مثير للإعجاب

اتصالات الألياف الضوئية: الاتصالات السلكية واللاسلكية

اتصالات الألياف الضوئية: الاتصالات السلكية واللاسلكية

أحدثت اتصالات الألياف الضوئية ثورة في صناعة الاتصالات. كما جعلت وجودها محسوسًا على نطاق واسع داخل مجتمع شبكات البيانات أيضًا. باستخدام كبل الألياف الضوئية ، مكّنت الاتصالات الضوئية من إنشاء روابط اتصالات عبر مسافات أكبر بكثير ومستويات خسارة أقل بكثير في وسيط الإرسال وربما الأهم من ذلك كله ، فقد أتاحت اتصالات الألياف الضوئية استيعاب معدلات بيانات أعلى بكثير.

نتيجة لهذه المزايا ، يتم استخدام أنظمة اتصالات الألياف الضوئية على نطاق واسع لتطبيقات تتراوح من البنية التحتية الأساسية للاتصالات السلكية واللاسلكية إلى أنظمة Ethernet وتوزيع النطاق العريض وشبكات البيانات العامة.

تطوير الألياف البصرية

منذ الأيام الأولى للاتصالات السلكية واللاسلكية ، كانت هناك حاجة متزايدة لنقل المزيد من البيانات بشكل أسرع. في البداية تم استخدام أسلاك أحادية الخط. أفسحت هذه الطريقة للكابلات المحورية التي مكنت عدة قنوات من الإرسال عبر نفس الكبل. لكن هذه الأنظمة كانت محدودة في عرض النطاق الترددي وتم فحص الأنظمة البصرية.

أصبحت الاتصالات الضوئية ممكنة بعد أن تم تطوير أول ليزر في الستينيات. سقطت القطعة التالية من المنشار في مكانها عندما تم تطوير أول ألياف بصرية ذات خسارة منخفضة بدرجة كافية لأغراض الاتصالات في السبعينيات. بعد ذلك ، خلال أواخر السبعينيات ، تم إجراء قدر كبير من الأبحاث. نتج عن ذلك تركيب أول نظام اتصالات من الألياف الضوئية. ركض لمسافة 45 كم ويستخدم طول موجة 0.5 مم وكان معدل بياناته 45 ميجابت في الثانية فقط - وهو جزء بسيط مما هو ممكن اليوم.

منذ ذلك الحين ، تم إجراء تحسينات كبيرة في التكنولوجيا. تم تحسين معدلات البيانات ، وبالإضافة إلى ذلك تم تحسين أداء الألياف الضوئية لتمكين مسافات أكبر بكثير يمكن تحقيقها بين أجهزة إعادة الإرسال. كدليل على ذلك ، تتجاوز السرعات التي يمكن تحقيقها الآن عبر نظام الألياف الضوئية 10 تيرا بايت في الثانية.

عندما تم تطوير أنظمة نقل الألياف الضوئية الأولى ، كان يُعتقد أن كابلات وتقنية الألياف الضوئية ستكون باهظة الثمن. ومع ذلك ، لم يكن هذا هو الحال ، وانخفضت التكاليف إلى الحد الذي أصبحت فيه الألياف البصرية توفر الآن الخيار الوحيد القابل للتطبيق للعديد من تطبيقات الاتصالات. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدامه أيضًا في العديد من شبكات المنطقة المحلية حيث تعد السرعة مطلبًا رئيسيًا.

مزايا الألياف الضوئية للاتصالات

هناك عدد من الأسباب المقنعة التي أدت إلى انتشار استخدام كابلات الألياف الضوئية لتطبيقات الاتصالات:

  • مستويات أقل بكثير من توهين الإشارة
  • توفر كابلات الألياف الضوئية نطاقًا تردديًا أعلى بكثير مما يسمح بتسليم المزيد من البيانات
  • كابلات الألياف الضوئية أخف بكثير من الكابلات المحورية التي يمكن استخدامها بخلاف ذلك.
  • لا تعاني الألياف الضوئية من التقاط التداخل الشارد الذي يحدث مع الكابلات المحورية

نظام نقل الألياف الضوئية

سيتضمن أي نظام لنقل بيانات الألياف الضوئية عددًا من العناصر المختلفة. هناك ثلاثة عناصر رئيسية (مميزة بالخط العريض) ، وعنصر آخر مهم للأنظمة العملية:

  • الارسال (مصدر الضوء)
  • كابل الألياف الضوئية
  • مكرر بصري
  • مستقبل (كاشف)

تختلف عناصر النظام باختلاف التطبيق. الأنظمة المستخدمة للوصلات ذات السعة المنخفضة ، ربما لشبكات المناطق المحلية ، سوف تستخدم تقنيات ومكونات مختلفة إلى حد ما عن تلك المستخدمة من قبل موفري الشبكات الذين يوفرون معدلات بيانات عالية للغاية عبر مسافات طويلة. ومع ذلك ، فإن المبادئ الأساسية هي نفسها مهما كان النظام.

