الوحدة الضوئية هي وحدة توصيل تعمل كجهاز تحويل ضوئي كهربائي. وفي نهاية جهاز الإرسال، يقوم بتحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية، والتي يتم إرسالها بعد ذلك عبر الألياف الضوئية. وفي نهاية جهاز الاستقبال، يتم إعادة تحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية.
تتكون الوحدة الضوئية من مكونات إلكترونية بصرية ودوائر وظيفية وواجهات بصرية. تتكون المكونات الإلكترونية الضوئية من عناصر الإرسال والاستقبال.
قسم الإرسال: بعد معالجة الإشارات الكهربائية المدخلة بمعدل بيانات محدد باستخدام شريحة محرك داخلية، فإنها تقوم بتشغيل صمام ثنائي ليزر أشباه الموصلات (LD) أو صمام ثنائي باعث للضوء (LED) لإصدار إشارة ضوئية معدلة بمعدل البيانات المقابل. يتضمن دائرة تحكم أوتوماتيكية داخلية للطاقة (APC) للحفاظ على استقرار طاقة الإشارة الضوئية الناتجة.
قسم الاستلام: يتم إدخال الإشارات الضوئية بمعدل بيانات محدد إلى الوحدة ويتم تحويلها إلى إشارات كهربائية بواسطة الصمام الثنائي للكشف البصري. بعد المرور عبر مكبر الصوت الأمامي، يتم إخراج الإشارات الكهربائية لمعدل البيانات المقابل.
فيما يلي بعض مقاييس الأداء الرئيسية المستخدمة لقياس أداء الوحدات الضوئية (المحتوى التالي متوقع من وثائق Huawei):
يشير متوسط الطاقة الضوئية المرسلة إلى خرج الطاقة الضوئية لمصدر الضوء عند طرف الإرسال للوحدة الضوئية في ظل ظروف التشغيل العادية، ويمكن فهمه على أنه شدة الضوء.
وترتبط القدرة الضوئية المرسلة بنسبة "1s" في إشارة البيانات المرسلة؛ كلما زاد عدد "1s"، زادت الطاقة الضوئية.
عندما يرسل المرسل إشارة تسلسل شبه عشوائي، مع توزيع "1s" و"0s" بالتساوي تقريبًا، تكون القدرة المقاسة في هذه الحالة هي متوسط القدرة الضوئية المرسلة، مقاسة بالديسيبل مللي واط.
يتم تعريف نسبة الانقراض على أنها القيمة الدنيا لنسبة متوسط الطاقة الضوئية المنبعثة من الليزر في ظل تعديل الكود "1" الكامل إلى متوسط الطاقة الضوئية المنبعثة في ظل تعديل الكود "0" الكامل، في ظل جميع ظروف التشكيل، وتقاس بالديسيبل .
عند تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية، يتم تنفيذ هذه العملية بواسطة صمام ثنائي ليزر في جزء الإرسال من الوحدة الضوئية، والذي يقوم بتعديل الإشارة الضوئية وفقًا لمعدل بيانات إشارة الإدخال.
يمثل متوسط الطاقة الضوئية تحت التعديل الكامل للكود "1" متوسط قوة انبعاث الليزر، بينما يمثل متوسط الطاقة الضوئية تحت التعديل الكامل للكود "0" متوسط قدرة الليزر عندما لا ينبعث منه ضوء. تميز نسبة الانقراض القدرة على التمييز بين إشارات o و1، وبالتالي يمكن اعتبارها مقياسًا للكفاءة التشغيلية لليزر. يتراوح الحد الأدنى النموذجي لنسبة الانقراض بين 8.2 ديسيبل إلى 10 ديسيبل.
في طيف البث، الطول الموجي المقابل لنقطة المنتصف للقطعة الخطية التي تربط قيمة السعة القصوى البالغة 50%. قد تظهر أنواع مختلفة من الليزر أو حتى ليزرين من نفس النوع اختلافات في الأطوال الموجية المركزية بسبب عوامل مثل عمليات التصنيع واختلافات الإنتاج وحتى ظروف التشغيل المختلفة لنفس الليزر.
بشكل عام، توفر الشركات المصنعة للمكونات البصرية والوحدات البصرية للمستخدمين معلمة، وهي الطول الموجي المركزي (على سبيل المثال، 850 نانومتر). تأتي هذه المعلمة عادةً بنطاق محدد. في الوقت الحالي، تنقسم الأطوال الموجية المركزية شائعة الاستخدام للوحدات الضوئية بشكل أساسي إلى ثلاث فئات رئيسية: الطول الموجي 850 نانومتر، والطول الموجي 1310، والطول الموجي 1550 نانومتر.
