تقوم المقرنات البصرية (Optical couplers) بتقسيم الضوء بشكل غير متماثل (على سبيل المثال، نسبة 90:10) مع خسارة فائضة أقل من 0.2 ديسيبل، بينما تقوم المقسمات (splitters) بالتوزيع بالتساوي (50:50) ولكنها تقدم خسارة 3 ديسيبل لكل مخرج. تقوم المقرنات الاتجاهية (Directional couplers) بعزل الإشارات المنعكسة (اتجاهية 40 ديسيبل) وتعمل بأطوال موجية 1310/1550 نانومتر، على عكس المقسمات عريضة النطاق التي تغطي 1260–1650 نانومتر. تتعامل المقرنات الملحومة بالانصهار مع قدرة 10 واط، في حين تتعطل مقسمات PLC فوق 1 واط.
Table of Contents
كيف تقوم بتقسيم الضوء
تدير المقرنات البصرية، والمقسمات، والمقرنات الاتجاهية الإشارات الضوئية في شبكات الألياف، لكنها تفعل ذلك بطرق مختلفة تماماً. يكمن الاختلاف الرئيسي في كيفية تقسيم القدرة الضوئية — سواء بالتساوي، أو بشكل انتقائي، أو بأقل قدر من الفقد. على سبيل المثال، يقوم مقسم الألياف 1×2 القياسي بتقسيم الضوء الوارد إلى مخرجين، عادةً بنسبة 50/50 أو 70/30، ولكنه يفقد 3 ديسيبل (50%) من القدرة في التقسيم بنسبة 50/50. في المقابل، قد يقوم المقرن الاتجاهي بتقسيم الضوء بنسب 90/10 أو 80/20 مع الحفاظ على خسارة الإدخال أقل من 0.5 ديسيبل، مما يجعله مثالياً لمراقبة الإشارة دون تعطيل المسار الرئيسي. وفي الوقت نفسه، يمكن للمقرنات البصرية (مثل مقرنات الألياف ثنائية المخروط المنصهرة) دمج أو تقسيم الضوء بنسب مخصصة، وغالباً ما تُستخدم في التطبيقات الحساسة للطول الموجي مثل أنظمة DWDM حيث تهم تفاوتات الطول الموجي ±0.2 نانومتر.
تختلف أيضاً آلية التقسيم. تستخدم المقسمات دوائر الضوء المستوية (PLC) أو تقنية الألياف المنصهرة، حيث توفر مقسمات PLC خسارة منخفضة تعتمد على الاستقطاب (<0.2 ديسيبل) وتتعامل مع ما يصل إلى 64 مخرجاً. تعتمد المقرنات الاتجاهية على الاقتران الموجي المتلاشي، حيث تكون قلوب أليافين قريبة بما يكفي لنقل الضوء — عادةً في حدود بضعة ميكرونات — ولكن فقط عبر نطاق طول موجي محدد (على سبيل المثال، 1310 نانومتر أو 1550 نانومتر ±40 نانومتر).
يعد التعامل مع القدرة عاملاً فاصلاً آخر. قد يتعامل مقسم PLC 1×4 مع ما يصل إلى 500 ميجاوات من قدرة الإدخال، بينما يصل الحد الأقصى للمقرن الاتجاهي المستخدم في مراقبة الاتصالات إلى 200 ميجاوات بسبب منطقة الاقتران الحساسة.
“المقسم بنسبة 50/50 يهدر نصف الضوء، لكن المقرن بنسبة 90/10 يسرق 10% فقط — ولهذا السبب تستخدم أجهزة المراقبة مقرنات اتجاهية، وليس مقسمات.”
تزداد خسارة الإدخال مع زيادة التقسيمات: يفقد مقسم 1×8 حوالي 10.5 ديسيبل، بينما يفقد 1×32 حوالي 16 ديسيبل، مما يجعل المقسمات غير عملية للوصلات طويلة المدى دون مضخمات. ومع ذلك، تضيف المقرنات الاتجاهية خسارة أقل من 1 ديسيبل حتى في التقسيمات غير المتماثلة، وهي مثالية لتشخيص الشبكات الحية.
