ما هو الغرض من جهاز الإرسال والاستقبال البصري؟
Dec 23, 2025|
قد لا يكون الكثير من الأشخاص على دراية بمصطلح "جهاز الإرسال والاستقبال البصري". ولكن في كل مرة تتصفح فيها TikTok، أو تجري مكالمات فيديو، أو تخزن ملفات في وحدة تخزين سحابية، يعمل هذا الجهاز الصغير بصمت خلف الكواليس.
لقد عملت في صناعة الاتصالات لأكثر من عشر سنوات، بدءًا من العمل في البداية مع وحدات 1G SFP إلى السفر الآن حول العالم للترويج لحلول 400G و800G، وأشهد بشكل مباشر النمو الهائل لهذه الصناعة. اليوم، سأتحدث عن الغرض الفعلي من استخدام أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية، وأحاول شرحها بعبارات بسيطة وتجنب المصطلحات.
أولاً، دعونا نفهم ما هو جهاز الإرسال والاستقبال البصري
جهاز الإرسال والاستقبال البصري، الذي يُطلق عليه عمومًا "الوحدة الضوئية" في الصناعة، هو في الأساس محول إشارة.
يعمل كل من جهاز التوجيه المنزلي ومحول الشركة وخوادم مركز البيانات على إشارات كهربائية. ولكن هناك مشكلة كبيرة في الإشارات الكهربائية- فهي لا تنتقل لمسافات طويلة. باستخدام الكابلات النحاسية، يمكن لإشارة 10G أن تنتقل لمسافة 30-50 مترًا فقط قبل أن تتعطل، وهي معرضة للغاية للتداخل؛ حتى تشغيل المحرك القريب يمكن أن يسبب مشاكل.
الإشارات الضوئية مختلفة. من الناحية النظرية، يمكن للإشارات الضوئية في الألياف ذات الوضع الواحد-الانتقال لمئات الكيلومترات، مع عرض نطاق ترددي كبير بشكل غير معقول؛ يمكن لألياف واحدة رفيعة مثل شعرة الإنسان أن تنقل عشرات التيرابايت من البيانات في وقت واحد.
ولكن هنا تكمن المشكلة: الأجهزة لا تستطيع معالجة الإشارات الضوئية.
لهذا السبب نحتاج إلى الوحدات البصرية كـ "مترجمين":
عند الإرسال:تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية وإرسالها إلى الألياف.
عند الاستلام:إن تحويل الإشارات الضوئية في الألياف مرة أخرى إلى إشارات كهربائية لتتمكن الأجهزة من معالجتها-الأمر بهذه البساطة.
مراكز البيانات – أكبر مستهلكي الوحدات الضوئية
اسمحوا لي أن أبدأ ببعض الأرقام الملموسة. في العام الماضي، أتيحت لي الفرصة لزيارة مركز بيانات أحد موفري الخدمات السحابية الرائدين في تشانغبي. أخبرني موظفو العمليات والصيانة أن حرمهم الوحيد يحتوي على أكثر من 500000 وحدة بصرية، ويقومون باستبدال عدة مئات منها كل شهر لأسباب مختلفة؛ كانت قطع الغيار مكدسة مثل الجبال الصغيرة في المستودع.
وكان هذا مجرد حرم جامعي واحد. يتجاوز المجموع الإجمالي للعديد من الشركات المصنعة المحلية الكبرى بسهولة عشرة ملايين وحدة بصرية قيد التشغيل.
الوصول إلى الخادم
في مراكز البيانات الرئيسية اليوم، يتم تجهيز كل خادم بمنفذي شبكة 25G أو 100G على الأقل، وكلها تتطلب وحدات بصرية. سيتطلب الحامل الذي يحتوي على 40 خادمًا 80 وحدة ضوئية لطبقة الخادم تلك فقط.
