مقدمة إلى عملية تجهيز الإشارات الطبية الشاملة

وتواجه شبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية ومراكز البيانات الحديثة طلبا لا يُشبع بالغرض على النطاق الترددي، مدفوعا بالتصوير بالفيديو، والحساب السحابي، وشبكة الأشياء (IoT)، والتطبيقات الناشئة مثل نظم الاستخبارات الصناعية ونظم التشغيل المستقلة، وتعالج جميع الإشارات الإلكترونية، التي تتطلب توسيعاً بصرياً وظاهرياً، وتحويلاً كهربائياً إلى موقعي، في كل عرض للشبكة، وتُحدث قيوداً على الاستخدام.

وتتمثل الميزة الأساسية للتجهيز الشامل للعمليات في قدرتها على العمل بسرعة الضوء، مع الحد الأدنى من التفكك الحراري وعدم وجود قيود على النطاق الترددي الإلكتروني، وهذا النهج يدعم مباشرة معدلات الانتقال من المدار إلى الثاني ويتفق مع الهياكل الأساسية البصرية القائمة، حيث أن متعهدي الشبكات يتجهون نحو 800 جي و1.6 تاء وما بعد تجهيز الإشارات الضوئية الشاملة يوفر مسارا لتحقيق أهداف الأداء هذه دون زيادة.

التطورات التكنولوجية الأخيرة في عملية التجهيز الشامل

وقد أحرز تقدم كبير في تطوير نظم فرعية للتجهيزات المدمجة والفعالة والمتدرجة، وتدفع هذه السلف إلى تحقيق إنجازات في دوائر التصوير المتكاملة، والمواد البصرية الجديدة غير الخطية، والهيكلات الجديدة للأجهزة.

الدوائر الصوتية المتكاملة: التنميط والتقسيم

وتأتي الدوائر المتكاملة للصور في مقدمة التجهيزات الضوئية، حيث تُحدث أجهزة التصوير المتحركة، والمناورات، والمحولات ذات الموجات، والمتحولات ذات الصبغة الأموية، وتُشغل رقاقة واحدة باستخدام تقنيات تصنيع شبه الموصلات، وتخفض أجهزة الاستنشاق بشكل كبير حجمها، ووزنها، واحتياجاتها من الطاقة مقارنة بالصور السائبة.

(أ) أن تكون جميع المظاهرات الحديثة مُعدّلة من جميع نماذج إعادة توجيه الإشارات الضوئية على رقاقة واحدة، بما في ذلك وظائف مثل 2R regeneration (تعذيب وإعادة تشكيل) و(3) [تجديد] [تأهيل وإعادة تشكيل]([تقصد])

الآثار غير المباشرة البصرية: محرك التجهيزات الشاملة

وتعتمد القدرة على إجراء عملية تجهيز الإشارات في المجال البصري اعتماداً شديداً على الآثار البصرية غير الخطية، وتشمل الآثار الأكثر استخداماً ما يلي:

  • Four-Wave Mixing (FWM)]: عملية غير خطية من الدرجة الثالثة حيث يتفاعل اثنان أو أكثر من الموجات لتوليد ترددات جديدة.
  • Self-Phase Modulation (SPM): يؤدي الرقم القياسي للانبعاثات المعتمد على كثافة الكثافة إلى تحول مرحلة النبض البصري بشكل يتناسب مع شدتها الخاصة، وتستخدم هذه الآلية في ضغط النبض البصري وتوليد مصادر مكملة، وهي عوامل حيوية لنقل الموجات فوق النطاق.
  • Cros-Phase Modulation (XPM): The phase of one signal is modulated by the intensity of another co-propagating signal. XPM enables all-optical logical gates, data format conversion, and demultiplexing of time-division multiplexed signals.
  • Stimulated Brillouin Scattering (SBS): While often a limitation in fibers, SBS can be harnessed for narrowband amplification, filter creation, and slow-light buffers. Recent work has shown SBS-based all-optical memory and tunable delay lines in chalcogenideguides wave.
  • Kerr Nonlinearity in Microresonators]: أجهزة قياس دقيقة ذات مستوى عال (مثلاً، نيتاريد السيليكون أو مركب الحرير) تعزز عدم الترميز في كير بتركيز الضوء وتتحقق من قدرات عالية في مجال عدم التنافر، وقد أظهرت هذه الأجهزة تركيبات متغيرة ذات تردد متفاوت، وشبهات

وقد كان التقدم في علوم المواد حاسماً، فعلى سبيل المثال، وضع باحثون في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، موجة من الأنقاض المنوية ذات طبقات مطبقة، تبين عدم خط السيرة الثالثة، مما يتيح تحويل مسار الموجات الفعالة إلى عدد قليل من المليوات من الطاقة الكهربائية [وربط الموجات الترددية: 0] (الوصلات العالية) .

