في اتصالات الألياف البصرية، ينتقل الضوء عبر الزجاج بسرعة مذهلة - حاملاً مليارات البتات من المعلومات كل ثانية. إنها واحدة من أكثر التقنيات الرائعة التي تم ابتكارها على الإطلاق، مما سمح بوجود الإنترنت والحوسبة السحابية والاتصالات الحديثة.

ولكن حتى شيء سريع ونقي مثل الضوء يمكن أن يواجه مشاكل على طول الطريق.

جدول المحتويات

ما هو التشتت في الألياف البصرية الليفية؟

في مقالتي السابقة، “كيف تعمل الألياف الضوئية: العلم البسيط وراء الضوء,”، شرحت كيف ينتقل الضوء داخل الألياف من خلال الانعكاس المستمر داخل القلب الزجاجي. عندما ينتقل الضوء عبر الألياف الضوئية، فإنه لا يبقى دائمًا متزامنًا تمامًا.
على الرغم من أن جميع الإشارات تتحرك بسرعة الضوء تقريباً، إلا أن بعض أجزاء الإشارة تصل قبل أو بعد قليل من أجزاء أخرى. على سبيل المثال، ينتقل الضوء الأزرق (الطول الموجي القصير) أسرع من الضوء الأحمر (الطول الموجي الطويل). هذا التأخير الضئيل بين مكونات الضوء المختلفة هو ما نسميه التشتت.

بعبارات بسيطة, التشتت يشير إلى انتشار النبضات الضوئية أثناء انتشارها عبر الألياف. فبدلاً من أن تظل قصيرة وحادة، تتسع كل نبضة ضوئية تدريجيًا مع مرور الوقت. عندما يحدث هذا، لا يعود بإمكان جهاز الاستقبال التمييز بوضوح بين “0” و“1”، مما يؤدي إلى أخطاء بت محتملة.

يمكنك أن تتخيل التشتت مثل مجموعة من العدائين في سباق الماراثون الذين يبدأون معًا ولكنهم لا يصلون جميعًا إلى خط النهاية في نفس الوقت. كلما طال السباق (المسافة)، أصبحوا أكثر تشتتًا - وفي الألياف البصرية، يؤدي هذا “التشتت” إلى تشويش إشارات البيانات.

لماذا التشتت مهم

لا يقلل التشتت من الطاقة للإشارة الضوئية مثل التوهين الذي يحدثه التوهين ولكنه تشويه الشكل النبضات المرسلة. عندما تتسع النبضات أكثر من اللازم، تبدأ النبضات في التداخل، وهي ظاهرة تعرف باسم التداخل بين الرموز (ISI).

وهذا يحد من كل من عرض النطاق الترددي و مسافة الإرسال القصوى لوصلة الألياف البصرية.

المعادلة المبسطة التي تُستخدم عادةً لوصف اتساع النبض هي:

ΔT=D×Δλ×L

أين:

  • 𞸍 = اتساع النبض (ps)
  • D = معامل التشتت (ps/nm-km)
  • 𞸍 = العرض الطيفي لمصدر الضوء (نانومتر)
  • L = طول الألياف (كم)

على سبيل المثال، إذا كان العرض الطيفي لليزر 1 نانومتر، وكان التشتت الليفي 17 ps/نانومتر-كيلومتر، فإن النبضة ستنتشر بعد 50 كم بمقدار 850 ps، وهو ما يكفي لتشويه الإشارات عالية السرعة بشكل خطير.

يعد التشتت أحد أهم المعلمات في تصميم أنظمة الاتصالات البصرية عالية السرعة، كما هو محدد في ITU-T G.650.3, التي توفر طرق قياس موحدة للتشتت اللوني.

أنواع التشتت في الألياف الضوئية

هناك العديد من الآليات التي تتسبب في انتشار النبضات الضوئية في الألياف.
الأنواع الأربعة الرئيسية هي:

  1. تشتت المواد
  2. تشتت الموجه الموجي
  3. تشتت وضع الاستقطاب (PMD)
  4. التشتت بين الوسائط

يؤثر كل منها على الإشارة بطريقة مختلفة. دعونا نبدأ بالأولين، وهما الأكثر شيوعًا في الألياف أحادية النمط.

تشتت المواد (التشتت اللوني)

تشتت المواد يحدث بسبب أطوال موجية (ألوان) مختلفة من الضوء تنتقل بسرعات مختلفة في نفس المادة.