مقارنة فقدان القدرة
يفقد مقسم الألياف 1×2 القياسي 3 ديسيبل (50%) من القدرة الضوئية في التقسيم المتوازن، مما يعني أن نصف الضوء فقط يصل إلى كل مخرج. إذا قمت بربط مقسمات على التوالي — لنقل إعداد 1×4 — تقفز الخسارة إلى 6 ديسيبل (خسارة 75%)، مما يترك فقط 25% من القدرة الأصلية لكل مخرج. من ناحية أخرى، تعتبر المقرنات الاتجاهية أكثر كفاءة بكثير للتقسيم غير المتماثل: قد يفقد مقرن 90/10 0.5 ديسيبل فقط في المسار الرئيسي بينما يحول 10% من الضوء مع خسارة إضافية أقل من 1 ديسيبل.
تختلف الفيزياء الكامنة وراء الخسائر أيضاً. تعاني المقسمات (خاصة أنواع PLC) من خسارة تقسيم متأصلة، والتي تتناسب لوغاريتمياً مع عدد المخارج. يفقد مقسم 1×8 حوالي 9 ديسيبل، ويفقد 1×16 حوالي 12 ديسيبل، ويصل 1×32 إلى 15 ديسيبل — مما يجعلها غير عملية للنقل لمسافات طويلة دون مضخمات EDFA (التي تضيف تكلفة 500–2,000 دولار لكل عقدة). في الوقت نفسه، تفقد مقرنات الألياف ثنائية المخروط المنصهرة (المستخدمة في WDM الخشن) 3-5 ديسيبل ولكنها تتعامل مع أطوال موجية من 1260 نانومتر إلى 1625 نانومتر، بينما تحافظ المقرنات الاتجاهية المحسنة لـ 1550 نانومتر ±5 نانومتر على خسائر أقل من 1 ديسيبل من خلال تجنب التقسيم عريض الطيف.
| نوع الجهاز | نسبة التقسيم | خسارة الإدخال (ديسيبل) | الخسارة الفائضة (ديسيبل) | نطاق الطول الموجي |
|---|---|---|---|---|
| مقسم PLC 1×2 | 50/50 | 3.0 | 0.3 | 1260–1650 نانومتر |
| مقسم PLC 1×8 | متساوٍ | 9.5 | 0.5 | 1260–1650 نانومتر |
| مقرن اتجاهي 90/10 | 90/10 | 0.5 (رئيسي) / 10 (تفرع) | 0.2 | 1550 نانومتر ±5 نانومتر |
| مقرن ثنائي المخروط منصهر | 70/30 | 4.8 (مسار 70%) | 0.8 | 1310 نانومتر و1550 نانومتر ±20 نانومتر |
إذا كنت تشغل وصلة 10 جيجابت في الثانية على مدى 80 كم، فإن مقسم 1×8 سيجبرك على تعويض خسارة 9.5 ديسيبل — مما يتطلب إما جهاز إرسال عالي القدرة (+3 ديسيبل ميلي واط، يكلف حوالي 200 دولار إضافية) أو مضخماً (1,500 دولار فأكثر). قد يضيف المقرن الاتجاهي لمراقبة نفس الوصلة 0.7 ديسيبل فقط، مما يجنبك الحاجة إلى أجهزة إضافية.
يلعب استقرار درجة الحرارة دوراً أيضاً. تنحرف مقسمات PLC بمقدار ±0.5 ديسيبل من -40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية، بينما يمكن أن تنحرف المقرنات المنصهرة بمقدار ±1 ديسيبل خلال نفس النطاق. بالنسبة للنشر في الهواء الطلق (مثل شبكات الجيل الخامس الأمامية)، يعني هذا أن المقسمات تحتاج إلى تغليف تعويضي حرارياً (تكلفة إضافية بنسبة 15%) للحفاظ على استقرار ±0.2 ديسيبل، بينما تعمل المقرنات الاتجاهية غالباً بشكل جيد في -20 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية دون تعديلات.
