مبدأ عمل الارسال البصري

كيف يتم تطوير وعمل جهاز الإرسال البصري

يعد استخدام الموجات الضوئية لنقل الإشارات التلفزيونية ومعلومات البيانات علمًا وتقنية جديدة تم تطويرها في نهاية القرن العشرين. لقد مكن ظهوره العالم'صناعة المعلومات لتتطور بسرعة. الآن تتطور تكنولوجيا نقل الألياف الضوئية بسرعة تفوق سرعة البشر'الخيال. أصبحت سرعة النقل البصري أعلى 100 مرة مما كانت عليه قبل 10 سنوات، ومن المقدر أنها ستزيد بحوالي 100 مرة في التطوير المستقبلي. مع التطوير المستمر لتكنولوجيا نقل الألياف الضوئية، يمكن إجراء تعدد الإرسال وإزالة تعدد الإرسال والتوجيه والتبديل في المجال البصري. يمكن للشبكة استخدام موارد النطاق الترددي الضخمة للألياف الضوئية لزيادة سعة الشبكة وتحقيق النقل "الشفاف" لخدمات متعددة.

يتكون نظام النقل البصري بشكل أساسي من أجهزة الإرسال البصرية وأجهزة الاستقبال الضوئية والمقسمات الضوئية وكابلات الألياف الضوئية ومكونات أخرى.

I. المبدأ الأساسي لنقل الإشارات الضوئية عبر الألياف الضوئية

النقل البصري هو تقنية تنتقل على شكل إشارات ضوئية بين المرسل والمستقبل. تتم عملية النقل البصري للإشارات التلفزيونية بين جهاز الإرسال البصري، والألياف الضوئية، وجهاز الاستقبال البصري؛ يقوم جهاز الإرسال البصري الموجود في غرفة الكمبيوتر المركزية بتحويل إشارة التلفزيون RF المدخلة إلى إشارة ضوئية، والتي تتكون من محول كهربائي/بصري (اكتمل محول الطاقة الضوئية الكهربائية (E/O)، ويتم استقبال الإشارة الضوئية المحولة بواسطة جهاز استقبال دليل إرسال الألياف الضوئية (جهاز الاستقبال البصري)، ويقوم جهاز الاستقبال البصري بتحويل الإشارة الضوئية التي تم الحصول عليها من الألياف الضوئية إلى إشارة كهربائية، لذلك فإن المبدأ الأساسي لإشارة النقل البصري هو العملية الكاملة للكهرباء/البصرية والضوئية/. التحويل الكهربائي، وهو أيضا يسمى الارتباط البصري.

تستخدم طريقة النقل البصري الحالية تعديل شدة الضوء. على سبيل المثال، يقوم جهاز باعث للضوء يعتمد على الليزر بإصدار ما يسمى بالضوء المتماسك بنفس الطور. ولذلك، تم اعتماد طريقة التعديل التي تغير شدة الإضاءة الإجمالية. ويستخدم التغيير الخطي للطاقة الضوئية الناتجة المقابلة لتغير تيار إشارة الإدخال للمحول الكهربائي/البصري. مميزة.

في محول الطاقة الضوئية الكهربائية (O/E)، يتناسب تيار الخرج مع شدة الإشارة الضوئية المدخلة. وبالتالي فإن شكل موجة تيار الخرج للمحول البصري/الكهربائي يشبه شكل موجة تيار الإدخال للمحول الكهربائي/البصري، مما يحقق الغرض من نقل الإشارة.

