التعديل الضوئي

تعريف التضمين البصري

يشير التضمين البصري إلى عملية تغيير موجة الضوء وفقًا لإشارة كهربائية عالية التردد تحمل معلومات. يتم نقل الموجات الضوئية المعدلة بعد ذلك إما عبر وسط شفاف أو بواسطة كابل ألياف ضوئية.

بشكل أكثر دقة، يمكن تعريف التضمين البصري بأنه تحويل الإشارة الكهربائية المحملة بالمعلومات إلى إشارة ضوئية مقابلة. يمكّن هذا التحويل من نقل البيانات بكفاءة على مسافات طويلة بدقة عالية.

من الناحية الأساسية، هناك طريقتان مختلفتان لتضمين الإشارات الضوئية، وهما مصنفتان كالتالي:

التضمين المباشر

كما يوحي الاسم، التضمين المباشر هو تقنية يتم فيها فرض المعلومات المقصودة للإرسال مباشرة على تيار الضوء المنبعث من المصدر. في هذه الطريقة، يتم تغيير تيار مصدر الضوء، عادةً ليزر، مباشرة وفقًا لإشارة المعلومات الكهربائية. هذا التغيير المباشر للتيار يولد تغييرًا متناسبًا في إشارة القوة الضوئية، مما يلغي الحاجة إلى مودولات ضوئية منفصلة لتضمين الإشارة الضوئية.

ومع ذلك، لهذه التقنية للتضمين عيوب كبيرة. وتتعلق هذه العيوب بشكل أساسي بفترات حياة الحاملات للإشعاعات الذاتية والمحفزة، وكذلك فترة حياة الفوتون لمصدر الضوء. عند استخدام جهاز إرسال ليزر للتضمين المباشر، يقوم الليزر بالتبديل بين التشغيل والإيقاف استجابة لإشارة كهربائية أو تيار تشغيل. خلال هذه العملية، يميل عرض خط الليزر إلى التوسع، وهو ظاهرة تعرف باسم الشخير. يؤدي توسع عرض خط الليزر إلى قيود شديدة على تطبيق التضمين المباشر، مما يجعله غير مناسب لسرعات البيانات التي تتجاوز 2.5 جيجابت في الثانية.

التضمين الخارجي

بالنسبة للتضمين الخارجي، فإنه يستخدم مودولات ضوئية متخصصة لتغيير الإشارات الضوئية وتغيير خصائصها. تتميز هذه التقنية بأنها مناسبة بشكل خاص لتضمين الإشارات ذات سرعات البيانات التي تتجاوز 10 جيجابت في الثانية. بينما تتفوق في التعامل مع بيانات السرعة العالية، لا يوجد شرط صارم باستخدام التضمين الخارجي فقط للإشارات ذات سرعات البيانات العالية؛ يمكن تطبيقه في سيناريوهات أخرى أيضًا.

توضح الصورة التالية آلية عمل المودولاتور الخارجي، وتسليط الضوء على كيفية تفاعلها مع الإشارة الضوئية لتحقيق التضمين المطلوب.

تفاصيل التضمين الخارجي

في نظام التضمين الخارجي، يكون المكون الأول هو مصدر الضوء، عادةً ثنائي ليزر. يلي ثنائي الليزر دائرة مودولاتور ضوئي. تقوم هذه الدائرة بتغيير موجة الضوء المنبعثة من المصدر وفقًا للإشارة الكهربائية الواردة.

يقوم ثنائي الليزر بإنتاج إشارة ضوئية بثبات في السعة. وبالتالي، بدلاً من تغيير سعة الإشارة الضوئية، تؤثر الإشارة الكهربائية على مستوى القوة الضوئية. نتيجة لذلك، يتم إنتاج إشارة ضوئية متغيرة زمنيًا في مخرج المودولاتور، مما يحمل المعلومات المشفرة في الإشارة الكهربائية الواردة.

من المهم ملاحظة أن دوائر المودولاتور الخارجي يمكن تصميمها بطريقتين. يمكن دمجها مع مصدر الضوء الضوئي، مما يخلق حلًا أكثر ت緊续之前的回答 دمجًا وسلاسة. بديلًا عن ذلك، يمكن أن تعمل كجهاز مستقل منفصل، مما يوفر مرونة في تصميم وتكامل النظام. يمكن تصنيف المودولات الضوئية، والتي تعد أساسية في عملية التضمين الخارجي، بشكل عام إلى نوعين رئيسيين: المودولاتور الضوئي-الكهربائي للأเฟاز المعروف أيضًا بمودولاتور ماخ-زيندر، هذا النوع من المودولات الضوئية يتم بناؤه بشكل أساسي باستخدام النيوبيت الليثيوم كمادة أساسية. الخصائص الفريدة للنيوبيت الليثيوم تسمح بتعديل دقيق للإشارة الضوئية بناءً على الإدخالات الكهربائية. توضح الصورة التالية آلية عمل المودولاتور الضوئي-الكهربائي الخارجي، وتفصيل كيفية تعديله للإشارة الضوئية من خلال التفاعل بين المكونات الكهربائية والضوئية.

عمل المودولاتور الضوئي-الكهربائي للأفاز في المودولاتور الضوئي-الكهربائي للأفاز، يلعب مجزء الأشعة ومجمع الأشعة دورًا مهمًا في تلاعب موجات الضوء. عندما تدخل الإشارة الضوئية إلى المودولاتور، يقوم مجزء الأشعة بتقسيم شعاع الضوء إلى جزأين متساويين، يوجه كل جزء على طول مسار مختلف. ثم تقوم الإشارة الكهربائية المطبقة بتغيير الأفاز لشعاع الضوء الذي يمر عبر أحد هذه المسارات. بعد مرورهما عبر مساراتهما الخاصة، يصل الشعاعان الضوئيان إلى مجمع الأشعة حيث يتجانسان مرة أخرى. يمكن أن يحدث هذا التجانس بأحد الطريقتين: بطريقة بناءة أو هادمة. عندما يحدث التجانس بطريقة بناءة، يتعزز الشعاعان الضوئيان بعضهما البعض، مما يؤدي إلى شعاع ضوئي مشرق في مخرج المودولاتور، كما يمثله النبضة 1. بالمقابل، خلال التجانس الهادم، يلغي الجزآن من شعاع الضوء بعضهما البعض، مما يؤدي إلى عدم اكتشاف أي إشارة ضوئية في المخرج، والذي يُشار إليه بالنبضة 0. المودولاتور الضوئي-الكهربائي للامتصاص المودولاتور الضوئي-الكهربائي للامتصاص يتم تصنيعه بشكل أساسي من الفوسفيد الإنديوم. في هذا النوع من المودولات، تقوم الإشارة الكهربائية المحملة بالمعلومات بتغيير خصائص المادة التي ينتقل الضوء عبرها. بناءً على هذه التغييرات في الخصائص، يتم إنتاج إما النبضة 1 أو 0 في المخرج. من الجدير بالذكر أن المودولاتور الضوئي-الكهربائي للامتصاص يمكن دمجه مع ثنائي الليزر ووضعه داخل حزمة فراشة قياسية. يقدم هذا التصميم المتكامل مزايا كبيرة. من خلال الجمع بين المودولاتور وثنائي الليزر في وحدة واحدة، يقلل من متطلبات المساحة الكلية للجهاز. بالإضافة إلى ذلك، يحسن استهلاك الطاقة ويقلل من متطلبات الجهد مقارنة باستخدام مصدر ليزر منفصل ودائرة مودولاتور، مما يجعله حلًا أكثر كفاءة وعمليًا لمجموعة متنوعة من تطبيقات الاتصال الضوئية.