تتعامل أنواع أجهزة الإرسال والاستقبال الليفية مع أطوال موجية مختلفة

 

تعمل أنواع أجهزة الإرسال والاستقبال الليفية عند أطوال موجية محددة-في المقام الأول 850 نانومتر، و1310 نانومتر، و1550 نانومتر-تم تحسين كل منها لمسافات نقل وأنواع ألياف مختلفة. إن فهم كيفية تعامل أنواع أجهزة الإرسال والاستقبال الليفية مع اختيار الطول الموجي يحدد مدى وصول الإشارة وتوافق البنية التحتية وملاءمة التطبيق.

توجد خصوصية الطول الموجي لأن الألياف الضوئية تظهر خصائص توهين مختلفة عبر طيف الأشعة تحت الحمراء. عند 850 نانومتر، تواجه الألياف متعددة الأوضاع ما يقرب من 2.5 ديسيبل/كم من فقدان الإشارة، في حين تحقق الألياف ذات الوضع الواحد-عند 1550 نانومتر ما يصل إلى 0.3 ديسيبل/كم-وهو فرق يُترجم إلى مئات الكيلومترات في قدرة الإرسال.

 

 

فئات الطول الموجي القياسي وتطبيقاتها

 

تهيمن ثلاثة نطاقات من الطول الموجي على اتصالات الألياف الضوئية، وتخدم أنواع مختلفة من أجهزة إرسال واستقبال الألياف قطاعات شبكة متميزة تعتمد على الفيزياء والاقتصاد.

850 نانومتر: ناقل حركة قصير المدى متعدد الأوضاع

يعمل الطول الموجي 850 نانومتر على تشغيل الاتصالات -قصيرة المسافة في مراكز البيانات وشبكات المؤسسات. تستخدم أجهزة الإرسال والاستقبال هذه أليافًا متعددة الأوضاع بأقطار أساسية تبلغ 50 أو 62.5 ميكرون، مما يسمح بانتشار أوضاع الإضاءة المتعددة في وقت واحد.

تختلف قدرات المسافة حسب معدل البيانات. تصل وحدة SFP بسرعة 1 جيجابت في الثانية إلى 550 مترًا على الألياف متعددة الأوضاع OM2، بينما تنقل وحدات SFP+ بسرعة 10 جيجابت في الثانية ما يصل إلى 300 متر على OM3، وتدير وحدات QSFP28 بسرعة 100 جيجابت في الثانية مسافة 100 متر على OM4. تعمل معدلات البيانات الأعلى على ضغط مسافة الإرسال لأن التشتت المشروط-انتشار نبضات الضوء عبر مسارات انتشار مختلفة-يحد من عرض النطاق الترددي-منتجات المسافة.

يفضل الاقتصاديون 850 نانومتر للروابط القصيرة. تكلف مصادر ضوء LED وVCSEL (سطح التجويف العمودي-الذي ينبعث منه الليزر) أقل بكثير من ليزر DFB المطلوب للأطوال الموجية الأطول. من بين أنواع أجهزة الإرسال والاستقبال الليفية، قد تبلغ تكلفة جهاز SFP النموذجي مقاس 850 نانومتر 15-25 دولارًا أمريكيًا، بينما تبلغ تكلفة ما يعادل 1310 نانومتر 40-60 دولارًا أمريكيًا. هذه الميزة السعرية تجعل 850 نانومتر هو المعيار للاتصالات من حامل إلى حامل حيث تظل المسافة أقل من 500 متر.

يشكل استقرار درجة الحرارة التحدي التقني الرئيسي. تقوم VCSELs بتغيير مخرجات الطول الموجي مع تغير درجة الحرارة، مما قد يتسبب في تشتت إضافي في الألياف متعددة الأوضاع. يجب أن تأخذ أجهزة الإرسال والاستقبال الصناعية - درجة 850 نانومتر (-40 درجة إلى 85 درجة ) في الاعتبار هذا الانجراف، بينما تعمل الوحدات التجارية (0 درجة إلى 70 درجة ) في بيئات خاضعة للرقابة.

1310 نانومتر: متوسط-مدى الوصول إلى التنوع

يعمل الطول الموجي البالغ 1310 نانومتر بمثابة العمود الفقري لشبكات الحرم الجامعي، وحلقات الوصول الحضرية، والنقل المتوسط ​​-. يعمل هذا الطول الموجي على كل من الوضع الفردي-والألياف متعددة الأوضاع، على الرغم من أن الوضع الفردي-يهيمن على المسافات التي تتجاوز 2 كم.