يتساءل بعض الناس: "لماذا لا نستخدم الكابلات النحاسية لمسافات قصيرة فقط؟"
يوجد بالفعل مثل هذا الحل، المسمى DAC (الكبل النحاسي للتوصيل المباشر)، وهو بالفعل رخيص وفعال في حدود 3 أمتار. ومع ذلك، فهو لا يعمل على مسافة تتجاوز 3 أمتار بسبب التوهين الشديد للإشارة. نادرًا ما تكون كابلات مركز البيانات نظيفة ومرتبة؛ غالبًا ما تتضمن التقلبات والمنعطفات، حيث يكون طول 5 أو 10 أمتار أمرًا شائعًا جدًا. في مثل هذه الحالات، الوحدات البصرية ضرورية.
العمود الفقري-بنية الترابط الورقي
تستخدم معظم مراكز البيانات الجيدة الآن بنية Spine-Leaf. تدير المحولات الطرفية الوصول إلى الخادم، بينما تتعامل المحولات العمودية مع إعادة توجيه حركة المرور شرقًا-غربًا.
تتراوح المسافة بين الورقة والعمود الفقري من عشرات إلى بضع مئات من الأمتار، وهي بشكل عام 100 جرام أو أعلى، مع انتقال الشركات المصنعة الكبرى بالفعل إلى 400 جرام.
وفقًا لبيانات من LightCounting في أوائل عام 2024، لا تزال الوحدات الضوئية 100G هي الفئة الأكبر في شحنات مراكز البيانات، ولكن 400G تشهد نموًا مذهلاً، حيث تزيد بنسبة 80% تقريبًا سنويًا-على-العام.
أشعر أنه بحلول عام 2025، سيصبح 400G هو المعيار لمراكز البيانات المبنية حديثًا.
ربط مركز البيانات (DCI)
تمتلك الشركات الكبيرة عادةً عدة مراكز بيانات في المدينة، مما يتطلب{0}اتصالاً بينيًا عالي السرعة لمزامنة البيانات والتعافي من الكوارث.
عادةً ما تبلغ مسافات DCI داخل نفس المدينة 10-80 كيلومترًا. في السابق، تم استخدام 100G LR4 وER4 لهذا السيناريو، ولكن الآن يتم اعتماد 400G ZR بشكل متزايد. ZR عبارة عن وحدة بصرية متماسكة، قادرة على العمل على مسافات تصل إلى 80 كيلومترًا أو حتى أطول، بطول موجة واحد 400G، وهو قوي جدًا.
في العام الماضي، أراد أحد العملاء إنشاء اتصال مباشر بسرعة 400 جيجا بايت بين مركزي بيانات يفصل بينهما مسافة 60 كيلومترًا. في البداية، كانت الخطة هي استخدام معدات DWDM التقليدية، والتي كانت ستكلف عدة ملايين من اليوانات. وفي وقت لاحق، تحولوا إلى الاتصال المباشر مع الوحدات الضوئية 400G ZR، مما أدى إلى خفض التكلفة بأكثر من النصف وتبسيط الصيانة إلى حد كبير. وهذا دليل على فوائد التقدم التكنولوجي.
مجموعات الذكاء الاصطناعي – الاتجاه الأكثر سخونة في الآونة الأخيرة
أصبحت النماذج واسعة النطاق- شائعة في العامين الماضيين، وأصبحت متطلبات النطاق الترددي للشبكة لمجموعات التدريب مجنونة بكل بساطة.
يتطلب خادم DGX H100 من NVIDIA، المزود بـ 8 وحدات معالجة رسوميات لكل جهاز وكل وحدة معالجة رسومات مجهزة بمنفذ Ethernet 400G، ثماني وحدات ضوئية 400G لكل جهاز. قد يؤدي إنشاء مجموعة مكونة من عشرات الآلاف من وحدات معالجة الرسومات إلى تكاليف فلكية للوحدات الضوئية.
يشاع أن إحدى الشركات المصنعة الكبرى دفعت مسبقًا مئات الملايين لمورديها لتأمين سعة إنتاج الوحدة الضوئية 800G.
شخصيًا، أشعر أن الطلب على الذكاء الاصطناعي قد أصبح سريعًا جدًا، وأن سلسلة توريد الوحدات الضوئية كانت ضيقة باستمرار. الدليل الأكثر مباشرة هو أن أسعار أسهم العديد من الشركات الرائدة في تصنيع الوحدات الضوئية قد ارتفعت بشكل كبير هذا العام.
