اتصالات الألياف الضوئية

An optical fiber junction box. The yellow cables are single mode fibers; the orange and blue cables are multi-mode fibers: 62.5/125 µm OM1 and 50/125 µm OM3 fibers respectively.

اتصالات الألياف الضوئية Fiber-optic communication هي وسيلة لنقل المعلومات من مكان لآخر بإرسال نبضات من الضوء عبر ألياف ضوئية. يشكل الضوء موجة حاملة كهرومغناطيسية يتم تعديلها لحمل المعلومات. وبتطويرها لأول مرة في عقد 1970، أحدثت أنظمة اتصالات الألياف الضوئية ثورة في صناعة الاتصالات ولعبت دوراً رئيسياً في خلق عصر المعلومات. بسبب مزاياها على النقل الكهربائي، فالألياف الضوئية فد حلت محل اتصالات الأسلاك النحاسية في الشبكات الجذعية core network في العالم المتقدم.

عملية التواصل باستخدام الألياف الضوئية تتضمن الخطوات الأساسية التالية: خلق الاشارة الضوئية يتضمن استخدام الراسل، بث الإشارة خلال الليف، ضمان أن الاشارة لا تصبح مشوهة بشكل كبير أو ضعيفة، استقبال الاشارة الضوئية، وتحويلها إلى اشارة كهربائية.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الاستخدامات

قبل ثلاثة أشهر بدأ نظام بل للإتصالات, التقييم التجاري لنظام الإتصالات الضوئية الذى يتم فيه تشفير الرسائل إلى نبضات من الضوء تنتقل عن طريق الألياف الزجاجية التى يقدر سمكها بقدر سمك شعرة رأس الإنسان. النظام الجديد يحمل الصوت , والبيانات وإشارات الفيديو لمسافة أكثر من واحد ونصف ميل من الكابلات تحت الارض تربط اثنين من مكاتب تحويل شركة بل للتليفون بولاية إلينوى ومبنى تجاري كبير في مدينة شيكاغو في مركز لرجال الأعمال. وكابل الدليل الضوئى .قطره فقط نصف بوصة . يحتوي على 24 من الألياف في اثنين من الأشرطة تحتوى كل منها على12 من الألياف. القدرةعلى إستيعاب المعلومات في كل من الالياف 44.7 مـِگابت في الثانية ، مما يعني أن مصدر الضوء يتحول من التوصيل ثم القطع 44.7 مليون مرة في الثانية الواحدة.

وهذا يعني أن مصدر الضوء المغذى. في معدل النبضات الذى أشرنا إليه فإن ليفة بصرية واحدة يمكنها حمل 672 صوت وحيد الإتجاه ، ومن ثم فإن 24ليفة بصرية لها قدرة حاصل ضرب 672 إكس 12 أو 8.064. أما المحادثات الثنائية الإتجاه لكى تشابه أو تطابق هذه القدرة مع أزواج من الأسلاك النحاسية التقليدية يتطلب الكابل عدة مرات أكبر.

وبصرف النظر عن هذه المزايا التكنولوجية. فعلى ضوء نظام الدليل الضوئى سيوفر النحاس وسيؤمن زيادة كبيرة في القدرة المحتملة للنظم للكابلات تحت الأرض القائمة حاليا.


التاريخ

بصرف النظر عن هذه التقنية ليس هناك شيء جديد وخاصة في ضوء استخدام الضوء في الإتصالات. بعد كل شيء ، فالهنود الأميريكيون أرسلوا اشارات الدخان و الإنجليز قاموا ببناء مكامن لإشارات نارية بنيت للتحذير من وصول الارمادا الاسبانية. في 1790 بني كلود شب نظام بصري للتلغراف يتألف من محطات إشارة على قمم التلال في جميع أنحاء فرنسا.

هذا النظام. الذى يزعم أنه يمكن أن ينقل رسائل إلى مسافة 200 كيلومتر في 15 دقيقة ، وظل في الخدمة حتى تم إستبدله بالتلغراف الكهربائي. في عام 1880 ألكسندر گراهام بل قام بإختراع photophone "التليفون الضوئى" الذى فيه أثبت أن الكلام يمكن أن ينتقل عبر شعاع من الضوء. في نظام واحد قام بل بتركيز حزمة ضيقة من ضوء الشمس على مرآة رقيقة. وعندما يتحدث شخص فإن الموجات الصوتية للمتحدث تتسبب في إهتزاز المرآة ومقدار الطاقة الناتجة تتم إحالتها إلى كاشف ضوئى من السلنيوم وهى تختلف تبعا لذلك. الضوء الواصل إلى الكاشف يحدث مقاومة لدى السلنيوم ،ويتحول ذلك إلى شدة التيار في سماعة الهاتف، ومن ثم إلى موجات الكلام في نهاية المطاف. وعلى الأقل حتى الحرب العالمية الثانية كان من الشائع بالنسبة للسفن البحرية تبادل الرسائل بنظام مورس لترميز الإشارات الضوئية.