يبلغ توهين الألياف عند 1310 نانومتر حوالي 0.4 ديسيبل/كم على ألياف الوضع الأحادي - القياسية OS1/OS2. يوفر جهاز الإرسال والاستقبال الذي يتمتع بقدرة إرسال -3 ديسيبل ميلي واط وحساسية جهاز الاستقبال -20 ديسيبل ميلي واط 17 ديسيبل من ميزانية الارتباط، ويدعم حوالي 40 كم بعد حساب خسائر الموصل وهامش النظام.

التشتت اللوني-انتشار نبضات الضوء نتيجة لسرعات الانتشار المعتمدة على الطول الموجي-يصل إلى حده الأدنى حوالي 1310 نانومتر في الألياف القياسية ذات الوضع الفردي-. تسمح نقطة "التشتت الصفري-" هذه بإشارات NRZ بسرعة 10 جيجابت في الثانية بالسفر لمسافة 40 كم دون تعويض التشتت. عند 1550 نانومتر، ستتطلب نفس الإشارة تشتتًا-لتعويض الألياف أو أنظمة تعديل متقدمة تتجاوز 20 كم.

تتضمن تطبيقات 1310 نانومتر الشائعة عمليات نشر FTTx (الألياف إلى المنزل أو المبنى أو الرصيف)، حيث تتراوح المسافات عادةً من 10 إلى 20 كم. غالبًا ما تستخدم أنظمة PON (الشبكة الضوئية السلبية) 1310 نانومتر لحركة المرور الأولية، مقترنة بأطوال موجية 1490 نانومتر أو 1550 نانومتر في تكوينات BiDi.

يدعم النطاق 1310 نانومتر أيضًا قنوات CWDM (تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الخشن) من 1270 نانومتر إلى 1330 نانومتر مع تباعد 20 نانومتر. تتيح أجهزة الإرسال والاستقبال الملونة هذه اتصالات متوازية متعددة عبر زوج ألياف واحد، مما يؤدي إلى مضاعفة سعة البنية التحتية بشكل فعال دون مد كابلات إضافية.

1550 نانومتر: العمود الفقري لناقل الحركة طويل المدى

يحقق الطول الموجي 1550 نانومتر أقل توهين في الألياف الضوئية-حوالي 0.3 ديسيبل/كم في الوضع الفردي القياسي-وأقل توهين يصل إلى 0.2 ديسيبل/كم في الألياف المحسنة منخفضة الفقد-. هذه الميزة المادية تجعل 1550 نانومتر الخيار الحصري للمسافات التي تتجاوز 40 كم.

تمتد -تطبيقات الوصول البعيد من 40 كم إلى 80 كم باستخدام أجهزة الإرسال والاستقبال القياسية، في حين تغطي متغيرات الوصول -الممتد والفائق-الطويل-120 كم إلى 160 كم. تتطلب هذه الروابط الأطول-أشعة ليزر DFB (تعليقات موزعة) ذات جودة أعلى والتي تحافظ على عرض طيفي ضيق-عادة أقل من 1 نانومتر-لتقليل تأثيرات التشتت اللوني.

يعمل النطاق C- (1530-1565 نانومتر) المحيط بـ 1550 نانومتر كأساس لأنظمة DWDM (تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف). تتباعد قنوات DWDM بشكل محكم يصل إلى 50 جيجا هرتز (0.4 نانومتر)، مما يسمح بتواجد 40 أو 80 أو حتى 96 طولًا موجيًا على ألياف واحدة. يمكن لجهاز إرسال واستقبال DWDM متماسك بسرعة 100 جيجابت في الثانية يعمل بحوالي 1550 نانومتر أن ينقل مسافة 1000 كيلومتر أو أكثر مع التضخيم المناسب.

تعمل مضخمات الألياف المشبعة بالإربيوم (EDFAs) حصريًا في النطاق C- والنطاق L- (1565-1625 نانومتر)، مما يتيح التضخيم البصري بدون تجديد كهربائي. تجعل هذه القدرة 1550 نانومتر الخيار العملي الوحيد للكابلات البحرية والوصلات الأساسية عبر البلاد حيث يعمل التضخيم المضمن كل 80-100 كيلومتر على تمديد الوصول الإجمالي إلى آلاف الكيلومترات.

يصبح تعويض التشتت أمرًا بالغ الأهمية عند 1550 نانومتر. تعرض الألياف ذات الوضع الفردي القياسي - ما يقرب من 17 ps/(nm·km) من التشتت اللوني عند هذا الطول الموجي. تعمل الإشارة بسرعة 10 جيجابت في الثانية بعرض طيفي يبلغ 0.4 نانومتر على تجميع 68 ثانية من التشتت على مسافة 10 كيلومترات-بما يكفي للتسبب في تداخل بين الرموز-بدون تعويض أو تعديل متقدم.

