الشبكات الضوئية هي تقنية تستخدم الضوء لنقل البيانات بين الأجهزة. إنه يوفر نطاقًا تردديًا عاليًا وزمن وصول منخفض، وقد كان المعيار الفعلي لاتصالات البيانات بعيدة المدى لسنوات عديدة. تُستخدم الألياف الضوئية في معظم الاتصالات الصوتية ونقل البيانات لمسافات طويلة في جميع أنحاء العالم.
تعد الشبكات الضوئية مهمة لأنها تتيح نقل البيانات بسرعة عالية عبر مسافات طويلة. على سبيل المثال، تضمن الشبكة الضوئية أن المستخدمين في نيويورك يمكنهم الوصول إلى الخوادم في نيروبي بالسرعة التي تسمح بها قوانين الفيزياء.
تعتمد تقنية الشبكات الضوئية على مبدأ الانعكاس الداخلي الكلي. عندما يضرب الضوء سطح وسيط مثل كابل الألياف الضوئية، ينعكس بعض الضوء على السطح. تعتمد الزاوية التي ينعكس بها الضوء على خصائص الوسط وزاوية السقوط (الزاوية التي يضرب بها الضوء السطح).
إذا كانت زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحرجة، فإن الضوء كله ينعكس؛ وهذا ما يسمى الانعكاس الداخلي الكلي. يمكن استخدام الانعكاس الداخلي الكلي لصنع الألياف الضوئية، وهو نوع من الزجاج أو البلاستيك الذي يوجه الضوء على طوله.
أثناء انتقال الضوء عبر الألياف، فإنه يخضع لانعكاسات داخلية كلية متعددة، مما يؤدي إلى ارتداده عن جدار الألياف. يؤدي تأثير الارتداد هذا إلى انتقال الضوء عبر طول الألياف بنمط متعرج.
ومن خلال التحكم الدقيق في خصائص الألياف، يستطيع المهندسون التحكم في مقدار الضوء المنعكس ومدى انتقاله قبل أن ينعكس مرة أخرى. وقد سمح لهم ذلك بتصميم ألياف ضوئية يمكنها نقل البيانات لمسافات طويلة دون فقدان أي معلومات.
تتكون الشبكات الضوئية من عدة مكونات: الألياف الضوئية، وأجهزة الإرسال والاستقبال، ومكبرات الصوت، وأجهزة الإرسال المتعددة، والمفاتيح الضوئية.
الألياف الضوئية
الألياف الضوئية هي الوسيلة التي تحمل الإشارة الضوئية. وتتكون من مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك:
①المركز: المركز الذي يحمل الضوء.
②Clad: مادة تحيط بالنواة وتساعد في الحفاظ على احتواء الإشارة الضوئية.
③طلاء عازل: مادة تحمي الألياف الضوئية من التلف.
عادة ما يكون القلب والكسوة مصنوعين من الزجاج، في حين أن الطبقة العازلة عادة ما تكون مصنوعة من البلاستيك.
جهاز الإرسال والاستقبال
أجهزة الإرسال والاستقبال هي أجهزة تقوم بتحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية والعكس، ويتم تنفيذها عادةً في الميل الأخير من الاتصال. هي الواجهة بين الشبكة الضوئية والأجهزة الإلكترونية التي تستخدمها، مثل أجهزة الكمبيوتر وأجهزة التوجيه.
المضخم
كما يوحي الاسم، مكبر الصوت هو جهاز يعمل على تضخيم الإشارات الضوئية حتى تتمكن من السفر لمسافات طويلة دون أن تفقد قوتها. يتم وضع مكبرات الصوت على طول الألياف على فترات منتظمة لتعزيز الإشارة.
معدد
معدد الإرسال هو مجرد جهاز يأخذ إشارات متعددة ويجمعها في إشارة واحدة. ويتم ذلك عن طريق تعيين طول موجي مختلف من الضوء لكل إشارة، مما يسمح لمضاعف الإرسال بإرسال إشارات متعددة في وقت واحد عبر ليف واحد دون تدخل.
