جهاز الإرسال والاستقبال البصري: مكون أساسي لنقل المعلومات

في عصر التقدم السريع في تكنولوجيا المعلومات ، تعتمد الخدمات التي نعتمد عليها ، مثل الإنترنت والحوسبة السحابية والبيانات الضخمة ، جميعها على مكون إلكتروني حاسم: جهاز الإرسال والاستقبال البصري. متكامل جهاز الإرسال والاستقبال البصري ، يؤدي المهمة الحاسمة المتمثلة في تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات بصرية داخل أنظمة الاتصالات البصرية الألياف. بدون أجهزة نقل الصوت البصرية ، سيكون من المستحيل نقل الإشارات الكهربائية على مسافات طويلة وبسرعة عالية من خلال الألياف البصرية ، وستكون شبكات الاتصال الحديثة مستحيلة.

التحويل الإلكتروني الضوئي: كيف تعمل أجهزة الإرسال والاستقبال البصرية
تكمن الوظيفة الأساسية لجهاز الإرسال والاستقبال البصري في آلية التحويل ثنائية الاتجاه: التحويل البصري إلى النخاعي في نهاية الإرسال والتحول الكهربائي إلى البصري في الطرف المتلقي.

لنقل الإشارات ، يتلقى جهاز الإرسال والاستقبال البصري إشارات كهربائية من أجهزة الشبكة (مثل المفاتيح أو أجهزة التوجيه). تمر هذه الإشارات الكهربائية عبر برنامج تشغيل داخلي ، يتحكم بدقة في ليزر أشباه الموصلات. يعمل الليزر سريعًا على تشغيل وإيقاف التردد العالي للغاية استنادًا إلى المعلومات الرقمية في الإشارة الكهربائية ، وتحويل الإشارات "0" و "1" في الإشارة الكهربائية إلى نبضات الضوء ذات الشدة المختلفة. ثم تركز هذه النبضات الخفيفة وتواصلها في الألياف البصرية لنقل المسافات الطويلة. تقوم هذه العملية بتحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات بصرية.

أثناء استقبال الإشارة ، تتلقى الوحدة البصرية إشارات بصرية تنتقل من الألياف البصرية. يتم اكتشاف هذه النبضات الضوئية الضعيفة عن طريق كاشف ضوئي داخلي ، وعادةً ما يكون ثنائيًا ضوئيًا ضوئيًا أو ثنائيًا للانهيار الجوي (APD). وظيفتها هي تحويل الإشارة البصرية إلى إشارة كهربائية. ثم يتم تضخيم هذه الإشارة الكهربائية عن طريق مضخم نقل (TIA) وتشكيله بواسطة مكبر للصوت المحدد (LA) ، مع استعادته إلى إشارة رقمية تتفق مع الإشارة الأصلية للنقل إلى معدات الشبكة المصب. تكمل هذه العملية تحويل الإشارة البصرية إلى إشارة كهربائية.

تقدم الأداء: من السرعة المنخفضة إلى السرعة الفائقة
التطور التكنولوجي للوحدات البصرية هو قصة السعي المستمر لسرعات أعلى ، ومسافات أطول ، وانخفاض استهلاك الطاقة.

كان للوحدات البصرية المبكرة معدلات بيانات منخفضة واستخدمت في المقام الأول في سيناريوهات الاتصال على نطاق واسع النطاق منخفضة النطاق. مع اعتماد الإنترنت على نطاق واسع والزيادة في حركة البيانات ، تم وضع مطالب أعلى على سرعة وأداء الوحدات البصرية. تنعكس الابتكارات التكنولوجية بشكل أساسي في المجالات التالية:

تقنية التعديل: لزيادة سرعات الإرسال دون زيادة معدلات الباود ، تطورت الوحدات البصرية من تعديل التقليدية غير المرجانية إلى الصفر (NRZ) إلى تعديل سعة النبض بأربعة مستويات (PAM4). يمكن أن ينقل تعديل PAM4 بتات من المعلومات لكل دورة على مدار الساعة ، مما يضاعف معدل النقل مقارنةً بـ NRZ ويصبح التكنولوجيا السائدة للوحدات البصرية عالية السرعة.

المكونات البصرية الأساسية: لدعم السرعات العالية والمسافات الأطول ، تتم ترقية الليزر والكاشفات الضوئية في الوحدات البصرية بشكل مستمر. على سبيل المثال ، يتم استخدام الليزر المعدل للامتصاص الكهربائي (EMLs) لتلبية المتطلبات عالية السرعة ، في حين يتم استخدام أدوات الضوئية الثانوية (APDs) لتحسين حساسية المتلقي ، مما يتيح نقل المسافات الطويلة.

الاتصالات البصرية المتماسكة: بالنسبة للمرحلة الطويلة للغاية ونقل شبكة العمود الفقري عالي السعة ، تستخدم الوحدات البصرية تكنولوجيا الاتصال البصرية المتماسكة. تقوم هذه التقنية بتعديل المعلومات باستخدام أبعاد متعددة من الضوء ، مثل السعة والمرحلة والاستقطاب ، وتستخدم رقائق معالجة الإشارات الرقمية (DSP) لإزالة التشكيل المعقد ، وزيادة مسافة وسعة النقل بشكل كبير.

نموذج الحزمة: القدرة المتنوعة على التكيف
الوحدات البصرية لديها أكثر من عامل شكل حزمة واحد. تطورت المعايير المختلفة بناءً على سرعات وأحجام مختلفة واستهلاك الطاقة وسيناريوهات التطبيق. تحدد نماذج الحزمة هذه عامل النموذج الفعلي ونوع الواجهة للوحدة البصرية.

تشمل نماذج الحزمة الشائعة في الصناعة SFP و SFP و QSFP و QSFP28 و OSFP و CFP. تعكس اتفاقيات التسمية هذه بشكل عام تصنيف السرعة وعدد قنوات الوحدة البصرية. على سبيل المثال ، يتم استخدام SFP بشكل شائع لسرعات 10G ، في حين يستخدم QSFP28 بشكل شائع لسرعة 100 جرام ويستخدم تصميمًا من أربع قنوات.

الحزمة أكثر من مجرد قذيفة. يدمج الأجهزة الإلكترونية البصرية المعقدة ، ودوائر السائق ، ورقائق التحكم. يجب أن ينظر التصميم الهيكلي للحزمة في تبديد الحرارة ، حيث تستهلك الوحدات البصرية عالية السرعة طاقة عالية. يعد تبديد الحرارة الفعال أمرًا بالغ الأهمية لضمان تشغيل مستقر طويل الأجل.

الواجهة البصرية للوحدة البصرية أمر بالغ الأهمية أيضًا. على سبيل المثال ، يتم استخدام واجهة LC عادة في الوحدات البصرية الصغيرة بسبب حجمها المدمج. من ناحية أخرى ، يمكن أن تدمج واجهة MPO أليافًا متعددة في واجهة واحدة ، مما يجعلها مناسبة للوحدات البصرية عالية الكثافة متعددة القنوات ، مثل تلك المستخدمة في الاتصالات الداخلية لمركز البيانات.

مع النشر الكامل لـ 5G والحوسبة السحابية وإنترنت الأشياء ، سيستمر الطلب على الوحدات البصرية في النمو. ستكون الوحدات البصرية المستقبلية أكثر من مجرد أجهزة تحويل كهروضوئية بسيطة. سيتم دمجها بعمق مع معدات الشبكة وحتى دمج الوظائف الأكثر ذكاءً ، وتصبح البنية التحتية للشبكة المستقبلية الداعمة.