 

تقنيات الإرسال والاستقبال ثنائية الاتجاه وWDM

 

تستخدم أنواع أجهزة إرسال واستقبال الألياف التقليدية أليافًا منفصلة لوظائف الإرسال والاستقبال. تعمل تقنيات BiDi (ثنائية الاتجاه) وWDM على تغيير هذا النموذج عن طريق نقل أطوال موجية متعددة عبر شريط ألياف واحد.

أزواج الطول الموجي لجهاز الإرسال والاستقبال BiDi

تقوم أجهزة الإرسال والاستقبال BiDi بدمج مقرنة WDM التي تفصل بين أطوال موجية الإرسال والاستقبال التي تنتقل في اتجاهين متعاكسين على ألياف واحدة. تتضمن أزواج الطول الموجي الشائعة 1310 نانومتر/1490 نانومتر للمسافات القصيرة إلى المتوسطة (10-40 كم) و1490 نانومتر/1550 نانومتر للوصول الأطول (40-80 كم).

يرسل جهاز الإرسال والاستقبال عند النقطة A عند 1310 نانومتر بينما يستقبل عند 1490 نانومتر. يقوم جهاز الإرسال والاستقبال الخاص بالنقطة B بإجراء الإرسال العكسي-عند 1490 نانومتر والاستقبال عند 1310 نانومتر. يتطلب أسلوب -الزوج المتطابق هذا تخطيطًا دقيقًا للنشر نظرًا لأن خلط الأطوال الموجية غير المتوافقة يؤدي إلى قطع الارتباط.

تعمل تقنية BiDi على مضاعفة سعة البنية التحتية للألياف دون الحاجة إلى تركيب كابلات إضافية. يمكن لحزمة الألياف المكونة من 12-جديلة والتي كانت تدعم تقليديًا 6 روابط مزدوجة أن تدعم الآن 12 وصلة BiDi. يستخدم مشغلو مراكز البيانات هذه الميزة لتأجيل بناء الألياف الباهظة الثمن، خاصة في البيئات الحضرية ذات القنوات المحدودة.

التحدي التقني الرئيسي ينطوي على عزل الطول الموجي. يجب أن توفر قارنة WDM ما لا يقل عن 15-20 ديسيبل من العزل بين مسارات الإرسال والاستقبال لمنع تداخل الإشارة. تتسبب أدوات التوصيل ذات الجودة المنخفضة في حدوث تداخل يؤدي إلى انخفاض معدلات الخطأ في البتات، خاصة عند معدلات البيانات الأعلى حيث تضيق هوامش التوقيت.

دخلت وحدات 25G SFP28 BiDi مؤخرًا مرحلة الإنتاج باستخدام أزواج الطول الموجي 1270 نانومتر/1330 نانومتر عبر ألياف أحادية الوضع - لنقل مسافة 10 كيلومترات. تدعم أجهزة الإرسال والاستقبال هذه تطبيقات 5G للوصلة الأمامية والمتوسطة-حيث يحد توفر الألياف من توسيع الشبكة ولكن طلبات النطاق الترددي تستمر في الارتفاع.

منظمة قناة CWDM

تعمل أجهزة الإرسال والاستقبال CWDM عبر 18 طولًا موجيًا قياسيًا من 1270 نانومتر إلى 1610 نانومتر مع تباعد 20 نانومتر بالضبط. تتبع تسميات القنوات مواصفات ITU-T G.694.2، مرقمة بالتسلسل مثل 1270، 1290، 1310... حتى 1610.

تعمل كل قناة CWDM بشكل مستقل، وتحمل أي بروتوكول أو معدل بيانات يتراوح من 1 جيجابت في الثانية إلى 100 جيجابت في الثانية. يقوم مصممو الشبكات بتعيين أطوال موجية محددة لأنواع مختلفة من حركة المرور-1310 نانومتر لبيانات المؤسسة، و1470 نانومتر لنسخ التخزين، و1550 نانومتر للدوائر الاحتياطية - وكلها تشترك في زوج ألياف واحد.

تختلف ميزانيات الارتباط حسب الطول الموجي نظرًا لاختلاف ملفات تعريف توهين الألياف. تواجه قناة CWDM مقاس 1310 نانومتر خسارة قدرها 0.4 ديسيبل/كم، بينما تشهد قناة 1610 نانومتر خسارة قدرها 0.4-0.5 ديسيبل/كم. لقد حدت ذروة امتصاص الماء عند حوالي 1383 نانومتر تاريخيًا من قناة "ذروة الماء" هذه، على الرغم من أن ألياف ذروة الماء المنخفضة (LWP) المنخفضة - أزالت هذا القيد في عمليات النشر الحديثة.

