تعمل وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية المقترنة بالألياف-الوضعية-المفردة-من خلال تقنية الليزر

 

 

تستخدم وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية -الوضعية-المقترنة بالألياف-ثنائيات ليزر أشباه الموصلات لتحويل الإشارات الكهربائية إلى أشعة ضوئية مركزة بدقة والتي تنتشر عبر نوى ألياف ضيقة تبلغ 9- ميكرون. تعتمد هذه الوحدات على تقنية الليزر بدلاً من مصابيح LED لأن أشعة الليزر فقط هي التي يمكنها إنتاج ضوء الطول الموجي المتماسك والضيق- الضروري لمسافة -طويلة، وبسرعة عالية- لنقل البيانات عبر ألياف أحادية الوضع.

 

 

مبدأ التشغيل الأساسي: التحويل الكهروضوئي

 

تعمل أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية من خلال عمليتين متزامنتين موجودتين داخل وحدة مدمجة. تحتوي المجموعة الفرعية الضوئية للإرسال - (TOSA) على الصمام الثنائي الليزري الذي يحول الإشارات الكهربائية إلى ضوء، بينما تحتوي المجموعة الفرعية الضوئية للمستقبل - (ROSA) على الصمام الثنائي الضوئي الذي يحول الضوء الوارد مرة أخرى إلى إشارات كهربائية.

يعمل الصمام الثنائي الليزري من خلال فيزياء أشباه الموصلات. عندما يتجاوز التيار الكهربائي مستوى العتبة، تطلق الإلكترونات الموجودة في مادة أشباه الموصلات فوتونات من خلال الانبعاث المحفز. يتطلب الليزر تيارًا متحيزًا للتيار المستمر أكبر قليلاً من تيار العتبة لإصدار الضوء، مع التيارات التي تتجاوز هذه العتبة فقط لإنتاج مخرجات الليزر. يعمل هذا التحكم الدقيق على تمكين -التعديل السريع للتشغيل والإيقاف اللازم لتشفير البيانات الرقمية على هيئة نبضات ضوئية.

 

لماذا يعد الليزر ضروريًا للإرسال-في الوضع الفردي

 

تتطلب وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية-الوضعية-الألياف-المفردة المقترنة تقنية الليزر لأن الألياف-الوضعية المفردة لها قطر نواة ضيق يبلغ 9-ميكرون مما يسمح بانتشار وضع واحد فقط من الضوء. وهذا يتطلب أجهزة إرسال واستقبال تعمل بالليزر بأطوال موجية أطول مع حجم موضعي أصغر وعرض طيفي أضيق. لا يمكن لمصادر LED المستخدمة في أجهزة الإرسال والاستقبال متعددة الأوضاع تحقيق هذه الدقة.

تستخدم أجهزة الإرسال والاستقبال أحادية الوضع - عادةً أنواع الليزر FP (Fabry-Perot)، أو DFB (التغذية المرتدة الموزعة)، أو EML (الليزر المعدّل خارجيًا)، والتي تعمل بشكل أساسي عند أطوال موجية تبلغ 1310 نانومتر أو 1550 نانومتر. تم اختيار هذه الأطوال الموجية لأن توهين الألياف الضوئية يصل إلى الحد الأدنى من المستويات عند هذه النقاط المحددة في طيف الأشعة تحت الحمراء.

يتوافق شعاع الإخراج المتماسك لليزر مع القيود المادية لاقتران الألياف ذو الوضع الواحد-. تعتمد كفاءة الاقتران بين الألياف أحادية الوضع - وثنائيات الليزر على تحسين البنية البصرية ومعلمات الاقتران، مع عوامل تشمل الطول الموجي لليزر، ونصف قطر وسط الشعاع، وتكوين العدسة، وتفاوتات المحاذاة الدقيقة.