إذًا، كيف تقوم الألياف الضوئية بتوجيه الإشارة الضوئية؟ في الوقت الحاضر، الألياف الضوئية المستخدمة في نظام تلفزيون الكابل عبارة عن ألياف ضوئية أسطوانية، تتكون من أسطوانة ألياف ضوئية وكسوة وهي عبارة عن مادة زجاجية كوارتز. تلعب الكسوة دور إحاطة الضوء بإحكام في الألياف الضوئية، وحماية القلب، وتعزيز قوة الألياف الضوئية نفسها. دور الألياف الأساسية هو نقل الإشارات الضوئية. على الرغم من أن كلاً من اللب والكسوة مصنوعان من مواد زجاج الكوارتز، إلا أن هناك اختلافات في تكوين المنشطات لكلاهما أثناء الإنتاج، مما يؤدي إلى مؤشرات انكسار مختلفة (اللب هو 1.463 ~ 1.467، والكسوة 1.45 ~ 1.46)، وبطبيعة الحال، يرتبط أيضا بالمواد المختلفة المستخدمة. عندما يدخل مصدر الضوء المنبعث من الليزر إلى قلب الألياف، عندما يدخل الضوء إلى واجهة الكسوة، طالما أن زاوية الحادث أكبر من الزاوية الحرجة، سيحدث الانعكاس الكلي في القلب، والضوء لن تتسرب إلى الكسوة. ستستمر الإشارة الضوئية في النواة في الانتشار دون انقطاع حتى يتم توجيهها إلى جهاز الاستقبال البصري. هذه العملية هي المبدأ الأساسي لنقل الإشارات الضوئية في الألياف الضوئية.

ثانيا. تشويه في الإرسال البصري

عندما ينتقل الضوء عبر الألياف الضوئية، سيحدث بعض التشوه أيضًا. وأسباب التشويه هي كما يلي:

(1) في نظام نقل الألياف الضوئية، نظرًا لعدم خطية خصائص التحويل الكهربائي/البصري لليزر أشباه الموصلات، تكون الإشارة الضوئية الناتجة غير متسقة مع تغير تيار الإثارة، مما يؤدي إلى تشويه، وهو ما يسمى تشويه التعديل. لا يُسمح بأن تكون قيمة مؤشر التشكيل M كبيرة جدًا. من الضروري اختيار جهاز إرسال بصري ذو أداء عالٍ وتقنية معالجة قوية للتشويه المسبق. تستخدم تقنية معالجة ما قبل التشويه تصميمًا صناعيًا لتوليد التشويه المسبق لتحسين خطية التعديل، وذلك للتخلص من نظام نقل الألياف الضوئية وتقليله. الغرض من منظمات المجتمع المدني ولجنة الحظر الشامل للتجارب.

(2) في نظام النقل البصري، نظرًا لأن مضخم الترددات اللاسلكية الدافع ومضخم الترددات اللاسلكية المستقبل لديهم فرصة ضئيلة للتشويه، يمكن للثنائي الضوئي PIN الخطي أن يتجاهل التشوه الطفيف لأن مستوى الإشارة ليس مرتفعًا جدًا. السبب الرئيسي هو تشويه خصائص تعديل ليزر أشباه الموصلات وتشتت الألياف.

(3) عندما يقوم الليزر بتعديل شدة الضوء، سيتغير الطول الموجي للضوء، وسيظهر تعديل تردد إضافي، مما سيؤدي إلى توسيع تردد الإشارة ويسبب تأثير غرد، والذي يتجلى بشكل أساسي في تشويه CSO.

(4) سوف تتسبب خصائص تشتت الألياف الضوئية في حدوث اختلافات في تأخير المجموعة لأطوال موجية مختلفة، مما يؤدي إلى تشويه ناتج عن أوقات وصول غير متناسقة إلى المحطة، وخاصة تشويه CSO.

التشويه الناتج في نظام نقل الألياف الضوئية هو بشكل أساسي تشويه CSO، ودرجة تشويه CTB أصغر بكثير من تشويه CSO. من أجل ضمان جودة نقل النظام وجعل نسبة الناقل إلى الضوضاء للنظام وأداء التشوه ضمن نطاق معقول، فإن التدابير المتخذة هي مؤشرات عامة لاستخدام CNR لموازنة مؤشرات CSO وCTB. إذا قمت بزيادة أو خفض قيمة CNR بمقدار 1 ديسيبل، فسوف يتدهور CSO أو يتحسن بمقدار 1 ديسيبل، وسوف يتدهور مؤشر CTB أو يتحسن بمقدار 2 ديسيبل.