تشير الطاقة الضوئية الزائدة، والمعروفة أيضًا باسم الطاقة الضوئية التشبعية، إلى الحد الأقصى لمتوسط الطاقة الضوئية المدخلة التي يمكن أن يستقبلها المكون الطرفي المستقبل في ظل ظروف معينة لمعدل الخطأ في البتات، ويتم قياسها بالديسيبل مللي واط.
من المهم ملاحظة أن أجهزة الكشف الضوئية يمكن أن تتعرض لتشبع التيار الكهروضوئي لفترة معينة من الوقت للتعافي، مما يؤدي إلى انخفاض حساسية الاستقبال. يمكن أن يؤدي هذا إلى سوء تفسير الإشارة وحدوث أخطاء في البتات.
ببساطة، قد يؤدي تجاوز الطاقة الضوئية الزائدة إلى تلف المعدات. في الاستخدام العملي، من المهم تجنب تعريض الجهاز للضوء الشديد لمنع تجاوز طاقة الحمل الزائد.
تشير حساسية جهاز الاستقبال إلى الحد الأدنى لمتوسط الطاقة الضوئية المدخلة التي يمكن أن يستقبلها المكون الطرفي المستقبل للوحدة الضوئية في ظل حالة معدل خطأ معين. إذا كانت الطاقة الضوئية المرسلة تشير إلى الكثافة الضوئية عند الطرف المرسل، فإن حساسية جهاز الاستقبال تشير إلى الكثافة الضوئية التي يمكن للوحدة الضوئية اكتشافها. الوحدة ديسيبل.
بشكل عام، في ظل الظروف العادية، كلما ارتفع معدل البيانات، انخفضت حساسية الاستقبال. وهذا يعني أن هناك حاجة إلى حد أدنى أعلى من الطاقة الضوئية المستقبلة، كما أنه يفرض متطلبات أكبر على مكونات مستقبل الوحدة الضوئية.
تشير الطاقة الضوئية المستقبلة إلى متوسط نطاق الطاقة الضوئية الذي يمكن أن يستقبله المكون الطرفي المستقبل للوحدة الضوئية في ظل ظروف معينة لمعدل الخطأ في البتات، ويتم قياسها بالديسيبل مللي واط. الحد الأعلى للطاقة الضوئية المستقبلة هو الطاقة الضوئية الزائدة، والحد الأدنى هو الحد الأقصى لحساسية جهاز الاستقبال.
باختصار، عندما تكون الطاقة الضوئية المستقبلة أقل من حساسية جهاز الاستقبال، فقد لا يتمكن من استقبال الإشارة بشكل صحيح لأن الطاقة الضوئية ضعيفة للغاية. على العكس من ذلك، عندما تتجاوز الطاقة الضوئية المستقبلة الطاقة الضوئية الزائدة، فقد يؤدي ذلك أيضًا إلى عدم القدرة على استقبال الإشارة بشكل صحيح بسبب وجود أخطاء في البتات.
تتضمن مقاييس الأداء الرئيسية التي تؤثر على أداء الوحدات الضوئية متوسط طاقة الإرسال الضوئية، ونسبة الانقراض، والطول الموجي المركزي للإشارة الضوئية، والطاقة الضوئية الزائدة، وحساسية جهاز الاستقبال، والطاقة الضوئية المستقبلة. ومن خلال التحقق مما إذا كانت هذه القيم ضمن نطاقها الطبيعي، يمكنك تقييم أداء الوحدة الضوئية.
في الواقع، مسافة إرسال الوحدات الضوئية محدودة بشكل أساسي بسبب كل من الفقد والتشتت.
وسبب الفقد هو أنه أثناء نقل الضوء في الألياف الضوئية يحدث فقدان للطاقة الضوئية بسبب امتصاص الوسط وتشتته وتسربه، وتتبدد هذه الطاقة بمعدل معين مع زيادة مسافة الإرسال.
ويمكن تقدير قيود الخسارة باستخدام الصيغة: مسافة الخسارة المحدودة = (قدرة الإرسال الضوئية - حساسية المستقبل)/توهين الألياف. كلما زادت الخسارة، قلت مسافة الإرسال للوحدة الضوئية. وعلى العكس من ذلك، كلما انخفضت الخسارة، زادت مسافة الإرسال.
