أثر اختيار وافلنغث على كفاءة الاستلام الضوئية

الدور الحاسم للواهب في أداء جهاز الاستلام الضوئي

ولا تحدد كفاءة جهاز الاستلام البصري فقط باستخدام الكترونيات الداخلية أو مواد الكشف؛ وتتحول موجة الإشارة الخفيفة الواردة إلى البارامتر الأساسي الذي يحكم مدى فعالية تحويل جهاز الاستلام للصور إلى تيارات كهربائية، ويؤثر اختيار الموجات المناسبة تأثيرا مباشرا على نسبة الإشارة إلى الأرقام، ومعدل الخطأ البسيط، وحجم النظام العام.

الأساس المادي للتبعية الوافلة

وفهما لما يهم الموجات بالنسبة لكفاءة أجهزة الاستلام، يجب أن ينظر المرء في ثلاثة ظواهر مترابطة: الطاقة الضوئية، والاستيعاب في مواد الكشافة، والسلوك الذي يعتمد على الموجة المتتالية للألياف البصرية نفسها.

Photon Energy and Detector Responsivity

وتتناسب طاقة الصورة بشكل غير مع موجاتها: فالألوحة القصيرة (مثل 850 نانو متر) تحمل طاقة أعلى لكل مصورة من الموجات الطويلة (مثل 1550 نانو مترا) وفي جهاز كشف للأنزيمات الملتقطة، يولد كل جهاز ملتقط للتصوير الإلكترونية زوجا واحدا من الكولونات الالكترونية، شريطة أن تتجاوز نسبة الطاقة فيها النطاق الضوئي

Fiber Attenuation and Its Impact on Received Power

ويعرض الألياف البصرية نفسها صورة خسارة معتمد عليها مباشرة، وتظهر ألياف الحرير في أقل ارتفاعاً في مستوى الحرارة عند 1550 نانو (قيمتها النموذجية 0.2 د/كتم)، مع وجود نافذة ثانوية منخفضة الخسارة تبلغ حوالي 1310 نانو (0.35 د/كتم) وفي 850 نانوتر، ترتفع نسبة الترددات الكهربائية (نحو 2-3 د/م) وتقصر مسافات الانتقال العملية على

الانزلاق والنبض

كما أن التفرق بين الأورام يتحكم في التشت - إذ أن التوسع في النبضات البصرية أثناء سفرها إلى الألياف - ويسود نوعان هما: التشتتات الكرومية (الوضعية وشكل الموجات) وتشتت النسيج (في الألياف المتعددة الوسائط) حيث تتفاوت الألياف القياسية ذات الصبغة الواحدة بمقدار 1510 نانوغرام أو غير صفري.

الهندسة التصميمية

مواد وهندسة باندغاب

ويُعتبر معامل الاستيعاب لجهاز كشف نصف موصل وظيفة من وظائف الموجات، أما بالنسبة للكشف المباشر، فيجب أن يكون المكتشف سميكا بما يكفي لاستيعاب معظم الضوء الحادثي، ولكن الزوابق السميكة تزيد من القدرة على التأقلم وتخفض السرعة.

الاستلام والوعي

(د) يُعرَّف حساسية الاستلام بأنها متوسط القوة البصرية الأدنى اللازم لتحقيق معدل خطأ معين (من الناحية التقريبية 10( ^{- 12}) ويتوقف على الضوضاء الحرارية والضوضاء الطلقية والضوضاء المتضخمة.

فرق الوافلنغتس ورقمها

O —Band (1260-1360 nm)

ويُركَّز على نحو 1310 نانو متراً، ويُعرض النطاق O-band (المجموعة الأصلية) عدم تفريق كروماتيكي في الألياف الموحدة التي تستخدم منفردة، ويُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الاتصال المتوسطة (حتى 40 كيلومتراً) مثل الشبكات الحضرية والشبكات البصرية السلبية، ويستفيد المتسلّمون في هذه الفرقة من تدني تفككها، مما يتيح تصميماً أبسط دون تعويض عن التمزق.

