مقدمة: تنقسم ألياف الاتصالات إلى ألياف أحادية الوضع وألياف متعددة الأوضاع وفقًا لعدد أوضاع النقل تحت الطول الموجي للتطبيق. ونظرًا للقطر الأساسي الكبير للألياف متعددة الأوضاع، يمكن استخدامها مع مصادر ضوء منخفضة التكلفة. لذلك، لديها مجموعة واسعة من التطبيقات في سيناريوهات النقل لمسافات قصيرة، مثل مراكز البيانات وشبكات المنطقة المحلية. ومع التطور السريع لبناء مراكز البيانات في السنوات الأخيرة، أصبحت الألياف متعددة الأوضاع، والتي تعد التيار الرئيسي لمركز البيانات والمنطقة المحلية تطبيقات الشبكة، بشرت أيضًا في فصل الربيع، مما تسبب في قلق واسع النطاق. اليوم، دعونا نتحدث عن تطوير الألياف المتعددة الوسائط.
وفقًا للمواصفة القياسية ISO/IEC 11801، تنقسم الألياف متعددة الأوضاع إلى خمس فئات رئيسية: OM1، وOM2، وOM3، وOM4، وOM5. ويظهر في الجدول 1 توافقها مع IEC 60792-2-10. ومن بينها OM1، وOM2. يشير إلى الألياف التقليدية متعددة الأوضاع مقاس 62.5/125 مم و50/125 مم. تشير OM3 وOM4 وOM5 إلى الألياف متعددة الأوضاع الجديدة مقاس 50/125 مم 10 جيجابت.
أولاً:الألياف التقليدية المتعددة الأوضاع
بدأ تطوير الألياف متعددة الوسائط في السبعينيات والثمانينيات. تضمنت الألياف متعددة الأوضاع المبكرة العديد من الأحجام، وأربعة أنواع من الأحجام المدرجة في معايير اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) تتضمن أربعة. وينقسم قطر الكسوة الأساسية إلى 50/125 ميكرومتر، 62.5/125 ميكرومتر، 85/125 ميكرومتر، و100/ 140 ميكرومتر. نظرًا للحجم الكبير للكسوة الأساسية، فإن تكلفة التصنيع مرتفعة، ومقاومة الانحناء ضعيفة، ويتم زيادة عدد أوضاع النقل، وتقليل عرض النطاق الترددي. لذلك، يتم التخلص تدريجيًا من نوع حجم الكسوة الأساسية الكبيرة، ويتم تشكيل حجمين رئيسيين للكسوة الأساسية تدريجيًا. وهي 50/125 ميكرومتر و62.5/125 ميكرومتر، على التوالي.
في الشبكة المحلية المبكرة، من أجل تقليل تكلفة نظام شبكة المنطقة المحلية قدر الإمكان، تم استخدام مصابيح LED منخفضة التكلفة بشكل عام كمصدر للضوء. نظرًا لانخفاض طاقة خرج LED، تكون زاوية التباعد كبيرة نسبيًا . ومع ذلك، فإن القطر الأساسي والفتحة الرقمية للألياف متعددة الأوضاع 50/125 مم صغيرة نسبيًا، مما لا يفضي إلى الاقتران الفعال مع LED. أما بالنسبة للألياف متعددة الأوضاع مقاس 62.5/125 مم ذات القطر الأساسي الكبير والفتحة العددية، فيمكن ربط المزيد من الطاقة الضوئية بالوصلة الضوئية. لذلك، لم يتم استخدام الألياف متعددة الأوضاع مقاس 50/125 مم على نطاق واسع مثل الألياف متعددة الأوضاع مقاس 62.5/125 مم قبل منتصف التسعينيات.
مع الزيادة المستمرة في معدل نقل الشبكة المحلية (LAN)، منذ نهاية القرن العشرين، تم تطوير الشبكة المحلية (LAN) فوق معدل lGb/s. عرض النطاق الترددي للألياف متعددة الأوضاع 62.5/125μm مع LED كمصدر للضوء غير قادر تدريجيًا على تلبية المتطلبات. في المقابل، تحتوي الألياف متعددة الأوضاع 50/125 مم على فتحة رقمية أصغر وقطر أساسي، وأوضاع توصيل أقل. لذلك، فإن الوضع يتم تقليل تشتت الألياف متعددة الأوضاع بشكل فعال، ويتم زيادة عرض النطاق الترددي بشكل كبير. نظرًا للقطر الأساسي الصغير، فإن تكلفة إنتاج الألياف متعددة الأوضاع 50/125 مم أقل أيضًا، لذلك يتم استخدامها على نطاق واسع مرة أخرى.