التكنولوجيا

ما هو الجديد اليوم هي التقنيات المتاحة هى توليد شعاع من الضوء الذي يمكننا من تضمينه بترددات بمعدلات مرتفعة للغاية ، وبنفس القدر من الأهمية ، لنقل الإشارات الناتجة عن طريق الألياف الزجاجية عدة أميال طويلة مع خسارة مقبولة منخفضة من الطاقة. الإهتمام حديثا بإتصالات موجات الضوء منذ بداية أول تطوير لليزر في عام 1960. هذا الجهاز، الذي يمكن أن ينبعث منه شعاع أحادي اللون من الإشعاع المرئي المكثف، أو الأشعة تحت الحمراء، فتحت منطقة من الطيف الكهرومغناطيسي التي كانت تردداتها 10،000 مرة أضعاف الترددات التى نحصل عليها في خدمة نظم الاتصالات اللاسلكية.

وحيث أن الزيادات المحتملة لقدرة الموجات التى تحمل المعلومات تزداد مباشرة مع زيادة التردد، أنفق مهندسوا الاتصالات جهودا كبيرة على مدى عقود كثيرة من تطوير نظم ترددات أعلى من أي وقت مضى. ففى الأيام الأولى للاذاعة دفع المهندسون الترددات المطلوبة تدريجيا تصاعديا بحوالي خمسة أضعاف من حيث إتساع الموجة ، أى من حوالي 100 كيلوهرتس (100،000 دورة في الثانية) إلى نحو 10 غيغا بايت (10 بليون دورة في الثانية). الآن الليزر يعطينا إمكانية الزيادة بما يعدل أربعة أضعاف أخرى أكثر من قوته بما يرفع الزيادة إلى 100 التراهرتز (100 تريليون دورة في الثانية). وبالاستفادة من جزء صغير فقط من النطاق الكامل للترددات التي تم إنشاؤها بواسطة ضوء الليزر وهو ضوءأحادي الموجة يمكنه من حيث المبدأ في الوقت نفسه حمل مكالمات هاتفية من كل الأشخاص الذين يقطنون في أمريكا الشمالية.

الليزر في بداية تطويره، مع ذلك ، كان مرهقا وغير موثوق به ؛وكان أفضل ماأنجز يومئذ قد فشل بعد بضعة أشهر من إطلاقه. وعلاوة على ذلك ، فإنه سرعان ما أصبح واضحا أن مفهوم إسقاط شعاع الليزر من نقطة إلى نقطة عبر الغلاف الجوي ، بالمقارنة مع أنظمة مرحلات موجات الميكروويف ، لم تكن مرضية ، لأن الإشارة يمكن أن تكون مخففة أو مشوشة بتأثير الضباب والأمطار والثلوج. والواقع أنه من الأسهل أن نرسل نبضات ضوئية موثوق بها من ولاية أريزونا إلى القمر مما هو عليه لإحالتها بين وسط المدينة والمنطقة العليا من منهاتن.

أحرز تقدم مطرد في صنع أجهزة الليزر مدمجة وموثوقة وطويلة الأمد، والتحايل على انتقال نبضات الضوء عبر الغلاف الجوي. وعلاوة على ذلك ، على الرغم من أن بعض تطبيقات الليزر لا تزال تفضل ، بالنسبة للآخرين من أبسط وأرخص جهاز ، مثل الصمام الثنائى الباعث للضوء الشديد الكثافة - - (LED) ، هو كاف. وهوالبديل الأول الواعد لنقل الإشارات الضوئية عبر الغلاف الجوي وهو عبارة عن إرسال الإشارات الضوئية عن طريق أنبوب ضوء : وهوأنبوب يصنع بعناية قطره سنتيمتر واحد مع توفير الوسائل البصرية (ربما الاختلافات الداخلية في كثافة الغاز في الأنابيب) التى تسهم في إنحناءالأشعة حيثما إنحرف الأنبوب عن الخط المستقيم.

كبديل لأنبوب الضوء ، والتي قدمت العديد من المشاكل العملية ، بدأ مهندسوا الإتصالات يدرسون إمكانية إرسال الضوء من خلال ألياف زجاجية. حزم من ألياف زجاجية أو بلاستيكية قد تستخدم لبعض الوقت لتنفيذ ضوء المسافات القصيرة ، على سبيل المثال لتسليط الضوء على لوحات أجهزة القياس ، أو لفحص الجزء الداخلي من المعدة ، لكنها لم تكن شفافة بما يكفي تقريبا لأغراض إتصالات موجات الضوء. المواد المستخدمة بصورة شائعة كانت أقل شفافية من المياه. فالألياف الزجاجية التى طورت للإتصالات في نهاية المطاف كانت شفافة للغاية حتى انه اذا كانت مياه البحر في نفس مستوى شفافيتها، يمكن للمرء أن يرى بسهولة تفاصيل قاع المحيط العميقإذا نظر إليه من أعلى.