ثالثا. مبادئ عمل الارسال البصري

أهم جهاز بصري في جهاز الإرسال البصري هو ليزر أشباه الموصلات. في الواقع، هو صمام ثنائي ليزر (LD). بالطبع، لا يستخدم البعض الثنائيات الليزرية، بل يستخدمون الثنائيات الباعثة للضوء من أشباه الموصلات (Light Emitting Diode، LED). ل.

يعتمد جهاز الإرسال البصري 1310 نانومتر بشكل عام وضع التعديل المباشر (تعديل سعة النطاق الجانبي الأثري، وضع VSB-AM). وتتمثل وظيفتها في تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية، ويمكن تحقيق ذلك عن طريق تغيير مصدر طاقة الليزر المحقون من خلال دائرة خارجية. يمكن أن توفر دائرة التحيز التي تحددها أفضل مصدر طاقة متحيز لليزر. سيكون لليزر خرج طاقة مختلف عندما يكون تيار التحيز مختلفًا. لضمان إخراج ثابت للطاقة الضوئية، يجب تصميم دائرة تحكم أوتوماتيكية للطاقة الضوئية ودرجة حرارة الليزر، مثل استخدام الحواسيب الصغيرة لتحقيق أفضل حالة عمل للتحكم التلقائي في جهاز الإرسال البصري.

يستخدم الليزر على نطاق واسع كمذبذبات بصرية (أي أجهزة باعثة للضوء)، والتي تعتمد على التفاعل بين حالة الطاقة للمادة المتوسطة الليزر والضوء.

لكي يعمل الليزر، يجب أن يكون هناك قدر معين من التيار. هناك علاقة معينة بين حجم هذا التيار وشدة الضوء. عندما يزداد التيار، تزداد شدة الضوء بشكل حاد. يشير هذا إلى أن الليزر قد بدأ العمل. وهذا يجعل الليزر يعمل. ويسمى التيار العتبة الحالية. كلما كان أصغر، كلما كان ذلك أفضل، لأنه مكن بالفعل الليزر من العمل. إذا استمر تيار العتبة في الزيادة، سيتم تشكيل منطقة تشبع الإخراج. عندما يصل تيار منطقة التشبع إلى قيمة معينة، سيتم إرسال الإشارة. من حيث الطاقة المطلوبة لنقل الألياف الضوئية، فإن طاقة الخرج التي تصل إلى عدة ميجاوات في المنطقة الخطية يمكن أن تلبي متطلبات نقل الإشارات والمعلومات لمسافات طويلة. بالإضافة إلى كمية شدة الضوء، ترتبط جودة نقل الضوء أيضًا بمشاكل مثل الطيف والضوضاء.

الطيف متعدد الأطوال الموجية غير مناسب لنقل الإشارات التناظرية عالية الجودة. حتى لو كان يعمل في وضع واحد، فإن طيف انبعاثه له عرض. كلما كان العرض أضيق، أصبحت موجة الضوء أنقى وأصبحت أكثر تماسكًا مع الزمن. هذه موجات ضوئية ذات تماسك جيد. إن الموجة الضوئية ذات التماسك الجيد لا تحتاج إلى عدسات وأجهزة أخرى لتجميعها في نقطة صغيرة، وهي مناسبة أكثر لورود الألياف الضوئية.

رابعا. مبادئ عمل جهاز الاستقبال البصري

المكون الرئيسي لجهاز الاستقبال البصري هو الكاشف الضوئي، أي الصمام الثنائي الضوئي عالي الحساسية (PIN). يستخدم الثنائي الضوئي التأثير الكهروضوئي لأشباه الموصلات لإكمال اكتشاف الإشارة الضوئية بحيث تتم استعادة الإشارة الضوئية إلى إشارة RF TV، ثم إشارة RF بعد التضخيم والتحكم في مستوى AGC، يتم إخراج إشارة RF المؤهلة لـ توزيع الشبكة.