مفتاح الضوء
المفتاح البصري هو جهاز يقوم بتوجيه الإشارات الضوئية من ألياف إلى أخرى. تُستخدم المفاتيح الضوئية للتحكم في حركة المرور في الشبكات الضوئية وتستخدم عادةً في الشبكات ذات السعة العالية.
تاريخ الشبكات الضوئية
بدأ تاريخ الشبكات الضوئية في تسعينيات القرن الثامن عشر عندما اخترع المخترع الفرنسي كلود شابي تلغراف الإشارة الضوئية، وهو أحد أقدم الأمثلة على نظام الاتصالات البصرية.
وبعد قرن تقريبًا، في عام 1880، سجل ألكسندر جراهام بيل براءة اختراع الهاتف الكهروضوئي، وهو نظام هاتف بصري. بينما كان Photophone رائدًا، كان اختراع بيل السابق للهاتف أكثر عملية واتخذ شكلاً ملموسًا. لذلك، لم يغادر Photophone أبدًا المرحلة التجريبية.
حتى عشرينيات القرن العشرين، سجل جون لوجي بيرد في إنجلترا وكلارنس دبليو هانسيل براءة اختراع لفكرة استخدام مجموعة من الأنابيب المجوفة أو القضبان الشفافة لنقل الصور لأنظمة التلفزيون أو الفاكس.
في عام 1954، نشر كل من العالم الهولندي أبراهام فان هيل والعالم البريطاني هارولد إتش. هوبكنز أوراقًا علمية عن رسم الخرائط. ركز هوبكنز على الألياف غير المكسوة، بينما ركز فان هيل فقط على حزم الألياف المكسوة البسيطة، وهي كسوة شفافة ذات معامل انكسار أقل حول الألياف العارية.
وهذا يحمي السطح العاكس للألياف من التشوهات الخارجية ويقلل بشكل كبير من التداخل بين الألياف. كان تطوير حزم التصوير خطوة مهمة في تطوير الألياف الضوئية. تسمح حماية سطح الألياف من التداخل الخارجي بنقل أكثر دقة للإشارات الضوئية عبر الألياف.
وبحلول عام 1960، كانت خسائر الألياف الزجاجية تبلغ حوالي 1 ديسيبل لكل متر، وهي مناسبة للتصوير الطبي، ولكنها مرتفعة جدًا للاتصالات. في عام 1961، نشر إلياس سنيتزر من شركة البصريات الأمريكية وصفًا نظريًا للألياف الضوئية ذات النواة الصغيرة التي يمكنها نقل الضوء من خلال وضع دليل موجي واحد فقط.
في عام 1964، اقترح الدكتور كاو خسارة خفيفة قدرها 10 أو 20 ديسيبل لكل كيلومتر. تساعد هذه المواصفة القياسية على تحسين نطاق وموثوقية أنظمة الاتصالات. بالإضافة إلى عمله بشأن معدلات الخسارة، أظهر الدكتور جاو الحاجة إلى زجاج أنقى للمساعدة في تقليل فقدان الضوء.
في صيف عام 1970، بدأت مجموعة من الباحثين في شركة Corning Glass Works في تجربة مادة جديدة تسمى السيليكا المنصهرة. تشتهر هذه المادة بنقائها العالي للغاية ونقطة انصهارها العالية ومعامل انكسارها المنخفض.
وسرعان ما أدرك الفريق، المكون من روبرت ماورير ودونالد كيك وبيتر شولتز، أنه يمكن استخدام السيليكا المنصهرة لصنع نوع جديد من الأسلاك يسمى "ألياف الدليل الموجي الضوئية". يمكن لسلك الألياف الضوئية هذا أن يحمل معلومات أكثر بـ 65000 مرة من الأسلاك النحاسية التقليدية. علاوة على ذلك، فإن الموجات الضوئية المستخدمة لنقل المعلومات يمكن فك تشفيرها في وجهات حتى على بعد ألف ميل.
أحدث هذا الاختراع ثورة في الاتصالات بعيدة المدى ومهد الطريق لتكنولوجيا الألياف الضوئية الحالية. قام الفريق بحل مشكلة فقدان الديسيبل التي حددها الدكتور جاو، وفي عام 1973 قام جون ماكتشيسني في مختبرات بيل بتحسين عملية ترسيب البخار الكيميائي لإنتاج الألياف. ونتيجة لذلك، أصبح الإنتاج التجاري لكابلات الألياف الضوئية ممكنا.