قبل النظر في هذا النوع من نظام الاتصالات الذى يمكن أن نبنيه من أشعة الليزر ، والصمام الثنائى الباعث للضوء والألياف الزجاجية دعونا ندرس كيفية معالجة المعلومات من مصدر ما ، مثل الهاتف ، أو كاميرا التلفزيون أو الكومبيوتر وجعلها جاهزة للانتقال عبر الضوء. في النظم التقليدية "التماثلية" فإن نمط الموجة من الإشارة الأصلية تستخدم لتعديل السعة للطاقة الداخلة إلى خط النقل ، في هذه الحالة ، فإن إتساع الشعاع من الضوء الخارج من مصدر الضوء والداخل إلى الليفة الزجاجية. في النهاية البعيدة من الليفة الزجاجية فإن الضوء يدخل photodetector يحول اختلاف كثافة الضوء إلى الإشارة الكهربائية المقابلة. والإشارة يتم تضخيمها حسب الحاجةلإنتاج الشكل الموجي الكهربائي الوارد لعرضها على الأذن والعين أو عبوة جامدة مثل جهاز الكمبيوتر.

حتى في بعض من أفضل حالات الألياف الضوئية يحدث فقد عن طريق الإمتصاص والتشتت ، ولذلك تنخفض قوة الإشارة بشكل هندسي الإشارة تسافر من المصدر إلى الكاشف. على سبيل المثال ، إذا كانت قوة الإشارة ستنخفض إلى نصف قيمتها الأصلية بعد قطع الإشارة لمسافة كيلومتر واحد ، فإن القوة ستؤول إلى الرابع من القيمة الأصلية في نهاية الكيلومتر الثاني ، وهلم جرا. وبالتالي من أجل النقل لمسافات طويلة من مصدر الضوء ينبغي أن تكون الإشارةقوية بقدر الإمكان والكاشف يكون حساسا إلى أقصى درجة وتبقى الأمور الأخرى متساوية.


في الوقت الحاضر هذا الشرط يوفى بصورة تامة بإستخدام ليزر شديد الكثافة والتركيز وكاشفات أو مجسات شديدة الحساسية والكفاءة من النوع "avalanche" أى تعطى "فوران إلكترونات" الذى يمكن أى فوتون قادم من أن يثير سيلا من الإليكترونات ، وهذا هو ، الذي كشف أن كل فوتون وارد يحدث سيلا من الاليكترونات. ومن الجدير بالملاحظة ، مع ذلك ، ان أقصى مجال للإرسال يكون اكثر اعتمادا على الخسائر في الألياف أكثر من التركيز على الطاقة من المصدر أو حساسية الكاشف. على سبيل المثال ، تقليل الفاقد من قبل واحد من اثنين سوف بالضبط يعطى ضعف قوة النطاق ، بينماأن زيادة قوة المصدر بمعامل واحد من اثنين عادة ما يعطى زيادة تتراوح من 10 في المئة فقط (على وجه الدقة ، بنسبة ذلك الطول من الالياف والتي سوف تزيد من الفقد بنسبة واحد من إثنين ).

Transmitters

A GBIC module (shown here with its cover removed), is an optical and electrical transceiver. The electrical connector is at top right, and the optical connectors are at bottom left


A transceiver is a device combining a transmitter and a receiver in a single housing (see picture on right).


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Receivers

أنواع كابلات الألياف

A cable reel trailer with conduit that can carry optical fiber
Single-mode optical fiber in an underground service pit

Amplifiers

Wavelength-division multiplexing

المتغيرات

Bandwidth–distance product

Because the effect of dispersion increases with the length of the fiber, a fiber transmission system is often characterized by its bandwidth–distance product, usually expressed in units of MHz·km. This value is a product of bandwidth and distance because there is a trade off between the bandwidth of the signal and the distance it can be carried. For example, a common multi-mode fiber with bandwidth–distance product of 500 MHz·km could carry a 500 MHz signal for 1 km or a 1000 MHz signal for 0.5 km.

Engineers are always looking at current limitations in order to improve fiber-optic communication, and several of these restrictions are currently being researched.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

السرعات القياسية

Each fiber can carry many independent channels, each using a different wavelength of light (wavelength-division multiplexing). The net data rate (data rate without overhead bytes) per fiber is the per-channel data rate reduced by the FEC overhead, multiplied by the number of channels (usually up to eighty in commercial dense WDM systems اعتبارا من 2008).