تعد شبكات مشغلي الاتصالات سوقًا تقليديًا للوحدات الضوئية. على الرغم من أنها ليست "مثيرة" مثل مراكز البيانات، إلا أن نطاقها مستقر.
شبكة النقل 5G
تنقسم محطات 5G الأساسية إلى ثلاثة مستويات: AAU وDU وCU. وتسمى الاتصالات بينهما بالوصل الأمامي، والوصل المتوسط، والوصل الخلفي.
تستخدم Fronthaul (AAU إلى DU) بشكل شائع الوحدات الضوئية 25G، مع مسافات لا تتجاوز عمومًا 20 كيلومترًا. يحتوي هذا القطاع على متطلبات عالية للغاية من حيث زمن الوصول والمزامنة، باستخدام بروتوكول eCPRI، كما أن الوحدات الضوئية لها أيضًا بعض المتطلبات الخاصة. في العام الماضي، في مشروع 5G Fronthaul مع مشغل الهاتف المحمول الإقليمي، كانوا صارمين للغاية فيما يتعلق باختبار زمن الوصول للوحدات الضوئية؛ تم إرجاع عدة دفعات بسبب الكمون الزائد. مراقبة الجودة أمر بالغ الأهمية في مشاريع الاتصالات.
يستخدم النقل المتوسط والوصل وحدات بصرية ذات سرعات أعلى، بما في ذلك 50 جيجا و100 جيجا، وعلى مسافات أطول بكثير، ربما عشرات الكيلومترات.
لقد مرت بالفعل ذروة نشر شبكة 5G، ولكن شبكة 6G لا تزال في مرحلة البحث-المسبقة، لذلك لا تزال هناك فرص في وقت لاحق.
شبكات المناطق الحضرية (MANs) والشبكات الأساسية
شبكات المناطق الحضرية (MANs) هي في المقام الأول الشبكات التي تديرها شركات النقل داخل المدن، حيث تقوم بتجميع حركة الوصول المختلفة وإرسالها إلى الشبكة الأساسية.
الشبكة الأساسية عبارة عن شبكة نقل لمسافات طويلة-تغطي المدن والمقاطعات، وتنقل جميع حركة مرور الإنترنت تقريبًا. يجب أن تستخدم الشبكات الأساسية أنظمة DWDM، حيث تحشر العشرات أو حتى المئات من الأطوال الموجية في ليف ضوئي واحد، كل طول موجي يعمل عند 100 جيجا أو 400 جيجا.
الوحدات الضوئية المستخدمة في هذا المجال هي الوحدات الضوئية الأكثر تقدمًا من الناحية التكنولوجية، وهي في المقام الأول متماسكة، كما أنها باهظة الثمن؛ يمكن أن تكلف وحدة واحدة بسهولة عشرات الآلاف من اليوانات. بصراحة، تتمتع أعمال الشبكات الأساسية بهوامش ربح عالية، ولكن الحجم صغير، وقاعدة العملاء تقتصر على عدد قليل من شركات النقل، مما يجعل العلاقات حاسمة.
متطلبات الوحدة الضوئية لشبكة المؤسسة
ستحتاج الشركات الأكبر قليلاً بالتأكيد إلى تشغيل كابلات الألياف الضوئية بين مباني المكاتب. المثال الأكثر تطرفًا الذي رأيته هو شبكة حرم مصنع السيارات. مساحة المصنع كبيرة جدًا لدرجة أن بعض المباني تفصل بينها ثلاثة أو أربعة كيلومترات، مما يتطلب وحدات بصرية 10G LR أو حتى ER.