تتطلب تقنية CWDM تحكمًا أقل دقة في الطول الموجي مقارنة بـ DWDM، مما يقلل تكاليف الإرسال والاستقبال بشكل كبير. قد تكلف 10G CWDM SFP + 80-120 دولارًا أمريكيًا مقارنة بـ 300-500 دولارًا أمريكيًا لمعادل DWDM. هذا الاقتصاد يجعل CWDM جذابًا لشبكات المترو التي تمتد من 40 إلى 60 كيلومترًا مع متطلبات الطول الموجي 4-8.

يشكل الانجراف في درجة الحرارة تحديًا يمكن التحكم فيه. يمكن للأطوال الموجية لليزر CWDM أن تحول ±2-3 نانومتر عبر نطاق درجة حرارة التشغيل. يوفر تباعد القنوات 20 نانومتر نطاق حماية كافيًا لمنع التداخل بين القنوات المجاورة حتى في ظل أسوأ الظروف الحرارية.

DWDM التحكم الدقيق في الطول الموجي

تعمل أجهزة إرسال واستقبال DWDM بتفاوتات أكثر إحكامًا في الطول الموجي، وعادةً ما تكون ضمن ±0.05 نانومتر (±6.25 جيجا هرتز) من قناة ITU المخصصة لها. يستوعب النطاق C- 88 قناة بتباعد 50 جيجا هرتز (0.4 نانومتر) أو 44 قناة بتباعد 100 جيجا هرتز (0.8 نانومتر).

تتلقى ترددات القنوات تسميات موحدة: تقع القناة 20 عند 1561.42 نانومتر (192.0 هرتز)، والقناة 30 عند 1553.33 نانومتر (193.0 هرتز)، وما إلى ذلك. يقوم مشغلو الشبكات بتحديد قنوات محددة بناءً على ملفات تعريف مكبر الصوت والبنية التحتية الحالية وخصائص التشتت.

يصبح تثبيت درجة الحرارة إلزاميًا لأجهزة إرسال واستقبال DWDM. تحافظ المبردات الكهروحرارية المدمجة (TECs) على قالب الليزر عند درجة حرارة ثابتة بغض النظر عن الظروف المحيطة. يضيف هذا التحكم الحراري ما بين 100 إلى 200 دولار لكل جهاز إرسال واستقبال ولكنه يضمن دقة الطول الموجي الكافية لتباعد القنوات بمقدار 50 جيجا هرتز.

تعمل أجهزة إرسال واستقبال DWDM القابلة للضبط على التخلص من إدارة مخزون الطول الموجي الثابت-. يمكن لجهاز إرسال واستقبال واحد قابل للضبط أن ينتقل عبر 40-96 قناة تابعة للاتحاد الدولي للاتصالات، إما من خلال التحكم في البرامج أو معدات الضبط الخارجية. تكلف التكنولوجيا القابلة للضبط 2-3 مرات أكثر من الطول الموجي الثابت، ولكن المرونة التشغيلية تبرر علاوة الاستراتيجية الاحتياطية وسيناريوهات التزويد السريع.

أدت التطورات الحديثة في ضوئيات السيليكون إلى تقليل استهلاك طاقة جهاز الإرسال والاستقبال DWDM مع زيادة كثافة التكامل. تستهلك وحدة 400G DWDM QSFP-DD 14 وات-نصف قوة عمليات التنفيذ المنفصلة للجيل السابق--بينما تدعم النقل لمسافة تصل إلى 80 كم مع تصحيح الأخطاء للأمام.

 

 

معايير اختيار الطول الموجي لسيناريوهات مختلفة

 

يتضمن الاختيار بين أنواع أجهزة إرسال واستقبال الألياف وأطوالها الموجية موازنة متطلبات المسافة والبنية التحتية للألياف ومعدلات البيانات وقيود الميزانية.

المسافة-الاختيار الموجه

بالنسبة للاتصالات التي يقل طولها عن 500 متر، توفر أجهزة الإرسال والاستقبال متعددة الأوضاع مقاس 850 نانومتر أفضل نسبة أداء من حيث التكلفة. تبلغ تكلفة 10GBASE-SR SFP+ النموذجية 25-40 دولارًا أمريكيًا وتعمل مع البنية الأساسية متعددة الأوضاع OM3/OM4 الشائعة في مراكز البيانات وشبكات الحرم الجامعي.

يتطلب النطاق من 500 متر إلى 10 كيلومتر عادةً خيارات الوضع الفردي -1310 نانومتر من بين أنواع أجهزة إرسال واستقبال الألياف المتوفرة. تبلغ تكلفة هذه الوحدات متوسطة المدى-50 دولارًا-100 دولارًا اعتمادًا على معدل البيانات ومجموعة الميزات. تعمل روابط البناء-من مبنى إلى مبنى، وتوزيع الحرم الجامعي، وشبكات الوصول إلى المترو بشكل أساسي بسرعة 1310 نانومتر نظرًا للتوازن المناسب بين التكلفة وخصائص التشتت والتوافر.