The C —Band (1530–1565 nm)

ويقابل النطاق الترددي (المجموعة التقليدية) منطقة الخسائر المنخفضة من الألياف الحريرية حوالي 1550 نانو متراً، وهو مجموعة من الأدوات الطويلة المدى ونظم الغواصات، ويعمل الآن مضخمات الألياف التي تستخدمها الإيربيوم عبر هذه النطاقات بكفاءة، مما يتيح للمضخمين التي يمكن أن تعزز عشرات القنوات ذات الموجة في وقت واحد.

L —Band (1565-1625 nm)

ويمتد نطاق التردد الطويل إلى الأطول الموجات حيث تكون خسارة الألياف أعلى قليلا من مستوى النطاق الترددي المختلط، ولكنها لا تزال منخفضة (0.25 د.ب/ك م) ويستخدم لزيادة القدرة الكلية في التكتل الموجي الكثيف بإضافة قنوات أكثر، ويجب أن يتنافس المتلقين على الترددات المحلية مع زيادة التشت (حوالي 20 ميلا/يوما)

فرق أخرى

أما النطاق الترددي S-4030 nm) وE-band (1360-1460 nm) فهو أقل شيوعاً بسبب ارتفاع معدل الارتفاع من ذروة استيعاب المياه (لا سيما في النطاق E) غير أن التقدم في صناعة الألياف قد قلل من هذه الذروة، مما يتيح استخدامه في النظم المستقبلية، كما أن الباحثين يستكشفون النطاق الترددي (1625-1675 نون) للوائح الصنع التي يتم تقييمها للتطبيقات الخاصة.

أثر الوافلنغث على النواة ونزاهة الإشارة

Relative Intensity Noise (RIN) and Wavelength

وتظهر مصادر اللازر شبكة RIN التي يمكن أن تتباين مع الموجات، وبعض الليزر، مثل الفابري - بيروت، لديها شبكة أعلى من الكسب، بينما توفر أجهزة الليزر الموزعة شبكة RIN أقل من الموجات الموجية المحددة، ويتأثر أداء جهاز الاستقبال مباشرة: ارتفاع معدلات التحلل في الشبكة، ولا سيما عند ارتفاع القوى المتلقاة.

فرز ومطاردة قناة الأدجسن

ويجب أن يزيل المقبوضون في نظم إدارة النفايات من الموجة المرجوة من العديد من القنوات الفضائية عن كثب، وبالتالي فإن نوعية مرشح التحلل (المرشاة، أو المضبوطة الموجية، أو القذف بالألياف) تتباين مع الموجات المتطاولة، وقد تتعرض القنوات الخارجية لفقدان أو تداخل أعلى، مما يقلل من حساسية أجهزة الاستلام الفعالة.

التقنيات المتقدمة: الاستقبال والتجهيز الرقمي

أما أجهزة استقبال متماسكة تستخدم في نظم حديثة قوامها 400 جي و 800 جي فهي أقل حساسية من العقوبات التي تفرضها التفريق على الموجات المتناهية لأن تجهيز الإشارات الرقمية يمكن أن يعوض عن التشت في الكروماتية وتشتت نمط الاستقطاب، غير أن الموجة لا تزال تؤثر على اختيار الشاشة المحلية ورقم الضجيج العام للنهاية الأمامية المتسقة.

ومن التطورات الأخرى استخدام الصور الفوتوغرافية للسيليكون للمستقبلين، إذ لا تتسم أجهزة الكشف بالكفاءة إلا بأقل من 100 1 نون، ولكن عن طريق التكامل غير المتجانس مع نظام إنغا آس أو الغرمانيوم، يمكن للمستقبلين التصويريين السيليكونيين أن يعملوا في 1310 نانوتر و 1550 نانوغرام.

الاعتبارات البيئية والمتعلقة بالنشر

ويتأثر اختيار المسافرين أيضا بالعوامل البيئية، فعلى سبيل المثال، تستخدم وصلات الفضاء الحر ذات الترددات الأمواج عند 1550 نانو مترا، لأنها تنقذ أعينها من قوى وخبرات معتدلة تقل تفرقتها في الغلاف الجوي عن 850 نانو مترا.