عادةً ما يكون عملاء المؤسسات حساسين للسعر-. تعد الوحدات الضوئية الخاصة بالشركة المصنعة للمعدات الأصلية (OEM) باهظة الثمن للغاية، لذا سيختار معظمهم وحدات متوافقة مع جهات خارجية. وطالما وجدت موردًا موثوقًا به، فإن الوحدات المتوافقة تعمل بشكل عام دون مشاكل. ومع ذلك، هناك استثناءات. تتطلب بعض الشركات الكبرى والمؤسسات المالية المملوكة للدولة-استخدام وحدات OEM في عمليات الشراء الخاصة بها، حتى لو كانت تكلفتها أعلى بمرتين أو ثلاث مرات. متطلبات الامتثال موجودة؛ لا توجد طريقة حوله.
في مراكز بيانات المؤسسات، هناك حاجة أيضًا إلى الوحدات الضوئية لربط الخوادم وأجهزة التخزين.
هناك نظامان رئيسيان لشبكات التخزين: القناة الليفية (FC) والإيثرنت. FC هو بروتوكول قديم، لكنه لا يزال يستخدم على نطاق واسع في صناعات مثل التمويل والرعاية الصحية بسبب استقراره وموثوقيته.
تتميز الوحدات الضوئية FC بمواصفاتها الخاصة: 8G، و16G، و32G FC، ولا يمكن استخدامها بالتبادل مع وحدات Ethernet الضوئية. في السنوات الأخيرة، اكتسب بروتوكول NVMe-oF شعبية، حيث يستخدم Ethernet لنقل حركة مرور التخزين، وتتآكل حصة FC في السوق تدريجيًا. ومع ذلك، ستكون هذه العملية بطيئة للغاية لأن السوق الحالي كبير جدًا.
تطبيقات أخرى للوحدات البصرية
بيئات المصنع قاسية، مع مستويات عالية من التداخل الكهرومغناطيسي وتقلبات شديدة في درجات الحرارة، والتي لا تستطيع الوحدات الضوئية العادية تحملها. تتطلب الوحدات الضوئية الصناعية- نطاق درجة حرارة التشغيل من -40 درجة إلى +85 درجة، بالإضافة إلى مقاومة الاهتزاز والصدمات. التكلفة أعلى بكثير من الوحدات البصرية العادية، لكن العملاء الصناعيين لا يهتمون بالتكلفة الإضافية؛ إنهم يعطون الأولوية للاستقرار.
أخبرني أحد الأصدقاء الذي يعمل في مشروع مصنع للصلب أن المفاتيح العادية لا يمكن استخدامها ببساطة لمعدات الشبكة القريبة من أفران الصهر الخاصة بها؛ يتعين عليهم استخدام معدات من النوع الصناعي- مع وحدات بصرية من النوع الصناعي-، وإلا سترتفع درجة حرارة الشبكة وتتعطل.
تستخدم محطات التلفزيون أيضًا وحدات بصرية لنقل إشارات الفيديو داخليًا، لكن البروتوكول مختلف قليلاً؛ انها SDI عبر الألياف.
تتمتع إشارات 4K و8K فائقة الوضوح-عالية-بنطاقات ترددية كبيرة جدًا، كما يؤدي الضغط إلى زمن الوصول، وهو أمر غير مقبول لعمليات البث المباشر. ولذلك، تستخدم صناعة البث الإرسال غير المضغوط، الأمر الذي يفرض متطلبات عالية جدًا على عرض النطاق الترددي للوحدات الضوئية.
تعد الوحدات البصرية العسكرية عالمًا مختلفًا تمامًا، وتتطلب عمليات تقوية وشهادات مختلفة، كما أن السعر أيضًا في فئة مختلفة تمامًا-باهظ الثمن بشكل لا يصدق. ليس من السهل الكشف عن تفاصيل محددة، ولكن باختصار، الحواجز التقنية عالية جدًا، ولا يوجد العديد من اللاعبين الذين يمكنهم دخول هذا المجال.
كيفية اختيار الوحدة البصرية؟
بعد مناقشة العديد من الاستخدامات، كيف يمكنك اختيار وحدة بصرية في العمل الفعلي؟
ريال: في نطاق 100 متر، استخدم الألياف متعددة الأوضاع
DR: 500 متر، ألياف أحادية الوضع-.