أبعد من 10 كم، يعتمد اختيار الطول الموجي على ما إذا كانت هناك حاجة إلى التضخيم. تعمل الوصلات غير المضخمة التي يتراوح طولها من 10 إلى 40 كيلومترًا بشكل جيد عند 1310 نانومتر، خاصة لتطبيقات المؤسسات حيث تكون البساطة مهمة. بالنسبة للمسافات التي تتجاوز 40 كم، يصبح 1550 نانومتر إلزاميًا للاستفادة من التوهين المنخفض وتمكين تضخيم EDFA إذا امتد الارتباط إلى ما بعد 80 كم.

قيود البنية التحتية للألياف

غالبًا ما تملي البنية التحتية الحالية للألياف اختيارات الطول الموجي بين أنواع أجهزة إرسال واستقبال الألياف المتاحة. تقيد التركيبات القديمة متعددة الأوضاع الخيارات لأجهزة الإرسال والاستقبال 850 نانومتر، على الرغم من أن الوصول لا يزال مقيدًا. يعمل نشر أجهزة الإرسال والاستقبال ذات الوضع الواحد-1310 نانومتر على ألياف متعددة الأوضاع على مسافات قصيرة جدًا (أقل من 100 متر) ولكنه يؤدي إلى إهدار قدرة جهاز الإرسال والاستقبال ذو الوضع الواحد-عن بعد.

يؤثر توفر عدد الألياف على اعتماد BiDi وWDM. تستفيد الشبكات التي تعاني من ندرة الألياف-والشائعة في المناطق الحضرية ذات مساحة القناة المحدودة-من تقنية BiDi التي تضاعف السعة لكل شريط ألياف. يمكن لمنشأة تحتوي على 6 أزواج من الألياف أن تدعم 12 اتصالاً مزدوجًا باستخدام أجهزة إرسال واستقبال BiDi بدلاً من البنى التقليدية.

تصبح CWDM وDWDM-فعالة من حيث التكلفة عند إضافة 4 اتصالات أو أكثر عبر الألياف الموجودة. وتبلغ التكلفة الإضافية لأجهزة الإرسال والاستقبال الملونة وأجهزة الإرسال السلبية ما بين 500 إلى 1500 دولار لكل طول موجي، وهو أقل بكثير من تكلفة تركيب مسارات ألياف جديدة في البيئات الحضرية والتي تتراوح بين 50 ألف إلى 500 ألف دولار.

عوامل البروتوكول ومعدل البيانات

تستفيد معدلات البيانات الأعلى عمومًا من الأطوال الموجية الأقصر -للتطبيقات قصيرة المدى. 100تستخدم الوصلات البينية لمراكز البيانات G و400G إشارات PAM4 بطول 850 نانومتر عبر ألياف متعددة الأوضاع للاتصالات التي يقل طولها عن 150 مترًا. يستوعب عرض النطاق الترددي الأوسع للألياف متعددة الأوضاع عند 850 نانومتر المحتوى الطيفي المتزايد لتعديل PAM4.

تستخدم الروابط عالية السرعة-المدى البعيد-تعديلًا متماسكًا ومتطورًا عند 1550 نانومتر. يستخدم جهاز الإرسال والاستقبال ZR 400G- الذي يرسل ما يزيد عن 120 كيلومترًا -كشفًا متماسكًا 16QAM مزدوج الاستقطاب، والذي يتطلب خسارة منخفضة تبلغ 1550 نانومتر جنبًا إلى جنب مع دقة الطول الموجي DWDM لتعدد قنوات 400G المتعددة على زوج ألياف واحد.

تستخدم شبكات تخزين القنوات الليفية في الغالب 850 نانومتر للاتصالات القصيرة داخل مركز البيانات و1310 نانومتر لنسخ التخزين بين المرافق-. يدعم النظام البيئي القائم لمحولات القنوات الليفية ومحولات الناقل المضيف أنواع أجهزة إرسال واستقبال الألياف هذه مع إمكانية التشغيل البيني المعتمدة.

 

ديناميات السوق واتجاهات التكنولوجيا

 

وصل سوق أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية العالمية إلى 12.6-13.6 مليار دولار في عام 2024 ومن المتوقع أن يصل إلى 25-42 مليار دولار بحلول 2030-2033، مما يعكس معدلات نمو سنوية مركبة تتراوح بين 13-16%. تمثل مراكز البيانات حوالي 61% من الطلب على أجهزة الإرسال والاستقبال، تليها تطبيقات الاتصالات.