أماكن استخدام كل منها
لكل من المقرنات البصرية، والمقسمات، والمقرنات الاتجاهية نقاط قوة خاصة بها في شبكات الألياف — اختر النوع الخطأ، وسوف تهدر 500 دولار على مضخمات غير ضرورية أو تفقد 30% من قوة الإشارة حيث يكون ذلك مهماً. إليك أين ينتمي كل منها:
يستخدم مشغلو الاتصالات مقرنات اتجاهية بنسبة 90/10 لأخذ 1%–10% من الضوء لمراقبة أنظمة DWDM ذات 40 قناة، مما يضيف 0.3 ديسيبل فقط من الخسارة إلى المسار الرئيسي. يوفر تفرع بنسبة 1% على وصلة 100 جيجابت في الثانية ضوءاً كافياً لجسات OSA (تكلف 15,000 دولار لكل منها) لقياس انحراف الطول الموجي ±0.02 نانومتر، بينما يفقد المسار الرئيسي بنسبة 99% 0.05 ديسيبل فقط — مقابل 3 ديسيبل إذا تم استخدام مقسم.
كما أنها أساسية في شبكات الجيل الخامس الأمامية، حيث يمكن أن تؤدي تقلبات القدرة ±1 ديسيبل إلى كسر ميزانيات زمن الوصول CPRI. يحول مقرن 95/5 عند رأس راديو الموجات المليمترية 5% من الضوء لفحوصات الأداء، تاركاً 95% للبيانات مع عقوبة أقل من 0.2 ديسيبل.
المقرنات البصرية (المنصهرة وWDM) – عندما تكون الأطوال الموجية أكثر أهمية من القدرة
- مجمعات الضخ في مضخمات EDFA: يدمج مقرن 1480/1550 نانومتر ضوء ليزر الضخ 300 ميجاوات بـ خسارة 0.1 ديسيبل، بينما يهدر المقسم 50% من قدرة الضخ.
- أجهزة إرسال واستقبال BiDi: توجه مقرنات 1310/1550 نانومتر إشارات المنبع/المصب في GPON، مع خسارة أقل من 3 ديسيبل لكل مسار — مقابل 6 ديسيبل إذا قسم مقسم PLC كلا الطولين الموجيين.
- أدوات المختبر: تتيح المقرنات القابلة للضبط (على سبيل المثال، 50/50 عند 1520–1620 نانومتر) للباحثين ضبط نسب التقسيم ±5% دون استبدال الأجهزة، وهو أمر بالغ الأهمية لأنظمة التصوير المقطعي بالتماسك البصري حيث يؤدي خطأ 1 ديسيبل إلى تدمير دقة 5 ميكرومتر.
قاعدة عامة:
- استخدم المقسمات لتقسيمات منخفضة التكلفة ومتعددة المستخدمين (FTTH، شبكات LAN).
- اختر المقرنات الاتجاهية لـ المراقبة الحية (DWDM، الجيل الخامس).
- اختر المقرنات البصرية عندما يجب أن تظل الأطوال الموجية مفصولة (مضخمات EDFA، BiDi، المختبرات).
التكاليف تحسم الأمر: يكلف مقسم PLC 1×32 حوالي 20 دولاراً، بينما يبلغ سعر المقرن الاتجاهي 90/10 حوالي 120 دولاراً، ويصل سعر مقرن WDM إلى 300–500 دولار. ولكن إذا قمت بالاقتصاد واستخدمت مقسماً حيث ينتمي مقرن، فسوف تدفع 10 أضعاف في المضخمات والإصلاحات لاحقاً.