FR: 2 كيلومتر، ألياف أحادية الوضع-.
LR: 10 كيلومتر، ألياف أحادية الوضع-.
إير: 40 كيلومترا
ZR: 80 كيلومترًا أو أكثر.
اترك بعض الهامش عند اختيار الوحدات الضوئية. على سبيل المثال، إذا كانت المسافة المقاسة 800 متر، فاختر
DR (مواصفات 500 متر) ليست كافية بالتأكيد؛ تحتاج إلى استخدام FR.
لا يمكن استخدام الوحدات الضوئية متعددة الأوضاع إلا مع الألياف متعددة الأوضاع، ولا يمكن استخدام الوحدات الضوئية ذات الوضع الواحد- إلا مع الألياف ذات الوضع الواحد-. إذا اخترت النوع الخاطئ، فلن تضيء الوحدة.
الألياف متعددة الأوضاع لها عدة درجات: OM1، OM2، OM3، OM4، وOM5. كلما ارتفعت الدرجة، زادت المسافة المدعومة. حاليا، OM3 و OM4 هي السائدة. الألياف ذات الوضع الفردي- هي في الأساس G.652، لذا لا داعي للقلق بشأن النموذج.
على الرغم من أن الوحدات البصرية لديها معيار MSA، إلا أن الشركات المصنعة للمعدات المختلفة لا تزال تطبق طرقًا مختلفة، لذلك ليست جميعها متوافقة بالضرورة. تفرض أجهزة Cisco وHuawei مزيدًا من القيود على الوحدات الضوئية-التابعة لجهات خارجية، ويتطلب بعضها إدخال سطر الأوامر-للتعرف عليها. أريستا وميلانوكس أكثر انفتاحًا نسبيًا. لكي تكون في الجانب الآمن، اسأل المورد عما إذا كان قد اختبره على الجهاز المستهدف. عادةً ما يكون لدى الشركات المصنعة الرئيسية للوحدات الضوئية المتوافقة قوائم توافق.
تستهلك الوحدات الضوئية عالية السرعة-قدرًا أكبر من الطاقة بشكل متزايد. تستهلك وحدة 400G DR4 8-10W، بينما يمكن أن تصل وحدة 400G ZR إلى 15-20W.
إذا تم تركيب جميع الوحدات الضوئية في محول، فقد يصل إجمالي استهلاك الطاقة إلى عدة مئات من الواط، مما يشكل تحديًا لتبديد الحرارة. تذكر أن تأخذ ذلك في الاعتبار في التصميم الخاص بك، لتجنب التحميل الزائد على نظام التبريد في مركز البيانات.
هناك طلب كبير حاليًا على وحدات 800G، حيث تتراوح أوقات التسليم في بعض النماذج من ثلاثة إلى أربعة أشهر. إذا كان للمشروع جدول زمني ضيق، فمن الضروري تأمين الإمدادات مسبقًا.
استكشاف أخطاء الوحدات الضوئية وإصلاحها
ابدأ بالأبسط: هل تم توصيل الوحدة الضوئية بشكل آمن؟ هل تم توصيل كابل الألياف الضوئية بشكل صحيح؟ لا تضحك، فبعض الأشخاص في الواقع لا يسمعون "نقرة" عند توصيل كابل الألياف الضوئية ويعتقدون أنه متصل بشكل صحيح عندما لا يكون كذلك. ثم تحقق من قطبية الألياف. بالنسبة لاتصالات الألياف المزدوجة -، يجب أن يكون جهاز الإرسال (Tx) متصلاً بجهاز الاستقبال (Rx)؛ توصيلها بشكل عكسي سيمنعها من الإضاءة. إذا ظل لا يعمل، استخدم مقياس الطاقة الضوئية لقياس طاقة الإرسال والاستقبال لمعرفة ما إذا كانت إحدى الوحدات الضوئية معيبة.