يتغير معامل انكسار الزجاج قليلاً مع الطول الموجي - حيث ينحني الضوء الأزرق أكثر من الضوء الأحمر، وهذا التباين البسيط يعني أن الأطوال الموجية الأقصر والأطول تصل إلى نهاية الألياف في أوقات مختلفة.

في الألياف أحادية النمط، حتى الاختلاف الضئيل في معامل الانكسار (n) عبر طيف الطول الموجي يمكن أن يسبب انتشار النبض بشكل قابل للقياس.

رياضيًّا، يمكن التعبير عن معامل التشتت الناتج عن التأثيرات المادية على النحو التالي

معادلة تشتت الألياف الضوئية - صيغة تشتت الألياف البصرية

(المصدر: جوفيند ب. أغراوال، “أنظمة الاتصالات الليفية البصرية”، وايلي، 2012)

في حوالي 1310 نانومتر, ، فإن منحنى معامل الانكسار لزجاج السيليكا يتسطح - مما يعني أن تشتت المادة يكاد يكون صفرًا. لهذا السبب تم تحسين الأنظمة البصرية المبكرة لهذا الطول الموجي.

ومع ذلك، في 1550 نانومتر (حيث يكون التوهين في أدنى مستوياته)، يزداد التشتت المادي بشكل ملحوظ، وهو ما يتطلب مزيدًا من الحلول الهندسية مثل الألياف ذات التشتت المتحول.

مثال على القياس:
فكّر في منشور يقسم الضوء الأبيض إلى قوس قزح - ينتقل كل لون بشكل مختلف لأن كل طول موجي يتفاعل مع الزجاج بطريقته الخاصة. داخل الألياف، لا يؤدي ذلك إلى خلق ألوان، ولكنه يخلق اختلافات في التوقيت.

تشتت الموجه الموجي

بينما يعتمد تشتت المواد على خصائص الزجاج, تشتت الدليل الموجي يعتمد على الهندسة والتركيب من الألياف الضوئية نفسها.

لا يبقى الضوء تمامًا داخل القلب؛ حيث ينتقل جزء منه عبر الكسوة. ولأن هذه المناطق لها معاملات انكسار مختلفة، فإن سرعة الانتشار الكلية للضوء تعتمد على مقدار الطاقة التي تبقى في القلب مقابل مقدار الطاقة التي تتسرب إلى الكسوة.

ينشأ تشتت الموجه الموجي من هذا التوزيع للطاقة الضوئية بين الطبقتين.

يمكن كتابة صيغة تشتُّت الدليل الموجي على الصورة

معادلة تشتت الألياف البصرية الموجية التشتت الموجي

حيث β هو ثابت الانتشار، ويرتبط بشكل نمط الألياف وبنيتها.

من خلال التصميم الدقيق لـ قطر اللب و فرق معامل الانكسار, ، يمكن للمهندسين عمل تشتت الدليل الموجي إلغاء تشتت المواد - مما يخلق ما يُعرف باسم الألياف المشتتة التشتت (DSF), ، موحدة تحت ITU-T G.653.

تعمل هذه الألياف على “إزاحة” الطول الموجي صفري التشتت من 1310 نانومتر إلى حوالي 1550 نانومتر، مما يسمح بتشغيل منخفض الخسارة ومنخفض التشتت في نفس النافذة - وهو ما يجعلها مثالية للإرسال لمسافات طويلة.

تشتت وضع الاستقطاب (PMD)

حتى في الألياف أحادية النمط - حيث يجب أن يكون هناك مسار واحد فقط للضوء - لا ينتقل كل الضوء في نفس الاتجاه بالضبط.
يمكن أن يكون للضوء الاستقطابات, مما يعني أن مجالها الكهربي يمكن أن يهتز في اتجاهات مختلفة قليلاً.

في الألياف المثالية، تتحرك جميع الاستقطابات بالسرعة نفسها.
لكن في العالم الواقعي، يمكن أن تتسبب العيوب الصغيرة في شكل الألياف أو الضغوط الخارجية (مثل الانحناء أو الالتواء) في انتقال استقطابات مختلفة عند سرعات مختلفة قليلاً.

وتسمى هذه الظاهرة تشتت وضع الاستقطاب (PMD).