في أبريل 1977، استخدمت شركة General Telephone and Electronics Co. شبكة الألياف الضوئية لأول مرة للاتصالات الهاتفية في الوقت الفعلي في لونج بيتش، كاليفورنيا. وفي مايو 1977، سرعان ما حذت شركة Bell Labs حذوها، حيث قامت ببناء نظام اتصالات هاتفي بصري يمتد لمسافة 1.5 ميل في منطقة وسط مدينة شيكاغو. يمكن لكل زوج من الألياف أن ينقل 672 قناة صوتية، أي ما يعادل دائرة DS3.
في أوائل الثمانينيات، تم تصميم الجيل الثاني من اتصالات الألياف الضوئية للاستخدام التجاري، باستخدام ليزر أشباه الموصلات InGaAsP بقوة 1.3- ميكرون. عملت هذه الأنظمة بمعدلات بت تصل إلى 1.7 جيجابت في الثانية في عام 1987، مع مكررات متباعدة تصل إلى 50 كيلومترًا.
تعمل الأنظمة المستخدمة في شبكات الألياف الضوئية من الجيل الثالث بتردد 1.55 ميكرون وتبلغ الخسارة حوالي 0.2 ديسيبل لكل كيلومتر.
تعتمد أنظمة اتصالات الألياف الضوئية من الجيل الرابع على التضخيم البصري لتقليل عدد أجهزة التكرار المطلوبة وعلى تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي (WDM) لزيادة سعة البيانات.
في عام 2006، تم تحقيق معدل بت قدره 14 تيرابايت (Tb) في الثانية على خط 160- كيلومتر باستخدام مكبرات الصوت الضوئية. بحلول عام 2021، سيتمكن العلماء اليابانيون من نقل 319 تيرابت في الثانية لمسافة 3000 كيلومتر باستخدام كابل ألياف بصرية رباعي النواة.
في حين أن أنظمة اتصالات الألياف الضوئية من الجيل الرابع تتمتع بقدرة أكبر بكثير من الأجيال السابقة، إلا أن المبدأ الأساسي هو نفسه: تحويل الإشارات الكهربائية إلى نبضات ضوئية، وإرسالها عبر الألياف الضوئية، ثم تحويلها مرة أخرى إلى إشارات كهربائية عند جهاز الاستقبال. نهاية.
ومع ذلك، أصبحت مكونات كل جيل أصغر حجما وأكثر موثوقية وأقل تكلفة. ونتيجة لذلك، أصبحت اتصالات الألياف الضوئية جزءًا متزايد الأهمية من البنية التحتية العالمية للاتصالات.
الاتجاهات الرئيسية في الشبكات البصرية
التركيز على حافة الشبكة
حافة الشبكة الضوئية هي المكان الذي تتدفق فيه حركة المرور داخل وخارج الشبكة. لتلبية متطلبات التطبيقات السحابية، تقترب الشبكات الضوئية من المستخدمين النهائيين. وهذا يسمح بزمن وصول أقل وأداء أكثر اتساقًا.
تشفير الطبقة
ومع تزايد شيوع الهجمات السيبرانية، ستظل حماية البيانات أثناء الحركة تشكل مصدر قلق كبير. SASE (Secure Access Service Edge)، وهو استخدام ميزات الأمان السحابية الأصلية في نقاط نهاية الخدمة، اكتسب قوة جذب مؤخرًا. يمكن أن تؤدي حماية نقطة النهاية إلى جعل الضوابط الأمنية على الشبكات المتصلة غير ضرورية.
وفي حين أن هذا قد لا يلغي الحاجة إلى التشفير، إلا أنه سيحمي البيانات والتطبيقات الحساسة. بدون تحكم أمني واحد، تصبح حماية الطبقة الأولى صعبة بشكل متزايد.