 

أنواع الليزر ومسافة الإرسال

 

تخدم تقنيات الليزر المختلفة متطلبات نقل متميزة:

فابري -بيروت (FP) ليزر: تعمل أجهزة الليزر التجويفية الأساسية هذه بشكل جيد مع تطبيقات الوضع الفردي الأقصر-التي تصل إلى 40 كيلومترًا. يقوم ليزر FP نموذجي 1310 نانومتر بتحويل الإشارات الكهربائية المنطقية المقترنة بالباعث الزائف (PECL) إلى ضوء من خلال دائرة التشغيل في قسم جهاز الإرسال.

ليزر التغذية المرتدة الموزعة (DFB).: توفر أجهزة ليزر DFB طولًا موجيًا ثابتًا وعرض خط ضيق، مما يقلل من فقدان الإشارة والتداخل عبر كابلات الألياف الضوئية الطويلة، مما يجعلها مثالية لتطبيقات النقل لمسافات طويلة-. تهيمن أجهزة الليزر هذه على شبكات المترو وشبكات المسافات الطويلة-التي تعمل لمسافة تتجاوز 40 كيلومترًا.

الليزر المعدل خارجيًا (EML): بالنسبة للتطبيقات بعيدة المدى- للغاية والتي تمتد إلى 80 كيلومترًا أو أكثر، تعمل تقنية EML على فصل توليد الضوء عن تعديل الإشارة، مما يقلل من التغريد ويتيح نقل طاقة أعلى مع انخفاض مستوى تدهور الإشارة.

 

تحدي اقتران الألياف

 

يمثل نقل ضوء الليزر إلى قلب من الألياف سعة 9 ميكرون تحديات هندسية كبيرة. مع زيادة سرعات الشبكة وتقلص المناطق النشطة للثنائي الضوئي، يصبح الاقتران أكثر صعوبة نظرًا لأن الثنائي الضوئي 30 جيجا هرتز يبلغ قطره النشط 20 ميكرون فقط، مما يتطلب تركيزًا محكمًا للغاية للحزمة الضوئية.

تصل كفاءات الاقتران النموذجية لثنائيات الليزر في ألياف الوضع -المفردة إلى حوالي 40% لأشكال الشعاع البيضاوي، مع تحقيق مصادر الألياف -المضخمة كفاءة بنسبة 60% في نطاق الأشعة تحت الحمراء المرئية والقريبة-. تستخدم عملية الاقتران بصريات دقيقة بين الليزر والألياف لتشكيل شكل الشعاع وزيادة نقل الطاقة إلى الحد الأقصى.

إن تفاوتات المحاذاة ضيقة للغاية. تشمل العوامل الخارجية التي تؤثر على أداة التوصيل خطأ المحاذاة الجانبية، وخطأ المحاذاة الطولية، وخطأ محاذاة زاوية الدوران، وكلها يجب التحكم فيها أثناء التصنيع. تستخدم أنظمة المحاذاة الآلية الحديثة ردود الفعل النشطة لتحسين أدوات التوصيل أثناء التجميع.

 

اختيار الطول الموجي وتقنية WDM

 

تعمل وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية -ذات الوضع -المقترنة بالألياف- على تحسين الأطوال الموجية 1310 نانومتر و1550 نانومتر، مع أجهزة إرسال دقيقة - تتيح تدرجات أدق للطول الموجي داخل هذه النوافذ من خلال مخططات CWDM (تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الخشن) وDWDM (تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف).

تستغل أجهزة الإرسال والاستقبال ثنائية الاتجاه (BiDi) فصل الطول الموجي لتمكين -الاتصال المزدوج الكامل عبر شريط ألياف واحد. يرسل جهاز 1000BASE-BX10-D عند 1490 نانومتر بينما يستقبل عند 1310 نانومتر، مقترنًا بجهاز 1000BASE-BX10-U الذي يرسل عند 1310 نانومتر ويستقبل عند 1490 نانومتر، مع مقسم WDM متكامل يفصل مسارات الطول الموجي.

