مخابرات فیبر نوری – راهنمای جامع

در مقاله «فیبر نوری -- به زبان ساده» با ساختار و کاربردهای فیبر نوری آشنا شدید. دیدیم که عمدتاً در دنیای مخابرات، فیبر نوری به عنوان کانال انتقال پیام به وسیله سیگنال‌های اپتیکی به کار می‌رود. همچنین در مقاله «مخابرات نوری - از صفر تا صد» یک لینک مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری را به صورت کامل از فرستنده تا گیرنده بررسی کردیم. در مقاله «FTTH چیست؟ -- از صفر تا صد» نیز شبکه‌های نوری پسیو (PON) و سناریو‌های مختلف شبکه‌های FTTX بررسی شدند. در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده روند تکامل مخابرات فیبر نوری را طی شش نسل بررسی کنیم. با ما در ادامه مطلب همراه باشید.

مخابرات فیبر نوری

با اختراع لیزرهای نیم‌رسانا (دیود لیزر) در دهه 1960، استفاده از خواص نور لیزر (همدوسی) در صنعت مخابرات مورد توجه قرار گرفت. لازم به ذکر است که در فیزیک «همدوسی» (Coherent) به معنی پایداری فازی میدان‌های الکترومغناطیسی حین انتشار بوده و بر دو نوع زمانی و مکانی است. همدوسی زمانی به معنی هماهنگی بین فوتون‌های نور لیزر از لحاظ وضعیت ارتعاشی (فاز) و همدوسی مکانی به معنی هماهنگی بین فوتون‌های نور لیزر از لحاظ راستای ارتعاش است.

در آن زمان به دلیل کیفیت پایین فیبرهای نوری، افت کیفیت قابل ملاحظه‌ای در طول مسیر مشاهده می‌شد و عملاً برای مسافت‌های طولانی مفید نبود. با پیشرفت در تکنولوژی ساخت فیبرهای نوری در سال 1976/77 اولین لینک مخابرات فیبر نوری چند مُد (Multi Mode) در طول موج $$850nm$$ مورد بررسی قرار گرفت. پس از گذشت چند سال و بهبود ساختار فیبرهای نوری تک مُد (Single Mode)، طول موج‌های $$1310nm$$ و $$1550nm$$ مورد آزمایش و بررسی قرار گرفتند. در کنار تلاش برای بهبود ارتباطات نوری مبتنی بر فیبر، کاربردهای دیگری از فیبرهای نوری در تقویت کننده‌های نوری، لیزرهای فیبری، کاربردهای پزشکی و ... مورد توجه قرار گرفته‌اند.

شکل (1) باندهای طول موجی مخابرات فیبر نوری را نشان می‌دهد. محدوده طول موجی باند‌های مخابرات نوری در ناحیه مادون قرمز است.

شبکه‌های مخابرات فیبر نوری به دلیل ظرفیت بسیار بالا و مسافتی که پوشش می‌دهند، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار هستند. در شکل (2) ظرفیت و مسافتی که مخابرات نوری مبتنی بر فیبر مهیا می‌کند، جهت مقایسه با سایر لینک‌های مخابراتی آورده شده است.

در تصویر فوق عبارت‌های کامل هر یک از لینک‌های مخابراتی به شکل زیر است:

• FOC : به معنی مخابرات فیبر نوری و مخفف عبارت (Fiber Optic Communications) است.
• FSO : به معنی مخابرات نوری فضای آزاد و مخفف عبارت (Free Space Optical) است. به دلیل اینکه فضای آزاد (هوا) محیطی پاشنده برای نور لیزر تلقی می‌شود، این نوع لینک مخابراتی علی‌رغم ظرفیت بسیار بالا، مسافت خیلی کمی را پوشش می‌دهد.
• DMR : به معنی ارتباط دیجیتالی رادیویی موبایل و مخفف عبارت (Digital Mobile Radio) است.
• UHF : به معنی ارتباطات در فرکانس‌های بالا (300Mhz ~ 3GHz) و مخفف عبارت (Ultra High Frequency) است. MF و HF به معنی فرکانس میانه و زیاد است.
• P-MP : به معنی ارتباط یک به چند در شبکه‌های مخابراتی و کامپیوتری و مخفف عبارت (Point to Multi Point) است.
• PMR‌ : به معنی ارتباطات بیسیم (بیسیم‌های استفاده شده در جنگ و ...) و مخفف عبارت (Professional/Private Mobile Radio) است.
• VSAT : به معنی ارتباطات بین دو دیش (همانند آنچه احتمالاً در بالای پشت‌بام بانک‌ها دیده‌اید) و مخفف عبارت (Very Small Aperture Terminal) است.