التقنيات الرئيسية لأجهزة الاستقبال البصرية هي C/N، وC/CTB، وC/CSO. يتم تحديد هذه المؤشرات الفنية الثلاثة جميعها من خلال أداء وحدة التحويل الكهروضوئية. في حالة نفس مدخلات الطاقة الضوئية، يختلف مستوى التردد اللاسلكي لمخرج التحويل. عندما تكون كفاءة التحويل للوحدة الكهروضوئية عالية، فإن طاقة الخرج الخاصة بها حتى لو كان المستوى مرتفعًا، فإن مؤشر قيمة C/N الذي جلبته جيد، والعكس صحيح، يصبح مؤشر قيمة C/N أسوأ. يتم تحديد المؤشرين الفنيين لـ C/CSO وC/CTB من خلال خطية الوحدة الكهروضوئية. تسمح الوحدات الكهروضوئية عالية الجودة بنطاق طاقة استقبال أوسع تحت نفس مؤشرات C/CSO وC/CTB.

خامسا: آفاق تطوير الأجهزة البصرية

مع التحديث المستمر لتكنولوجيا نقل الألياف الضوئية في شبكات النطاق العريض والتحسين المستمر للخدمات متعددة الوظائف، أصبحت متطلبات خصائص نقل الأجهزة البصرية والألياف الضوئية أعلى وأعلى. لقد أتى أخيرًا عصر الألياف الضوئية التي تحل محل الأسلاك النحاسية. على خطى عصر المعلومات مع قدوم، آفاق تطوير تكنولوجيا النقل البصري واسعة جدا.

اختيار واستخدام جهاز الإرسال البصري

جهاز الإرسال البصري هو المعدات الأساسية لنظام نقل الكابلات الضوئية. وتتمثل وظيفتها في التعديل البصري لإدخال الإشارة الكهربائية لكابل التردد اللاسلكي إلى جهاز الإرسال البصري لتحقيق التحويل الكهربائي والبصري (E/O)، وإرسال إشارات بصرية مستمرة ومستقرة وموثوقة إلى نظام الكابلات الضوئية. أنواع أجهزة الإرسال الضوئية الموجودة حاليًا في السوق: وفقًا لطرق التعديل المختلفة الخاصة بها، يتم تقسيمها إلى نوعين: أجهزة إرسال بصرية ذات تشكيل مباشر وأجهزة إرسال بصرية ذات تشكيل خارجي. تستخدم أجهزة الإرسال الضوئية المعدلة بشكل مباشر في الغالب في أنظمة الألياف الضوئية 1310 نانومتر، وتستخدم أجهزة الإرسال الضوئية المعدلة خارجيًا في الغالب في أنظمة الألياف الضوئية 1550 نانومتر. بغض النظر عما إذا كان جهاز إرسال بصري مُشكل بشكل مباشر أو مُشكل خارجيًا، فإن مكونه الأساسي يتكون من أشعة الليزر.

تعديل جهاز إرسال الليزر مباشرة

1. التكوين

تكوين جهاز الإرسال البصري للتشكيل المباشر، بالإضافة إلى مكونات الليزر الأساسية DFB، هناك مصدر طاقة، ودائرة انحياز ليزر، ودائرة بدء تشغيل بطيئة بالليزر، ودائرة حماية من الحمل الزائد ودائرة حماية محرك الأقراص، ودائرة التحكم في الطاقة والتحكم في التبريد، والضوء دائرة الكشف، دائرة تعويض التشويه، شريحة الكاشف الضوئي (PIN) (للكشف عن الطاقة الضوئية والتحكم التلقائي في الطاقة)، ​​وثلاجة أشباه الموصلات والثرمستور للتحكم التلقائي في درجة الحرارة ثنائي الاتجاه (ATC)، إلخ.

2. عملية العمل

إشارة الإدخال لجهاز الإرسال البصري هي إشارة تردد الراديو التلفزيوني (RF). في الواجهة الأمامية، يتم خلط إشارات التردد اللاسلكي المتعددة في إشارة واحدة بواسطة مُضاعِف إرسال ومن ثم يتم إرسالها إلى مدخل جهاز الإرسال البصري. بعد تضخيمه بواسطة مضخم أولي، يتم التحكم فيه إلكترونيًا في التوهين وتعويض التشويه والتحكم التلقائي في مستوى الطاقة. ، ثم قم بقيادة شريحة الليزر لإجراء التعديل الكهربائي/البصري، وتحويل الإشارة الكهربائية إلى إشارة تعديل بصرية. يمكن أن تؤدي إضافة عازل ضوئي إلى طرف الإخراج إلى تقليل تأثير موجة الضوء المنعكسة من الكابل البصري على الليزر بشكل كبير. يتم إرسال الإشارة الضوئية إلى الكابل البصري من خلال المفصل المتحرك البصري، ويتم إرسال الإشارة الضوئية إلى كل نقطة بصرية من خلال الكابل البصري.