 

التحكم في الطاقة والاستقرار

 

تتطلب طاقة خرج الليزر إدارة نشطة. تشتمل العديد من التصميمات على صمام ثنائي ضوئي للشاشة يقوم بأخذ عينات من مخرجات الليزر ويغذيها مرة أخرى إلى دوائر التحكم التي تقيس طاقة الخرج الفعلية، مما يعمل على تثبيت الليزر على الرغم من التغيرات في درجات الحرارة وتأثيرات الشيخوخة.

يعد خرج الليزر حساسًا للغاية لدرجة الحرارة، حيث تزداد طاقة الخرج القصوى خطيًا مع انخفاض درجة الحرارة، بينما يتغير الطول الموجي للخرج مع تغيرات درجة الحرارة. تشتمل أجهزة الإرسال والاستقبال التجارية عادةً على مبردات كهروحرارية (TECs) ودوائر التحكم التلقائي في درجة الحرارة (ATC) للحفاظ على التشغيل المستقر عبر نطاقات تتراوح من 0 درجة إلى 70 درجة، مع امتداد الإصدارات الصناعية إلى -40 درجة إلى 85 درجة.

 

 

جانب جهاز الاستقبال: تقنية الثنائي الضوئي

 

بينما يستخدم جهاز الإرسال تقنية الليزر، يستخدم جهاز الاستقبال تقنية الثنائي الضوئي للتحويل العكسي. تعمل الثنائيات الضوئية PIN على تحويل فوتونات الضوء مباشرة إلى تيار كهربائي لتطبيقات الحساسية المتوسطة، بينما تعمل الثنائيات الضوئية الانهيارية (APD) على تضخيم الإشارة الكهربائية الداخلية للحصول على حساسية أكبر في البيئات ذات المسافة الأطول أو ذات قوة الإشارة المنخفضة.

تشمل مواد الثنائي الضوئي الشائعة السيليكون (Si)، والجرمانيوم (Ge)، وزرنيخيد الغاليوم الإنديوم (InGaAs)، حيث توفر كل منها أداءً مثاليًا في نطاقات أطوال موجية مختلفة. بالنسبة لتطبيقات الوضع الفردي- عند 1310 نانومتر و1550 نانومتر، تهيمن الثنائيات الضوئية InGaAs نظرًا لاستجابتها القوية والتيار المظلم المنخفض في نطاق الطول الموجي هذا.

 

التكامل وعوامل الشكل

 

تعمل أجهزة الإرسال والاستقبال الحديثة على دمج مصادر الليزر وإلكترونيات التحكم وبصريات الاقتران في وحدات قياسية -قابلة للتوصيل. وصل سوق أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية إلى 13.6 مليار دولار أمريكي في عام 2024، ومن المتوقع أن ينمو إلى 25.0 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2029، مدفوعًا بنشر شبكات الجيل الخامس (5G)، والطلب على الحوسبة السحابية، وتوسيع مراكز البيانات.

تطورت عوامل الشكل من وحدات GBIC الأكبر حجمًا إلى تنسيقات SFP وSFP+ وQSFP28 وأحدث QSFP-DD. يجمع كل جيل المزيد من الوظائف في مساحات أصغر مع دعم معدلات بيانات أعلى. تدعم أجهزة الإرسال والاستقبال QSFP ما يصل إلى 400 جيجا اتصالات من خلال قنوات ليزر متوازية متعددة، مع تحول السوق نحو وحدات ذات سرعة أعلى-مع زيادة متطلبات عرض النطاق الترددي.

 

مزايا الأداء

 

توفر وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية-الوضعية-الألياف-المفردة فوائد متعددة لتطبيقات المسافات الطويلة-من خلال أسلوبها المعتمد على الليزر-:

وصول ممتد: تصل هذه الوحدات عمومًا إلى حوالي 10 كم و40 كم و80 كم وحتى أبعد، بينما تمتد أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية متعددة الأوضاع عادةً على مسافة 550 مترًا فقط. ينبع هذا الاختلاف الكبير من مخرجات الليزر المتماسكة وانخفاض التشتت في الألياف أحادية الوضع-.