في النظام ، يولد مرسل مصدر الضوء تيارًا ضوئيًا مُعدَّلاً لتمكينه من نقل البيانات. تقليديا ، يشير نبضة الضوء إلى "1" ويشير غياب الضوء إلى "0". ينتقل هذا الضوء عبر ألياف زجاجية رفيعة جدًا أو مادة أخرى مناسبة لعرضها في جهاز الاستقبال أو الكاشف. يقوم الكاشف بتحويل نبضات الضوء إلى نبضات كهربائية مكافئة. بهذه الطريقة يمكن نقل البيانات على شكل ضوء عبر مسافات كبيرة.

مرسل الألياف البصرية

على الرغم من أن أنظمة الألياف الضوئية للاتصالات السلكية واللاسلكية الأصلية كانت ستستخدم أشعة الليزر الكبيرة ، يمكن اليوم استخدام مجموعة متنوعة من أجهزة أشباه الموصلات. الأجهزة الأكثر استخدامًا هي الثنائيات الباعثة للضوء ومصابيح LED وصمامات الليزر شبه الموصلة.

أبسط جهاز إرسال هو LED. ميزته الرئيسية هي أنه رخيص ، وهذا يجعله مثاليًا للتطبيقات منخفضة التكلفة حيث لا يتطلب الأمر سوى فترات قصيرة. ومع ذلك لديهم عدد من العيوب. الأول هو أنها توفر مستوى منخفضًا جدًا من الكفاءة. يدخل الألياف الضوئية حوالي 1٪ فقط من طاقة الإدخال ، وهذا يعني أنه ستكون هناك حاجة إلى محركات عالية القدرة لتوفير إضاءة كافية لتمكين عمليات النقل لمسافات طويلة. العيب الآخر لمصابيح LED هو أنها تنتج ما يسمى بالضوء غير المترابط الذي يغطي طيفًا واسعًا نسبيًا. عادة ما يكون العرض الطيفي بين 30 و 60 نانومتر. هذا يعني أن أي تشتت لوني في الألياف سيحد من عرض النطاق الترددي للنظام.

في ضوء أدائها ، تُستخدم مصابيح LED بشكل أساسي في تطبيقات شبكة المنطقة المحلية حيث تكون معدلات البيانات عادةً في نطاق 10-100 ميجا بايت / ثانية ومسافات الإرسال بضعة كيلومترات.

عندما تكون هناك حاجة إلى مستويات أعلى من الأداء ، أي أنه من الضروري أن تعمل وصلة الألياف الضوئية على مسافات أكبر وبمعدلات بيانات أعلى ، يتم استخدام الليزر. على الرغم من أنها أكثر تكلفة ، إلا أنها توفر بعض المزايا المهمة. في المقام الأول ، يكونون قادرين على توفير مستوى إخراج أعلى ، وبالإضافة إلى ذلك ، يكون خرج الضوء اتجاهيًا وهذا يتيح مستوى أعلى بكثير من الكفاءة في نقل الضوء إلى كابل الألياف البصرية. نموذجياً ، قد تصل كفاءة الاقتران في ليف أحادي النمط إلى 50٪. ميزة أخرى هي أن الليزر لها عرض نطاق طيفي ضيق للغاية نتيجة لحقيقة أنها تنتج ضوءًا متماسكًا. يتيح هذا العرض الطيفي الضيق لليزر نقل البيانات بمعدلات أعلى بكثير لأن التشتت النمطي أقل وضوحًا. ميزة أخرى هي أن ليزر أشباه الموصلات يمكن تعديله مباشرة على ترددات عالية بسبب قصر وقت إعادة التركيب للحوامل داخل مادة أشباه الموصلات.

غالبًا ما يتم تعديل صمامات الليزر بشكل مباشر. يوفر هذا طريقة بسيطة للغاية وفعالة لنقل البيانات إلى الإشارة الضوئية. يتم تحقيق ذلك من خلال التحكم في التيار المطبق مباشرة على الجهاز. هذا بدوره يغير خرج الضوء من الليزر. ومع ذلك ، بالنسبة لمعدلات البيانات العالية جدًا أو روابط المسافات الطويلة جدًا ، يكون تشغيل الليزر عند مستوى إخراج ثابت (موجة مستمرة) أكثر فعالية. ثم يتم تعديل الضوء باستخدام جهاز خارجي. تتمثل ميزة استخدام وسيلة تعديل خارجية في أنها تزيد من مسافة الارتباط القصوى لأن التأثير المعروف باسم غرد الليزر يتم التخلص منه. يوسع هذا الغرد طيف إشارة الضوء وهذا يزيد من التشتت اللوني في كابل الألياف البصرية.