يمكن ملاحظة أن قوة النقل والتشويه غير الخطي لليزر يعتمدان على تيار التحيز (IO)، لذلك تم تجهيز جهاز الإرسال البصري بدائرة التحيز ودائرة تعويض التشوه لليزر لضمان استقرار المؤشر غير الخطي و إخراج الإرسال.

عندما تزيد درجة حرارة الليزر، ستزداد العتبة، وستنخفض شدة الضوء الناتج المشبع، وسينخفض ​​النطاق الخطي لمنحنى PI (أي، سينخفض ​​النطاق الديناميكي الذاتي 2). وللتأكد من أن جهاز الإرسال البصري يعمل دائما بشكل طبيعي، يجب التأكد من أن الليزر يعمل عند درجة حرارة ثابتة (عموما 25 درجة مئوية).درجةج). إن مبرد أشباه الموصلات والثرمستور المستخدم للتحكم التلقائي في درجة الحرارة ثنائي الاتجاه (ATC) لجهاز الإرسال البصري مضمونان للعمل عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 25 درجة مئوية.درجةC.

يوجد معالج دقيق في جهاز الإرسال البصري، ويتم تخزين أفضل بيانات حالة عمل الليزر في الشريحة. يمكن أن يبدأ تشغيل الليزر ببطء ويمكن فصل تيار محرك RF TV تلقائيًا لحماية الليزر. يتم التحكم في المفاتيح المختلفة الموجودة على اللوحة الأمامية لجهاز الإرسال البصري بواسطة معالج دقيق.

ستؤدي التغيرات في درجات الحرارة وتقادم الجهاز إلى حدوث تغييرات في تيار عتبة الليزر وكفاءة التحويل الكهروضوئي. إذا كنت تريد التحكم بدقة في طاقة الخرج الضوئية لليزر، فيجب عليك حل المشكلة من جانبين: الأول هو التحكم في تيار انحياز الليزر بحيث يتتبع العتبة تلقائيًا. يضمن تغيير التيار أن يعمل الليزر دائمًا في أفضل حالة انحياز؛ والثاني هو التحكم في سعة تيار تعديل الليزر لمتابعة التغير في كفاءة التحويل الكهربائي والبصري تلقائيًا. يكمل التحكم التلقائي في الطاقة المهمتين المذكورتين أعلاه لضمان أن الليزر ينتج طاقة بصرية دقيقة.

جهاز إرسال بصري مُشكل خارجيًا

يتكون جهاز الإرسال البصري المشكل خارجيًا من المغير الخارجي، والليزر، ودائرة التحكم بالليزر، ودائرة التحكم في التعديل، والمعالج الدقيق، ودائرة ما قبل التشويه، والكاشف الضوئي، ومخفف إشارة التردد اللاسلكي، ومضخم الصوت، وإمدادات الطاقة، وما إلى ذلك.

3. مقارنة بين أجهزة الإرسال الضوئية ذات التعديل المباشر والتعديل الخارجي

تستخدم أجهزة إرسال التعديل المباشر في الغالب لأشعة الليزر DFB. تتمتع ليزر DFB بخطية جيدة ويمكنها الحصول على قيم CTB وCSO أفضلدون تعويض دوائر ما قبل التشويه. ومع ذلك، بسبب التشكيل المباشر، هناك تعديل تردد إضافي ومن الصعب أن تكون مؤشرات التشوه غير الخطية (خاصة قيمة CSO) عالية جدًا.

يتمتع جهاز إرسال DFB بأداء مستقر، وبنية بسيطة، وسعر منخفض، لذلك يتم استخدامه على نطاق واسع.