عرض النطاق الترددي العالي: ألياف ذات وضع واحد- مقترنة بمصادر ليزر تدعم عرض نطاق ترددي غير محدود فعليًا من الناحية النظرية، حيث ينتشر وضع ضوء واحد فقط. يتيح ذلك التوسع من 1 جيجابت في الثانية إلى 100 جيجابت في الثانية وما بعدها على نفس البنية التحتية للألياف.

خسارة أقل: يكون توهين الألياف الضوئية أقل بشكل ملحوظ عند الأطوال الموجية 1310 نانومتر و1550 نانومتر التي تستخدمها أجهزة الليزر أحادية الوضع -. يتيح هذا الانخفاض في الخسارة لكل كيلومتر مسافات أطول غير مضخمة.

مقايضات التصميم-

إن الحاجة إلى محاذاة أكثر دقة-وتفاوتات موصلة أكثر إحكامًا لأقطار أساسية أصغر تؤدي إلى تكاليف أعلى بشكل ملحوظ لوحدات الإرسال والاستقبال الضوئية-الوضعية-المقترنة بالألياف-المفردة مقارنة بالبدائل متعددة الأوضاع. تكلف مصادر الليزر أكثر من مصابيح LED، وتتطلب بصريات الاقتران دقة أكبر.

كما تستهلك أجهزة الإرسال والاستقبال ذات الوضع الواحد-طاقة أكبر من أجهزة الإرسال والاستقبال متعددة الأوضاع، وهو اعتبار مهم فيما يتعلق بتكاليف الطاقة والتبريد في مركز البيانات. تساهم محركات الليزر وأنظمة التحكم في درجة الحرارة وطاقة الإخراج الأعلى في زيادة استهلاك الطاقة.

ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب مسافات تتجاوز 500-600 متر أو إثبات-نمو عرض النطاق الترددي في المستقبل، تصبح تقنية الوضع الفردي- فعالة من حيث التكلفة على الرغم من ارتفاع أسعار الوحدات الأولية. غالبًا ما يبرر توفير تكاليف البنية التحتية للألياف ومساحة الأداء العالية قسط جهاز الإرسال والاستقبال.

 

القضايا التشغيلية المشتركة

 

غالبًا ما تظهر حالات فشل جهاز الإرسال والاستقبال البصري على شكل انقطاع في المنفذ، أو مؤشرات غير طبيعية للجهاز، أو مشاكل في التوافق حيث تعرض المعدات تحذيرات غير معروفة للوحدة النمطية. يتضمن الفحص الأكثر أهمية مطابقة الطول الموجي للوحدة مع نوع الألياف.

يؤدي توصيل أجهزة الإرسال والاستقبال متعددة الأوضاع بالألياف ذات الوضع الفردي- إلى حدوث مشكلات خطيرة، حيث لا يقترن سوى جزء صغير من مخرجات LED بالنواة الضيقة التي تبلغ 9- ميكرون، مما يؤدي إلى اتصالات قصيرة للغاية وغير موثوقة. يمكن أن يعمل التكوين العكسي (ليزر أحادي الوضع في ألياف متعددة الأوضاع) مع كابلات تكييف الوضع ولكن لا يوصى به.

عند استكشاف أخطاء فشل الإرسال وإصلاحها، تأكد من تطابق الأطوال الموجية ومسافات الإرسال عند كلا الطرفين، وتحقق من مستويات الطاقة الضوئية باستخدام عداد الطاقة للتأكد من أنها تقع ضمن النطاقات الطبيعية، وافحص معلمات DDM (مراقبة التشخيص الرقمي) لحالات الإنذار.

 

اتجاهات السوق والتنمية المستقبلية

 

يشهد سوق أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية نموًا سريعًا مدفوعًا بنشر شبكة 5G، والطلب على البنية التحتية للذكاء الاصطناعي، وتوسيع الحوسبة السحابية، والانتقال إلى معدلات بيانات 400G و800G في مراكز البيانات.