الاتجاهات المستقبلية في اختيار وافلنغث

وتدفع البحوث نحو استخدام النطاق الترددي والمنحرف E إلى القدرة المتعددة الألياف، وبالنسبة لهذه النطاقات الجديدة، فإن أجهزة الاستلام تتخلف عن ذلك: هناك عدد أقل من أجهزة الكشف التجارية التي تُستخدم لتحقيق كفاءة كمية أقل وضوضاء أعلى، ويعتمد اختيار الموجات على توافر أجهزة استقبال ذات قدرة منخفضة التكلفة عالية على الحساسية، بالإضافة إلى أن نظم التوزيع الرئيسية الكمي (QKD) كثيرا ما تستخدم 1550 ميلا للهياكل الأساسية.

وثمة سبيل واعد آخر هو استخدام الألياف القليلة الألياف وتعددية تقسيم النماذج، وهنا يجب على جهاز الاستقبال أن يتعامل مع النسق الموجي فحسب، بل أيضاً مع الأساليب المكانية، والتبعية الموجية لإضافة التقارب في النمط، والتعقيدات المتطورة في المعالجة الرقمية يمكن أن تفصل بين الأساليب، ولكن فقط إذا كان الطرف الأمامي للمستقبل قد حقق عرضاً كافياً على نطاق الترددات التشغيلية الكاملة.

توصيات هندسية عملية

وعند تصميم نظام ما، ينبغي للمهندسين أن يتبعوا عملية اختيار منهجية ذات الموجات:

1. تحديد طول الرابط المستهدف ومعدل البيانات المطلوب، وقد يكون 850 نانوغراماً أو 1310 نانوغرامات كافية بالنسبة للمستويات القصيرة (الذكور؛ 10 كيلومترات) مع أجهزة استقبال منخفضة التكلفة.
2. تحديد ميزانية الطاقة البصرية المتاحة، بما في ذلك الطاقة الكهربائية، وخسائر الموصلات، وتكثيف الألياف، واستخدام الموجة بأقل الخسائر الإجمالية.
3. تقييم مدى التسامح إزاء التشت - بالنسبة للمسافات التي تتجاوز 40 كيلومترا عند 10 درجات مئوية/أو أعلى، النظر في التعويض عن التشت أو الانتقال إلى 1550 ميلاً نانوسياً مع الإدارة المناسبة.
4. اختيار مواد ومكونات كاشفات تضاهي نطاق الموجات وتحتاج إلى حساسية، ولتحسين الحساسية، يمكن للأجهزة الاصطناعية في الساعة 1310 مساء أن تضرب أجهزة الاستديو في 1550 نانو متر في بعض السيناريوهات.
5. تقييم أثر عدم الليالي إذا كانت هناك موجات متعددة، واستخدام المحاكاة لضمان تدهور إشارة جهاز الاستقبال من التخاطب عبر الهاتف وأربعة مزيجات في الميزانية.
6. إجراء تحليل للتكاليف والفوائد: كثيرا ما يسمح ارتفاع طفيف في الخسائر في الموجات باستخدام أجهزة نقل أرخص، ولا تعد كفاءة الاستلام سوى عنصر واحد من مجموع تكاليف النظام.

ويمكن للمهندسين، بالنظر بعناية في هذه العوامل، أن يحققوا أفضل كفاءة في مجال استقبال الأجهزة وأداء الشبكات الموثوق به.

خاتمة

إن اختيار التردد ليس مواصفات ثلاثية في تصميم أجهزة الاستلام البصرية؛ فهو يترابط مع فيزياء كاشفات، وتشغيل الألياف، وتوافق المضخم، وهيكل النظام، ومنذ الأيام الأولى التي يبلغ فيها عدد شبكات التصاميم المتعددة الطيفات 850 ميلاً مربعاً إلى نظم اليوم المتماسكة 1550 ميلاً مربعاً، أصبح اختيار النسيج الموجي يملي حساسية وقابلية، ومعدل البيانات.

For further reading, consult the OFC Conference Proceedings and the OSA Publishing Library]. A traditional reference on optical receiver design is ] FiberOptic Communications by Keiser[FLT detection:5].