كابل الألياف الضوئية

تم العثور على التفاصيل الكاملة ووصف كابلات الألياف الضوئية في مقالة / برنامج تعليمي منفصل في هذا المجال من موقع الويب. في جوهره ، يتكون كابل الألياف الضوئية من لب ، يُشار حوله إلى طبقة أخرى تسمى الكسوة. خارج هذا هناك طلاء خارجي واقي.

تعمل كابلات الألياف الضوئية لأن غلافها يحتوي على معامل انكسار أقل قليلاً من اللب. هذا يعني أن الضوء الذي يمر عبر القلب يخضع لانعكاس داخلي كلي عندما يصل إلى حدود اللب / الغلاف ، وبالتالي يتم احتواؤه داخل قلب الألياف الضوئية.

أجهزة إعادة الإرسال ومكبرات الصوت

هناك مسافة قصوى يمكن أن تنتقل خلالها الإشارات عبر كابلات الألياف الضوئية. هذا مقيد ليس فقط بتوهين الكبل ، ولكن أيضًا بتشويه إشارة الضوء على طول الكابل. للتغلب على هذه الآثار ونقل الإشارات لمسافات أطول ، يتم استخدام مكررات ومكبرات صوت.

يمكن استخدام أجهزة إعادة الإرسال الكهروضوئية. تقوم هذه الأجهزة بتحويل الإشارة الضوئية إلى تنسيق كهربائي حيث يمكن معالجتها لضمان عدم تشويه الإشارة ثم تحويلها مرة أخرى إلى التنسيق البصري. قد ينتقل بعد ذلك عبر الحالة التالية لكابل الألياف البصرية.

نهج بديل هو استخدام مكبر بصري. تضخم هذه المضخمات الإشارة الضوئية مباشرة دون الحاجة إلى تحويل الإشارة مرة أخرى إلى تنسيق كهربائي. تتكون مكبرات الصوت من طول كبل ألياف بصرية مخدر بمعدن أرضي نادر يسمى Erbium. يتم بعد ذلك إضاءة كبل الألياف المعالج أو ضخه بضوء ذي طول موجي أقصر من ليزر آخر وهذا يعمل على تضخيم الإشارة التي يتم حملها.

نظرًا للتكلفة المنخفضة جدًا لمضخمات الألياف الضوئية عبر أجهزة إعادة الإرسال ، يتم استخدام مكبرات الصوت على نطاق أوسع. تم استبدال معظم أجهزة إعادة الإرسال ، ويتم استخدام مكبرات الصوت في جميع التركيبات الجديدة تقريبًا هذه الأيام.

ريسيفرات

يجب تحويل الضوء الذي ينتقل على طول كابل الألياف الضوئية إلى إشارة كهربائية حتى يمكن معالجتها واستخراج البيانات التي يتم حملها. المكون الموجود في قلب المستقبل هو كاشف ضوئي. هذا عادة ما يكون جهاز أشباه الموصلات وقد يكون تقاطع p-n أو الصمام الثنائي p-i-n أو الصمام الثنائي الضوئي الانهيار. لا يتم استخدام الترانزستورات الضوئية لأنها لا تملك السرعة الكافية.

بمجرد تطبيق الإشارة الضوئية من كابل الألياف الضوئية على كاشف الصور وتحويلها إلى تنسيق كهربائي ، يمكن معالجتها لاستعادة البيانات التي يمكن بعد ذلك تمريرها إلى وجهتها النهائية.

يستخدم نقل البيانات عبر الألياف الضوئية بشكل عام لشبكات الاتصالات بعيدة المدى ولشبكات المنطقة المحلية عالية السرعة. لا تُستخدم الألياف البصرية حاليًا لتوصيل الخدمات إلى المنازل ، على الرغم من أن هذا هدف طويل الأجل للعديد من شركات الاتصالات. باستخدام كابلات الألياف الضوئية هنا ، سيكون عرض النطاق الترددي المتاح للخدمات الجديدة أعلى بكثير وستزداد إمكانية زيادة الإيرادات. التكلفة الحالية ليست مجدية ، على الرغم من أنه من المحتمل أن يحدث على المدى المتوسط.

موضوعات الاتصال اللاسلكي والسلكي:
أساسيات الاتصالات المتنقلة
العودة إلى الاتصال اللاسلكي والسلكي


شاهد الفيديو: تمديد الكوابل بواسطة ضغط الهواء (قد 2021).