تهيمن أجهزة الإرسال والاستقبال الليفية ذات الوضع الواحد- على حصة سوقية تبلغ 57%، مدفوعة بزيادة متطلبات الوصول في كل من مراكز البيانات واسعة النطاق (للاتصال بين المرافق-) وشبكات الاتصالات (لتجميع 5G الأمامي وتجميع المترو). تحتفظ أجهزة الإرسال والاستقبال متعددة الأوضاع بحصة تبلغ 43% ولكنها تنمو بشكل أبطأ بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 13-15% مقارنةً بنمو الوضع الفردي بنسبة 14-16%.

يؤدي التحول نحو أجهزة الإرسال والاستقبال 400G و800G إلى تسريع تطور الطول الموجي. 800تستخدم وحدات G 8 ممرات من إشارات 100G PAM4، عادةً عند 850 نانومتر للوصول القصير أو 1550 نانومتر متماسكة لمسافات أطول. تتوقع توقعات الصناعة زيادة شحنات أجهزة الإرسال والاستقبال 800G بنسبة 60٪ في عام 2025، وذلك بشكل أساسي لمجموعات تدريب الذكاء الاصطناعي والترابط السحابي واسع النطاق.

تعمل تقنية الضوئيات السيليكونية على تقليل تكاليف جهاز الإرسال والاستقبال مع تحسين الأداء. يعمل دمج المكونات الضوئية في رقائق السيليكون على تعزيز وفورات الحجم في تصنيع أشباه الموصلات، مما قد يؤدي إلى خفض تكاليف جهاز الإرسال والاستقبال 400G إلى أقل من 500 دولار بحلول عام 2026 - وهو المستوى الذي يجعل 400G منافسًا لـ 100G لعمليات النشر الجديدة.

ظهرت MWDM (تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي المتوسط) في عام 2024 لشبكات الجيل الخامس، باستخدام 12 طولًا موجيًا من 1267.5 نانومتر إلى 1374.5 نانومتر مع تباعد 3.5 نانومتر و7 نانومتر. تعمل أجهزة الإرسال والاستقبال هذه على تقسيم الفرق بين التباعد الواسع لـ CWDM والتباعد الضيق لـ DWDM، مما يؤدي إلى تحسين التكلفة وعدد القنوات لتطبيقات النقل الأمامي التي تتطلب أطوال موجية تتراوح من 6 إلى 12 على مسافات 10 كيلومترات.

تمثل البصريات المعبأة (CPO)- الحدود التالية، حيث يتم وضع أجهزة الإرسال والاستقبال مباشرة على محول السيليكون بدلاً من استخدام وحدات قابلة للتوصيل. يقلل هذا التكامل من استهلاك الطاقة بنسبة 30-40% مع تحسين سلامة الإشارة. تستهدف عمليات نشر CPO الأولية 51.2 تيرابت في الثانية و102.4 تيرابت في الثانية من أقمشة المحولات التي تعمل بسرعة 800 جيجا و1.6 تيرابايت لكل منفذ، حيث يؤدي التبديد الحراري لجهاز الإرسال والاستقبال التقليدي القابل للتوصيل إلى خلق تحديات في التصميم.

 

اعتبارات التنفيذ

 

يتطلب النشر الناجح للطول الموجي الانتباه إلى العديد من العوامل التقنية والتشغيلية.

حسابات ميزانية الطاقة الضوئية

يحتاج كل رابط ألياف إلى ميزانية كافية من الطاقة الضوئية-الفرق بين طاقة خرج جهاز الإرسال وحساسية جهاز الاستقبال-للتغلب على فقدان الألياف، وفقد الموصل، والحفاظ على هامش النظام.

حساب قياسي: يرسل جهاز إرسال واستقبال LR بقدرة 1310 نانومتر عند -3 ديسيبل ميلي واط ويستقبل عند -20 ديسيبل ميلي واط، مما يوفر 17 ديسيبل من ميزانية الارتباط. أكثر من 35 كم من الألياف (0.4 ديسيبل/كم × 35 كم=14 ديسيبل)، مع إضافة موصلين (0.5 ديسيبل لكل منهما) وهامش نظام 3 ديسيبل يبلغ إجماليه 18 ديسيبل. يفشل هذا الارتباط في أسوأ الظروف.

الترقية إلى جهاز إرسال واستقبال ER 1550 نانومتر مع طاقة إرسال -1 ديسيبل وحساسية جهاز استقبال -24 ديسيبل تنتج ميزانية قدرها 23 ديسيبل. يتمتع نفس الرابط الذي يبلغ طوله 35 كم الآن بهامش مناسب: 35 كم × 0.3 ديسيبل/كم + 1 ديسيبل للموصلات + 3 هامش ديسيبل=14.5 ديسيبل، مما يترك احتياطيًا قدره 8.5 ديسيبل لشيخوخة الألياف وتغيرات درجات الحرارة.