جميع العمليات البديلة و التنظيف

والمفاتيح الضوئية هي وظيفة أساسية لأي جهاز استقبال أو شبكة من جميع الأجهزة الضوئية، فالتحولات التقليدية التي تنشر اليوم تعتمد على المراقبة الإلكترونية، مما يخلق قفزة عند التعامل مع حركة المرور المفاجئة والسريعة، ويمكن للمفاتيح الضوئية، استنادا إلى الآثار غير المباشرة أو المواد الكهرومغناطيسية فوق البدائية، أن تعيد تشكيلها في الثانية البيكوية أو أسرع.

  • Ultra-fast opticalpacket shifting] using a Mach-Zehnder interferometer with a semiconductor optical amplifier (SOA) in one arm, achieving shift times below 10 ps.
  • Micro-ring resonator shiftes] that tune via the Kerr effect, enabling all-optical routing of individual wavelengths without electronic controls.
  • Photonic integrated crossbar shiftes] with thousands of ports, driven by microlens صفائف and liquid plastic on silicon (LCOS) technologies, achieving sub-microsecond refiguration.

وهذه التكنولوجيات التحويلية ضرورية لنظم استقبال الجيل القادم التي يجب أن تعالج مسارات مرنة وموجية وبصرية منخفضة الدقة.

الآثار المترتبة على نظم استقبال الجيل القادم

ويسفر إدماج تجهيز جميع الإشارات الضوئية مباشرة في نظم استقبال عن فوائد أداء عميقة، والأثر الأكثر إلحاحا هو إزالة الاختناقات الإلكترونية في الطرف الأمامي للمستقبل، وفي أجهزة الاستقبال المتسقة التقليدية، تكتشف الإشارات البصرية الواردة بواسطة أجهزة التصوير الضوئي، وتحوّل إلى المجال الكهربائي، ثم تجهزها مكوّنات عالية السرعة من المتغيرات إلى الأرقام، وتصبح مكونات نظام الإبلاغ الإلكتروني ذات طابع رقمي.

ومن خلال أداء مهام مثل ] التحلل الضوئي ، ]

وتشمل الاستحقاقات الأخرى على مستوى الاستقبال ما يلي:

  • Reduced Power Consumption]: All-optical processing avoids the energy overhead of O-E-O conversion. estimates suggest that a fully integrated all-optical receiver could consume 5-10 times less power per bit than an equivalent digital coherent receiver at 800 Gbps, based on current research projections from the European ICT-ALLEGRO project.
  • Lower Latency]: لأن النور يسافر بحوالي 200 مليون متر في الثانية من الألياف، فإن التجهيز الشامل للصوت لا يؤدي إلا إلى تأخيرات في النشر (الثانيات إلى الثانية النانو) والتجهيز الإلكتروني، حتى مع أسرع البلدان الجزرية النامية وDquSP، يضيف ثانيات صغيرة إلى ثانيات من عمليات التساهل العالية، وهي عملية غير مقبولة.
  • Higher Data Throughput]: يمكن أن تعالج التقنيات الشاملة جميع العمليات منافذ متعددة الأطارات دون الاتصال عبر القنوات، وتعبئة متعددة الأشعة الموجية والتلفزيونية في آن واحد، وعلى سبيل المثال، يمكن للمحول الملوّث من جميع العمليات الضوئية على نطاق الترددات المتعددة أن يجهز في وقت واحد قنوات الترددات المتعددة + دال.
  • Flexibility and Reconfigurability]: يمكن برمجة جميع أهداف الاستقبال العملية لمختلف أشكال التناوب (QPSK, 16QAM, 64QAM) ومعدلات البيانات عن طريق تعديل موجات الضخ أو التحيز، وتوفير منبر مضمون للمستقبل من أجل المعايير المتطورة.

ومن الأمثلة البارزة على ذلك تطوير جهاز استقبال شامل يدمج الكشف المباشر مع استرجاع المرحلة البصرية، وقد أظهر الباحثون في مختبرات نوكيا بيل جهاز استقبال يستخدم رقاقة ضوئية لتحويل الإشارات المجهزة تدريجياً إلى أنماط شدة، ويلغي الحاجة إلى جهاز كشف محلي وكشف متماسك، ويقلل هذا النهج بدرجة كبيرة من التعقيد والسلطة مع الحفاظ على درجة عالية من الحساسية .

التحديات والفرص في المستقبل

ورغم التقدم الملحوظ، لا تزال هناك عقبات عديدة قبل أن تحقق عملية تجهيز الإشارات الشاملة الانتشار التجاري الواسع النطاق في نظم الاستقبال.

الكفاءة المادية وعدم التقادم

وتستلزم معظم الآثار البصرية غير المباشرة إما طول التفاعل الطويل (مثلاً، كيلومترات الألياف) أو ارتفاع القوى الذروة، وفي حين أن المبادئ التوجيهية المتكاملة تعزز عدم الترميز عن طريق العزل الدقيق، فإن أوجه الكفاءة لا تزال متواضعة مقارنة بالأجهزة الإلكترونية للتعددية، كما أن تطوير المواد ذات المعاملات غير المباشرة الثالثة، والخسائر في الامتصاص، والخسائر في خطوط الأنفاق الضوئية العالية هي من الأولويات.