يمكننا حماية مواردنا بشكل أفضل من خلال تشفير التحكم والإدارة وحركة مرور المستخدم. وهذا يجعل من المستحيل تقريبًا على المتسللين اقتحام النظام، مما يقلل بشكل كبير من فرص نجاح الهجوم الإلكتروني. مع زيادة اعتماد الشركات على البيانات والاتصال، ستصبح الحلول الأمنية القوية أكثر وضوحًا.
افتح الشبكة الضوئية
الشبكة الضوئية المفتوحة هي شبكة بصرية تستخدم واجهات قياسية مفتوحة للسماح بتكامل المعدات من بائعين مختلفين. وهذا يوفر المزيد من الخيارات والمرونة لمكونات الشبكة الضوئية. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يسهل إضافة ميزات وخدمات جديدة عندما تصبح متاحة.
نمو خدمات الطيف
مع استمرار نمو حركة البيانات، تزداد أيضًا الحاجة إلى نطاق ترددي وقدرة أعلى. توفر الخدمات الطيفية ذلك عن طريق استخدام الطيف لزيادة سعة شبكات الألياف الضوئية الموجودة. تزداد شعبية هذه الخدمات لأنها توفر وسيلة فعالة من حيث التكلفة لتلبية متطلبات البيانات المتزايدة.
المزيد من عمليات النشر في الهواء الطلق
أصبحت عمليات النشر الخارجية في خزائن الشوارع أكثر شيوعًا مع تزايد الطلب على النطاق الترددي العالي والسعة. يمكن تشغيل الألياف الخارجية مباشرة إلى موقع العميل، مما يوفر اتصالاً مباشرًا أكثر وزمن وصول أقل.
المدمجة والمغير
مع استمرار تطور الشبكات الضوئية، أصبحت الحاجة إلى مكونات أصغر حجمًا وأكثر إحكاما واضحة بشكل متزايد. وذلك لأن المساحة في بيئة مركز البيانات تكون محدودة في كثير من الأحيان. توفر البصريات المعيارية المدمجة أسلوبًا موفرًا للمساحة مع الاستمرار في تقديم الأداء العالي.
مستقبل الشبكات البصرية
الشبكة الضوئية الذكية
الشبكات الضوئية الذكية هي شبكات بصرية تستخدم الذكاء الاصطناعي (AI) لتحسين الأداء. يمكن استخدام الذكاء الاصطناعي لتحديد المشكلات في الشبكة وتصحيحها تلقائيًا. وهذا يسمح بشبكة أكثر كفاءة وموثوقية.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بأنماط ومتطلبات حركة المرور المستقبلية. ويمكن استخدام هذه المعلومات لتوفير القدرة مسبقًا، مما يضمن قدرة الشبكة على تلبية المتطلبات المستقبلية.
بنية شبكية مرنة
أصبحت البنى الشبكية المرنة أكثر شيوعًا لأنها توفر وسيلة لزيادة سعة الألياف الموجودة. تسمح الشبكة المرنة بمضاعفة أطوال موجية مختلفة من الضوء على ألياف واحدة. وهذا يسمح بحمل المزيد من البيانات على كل ألياف، مما يزيد من سعة الشبكة.
مضاعفة تقسيم الطول الموجي حسب الطلب
مضاعفة تقسيم الطول الموجي هي تقنية تسمح بنقل أطوال موجية متعددة من الضوء على ألياف واحدة. WDM حسب الطلب هو نوع من WDM الذي يسمح بالسعة عند الطلب. وهذا يعني أنه يمكن إضافة السعة حسب الحاجة دون تركيب ألياف جديدة.
الشبكات البصرية في عالم رقمي متزايد
لقد قطعت الشبكات الضوئية شوطا طويلا في تاريخها القصير نسبيا. منذ بداياتها المتواضعة، أصبحت الآن جزءًا أساسيًا من العديد من البنى التحتية للشبكات الكبيرة. إنها ركيزة أساسية للإنترنت، وتحدث ثورة في طريقة تواصلنا وتبشر بعصر من التقدم التكنولوجي غير المسبوق.
مع نضوج اتجاهات مثل 5G، يبدو أن الشبكات الضوئية مهيأة لمواصلة لعب دور مهم في عالمنا الرقمي بشكل متزايد.