شکل زیر ناحیه فرکانسی، طول موج کاری و انرژی فوتون وابسته به سیگنال‌های مخابرات فیبر نوری را در طیف الکترومغناطیسی نشان می‌دهد.

در ادامه به روند پیشرفت مخابرات فیبر نوری در شش نسل می‌پردازیم.

طول موج $$\large850nm$$ (نسل اول)

در اولین نسل مخابرات فیبر نوری از فیبرهای چند مُد، در پنجره اول مخابرات فیبر نوری یعنی طول موج $$850nm$$ استفاده کردند. عدم کیفیت مطلوب فیبرهای نوری و وجود مشکلات پاشندگی (پهن شدگی سیگنال) و افت زیاد در این طول موج، مانع از یک ارتباط مطلوب می‌شود. شکل زیر پاشندگی و افت سیگنال‌های اپتیکی را در مخابرات فیبر نوری در باندهای مختلف طول موجی نشان می‌دهد. همان‌طور که مشخص است، در ناحیه طول موجی (800nm ~ 900nm) تضعیف توان و پاشندگی سیگنال اپتیکی بسیار زیاد بوده که مانع از یک ارتباط خوب و پایدار می‌شود.

طول موج $$\large1310nm$$ (نسل دوم)

برای رفع مشکل پاشندگی، در نسل دوم سیستم‌های مخابرات فیبر نوری استفاده از طول موج $$1310nm$$ پیشنهاد شد. این طول موج به پنجره دوم مخابرات فیبر نوری معروف بوده و در باند O است.

فیلم آموزش آشنایی با ساختار فیبر نوری و شبکه WDM در فرادرس

کلیک کنید

طبق شکل (4) مشاهده می‌شود که پاشندگی در طول موج $$1310nm$$ نزدیک به صفر بوده که خود برای بالا بردن سرعت انتقال اطلاعات مزیت قابل توجهی است. با وجود استفاده از این طول موج، به دلیل عدم کیفیت فیبرهای نوری و افت شدید توان، استفاده از سیستم‌های مخابرات فیبر نوری در مسیرهای طولانی همچنان با مشکل مواجه بود.

طول موج $$\large1550nm$$ (نسل سوم)

برای رفع مشکل تضعیف، پژوهشگران استفاده از فیبرهای نوری تک مُد و طول موج $$1550nm$$ را که به پنجره سوم مخابرات فیبر نوری معروف است، پیشنهاد دادند. این امر باعث استفاده از سیستم‌های مخابرات فیبر نوری برای انتقال اطلاعات با سرعت بالا در مسیرهایی نسبتاً طولانی شد. امروزه طول موج $$1550nm$$ که در باند C قرار دارد به طول موج استاندارد مخابرات فیبر نوری شناخته می‌شود. در شبکه‌های غیر فعال نوری (Passive Optical Network - PON) از این طول موج برای انتقال ویدئو به سمت کاربر استفاده می‌شود. همچنین از طول موج $$1490nm$$ برای ارسال صوت و داده به سمت کاربر (دانلود) و از طول موج $$1310nm$$ برای ارسال صوت و داده از کاربر به سمت مرکز (آپلود) استفاده می‌شود (شکل 5).

فیبرهای DSF و مدارهای بازسازی (نسل چهارم)

با اینکه فیبرهای نوری تک مُد در طول موج $$1550$$ موفقیت نسبتاً خوبی به دست آوردند، همچنان تلاش پژوهشگران برای به حداقل رساندن پاشندگی و تضعیف توان ادامه داشت. حاصل این پژوهش، تولید فیبرهایی با پاشندگی شیفت یافته (Dispersion Shifted Fiber - DSF) بود. در واقع این نوع فیبرها پاشندگی صفر را که در نزدیکی طول موج $$1310nm$$ حاصل می‌شد را به حوالی طول موج $$1550nm$$ منتقل (شیفت) کردند (شکل 6).

همان‌طور که در شکل فوق مشاهده کردید، نوعی از فیبرهای نوری وجود دارند که نمودار پاشندگی آن‌ها منفی است. از این نوع فیبرها می‌توان در برخی قسمت‌های طول مسیر برای جبران و یا کاهش پاشندگی استفاده کرد. این‌ گونه تصور کنید که یک فیبر معمولی با پاشندگی مثبت، باعث پهن شدن سیگنال شده و «فیبر جبران‌ساز پاشندگی» (Dispersion Compensating Fiber) باعث جمع‌شدن سیگنال می‌شود. همچنین «فیبر با پاشندگی مسطح» (Dispersion Flattened Fiber) در محدوده بین (1500nm ~ 1600nm)، منحنی پاشندگی‌اش صاف (مسطح) است.