وتشمل التحديات الرئيسية ارتفاع تكاليف أجهزة الإرسال والاستقبال المتقدمة، والإدارة الحرارية بسرعات أعلى، وتعقيد التكامل مع الشبكات الحالية. يعالج المصنعون هذه المشكلات من خلال تكامل ضوئيات السيليكون، الذي يجمع بين مصادر الليزر والمعدلات وأجهزة الكشف الضوئي في شريحة واحدة لتقليل التكاليف وتحسين الأداء.

ستظل البنية الأساسية المعتمدة على الليزر-مركزية مع زيادة السرعات. تشتمل المنتجات التي تم إطلاقها مؤخرًا على حافظات أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية 800G المصممة لتطبيقات مراكز البيانات، مما يعكس توجه الصناعة نحو سرعات أعلى مع الحفاظ على نهج تكنولوجيا الليزر الأساسية.

 

الأسئلة المتداولة

 

هل يمكن لمصادر الليزر متعددة الأوضاع أن تعمل مع الألياف ذات الوضع الواحد-؟

لا، لا يمكن أن تعمل بصريات SR متعددة الأوضاع مع ألياف ذات وضع واحد-لأنها تطلق شعاعًا بقوة 50-62.5 ميكرون عند فتحة 9 ميكرون، مع دخول 18% من الضوء إلى الألياف على أفضل تقدير. عدم التطابق المادي بين حجم الشعاع ونواة الألياف يجعل هذا التكوين غير فعال إلا في سيناريوهات الاختبار القصيرة جدًا.

لماذا تستخدم أجهزة الإرسال والاستقبال ذات الوضع الواحد-الأطوال الموجية 1310 نانومتر و1550 نانومتر؟

تمثل هذه الأطوال الموجية المحددة الحد الأدنى من نقاط التوهين في طيف نقل ألياف السيليكا. يوفر المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) معايرة مقيسة لاختبار الألياف الضوئية عند هذه الأطوال الموجية، مما يساهم في توحيد الصناعة. توفر النافذة مقاس 1550 نانومتر خسارة أقل قليلاً من 1310 نانومتر، مما يجعلها مفضلة للتطبيقات ذات المسافات الطويلة جدًا-.

ما الذي يحد من مسافة الإرسال القصوى؟

تأتي قيود المسافة من توهين الألياف المتراكم، والتشتت اللوني، وحدود طاقة خرج الليزر. تعمل أجهزة ليزر DFB عالية الجودة- ذات عرض خط أضيق على تقليل تأثيرات التشتت اللوني. تنقسم أجهزة الإرسال والاستقبال إلى قطاعات السوق حسب فئات المسافة: أقل من كيلومتر واحد، و1-10 كيلومتر، و11-100 كيلومتر، وأكثر من 100 كيلومتر، حيث يتطلب كل منها تقنية ليزر أكثر تطورًا بشكل تدريجي.

كيف تؤثر درجة الحرارة على أداء الليزر؟

يتغير خرج طاقة الليزر على مدار عمر الجهاز، مع تسارع التقادم عند درجات الحرارة المرتفعة، ولهذا السبب تظهر أجهزة VCSEL التي تعمل بطاقة أقل معدلات فشل أقل نسبيًا بمرور الوقت. تشتمل أجهزة الإرسال والاستقبال الصناعية- على إدارة حرارية أكثر قوة للحفاظ على الأداء عبر نطاقات درجات الحرارة الممتدة.

---

توضح أجهزة الإرسال والاستقبال-الألياف ذات الوضع الواحد-المقترنة مدى دقة التحكم بالليزر في تمكين الشبكات-الحديثة عالية السرعة. تعمل هذه التقنية على الموازنة بين الفيزياء البصرية وهندسة أشباه الموصلات والتصنيع الدقيق لتحقيق نقل موثوق للبيانات عبر المسافات الحضرية والعابرة للقارات. ومع تزايد الطلب على عرض النطاق الترددي، تستمر تحسينات تكنولوجيا الليزر في دفع التطور نحو الاتصالات الضوئية بمقياس تيرابت-.