يحدد معيار IEEE 802.3z Gigabit Ethernet أنه يمكن استخدام ألياف متعددة الأوضاع مقاس 50/125 مم وألياف متعددة الأوضاع مقاس 62.5/125 مم كوسائط نقل لشبكة Gigabit Ethernet. ومع ذلك، بالنسبة للشبكات الجديدة، يُفضل بشكل عام استخدام الألياف متعددة الأوضاع مقاس 50/125 مم.
ثانية:ألياف متعددة الأوضاع محسنة بالليزر
مع تطور التكنولوجيا، ظهر VCSEL (ليزر باعث لسطح التجويف العمودي) بطول 850 نانومتر. يُستخدم ليزر VCSEL على نطاق واسع لأنه أرخص من أشعة الليزر ذات الطول الموجي الطويل ويمكن أن يزيد من سرعات الشبكة. ويستخدم ليزر VCSEL على نطاق واسع لأنه أرخص من الليزر طويل الموجة. ليزر الطول الموجي ويمكن أن يزيد من سرعات الشبكة. ونظرًا للاختلاف بين نوعي الأجهزة الباعثة للضوء، يجب تعديل الألياف نفسها لاستيعاب التغيرات في مصدر الضوء.
لتلبية احتياجات ليزر VCSEL، قامت المنظمة الدولية للمعايير/اللجنة الكهروتقنية الدولية (ISO/IEC) وتحالف صناعة الاتصالات (TIA) بصياغة معيار جديد للألياف متعددة الأوضاع ذات نواة 50 مم. يصنف ISO/IEC جيلًا جديدًا من الألياف متعددة الأوضاع إلى فئة OM3 (معيار IEC A1a.2) في درجة الألياف متعددة الأوضاع الجديدة، وهي ألياف متعددة الأوضاع محسنة بالليزر.
إن ألياف OM4 اللاحقة هي في الواقع نسخة مطورة من ألياف OM3 متعددة الأوضاع. بالمقارنة مع ألياف OM3، فإن معيار OM4 يعمل فقط على تحسين مؤشر عرض النطاق الترددي للألياف. أي أن معيار الألياف OM4 قد حسّن عرض النطاق الترددي للوضع الفعال (EMB) وعرض النطاق الترددي الكامل للحقن (OFL) عند 850 نانومتر مقارنة بألياف OM3. كما هو مبين في الجدول 2 أدناه.
هناك العديد من طرق النقل في الألياف متعددة الوسائط، كما تظهر أيضًا مشكلة مقاومة الانحناء للألياف. عندما يتم ثني الألياف، يتم تسريب وضع الترتيب العالي بسهولة، مما يؤدي إلى فقدان الإشارة، أي فقدان الألياف في الانحناء. ومع العدد المتزايد من سيناريوهات التطبيق الداخلي، تم وضع أسلاك الألياف متعددة الأوضاع في بيئة ضيقة إلى الأمام متطلبات أعلى لمقاومة الانحناء.
على عكس ملف تعريف معامل الانكسار البسيط للألياف أحادية الوضع، فإن ملف تعريف معامل الانكسار للألياف متعددة الأوضاع معقد للغاية، ويتطلب تصميم ملف تعريف معامل الانكسار الدقيق للغاية وعملية التصنيع. إن التحضير الأكثر دقة للألياف متعددة الأوضاع هو عملية الترسيب الكيميائي للطقس البلازمي (PCVD)، التي تمثلها شركة Changfei. وتختلف هذه العملية عن العمليات الأخرى من حيث أنها تحتوي على طبقة ترسيب مكونة من عدة آلاف من الطبقات ويبلغ سمكها حوالي 1 ميكرون فقط لكل طبقة خلال الترسيب، مما يتيح التحكم في منحنى معامل الانكسار الدقيق للغاية لتحقيق عرض نطاق ترددي عالٍ.