يُطلق على الفرق في زمن الوصول بين حالتي الاستقطاب اسم تأخير المجموعة التفاضلية (DGD), تقاس عادةً بوحدة بيكو ثانية (ps).

رياضيًا، يمكن تقريبها رياضيًا على النحو التالي:

معادلة تشتت الألياف الضوئية - صيغة تشتت وضع الاستقطاب - الألياف البصرية

أين:

  • τPMD = إجمالي التأخير في وضع الاستقطاب
  • DPMD = معامل PMD (رطل/كيلومتر)
  • L = طول الألياف (كم)

تبلغ قيم PMD النموذجية للألياف أحادية النمط الحديثة حوالي 0.1 رطل/كيلومتر.
قد يبدو ذلك ضئيلاً، ولكن في أنظمة المسافات الطويلة أو الأنظمة عالية السرعة (40 جيجابت في الثانية وما فوق)، حتى التأخيرات الطفيفة في الاستقطاب يمكن أن تسبب تداخل النبضات و أخطاء البت.

يمكنك التفكير في الأمر مثل عدائين على مسارين متوازيين - أحدهما أسرع قليلاً من الآخر. على مسافة طويلة، حتى لو كان الفرق في السرعة ضئيلاً جداً يمكن أن يتسبب في تخلف أحدهما عن الآخر كثيراً.

التشتت بين الوسائط (تشتت الوسائط)

بينما يحدث التفكيك الجزئي الجزئي الجزئي في الألياف أحادية النمط, التشتت بين الوسائط يحدث فقط في ألياف متعددة الأنماط.

تحتوي الألياف متعددة الأنماط على قلب أكبر بكثير (عادةً ما يتراوح بين 50 و62.5 ميكرومتر)، مما يسمح بمسارات ضوئية متعددة - أو “أنماط” - للانتقال في وقت واحد.
يسلك كل وضع طريقاً مختلفاً قليلاً عبر القلب: فبعضها يتجه مباشرةً إلى الأسفل في المنتصف، بينما يرتد البعض الآخر عن الجدران بزوايا أكثر انحداراً.

ولأن هذه المسارات لها أطوال مختلفة، فإن الضوء الذي ينتقل في كل وضع يصل في أوقات مختلفة. هذا الاختلاف في زمن الوصول هو ما يسبب التشتت بين الوسائط (أو الوسائط).

صيغة التقريب:

معادلة تشتت الألياف الضوئية - التشتت الداخلي

حيث:

  • n₁ = معامل الانكسار الأساسي
  • Δ = الفرق في معامل الانكسار النسبي بين اللب والكسوة
  • c = سرعة الضوء في الفراغ
  • L = طول الألياف

هذا النوع من التشتت هو القيد الرئيسي لأنظمة الألياف متعددة الأنماط.
كلما زاد عدد الأوضاع، زاد الانتشار - مما يحد من مسافة الإرسال وعرض النطاق الترددي.

وللتخفيف من هذه المشكلة، طوّر المهندسون ألياف متعددة الأنماط متدرجة الفهرس متدرجة الفهرس, حيث يتناقص معامل الانكسار تدريجيًّا من المركز نحو الحافة.
ويساعد هذا المظهر الجانبي السلس على معادلة زمن انتقال الأوضاع المختلفة - بحيث تتحرك الأشعة الضوئية التي تأخذ مسارات أطول بشكل أسرع، مما يوازن التأخير.

ونتيجة لذلك، يمكن للألياف متعددة الأوضاع OM3 و OM4 الحديثة أن تحمل إشارات عالية السرعة (10-40 جيجابت في الثانية) لمئات الأمتار مع أداء تشتت مقبول.

كيفية إدارة التشتت والتعويض عنه

لا يمكن القضاء على التشتت تمامًا، ولكن يمكن أن يكون مُدار و التعويض.
فيما يلي العديد من التقنيات المستخدمة في الأنظمة البصرية الحديثة:

  1. الألياف المعوضة للتشتت (DCF)
    نوع خاص من الألياف المصممة مع التشتت السلبي, تُستخدم في سلسلة مع ألياف الإرسال لتعويض التشتت اللوني الكلي.
    شائع في أنظمة المسافات الطويلة قبل عصر التعويض الرقمي.
  2. وحدات تعويض التشتت (DCM)
    الأجهزة الضوئية المدمجة (باستخدام شبكات الألياف أو العدسات) التي تعكس التشتت المتراكم على مسافات طويلة.
    وغالباً ما يتم تثبيتها في أجهزة إعادة الإرسال أو مضخمات الصوت.
  3. المعالجة الإلكترونية والرقمية للإشارات (DSP)
    يمكن لأجهزة الإرسال والاستقبال الحديثة اكتشاف تأثيرات التشتت وتصحيحها رقميًا في الوقت الفعلي، مما يحسن الأداء بشكل كبير للأنظمة عالية السرعة (100G وما بعدها).
  4. تحسين تصميم الألياف
    من خلال الجمع بين تشتت المواد والدليل الموجي, ، يمكن لمصممي الألياف إنشاء ألياف “الطول الموجي صفري التشتت” مثل G.653 (الألياف المشتتة التشتت) و G.655 (الألياف ذات التشتت غير الصفري).
    وتقلل هذه الألياف من التشتت عند الأطوال الموجية الرئيسية، مما يسمح بكفاءة تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM) الإرسال.

تأثيرات التشتت على أداء الشبكة

يؤثر التشتت بشكل مباشر على مدى وسرعة انتقال البيانات في شبكات الألياف البصرية.
تتضمن بعض التأثيرات الأكثر شيوعاً ما يلي:

  • توسيع النبض - تتداخل نبضات الضوء، مما يجعل من الصعب تمييز الأجزاء.
  • انخفاض عرض النطاق الترددي - يجب خفض معدل البيانات لتجنب الأخطاء.
  • معدل خطأ البت الأعلى (BER) - تتسبب النبضات المتداخلة في تفسير البيانات بشكل غير صحيح.
  • مشكلات مزامنة النظام - تقلل فروق التأخير بين القنوات من دقة التوقيت.

على سبيل المثال، في نظام بسرعة 10 جيجابت في الثانية، يكون التشتت اللوني 17 ps/نانو متر/كيلومتر مربع أكثر من 80 كم يمكن أن يتسبب في توسيع النبضة لأكثر من 1.3 نانو ثانية - أي مدة 13 بت تقريبًا - وهو ما يكفي لإحداث تشويه كبير في الإشارة.

لهذا السبب تُعد إدارة التشتت أمرًا ضروريًا في كل مرحلة من مراحل تصميم الشبكة، بدءًا من اختيار أنواع الألياف إلى اختيار الموصلات والمحولات وطرق الربط المتوافقة.

الأسئلة الشائعة: التشتت في الألياف البصرية الليفية

ما الذي يسبب التشتت في الألياف الضوئية؟

تنتقل الأطوال الموجية والأوضاع المختلفة للضوء بسرعات مختلفة بسبب مادة الألياف وهندستها - مما يؤدي إلى انتشار النبضات.

في الألياف أحادية النمط, التشتت اللوني (المادة + الدليل الموجي) و تشتت وضع الاستقطاب (PMD) هما المساهمان الرئيسيان.

أنماط ضوئية متعددة تأخذ مسارات مختلفة عبر قلب الألياف متعددة الأنماط

باستخدام الألياف أو الوحدات المعوضة للتشتت، واختيار نوع الألياف المناسب (على سبيل المثال، G.652D أو G.655 أو G.657)، واستخدام ليزر ضيق الطيف.

نظرًا لأن اتساع النبض يتراكم مع المسافة - بدون تحكم، تصبح الإشارات عالية السرعة مشوهة وغير قابلة للقراءة بعد الإرسال الطويل.

الخلاصة

التشتت ليس خطأ - إنه خاصية طبيعية للضوء في الزجاج.
ولكن إذا تُركت دون إدارة، فقد تؤدي إلى تشويش الإشارات والحد من عرض النطاق الترددي وتدهور أداء الشبكة.

من خلال فهم الأنواع الأربعة الرئيسية - المادة، والدليل الموجي، ونمط الاستقطاب، والتشتت بين الوسائط - يمكن للمهندسين تصميم أنظمة اتصالات أكثر موثوقية وكفاءة.

مع النوع الصحيح من الألياف، وممارسات التركيب المحسّنة، وتقنيات التعويض الحديثة، يمكن التحكم في التشتت بشكل فعال، مما يسمح للضوء بإيصال المعلومات بشكل نظيف ودقيق - حتى عبر آلاف الكيلومترات.