متطلبات توافق الطول الموجي

يجب أن تعمل أجهزة الإرسال والاستقبال المتصلة مباشرة بأطوال موجية متطابقة باستثناء تكوينات BiDi. لا يمكن لجهاز إرسال واستقبال 1310 نانومتر الاتصال بجهاز إرسال واستقبال 1550 نانومتر حتى إذا كان كلاهما يستخدم أليافًا أحادية الوضع -- فلن يكتشف الصمام الثنائي الضوئي لجهاز الاستقبال الطول الموجي الخاطئ بكفاءة.

تتطلب أنظمة CWDM وDWDM أجهزة إرسال واستقبال متطابقة مع الطول الموجي-ومضاعفات إرسال تم تكوينها بشكل صحيح. يجب أن يتصل جهاز إرسال واستقبال CWDM بطول 1470 نانومتر بمنفذ 1470 نانومتر الموجود على معدد الإرسال. يؤدي سوء توصيل الأطوال الموجية إلى تصفية الإشارة بدلاً من إرسالها.

تأتي أجهزة الإرسال والاستقبال BiDi في أزواج متطابقة تسمى "A" و"B" أو "upstream" و"downstream". قد ينقل الجانب A- 1310 نانومتر/يستقبل 1490 نانومتر، بينما ينقل الجانب B- 1490 نانومتر/يستقبل 1310 نانومتر. يؤدي تثبيت جهازي إرسال واستقبال من الجانب A- إلى إنشاء رابط غير وظيفي - حيث يرسل كلا الطرفين بنفس الطول الموجي.

نطاقات التشغيل البيئية

تحدد المواصفات البيئية لجهاز الإرسال والاستقبال مدى ملاءمة النشر. تعمل وحدات الدرجة التجارية-(0-70 درجة ) في مراكز البيانات والمكاتب المركزية التي يتم التحكم في مناخها-. تتعامل أجهزة الإرسال والاستقبال الصناعية (-40 إلى 85 درجة) مع الخزانات الخارجية وأبراج الخلايا وبيئات التصنيع القاسية.

تزيد تكلفة أجهزة إرسال واستقبال درجة الحرارة-الموسعة بنسبة 30-50% عن نظيراتها التجارية. بالنسبة لوحدة 10G SFP+ BiDi، توقع الحصول على درجة تجارية بقيمة 60-80 دولارًا مقابل درجة صناعية تتراوح بين 90-120 دولارًا. يشتري علاوة السعر الموثوقية التشغيلية عبر درجات الحرارة القصوى التي قد تتسبب في إيقاف تشغيل أجهزة الإرسال والاستقبال التجارية أو حدوث أخطاء.

يعد استقرار الطول الموجي عبر نطاق درجات الحرارة أمرًا مهمًا بالنسبة لـ DWDM أكثر من CWDM. يجب أن يحتفظ جهاز الإرسال والاستقبال DWDM بقناة ITU الخاصة به ضمن ±0.05 نانومتر عبر نطاق التشغيل الكامل، مما يتطلب تعويضًا نشطًا لدرجة الحرارة. يقع انحراف الطول الموجي ± 2-3 نانومتر لـ CWDM ضمن تباعد القنوات 20 نانومتر، لذا فإن الإدارة الحرارية السلبية تكفي.

 

الأسئلة المتداولة

 

هل يمكنني استخدام أجهزة إرسال واستقبال ذات أطوال موجية مختلفة على نفس الألياف؟

لا، بالنسبة للارتباطات المباشرة من نقطة إلى--نقطة. يجب أن يستخدم كلا الطرفين أطوال موجية متطابقة - 1310 نانومتر إلى 1310 نانومتر أو 1550 نانومتر إلى 1550 نانومتر. الاستثناء الوحيد هو تقنية BiDi، التي تستخدم عمدًا أطوال موجية مختلفة في اتجاهين متعاكسين (مثل 1310 نانومتر في اتجاه واحد، و1490 نانومتر في الاتجاه الآخر). بالنسبة لأنظمة CWDM أو DWDM المزودة بمضاعفات إرسال، يمكنك تشغيل أطوال موجية متعددة على نفس الألياف، ولكن يجب أن يظل كل زوج من الأطوال الموجية متطابقًا في كلا الطرفين.

لماذا يكون مدى الوصول إلى 850 نانومتر أقصر من 1310 نانومتر أو 1550 نانومتر؟

تعمل الألياف الضوئية على تخفيف الضوء بشكل أكبر عند الأطوال الموجية الأقصر. عند 850 نانومتر، تفقد الألياف متعددة الأوضاع حوالي 2.5 ديسيبل لكل كيلومتر، بينما تفقد الألياف أحادية الوضع عند 1310 نانومتر حوالي 0.4 ديسيبل/كم وتفقد الألياف ذات الوضع 1550 نانومتر 0.3 ديسيبل/كم فقط. على مسافة 10 كيلومترات، يكون الفرق هائلًا: 25 ديسيبل عند 850 نانومتر مقابل 3 ديسيبل عند 1550 نانومتر. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم 850 نانومتر أليافًا متعددة الأوضاع تعاني من التشتت المشروط الذي يحد من المسافة وعرض النطاق الترددي.