من خلال تحسين ملف تعريف معامل الانكسار للألياف متعددة الأوضاع، تتمتع الألياف متعددة الأوضاع غير الحساسة للانحناء بتحسن كبير في مقاومة الانحناء، كما هو موضح في الشكل 1 أدناه.
الشكل 1. مقارنة أداء الماكروبند بين الألياف متعددة الأوضاع المقاومة للانحناء والألياف التقليدية متعددة الأوضاع
ثالث:الألياف المتعددة الوسائط الجديدة (OM5)
ألياف OM3 وألياف OM4 عبارة عن ألياف متعددة الأوضاع تستخدم بشكل رئيسي في النطاق 850 نانومتر. مع استمرار زيادة معدل النقل، سيؤدي تصميم النطاق أحادي القناة فقط إلى زيادة تكاليف الأسلاك المكثفة، وستزداد تكاليف الإدارة والصيانة المرتبطة وفقًا لذلك ولذلك، يحاول الفنيون إدخال مفهوم تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي في نظام النقل متعدد الأوضاع. إذا كان من الممكن نقل أطوال موجية متعددة على ليف واحد، فيمكن تقليل العدد المقابل من الألياف المتوازية وتكلفة التمديد والصيانة بشكل كبير. وفي هذا السياق، ظهرت ألياف OM5 إلى حيز الوجود.
تعتمد الألياف متعددة الأوضاع OM5 على ألياف OM4، التي تعمل على توسيع قناة النطاق الترددي العالي وتدعم تطبيقات النقل من 850 نانومتر إلى 950 نانومتر. التطبيقات الرئيسية الحالية هي تصميمات SWDM4 وSR4.2. SWDM4 عبارة عن مضاعفة بتقسيم الطول الموجي لأربع موجات قصيرة، وهي 850 نانومتر، 880 نانومتر، 910 نانومتر، و940 نانومتر، على التوالي. وبهذه الطريقة، يمكن للألياف الضوئية أن تدعم خدمات الألياف الضوئية الأربعة المتوازية السابقة. SR4.2 عبارة عن تعدد إرسال بتقسيم طول موجتين، يستخدم بشكل أساسي في تقنية الألياف المفردة ثنائية الاتجاه. يمكن مطابقة OM5 مع ليزر VCSEL بأداء منخفض وتكلفة منخفضة لتلبية الاتصالات قصيرة المدى مثل مراكز البيانات بشكل أفضل. الجدول 3 أدناه مقارنة مواصفات النطاق الترددي الرئيسي للألياف OM4 وOM5.
في الوقت الحاضر، تم استخدام ألياف OM5 كنوع جديد من الألياف متعددة الأوضاع المتطورة. واحدة من أكبر الحالات التجارية هي الحالة التجارية OM5 لمركز البيانات الرئيسي لشركة Changfei وشركة السكك الحديدية الصينية. يهدف مركز البيانات إلى تحقيق مزايا التطبيق ألياف OM5 في نظام تقسيم الطول الموجي SR4.2. إنه يحقق أقصى سعة للاتصالات بأقل تكلفة، ويستعد لمزيد من معدل الترقية في المستقبل. سيتم زيادة المعدل المستقبلي إلى 100 جيجابت/ثانية أو حتى 400 جيجابت. /s، أو تطبيقات النطاق العريض، لم تعد قادرة على استبدال الألياف، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف الترقية المستقبلية.
ملخص: مع استمرار تزايد الطلب على التطبيقات، تتجه الألياف متعددة الأوضاع نحو فقدان الانحناء المنخفض، وعرض النطاق الترددي العالي، وتعدد الإرسال بأطوال موجية متعددة. ومن بينها، التطبيق الأكثر احتمالًا هو ألياف OM5، التي تتمتع بالأداء الأمثل للألياف متعددة الأوضاع الحالية، ويوفر حلاً قويًا للألياف لأنظمة الأطوال الموجية المتعددة 100 جيجابت/ثانية و400 جيجابت/ثانية في المستقبل. بالإضافة إلى ذلك، من أجل تلبية متطلبات اتصالات مركز البيانات عالية السرعة وعرض النطاق الترددي العالي ومنخفضة التكلفة، تم وضع وسائط متعددة جديدة ويجري أيضًا تطوير الألياف، مثل الألياف ذات الأغراض العامة المتعددة الأوضاع.