هذا الوضع أكثر تعقيدًا ويمكن أن يكون له أسباب عديدة:
عدم كفاية الطاقة الضوئية المستلمة (فقدان كبير للألياف، موصلات متسخة)
الانحناء الزائد للألياف (خصوصًا الألياف ذات النمط الفردي-؛ نصف قطر الانحناء الصغير جدًا-سيتسبب في تسرب الضوء)
مشكلة في الوحدة الضوئية نفسها
مشكلة مع الميناء
تتبع الرابط لمعرفة أي جزء من الألياف به عيب. إذا كنت لا تزال غير قادر على العثور على المشكلة، فحاول استبدال الوحدة الضوئية أو الألياف أو المنفذ-باستخدام عملية الإزالة.
دعونا نتحدث عن بعض اتجاهات التكنولوجيا
800 جرام و 1.6 طن:
400G هو التيار السائد حاليًا، بينما يشهد 800G بالفعل إنتاجًا ضخمًا. وفي عام 2024، وصل حجم شحن الوحدات الضوئية 800 جيجا إلى مليونين إلى ثلاثة ملايين وحدة.
1.6T قيد التطوير أيضًا، وبدأت شحنات الدفعات الصغيرة-في عام 2025. وكان تحسين السرعة سريعًا إلى حد يبعث على السخرية.
لقد تم الترويج لضوئيات السيليكون لسنوات عديدة.
بصراحة، أعتقد شخصيًا أنه تم تسويقه{{0}بشكل مبالغ فيه. من الناحية النظرية، يمكن لضوئيات السيليكون تقليل التكاليف وزيادة التكامل، ولكن في الإنتاج الضخم الفعلي، لم يتم حل مشكلات الإنتاجية بشكل كامل. علاوة على ذلك، لا يمكن استخدام المواد المعتمدة على السيليكون- في صنع الليزر؛ لا يزال يتعين خلطها ودمجها مع مواد المجموعة III-V.
بالطبع هذا مجرد رأيي. يختلف الكثيرون في الصناعة. تعمل شركتا Intel وCisco على الترويج بقوة لضوئيات السيليكون، ولا بد أن يكون لهما أسبابهما الخاصة.
هذا المفهوم أكثر جذرية: فهو يجمع المحرك البصري وشريحة التبديل معًا بشكل مباشر. الميزة هي انخفاض كبير في استهلاك الطاقة وزيادة في كثافة عرض النطاق الترددي. العيب هو أنه لا يمكن استبدال الوحدة الضوئية بشكل فردي؛ إذا فشل أحدها، فقد يلزم استبدال اللوحة بأكملها.
تعمل الشركات الكبرى مثل Google وMeta على الترويج لـ CPO بشكل كبير، ومن المتوقع أن يتم النشر الفعلي في عام 2025 أو 2026. ومع ذلك، لا يزال من غير المؤكد ما إذا كان سيصبح سائدًا. يخشى زملاء الصيانة CPO: كيف يمكنك استبداله في حالة فشله؟ هل يجب إخراج النظام بأكمله من الخدمة؟
أخيرا
الفكرة الأساسية بسيطة: أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية هي حجر الزاوية في شبكات الاتصالات الحديثة، ولها تطبيقات واسعة للغاية.
من النطاق العريض المنزلي الخاص بك ONU إلى الشبكة الأساسية لمشغلي الاتصالات؛ ومن شبكات مكاتب المؤسسات إلى مراكز البيانات واسعة النطاق؛ بدءًا من محطات الجيل الخامس الأساسية وحتى مجموعات تدريب الذكاء الاصطناعي-الوحدات الضوئية موجودة في كل مكان.
هذه الصناعة ليست ساحرة، والحواجز التقنية ليست مخيفة مثل تلك الموجودة في صناعة الرقائق، ولكن قوتها تكمن في نموها الثابت والمستمر. أعطت موجة الذكاء الاصطناعي دفعة كبيرة للصناعة. إذا كنت مهندس شبكات، أو مهندس عمليات مركز بيانات، أو ببساطة مهتمًا بصناعة الاتصالات، فإن قضاء بعض الوقت في التعرف على الوحدات الضوئية أمر يستحق العناء بالتأكيد. كلما عملت لفترة أطول في هذا المجال، كلما زاد تقديرك لذلك.