كيف أعرف ما إذا كانت الألياف الموجودة لدي تدعم أطوال موجية مختلفة؟

تحقق من نوع الألياف أولاً. تعمل الألياف متعددة الأوضاع (OM1، OM2، OM3، OM4) فقط مع أجهزة الإرسال والاستقبال 850 نانومتر للمسافات العملية. تدعم الألياف أحادية الوضع - (OS1، OS2) كلا من الأطوال الموجية 1310 نانومتر و1550 نانومتر. إذا كان لديك-ألياف أحادية الوضع مثبتة، فيمكنك التبديل بين أجهزة الإرسال والاستقبال 1310 نانومتر و1550 نانومتر بحرية طالما أن كلا الطرفين متطابقان. قد يكون للألياف القديمة التي تم تركيبها قبل عام 2000 "ذروة مائية" تبلغ حوالي 1383 نانومتر والتي تحجب قنوات CWDM في هذا النطاق.

ماذا يحدث إذا قمت بخلط الأطوال الموجية عن طريق الخطأ؟

فشل الارتباط في الإنشاء أو العمل بمعدلات خطأ عالية جدًا في البتات. تعمل أجهزة استقبال الثنائي الضوئي على تحسين نطاقات الطول الموجي المحددة-يتميز جهاز الاستقبال الذي يعمل بطول 1310 نانومتر بحساسية ضعيفة عند 1550 نانومتر ولا توجد استجابة تقريبًا عند 850 نانومتر. في أنظمة CWDM/DWDM المزودة بمضاعفات، تقوم اتصالات الطول الموجي غير الصحيحة بتصفية الإشارة. يؤدي عدم تطابق BiDi إلى إرسال كلا جهازي الإرسال والاستقبال ولكن دون استقبال أي منهما، مما يؤدي إلى فشل الاتصال بالكامل.

 

التطور التقني في استخدام الطول الموجي

 

تستمر الصناعة في دفع حدود الطول الموجي من خلال الابتكار في المواد وأنظمة التعديل وتقنيات التكامل التي تؤثر على أنواع أجهزة إرسال واستقبال الألياف.

تتيح أشعة الليزر ذات النقاط الكمومية إمكانية التشغيل بدرجة حرارة أوسع دون الحاجة إلى تبريد نشط، مما قد يؤدي إلى تقليل تكاليف جهاز الإرسال والاستقبال DWDM. تُظهر النماذج الأولية استقرار الطول الموجي ضمن ±0.1 نانومتر عبر -40 درجة إلى 85 درجة، وهو مناسب لتباعد DWDM بتردد 100 جيجا هرتز بدون مبردات كهروحرارية.

تعد تقنية الألياف الأساسية المجوفة-بالتغلب على حدود التوهين الأساسية للألياف الأساسية الصلبة التقليدية-. تحقق العروض التوضيحية المعملية 0.174 ديسيبل/كم عند 1550 نانومتر-تقترب من الحد النظري البالغ 0.142 ديسيبل/كم. إذا تم تسويقها تجاريًا، فيمكن للألياف الأساسية المجوفة- توسيع نطاق الوصول غير المضخم إلى 100 كيلومتر أو أكثر، مما يقلل الاعتماد على البنية التحتية المكلفة للتضخيم.

تحظى أجهزة الإرسال والاستقبال ذات النطاق O- (1260-1360 نانومتر) بالاهتمام لتطبيقات مراكز البيانات. يعمل التشغيل عند 1310 نانومتر تقريبًا على تجنب التشتت اللوني تمامًا على الألياف القياسية ذات الوضع الفردي-، مما يؤدي إلى التخلص من تعقيد معالج الإشارات الرقمية المطلوب لأنظمة النطاق المتماسكة C-. قدم العديد من البائعين وحدات 400G و800G O-band في عام 2024 مستهدفة التوصيلات البينية لمراكز البيانات بطول 2 إلى 10 كيلومترات.

يعكس التطور المستمر مبدأ أساسيًا: يمثل اختيار الطول الموجي بين أنواع أجهزة إرسال واستقبال الألياف أكثر من مجرد مواصفات فنية-فهو يحدد ما هو ممكن في شبكات الألياف الضوئية. إن فهم نطاقات الطول الموجي هذه ومقايضاتها-يمكّن مصممي الشبكات من مطابقة التكنولوجيا مع متطلبات التطبيق مع تحسين الأداء والتكلفة.