتألف من جهاز تدوير circulator وليف شبكة براغ Fiber Bragg Grating (FGB). لجهاز التدوير أربعة مداخل/مخارج (الشكل 9 - أ). وهو مصمّم بحيث تخرج الإشارة الداخلة من إحدى النقاط من النقطة التالية. أما ليف شبكة براغ فهو شبكة انعراج براغ مصمّمة لعكس أحد الأطوال الموجية المطلوب ضمّها أو حذفها. إذا أُريد حذف القناة الموجية λ₁ من الإشارة أو إضافتها يمكن إدخال القناة الرئيسية من النقطة 1، الشكل (9 -ب) وعندها تخرج كل القنوات من النقطة 2. بعد ذلك تعكس شبكة براغ الطول الموجي λ₁، الذي يعود ليدخل من النقطة الثانية ويخرج كما هو مطلوب من النقطة 3. وبالطريقة نفسها يمكن إضافة القناة λ₁ إلى الخط الرئيسي الذي يدخل ثانية في النقطة λ₁، ويدخل القناة l من النقطة 4. وهذا ما يجعل شبكة براغ تعكس هذه القناة وتضيفها إلى قنوات خط النقل الرئيسي كما هو مطلوب.

يبيّن الشكل (10) بنية الجهاز OXC الذي يتألف من عددٍ من المكونات ODMUX مساوٍ لعدد خطوط النقل الداخلة، وعددٍ من المكونات OMUX مساوٍ لعدد خطوط الخرج. يربط بين هذه العناصر مبدّل switch بصري وجهاز? OADM. يقوم أولاً العنصر ODMUX بتوزيع قنوات خط النقل إلى مدخل المبدّل البصري الذي يستطيع توجيه أي قناة إلى أحد مخارجه. يقوم الجهاز OMUX بتضميم القنوات الخارجة من هذا الجهاز إلى أحد خطوط الخرج المتصلة به. وكذلك يمكن باستخدام جهاز ODMUX إضافة/حذف? قنوات إلى/ من الشبكة.

الشكل (11) تطبيقات الاتصالات البصرية في الفضاء الحر.	الشكل (10) جهاز OXC.

4 - الاتصالات البصرية في الفضاء الحر

تُعدّ تقانة الاتصالات البصرية في الفضاء الحر بديلاً جذاباً من الاتصالات المِكروية للوصل بين السواتل؛ وبينها وبين المركبات الفضائية. وتُعدّ أيضاً توسعاً واعداً للتطبيقات الأرضية للوصل بين شبكات اتصال الألياف البصرية أو وصل الإشارات الفيديوية والإشارات الحاسوبية بين الأبنية. تتميز هذه التقانة بسعة أعلى واستهلاك أقل للطاقة وتجهيزات أقل حجماً واحتمال أقل للتنصت عليها. يوضح الشكل (11) جميع التطبيقات الممكنة للاتصالات في الفضاء الحر.

لبيان العوامل المُحدِّدة limitations للاتصال في الفضاء الحر، يمكن التمييز بين اتصالات داخل الغلاف الجوي وخارجه. أما الاتصال داخل الغلاف الجوي، فتبرز فيه العوامل التالية:

- امتصاص مكوّنات الغلاف الجوي للأمواج الضوئية.

- تبعثر scattering الأشعة الضوئية الناجم عن التصادم المرن elastic collision? للأمواج الضوئية مع معلقات aerosols الهواء وجزيئاته.

- الاضطراب turbulence الناجم عن الحركة غير المنتظمة - سرعةً واتجاهاً - للهواء في حيّز صغير.

-? خط رؤية line of sight (LOS): ينبغي أن يكون الاتصال بين المرسل والمستقبل مباشراً.

- تحاشي استقبال أشعة الشمس استقبالاً مباشراً.

?يُعدّ الضباب والمطر والدخان والاضطراب الجوِّي عوامل التحديد الرئيسية للاتصالات في الفضاء الحر.

أما في الاتصالات الفضائية خارج الغلاف الجوي؛ فالعامل الرئيسي المحدّد هو دقة خط الرؤية واستقراره؛ ولاسيما عند إجراء الاتصال بين أجسام متحركة.

استُخدمت في هذه النظم مرسلات الجيل الرابع ومستقبلاته لنظم اتصالات الألياف البصرية الناضجة تقنياً والمناسبة لتحقيق اتصالات بسعات عالية.?

 

 

مراجع للاستزادة: -J.P.Dakin and R. G. W. Brown, Handbook of Optoelectronics, Volume II, Taylor & Francis Group, 2006. - B.A. Forouzan, Data Communication and Net?working, McGraw-Hill Higher Education, 2007 - A.K. Majumdar, and J. C. Ricklin, Free-Space Laser Commu?ni?cations Principles and Advances, Springer, 2008. - B.E.A.Saleh, and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, John Wiley & Sons, 2007.

 

 

---

- التصنيف : هندسة الاتصالات - النوع : هندسة الاتصالات - المجلد : المجلد الأول - رقم الصفحة ضمن المجلد : 85 مشاركة :