أمشاط التردد الضوئي والنقل الضوئي؟

كما هو معلوم، تُستخدم تقنية تقسيم الطول الموجي (WDM) منذ تسعينيات القرن الماضي في وصلات الألياف الضوئية لمسافات طويلة تصل إلى مئات أو حتى آلاف الكيلومترات. وتُعدّ البنية التحتية للألياف الضوئية أغلى أصول معظم مناطق البلاد، بينما تُعتبر تكلفة مكونات أجهزة الإرسال والاستقبال منخفضة نسبيًا.
ومع ذلك، مع الانفجار الهائل في معدلات البيانات في الشبكات مثل 5G، أصبحت تقنية WDM ذات أهمية متزايدة في وصلات المسافات القصيرة أيضًا، والتي يتم نشرها بأحجام أكبر بكثير وبالتالي فهي أكثر حساسية لتكلفة وحجم مجموعات أجهزة الإرسال والاستقبال.

حالياً، لا تزال هذه الشبكات تعتمد على آلاف الألياف الضوئية أحادية النمط التي يتم نقلها بالتوازي من خلال قنوات تعدد الإرسال بتقسيم الفضاء، بمعدلات بيانات منخفضة نسبياً لا تتجاوز بضع مئات من جيجابت/ثانية (800 جيجابت) لكل قناة، مع عدد قليل من التطبيقات الممكنة في فئة T.

مع ذلك، في المستقبل القريب، سيصل مفهوم التوازي المكاني المشترك إلى حدود قابليته للتوسع، وسيتعين استكماله بالتوازي الطيفي لتدفقات البيانات في كل ليف ضوئي لضمان استمرار زيادة معدلات نقل البيانات. قد يفتح هذا آفاقًا جديدة لتطبيقات تقنية تقسيم الطول الموجي (WDM)، حيث يُعدّ التوسع الأقصى من حيث عدد القنوات ومعدل نقل البيانات أمرًا بالغ الأهمية.

في هذا السياق،مولد مشط التردد البصري (FCG)يلعب دورًا محوريًا كمصدر ضوئي مدمج وثابت ومتعدد الأطوال الموجية، قادر على توفير عدد كبير من الموجات الضوئية المحددة بدقة. إضافةً إلى ذلك، تتمثل إحدى أهم مزايا أمشاط التردد الضوئي في أن خطوط المشط متساوية البعد في التردد، مما يُغني عن الحاجة إلى نطاقات حماية بين القنوات، ويُغني عن التحكم في التردد المطلوب لخط واحد في نظام تقليدي يستخدم مصفوفة من ليزرات DFB.

من المهم الإشارة إلى أن هذه المزايا لا تقتصر على أجهزة إرسال WDM فحسب، بل تشمل أيضًا أجهزة استقبالها، حيث يمكن استبدال مصفوفات المذبذب المحلي المنفصلة بمولد مشط واحد. كما يُسهّل استخدام مولدات مشط المذبذب المحلي معالجة الإشارات الرقمية لقنوات WDM، مما يقلل من تعقيد جهاز الاستقبال ويزيد من تحمل ضوضاء الطور.

بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام إشارات مشط التردد المحلي مع تزامن الطور للاستقبال المتماسك المتوازي يُتيح إعادة بناء شكل الموجة في المجال الزمني لإشارة WDM بأكملها، مما يُعوض عن التشوهات الناتجة عن اللاخطية البصرية في ألياف الإرسال. وإلى جانب هذه المزايا النظرية لنقل الإشارات باستخدام مشط التردد، يُعدّ صغر الحجم والإنتاج الضخم بتكلفة منخفضة من العوامل الأساسية لأجهزة الإرسال والاستقبال WDM المستقبلية.
لذا، من بين مختلف مفاهيم مولدات إشارات الترددات المتعددة، تحظى الأجهزة المصغرة باهتمام خاص. فعند دمجها مع الدوائر الضوئية المتكاملة عالية التوسع لتعديل إشارات البيانات، وتعدد الإرسال، والتوجيه، والاستقبال، قد تُشكل هذه الأجهزة مفتاحًا لأجهزة إرسال واستقبال WDM صغيرة الحجم وعالية الكفاءة، والتي يمكن تصنيعها بكميات كبيرة وبتكلفة منخفضة، مع قدرات نقل تصل إلى عشرات التيرابايت في الثانية لكل ليف.

يوضح الشكل التالي مخططًا لجهاز إرسال WDM يستخدم مشط الترددات الضوئية FCG كمصدر ضوئي متعدد الأطوال الموجية. تُفصل إشارة مشط الترددات FCG أولًا في مُزيل الإرسال (DEMUX)، ثم تدخل إلى مُعدِّل كهروضوئي (EOM). بعد ذلك، تُخضع الإشارة لتعديل سعة التربيع المتقدم QAM لتحقيق كفاءة طيفية مثلى (SE).

عند مخرج جهاز الإرسال، تُعاد تجميع القنوات في مُضاعِف إرسال (MUX)، وتُرسَل إشارات WDM عبر ألياف أحادية النمط. عند طرف الاستقبال، يستخدم مستقبل WDM Rx المذبذب المحلي LO الخاص بمولد إشارة الترددات المشطية الثاني (FCG) للكشف المتماسك متعدد الأطوال الموجية. تُفصل قنوات إشارات WDM الداخلة بواسطة مُزيل مُضاعِف إرسال، وتُغذّى إلى مصفوفة مستقبلات الإشارة المتماسكة (Coh. Rx)، حيث يُستخدم تردد إزالة مُضاعِف الإرسال للمذبذب المحلي LO كمرجع طور لكل مستقبل إشارة متماسك. من الواضح أن أداء وصلات WDM هذه يعتمد إلى حد كبير على مولد إشارة الترددات المشطية الأساسي، ولا سيما عرض الخط البصري والطاقة الضوئية لكل خط من خطوط الترددات المشطية.

بالطبع، لا تزال تقنية مشط الترددات الضوئية في طور التطوير، كما أن تطبيقاتها وحجم سوقها محدودان نسبيًا. إذا تمكنت هذه التقنية من التغلب على المعوقات التقنية، وخفض التكاليف، وتحسين الموثوقية، فسيكون من الممكن حينها تحقيق تطبيقات واسعة النطاق في مجال النقل الضوئي.