السنة الهيئة السرعة الفعلية WDM channels السرعة للقناة المسافة
2009 Alcatel-Lucent[1] 15 Tbit/s 155 100 Gbit/s 90 km
2010 NTT[2] 69.1 Tbit/s 432 171 Gbit/s 240 km
2011 KIT[3] 26 Tbit/s 1 26 Tbit/s 50 كم
2011 NEC[4] 101 Tbit/s 370 273 Gbit/s 165 كم
2012 NEC, Corning[5] 1.05 Petabit/s 12 core fiber 52.4 كم

While the physical limitations of electrical cable prevent speeds in excess of 10 Gigabits per second, the physical limitations of fiber optics have not yet been reached.[بحاجة لمصدر]

In 2013, New Scientist reported that a team at the University of Southampton had achieved a throughput of 73.7 Tbit per second, with the signal traveling at 99.7% the speed of light through a hollow-core photonic crystal fiber.[6]

التشتت

For modern glass optical fiber, the maximum transmission distance is limited not by direct material absorption but by several types of dispersion, or spreading of optical pulses as they travel along the fiber. Dispersion in optical fibers is caused by a variety of factors. Intermodal dispersion, caused by the different axial speeds of different transverse modes, limits the performance of multi-mode fiber. Because single-mode fiber supports only one transverse mode, intermodal dispersion is eliminated.

الخمود

Fiber attenuation, which necessitates the use of amplification systems, is caused by a combination of material absorption, Rayleigh scattering, Mie scattering, and connection losses. Although material absorption for pure silica is only around 0.03 dB/km (modern fiber has attenuation around 0.3 dB/km), impurities in the original optical fibers caused attenuation of about 1000 dB/km. Other forms of attenuation are caused by physical stresses to the fiber, microscopic fluctuations in density, and imperfect splicing techniques.

نوافذ النقل

Each effect that contributes to attenuation and dispersion depends on the optical wavelength. The wavelength bands (or windows) that exist where these effects are weakest are the most favorable for transmission. These windows have been standardized, and the currently defined bands are the following:[7]

الحزمة الوصف Wavelength Range
O band original 1260 to 1360 nm
E band extended 1360 to 1460 nm
S band short wavelengths 1460 to 1530 nm
C band conventional ("erbium window") 1530 to 1565 nm
L band long wavelengths 1565 to 1625 nm
U band ultralong wavelengths 1625 to 1675 nm

Note that this table shows that current technology has managed to bridge the second and third windows that were originally disjoint.


آخر ميل

المقارنة بالنقل الكهربائي

A mobile fiber optic splice lab used to access and splice underground cables
An underground fiber optic splice enclosure opened up


المعايير الحاكمة

In order for various manufacturers to be able to develop components that function compatibly in fiber optic communication systems, a number of standards have been developed. The International Telecommunications Union publishes several standards related to the characteristics and performance of fibers themselves, including

  • ITU-T G.651, "Characteristics of a 50/125 µm multimode graded index optical fibre cable"
  • ITU-T G.652, "Characteristics of a single-mode optical fibre cable"

Other standards specify performance criteria for fiber, transmitters, and receivers to be used together in conforming systems. Some of these standards are:

TOSLINK is the most common format for digital audio cable using plastic optical fiber to connect digital sources to digital receivers.


انظر أيضاً

المصادر

ملاحظة المحرر : نحن بنشر نص هذه المادة من إصدار أغسطس 1977 من مجلة العلوم الأميريكية لجميع القراء كان بسبب أن الكاتب قد فاز في عام 2009 جائزة نوبل في الفيزياء. بقلم W. S. Boyle

الهامش

  1. ^ "Alcatel-Lucent Bell Labs announces new optical transmission record and breaks 100 Petabit per second kilometer barrier" (Press release). Alcatel-Lucent. 2009-10-28.
  2. ^ "World Record 69-Terabit Capacity for Optical Transmission over a Single Optical Fiber" (Press release). NTT. 2010-03-25. Retrieved 2010-04-03.
  3. ^ "Laser puts record data rate through fibre". BBC. 2011-05-22.
  4. ^ "Ultrafast fibre optics set new speed record". New Scientist. 2011-04-29. Retrieved 2012-02-26.
  5. ^ "NEC and Corning achieve petabit optical transmission". Optics.org. 2013-01-22. Retrieved 2013-01-23.
  6. ^ "Big data, now at the speed of light", New Scientist, March 30, 2013, p. 14. See "Information superhighway approaches light speed".
  7. ^ Encyclopedia of Laser Physics and Technology

للاستزادة

  • Keiser, Gerd. (2011). Optical fiber communications, 4th ed. New York, NY: McGraw-Hill, ISBN 9780073380711
  • Senior, John. (2008). Optical Fiber Communications: Principles and Practice, 3rd ed. Prentice Hall. ISBN 978-0130326812

وصلات خارجية