قوة الإرسال البصري للتشكيل المباشر ليست كبيرة جدًا بشكل عام، ضمن 18nw، وبالتالي فإن مسافة الإرسال محدودة، وتستخدم بشكل عام في شبكات التوزيع المحلية وشبكات نقل الكابلات الضوئية على مستوى البلدات. يستخدم هذا النوع من أجهزة الإرسال الضوئية في الغالب في شبكات الألياف الضوئية 1310 نانومتر، وتوهين الألياف الضوئية 1310 نانومتر هو 0.35 ديسيبل/كم، وبالتالي فإن أقصى مسافة إرسال لا تتجاوز 35 كيلومترًا.

جهاز إرسال بصري مُشكل خارجيًا: طاقة خرج عالية تصل إلى 2×20 ميجاوات أو أكثر (مخرجان)، ضوضاء منخفضة، ولا يوجد تشوه في CSO ناتج عن الجمع بين خصائص تعديل التردد وتشتت الألياف الإضافية المشابهة لـ LD. لذلك، غالبًا ما يتم استخدامه في النقل لمسافات طويلة للأنظمة السلكية واسعة النطاق. تستخدم أجهزة الإرسال الضوئية المعدلة خارجيًا بشكل عام ليزر YAG. بعد تعديل ليزر YAG خارجيًا، يكون الخطي سيئًا للغاية، ويجب استخدام دوائر ما قبل التشويه للتعويض. بسبب تشتته الأقل، فإن جهاز الإرسال البصري YAG مناسب جدًا للألياف الضوئية ذات الطول الموجي 1550 نانومتر، والتي تستخدم في الغالب في شبكات الألياف الضوئية 1550 نانومتر. يتم نقل ضوء YAG في شبكة الألياف الضوئية بطول 1550 نانومتر، والتي يمكن استخدامها للتضخيم والترحيل. الألياف الضوئية 1550 نانومتر لديها توهين صغير (0.25 ديسيبل/كم)، لذلك يمكن استخدام جهاز الإرسال البصري YAG للإرسال لمسافات طويلة جدًا. يتم استخدام جهاز الإرسال البصري المشكل خارجيًا في شبكة الألياف الضوئية 1310 نانومتر، ويمكن أن تصل مسافة الإرسال إلى 50 كيلومترًا، وهي أيضًا أسرع من مسافة الإرسال لجهاز الإرسال البصري المشكل مباشرة. ومع ذلك، فإن أجهزة الإرسال الضوئية المعدلة خارجيًا باهظة الثمن، ونادرا ما تستخدم شبكات الألياف الضوئية للإرسال لمسافات قصيرة أجهزة إرسال بصرية معدلة خارجيًا

4. المؤشرات الفنية لجهاز الإرسال البصري

المؤشرات الفنية لجهاز الإرسال البصري هي الأساس لاختيار جهاز الإرسال البصري، وتؤثر معلمات الأداء الجيد لجهاز الإرسال البصري بشكل مباشر على المؤشرات الفنية الجيدة لنظام تلفزيون الكابل بأكمله.

5. اختيار جهاز الإرسال البصري

من المهم جدًا لفنيي تلفزيون الكابل أن يفهموا ويتقنوا التركيب ومبدأ العمل ومعايير الأداء لأجهزة الإرسال البصرية، لأنه فقط من خلال إتقان مبادئ العمل الأساسية ومؤشرات الأداء الفني لأجهزة الإرسال البصرية، يمكن استخدام أجهزة الإرسال البصرية بشكل فعال ومعقول. صيانة يومية جيدة.

في الوقت الحاضر، هناك العديد من الشركات المصنعة الأجنبية والمحلية لأجهزة الإرسال البصرية. هناك المزيد من أنواع أجهزة الإرسال الضوئية، كما تختلف مؤشرات الأداء والأسعار المستقلة بشكل كبير. يعد الاختيار المعقول ذا فائدة كبيرة لضمان جودة شبكة الألياف الضوئية وتقليل تكلفة إنشاء الشبكة. إن نسبة الأداء إلى السعر العالية، ونظام ضمان الجودة الموثوق به، والضمان الجيد لخدمة ما بعد البيع هي اختيارات المعدات البصرية