السبب الرئيسي للتشتت هو السرعات غير المتساوية التي تنتشر بها الموجات الكهرومغناطيسية ذات الأطوال الموجية المختلفة في نفس الوسط. ويؤدي ذلك إلى وصول مكونات ذات أطوال موجية مختلفة للإشارة الضوئية إلى جهاز الاستقبال في أوقات مختلفة بسبب مسافات الإرسال التراكمية، مما يؤدي إلى اتساع النبض وعدم القدرة على تمييز قيم الإشارة.
يشار عادةً إلى عملية دمج الإشارات الضوئية ذات الأطوال الموجية المختلفة في ألياف بصرية واحدة للإرسال، ومن ثم استخدام مزيل تعدد الإرسال لفصل هذه الإشارات مرة أخرى إلى أشكالها الموجية الضوئية المتعددة الأصلية، باسم الطول الموجي المقسم تقنية (WDM).
اعتمادًا على تباعد الطول الموجي، قد تستخدم الوحدات الضوئية تقنيات مثل CWDM، وLWDM، وSWDM.
CWDM، والتي تعني مضاعفة تقسيم الطول الموجي الخشن، هي تقنية ذات طول موجي يتراوح بين 1270 نانومتر و1610 نانومتر، مع تباعد بين الطول الموجي 20 نانومتر. فهو يسمح بتعدد إرسال ما يقرب من 8 إلى 16 طول موجي على نفس الألياف الضوئية. تشمل الوحدات الضوئية التمثيلية QSFP+ LR4 وQSFP28 CWDM4.
LWDM، أو مضاعفة تقسيم الطول الموجي الطويل، هي تقنية تعمل في نطاق الطول الموجي من 1269 نانومتر إلى 1332 نانومتر، وتقع ضمن النطاق O. تبلغ المسافة بين الطول الموجي 4 نانومتر، مع تحديد الأطوال الموجية العاملة عادةً عند 1295 نانومتر، و1300 نانومتر، و1304 نانومتر، و1309 نانومتر. تشمل الوحدات الضوئية التمثيلية لـ LWDM QSFP28 LR4، وQSFP28 ER4، وQSFP28 ZR4، وغيرها.
SWDM، أو Short Wavelengt4h Division Multiplexing، هي تقنية تعمل ضمن نطاق الطول الموجي من 850 نانومتر إلى 950 نانومتر، مع تباعد بين الطول الموجي 30 نانومتر. إنها تستخدم أربعة نطاقات من الطول الموجي مع نوافذ عند 850 نانومتر، 880 نانومتر، 910 نانومتر، و940 نانومتر. تشتمل الوحدات الضوئية التمثيلية لـ SWDM على 40G SWDM4 و100G SWDM4 متعدد الأوضاع.
من خلال زيادة عدد قنوات نقل الإشارة واستخدام أطوال موجية متعددة متطابقة لنقل الإشارة، يشار إليها باسم تقنية البصريات المتوازية. إنه يعمل بأطوال موجية تبلغ 850 نانومتر و1310 نانومتر، مما يوفر حلاً اقتصاديًا وفعالاً لتطبيقات 4x 25G و4x 50G و8x 50G. تشمل الوحدات الضوئية التمثيلية للبصريات المتوازية QSFP+ SR4، وQSFP28 SR4، وQSFP-DD SR4، وغيرها.
تأتي المنافذ الضوئية للوحدات الضوئية في إصدارات ذات 12 نواة و16 نواة، مع موصلات الألياف الضوئية المقابلة MPO-12 وMPO-16.
PAM4 (تعديل سعة النبض 4-المستوى) وNRZ (عدم العودة إلى الصفر) هما حاليًا تقنيات حاسمة وأساسية في مجال الاتصالات البصرية. باعتبارها الجيل القادم من تكنولوجيا نقل الاتصال البيني للإشارة عالية السرعة، PAM4 يحقق معدلات نقل بيانات أعلى لكل قناة إشارة خلال وحدة زمنية من خلال استخدام المزيد من مستويات الإشارة. وبنفس عدد القنوات والأجهزة البصرية الموجودة، يمكن مضاعفة معدل واجهة الشبكة عن طريق ترقية الشرائح الداخلية للوحدات الضوئية. تشتمل الوحدات الضوئية التمثيلية على 50G SFP56-DD SR (1x 50G PAM4)، 200G QSFP56 FR4 (4x50G PAM4)، و 400G QSFP-DD SR8 (8 × 50 جرام بام4).
تستخدم إشارات PAM4 مستويين إضافيين من الجهد لنقل الإشارة مقارنة بإشارات NRZ التقليدية، مما يؤدي إلى معدل بت أسرع مرتين من إشارات NRZ خلال نفس فترة الرمز.