كثافة التكامل المتصاعدة

وقد تتطلب المجهزات الشاملة لجميع العمليات المعقدة مئات القطع الوظيفية (المحولات المتحركة، والمفاتيح، والمذيبات) على رقاقة واحدة، ويمكن للمنابر الحالية للموافقة المسبقة عن علم أن تستوعب ما يقرب من 10 إلى 100 عنصر، أي أقل بكثير من آلاف المحاورين على رقاقة إلكترونية صغيرة، وهناك حاجة إلى إحراز تقدم في التكامل الضوئي على نطاق واسع، على غرار الثورة الإلكترونية في نظام " VLSI " ، مما يتضمن تحسينا في مجال النسيجات.

تكامل النظام الآلي وتعبئة

ويجب أن تنجو الوحدات الشاملة من الضغوط الحرارية والميكانيكية والبيئية لبيئة الاتصالات ومراكز البيانات، فالتعبئة التي توفر الانقلابات من الألياف إلى النسيجية المنخفضة، وتحقيق الاستقرار الحراري (مثل المبردات أو المبردات من الألياف)، وتضافات الفقمة الحبيبية التكلفة والتعقيد، وتخفض التطورات الأخيرة في تكنولوجيا البقعة المجهرية وتكاليف التعبئة المتعددة الأطراف.

خفض التكاليف

وفي الوقت الراهن، يتم تصنيع العديد من المكونات الشاملة (مثلاً، وأجهزة الموجات الخافضة للنحاس التي تعمل بالنحاس القاعدي) باستخدام عمليات متخصصة وصغيرة الحجم، والتنافس مع البدائل الإلكترونية، يجب أن تنخفض التكلفة لكل عنصر وظيفي بأوامر الحجم، وهذا يتطلب سلاسل الإمداد المادية، وخدمات الإنشاء، وأدوات التشغيل الآلي التي تصمم خصيصاً لإدارة الهياكل الأساسية للتصوير الضوئي المتكامل.

توحيد المعايير وإمكانية التشغيل المتبادل

ولكي يتم نشر أجهزة استقبال جميع العمليات في شبكات متعددة القنوات، يجب أن تتفق الصناعة على وصلات موحدة لشبكة الموجات والقوة والصيغة المتحركة، وقد بدأت منظمات مثل المنتدى البصري لشبكة الإنترنت والاتحاد الدولي للاتصالات في تحديد الاحتياجات من وحدات متماسكة قابلة للتراكم، ولكن عناصر التجهيز الضوئي لم تغط بعد.

الفرص

ومسار تجهيز الإشارات الشاملة هو مسار واضح: فالتقدم المستمر في المواد، والتكامل، وتصميم النظم سيتغلب تدريجيا على هذه التحديات، وتشمل الفرص الرئيسية ما يلي:

  • Machine Learning-Driven Optimization]: يمكن أن تؤدي خوارزميات AI إلى تحقيق الحد الأمثل لمراكز التشغيل من الأجهزة الضوئية الشاملة، مما يعوض عن التغيرات التلفزيائية والتغيرات البيئية، ويمكن لهذه القدرة على " أن تجعل الوحدات الشاملة أكثر موثوقية وأسهل نشرا.
  • Photonic Neural Networks]: جميع الظواهر غير البصرية مناسبة في جوهرها لتنفيذ الشبكات العصبية الناقصة، وقد أظهرت المظاهرات المبكرة وجود رقائق بصرية عصبية ذات تأثيرات على النمط تقارب 10 جيهرتز، مع وجود أوامر بحجم كفاءة الطاقة أفضل من وحدات خفض الانبعاثات التراكمية الإلكترونية.
  • Quantum Optical Processing]: جميع التقنيات البصرية هي أيضاً أساس للاتصال الكمي والحساب، وسيدعم التقدم في الموجات غير المتدنية المسدودة والكشف عن الفوتوني الواحد نظم التوزيع الرئيسية الكمي في المستقبل (QKD) وأجهزة إعادة الإرسال الكمي.
  • Space and Defense Applications]: Free-space optical links, used in satellite communications and unmanned aerial vehicles, benefit from all-optical processing because it eliminates the need for heavy, power-hungry electronics. Light weight PICs can provide beamteering, adaptive optics, and signal amplification entirely in the optical domain.

ومع تعجيل البحوث، فإن تجهيز جميع الإشارات الضوئية يستعد ليصبح حجر الزاوية في الجيل القادم من نظم الاتصالات البصرية، مما يتيح نقل البيانات بسرعة أكبر وأكثر كفاءة وأكثر موثوقية في جميع أنحاء العالم، وسيتطلب الانتقال من النماذج الأولية المختبرية إلى النظم العاملة في الميدان استثمارا مستمرا، وتعاونا متعدد التخصصات، واستعدادا للاستعاضة عن النماذج الإلكترونية الراسخة ذات الوصلات البصرية الأساسية.