با وجود به حداقل رسیدن مسئله پاشندگی، اما هنوز به دلیل افت کیفیت سیگنال در مسیرهای خیلی طولانی نیاز بود که تقریباً در هر 70کیلومتر از یک مدار «بازسازی سیگنال » (Signal Regeneration) در طول مسیر استفاده شود. این دستگاه‌ها که به $$3R$$ معروف هستند، پس از تبدیل سیگنال اپتیکی به الکتریکی، آن را تقویت، شکل‌دهی و زمان بندی مجدد (3R - Re-amplification, Re-shaping, Re-timing) کرده و پس از تبدیل دوباره به سیگنال اپتیکی آن را وارد مسیر فیبر نوری می‌کند.

استفاده از مدارهای بازسازی سیگنال از آنجا که یک قطعه الکترونیکی است، گلوگاهی جهت کاهش سرعت سیستم‌های اپتیکی است. چرا که سیگنال‌های اپتیکی که با سرعت بسیار بالای $$\frac{c}{n}$$ در فیبر نوری حرکت می‌کنند، به هنگام رسیدن به مدار بازسازی باید تبدیل به سیگنال الکتریکی شده (سرعت الکترون در سیم) و پس از بازسازی دوباره تبدیل به سیگنال اپتیکی شوند.

تقویت کننده‌ فیبر نوری EDFA (نسل پنجم)

با بهبود فیبرهای نوری و اختراع لیزرهای فیبری، ساخت و استفاده از «تقویت کننده‌های فیبر نوری آلاییده به اربیوم» (Erbium Doped Fiber Amplifier) در سال 1986 بهبودهای فراوانی را صنعت مخابرات فیبر نوری به ارمغان آورد.

تقویت کننده‌های EDFA به دلیل تطبیق کامل با فیبرهای نوری معمولی، پهنای باند و بهره زیاد، نویز کم، حجم کم، قیمت مناسب و ... امروزه یکی از اصلی‌ترین تجهیزات مخابرات و شبکه‌های نوری مبتنی بر فیبر است.

با بهره‌گیری از تقویت کننده‌های EDFA در مسیرهای طولانی امکان انتقال اطلاعات با سرعتی بیش از 10 ترابیت در ثانیه در کیلومتر مهیا می‌شود. به طور خیلی خلاصه اساس کار تقویت کننده‌های EDFA به شرح زیر است:

الکترون‌های اتم اربیوم در طول موج $$980nm$$ می‌توانند برانگیخته شده و به تراز‌های انرژی بالاتر بروند. این الکترون‌ها برای برای اینکه تمایل به پایداری دارند، با تابش فوتون انرژی خود را از دست داده و به ترازهای پایین‌تر برمی‌گردند. طول موج فوتون تابش شده بستگی به اختلاف انرژی دو تراز اولیه و نهایی الکترون دارد. با این حال طول موج برخی از فوتون‌های تابش شده در نزدیکی طول موج مخابراتی $$1550nm$$ بوده که در نتیجه این فوتون‌ها می‌توانند انرژی خود را به فوتون‌های سیگنال اپتیکی بدهند. شکل زیر شماتیکی از یک سیستم EDFA را نشان می‌دهد.

سالیتون (نسل ششم)

در نسل ششم مخابرات نوری پیشنهاد انتشار پالس‌های سالیتونی (استفاده از اثرات غیرخطی فیبر نوری) در کنار تقویت کننده‌های فیبر نوری آلاییده به عنصر اربیوم داده شد. این پیشنهاد امکان انتقال اطلاعات را با سرعتی بیش از 5 ترابیت در ثانیه را برای مسیرهای بسیار طولانی فراهم می‌کند. لازم به ذکر است که همچنان تحقیقات و پژوهش در این خصوص ادامه دارد. همان طور که در شکل (10) مشاهده می‌شود، در فیبر نوری تک مد با اثرات غیرخطی، پالس سالیتونی منتشر شده شکل خود را حفظ کرده و پهن نشده است.

در علوم اپتیک و فوتونیک، به هر میدان اپتیکی که در حین انتشار به دلیل تعادل بین اثرات خطی و غیرخطی محیط، شکل موج (پالس) خود را حفظ می‌کند، سالیتون گفته می‌شود. در شکل فوق دلیل دوتا شدن پالس در خروجی فیبر با «پاشندگی مد قطبشی» (Polarization Mode Dispersion - PMD)، اختلافی است که بین سرعت گروه دو مد قطبشی در جهت $$x$$ و $$y$$ به وجود می‌آید.