"פלטת הצבעים" בעולם הסיבים האופטיים: מדוע מרחק השידור של מודולים אופטיים משתנה מאוד

בעולם התקשורת של סיבים אופטיים, בחירת אורך גל האור דומה לכוונון תדרי רדיו ובחירת ערוצים. רק על ידי בחירת ה"ערוץ" הנכון ניתן להעביר את האות בצורה ברורה ויציבה. מדוע לחלק מהמודולים האופטיים יש מרחק שידור של 500 מטרים בלבד, בעוד שאחרים יכולים להשתרע על פני מאות קילומטרים? התעלומה טמונה ב"צבע" של קרן האור - ליתר דיוק, באורך הגל של האור.

ברשתות תקשורת אופטיות מודרניות, מודולים אופטיים באורכי גל שונים ממלאים תפקידים שונים לחלוטין. שלושת אורכי הגל הליבה של 850 ננומטר, 1310 ננומטר ו-1550 ננומטר יוצרים את המסגרת הבסיסית של תקשורת אופטית, עם חלוקת עבודה ברורה מבחינת מרחק שידור, מאפייני אובדן ותרחישי יישום.

1. מדוע אנו זקוקים לאורכי גל מרובים?

שורש השונות באורך גל במודולים אופטיים טמון בשני אתגרים עיקריים בהעברת סיבים אופטיים: אובדן ופיזור. כאשר אותות אופטיים מועברים בסיבים אופטיים, מתרחשת דעיכה (אובדן) אנרגטית עקב ספיגה, פיזור ודליפה של התווך. במקביל, מהירות התפשטות לא אחידה של רכיבי אורכי גל שונים גורמת להרחבת פולס האות (פיזור). זה הוביל לפתרונות מרובי אורכי גל:

•פס 850nm:פועל בעיקר בסיבים אופטיים רב-מודיים, כאשר מרחקי שידור נעים בדרך כלל בין כמה מאות מטרים (כגון ~ 550 מטרים), והוא הכוח העיקרי להעברה למרחקים קצרים (כגון בתוך מרכזי נתונים).

•פס 1310nm:מציג מאפייני פיזור נמוכים בסיבים סטנדרטיים במצב יחיד, עם מרחקי שידור של עד עשרות קילומטרים (כגון ~60 קילומטרים), מה שהופך אותו לעמוד השדרה של שידור למרחקים בינוניים.

•פס 1550nm:עם קצב ההנחתה הנמוך ביותר (כ-0.19dB/km), מרחק השידור התיאורטי יכול לעלות על 150 קילומטרים, מה שהופך אותו למלך השידור למרחקים ארוכים ואפילו למרחקים ארוכים במיוחד.

עליית טכנולוגיית ריבוב חלוקת אורכי גל (WDM) הגדילה מאוד את קיבולת הסיבים האופטיים. לדוגמה, מודולים אופטיים דו-כיווניים של סיב יחיד (BIDI) משיגים תקשורת דו-כיוונית על סיב יחיד באמצעות אורכי גל שונים (כגון שילוב של 1310nm/1550nm) בקצוות השידור והקליטה, וחוסכים משמעותית במשאבי הסיבים. טכנולוגיית ריבוב חלוקת אורכי גל צפופים (DWDM) מתקדמת יותר יכולה להשיג מרווח אורכי גל צר מאוד (כגון 100GHz) בתחומים ספציפיים (כגון O-band 1260-1360nm), וסיב יחיד יכול לתמוך בעשרות או אפילו מאות ערוצי אורכי גל, מה שמגדיל את קיבולת השידור הכוללת לרמת Tbps ומשחרר את מלוא הפוטנציאל של סיבים אופטיים.

2. כיצד לבחור באופן מדעי את אורך הגל של מודולים אופטיים?

בחירת אורך הגל דורשת שיקול דעת מקיף של הגורמים המרכזיים הבאים:

מרחק שידור:

מרחק קצר (≤ 2 ק"מ): רצוי 850 ננומטר (סיב רב-מודדי).
מרחק בינוני (10-40 ק"מ): מתאים ל-1310 ננומטר (סיבים אופטיים חד-מצביים).
למרחק ארוך (≥ 60 ק"מ): יש לבחור 1550 ננומטר (סיב חד-מצבי), או להשתמש בו בשילוב עם מגבר אופטי.

דרישת קיבולת:

עסקים קונבנציונליים: מודולים באורך גל קבוע מספיקים.
קיבולת גבוהה וצפיפות גבוהה: נדרשת טכנולוגיית DWDM/CWDM. לדוגמה, מערכת DWDM של 100G הפועלת בתחום O יכולה לתמוך בעשרות ערוצי אורך גל בצפיפות גבוהה.

שיקולי עלות:

מודול אורך גל קבוע: מחיר היחידה ההתחלתי נמוך יחסית, אך יש צורך להחזיק במלאי חלקי חילוף בדגמי אורך גל מרובים.
מודול אורך גל מתכוונן: ההשקעה הראשונית גבוהה יחסית, אך באמצעות כוונון תוכנה, הוא יכול לכסות אורכי גל מרובים, לפשט את ניהול חלקי חילוף, ובטווח הארוך, להפחית את מורכבות ועלויות התפעול והתחזוקה.

תרחיש יישום:

חיבור מרכז נתונים (DCI): פתרונות DWDM בצפיפות גבוהה ובצריכת אנרגיה נמוכה הם נפוצים.
5G fronthaul: עם דרישות גבוהות לעלות, השהייה ואמינות, מודולים דו-כיווניים בעלי סיב יחיד (BIDI) ברמת תעשייה הם בחירה נפוצה.
רשת פארקי ארגונים: בהתאם לדרישות המרחק ורוחב הפס, ניתן לבחור מודולים של CWDM בעלי צריכת חשמל נמוכה, למרחקים בינוניים עד קצרים או אורך גל קבוע.

3. סיכום: אבולוציה טכנולוגית ושיקולים עתידיים

טכנולוגיית המודולים האופטיים ממשיכה להתפתח במהירות. התקנים חדשים כגון מתגי סלקטיבית אורכי גל (WSS) וגביש נוזלי על סיליקון (LCoS) מניעים את הפיתוח של ארכיטקטורות רשת אופטיות גמישות יותר. חידושים המכוונים לתחומים ספציפיים, כגון פס O, מייעלים ללא הרף את הביצועים, כגון הפחתה משמעותית של צריכת החשמל של המודול תוך שמירה על מרווח יחס אות לרעש אופטי (OSNR) מספק.

בבניית רשתות עתידיות, מהנדסים לא רק צריכים לחשב במדויק את מרחק השידור בעת בחירת אורכי גל, אלא גם להעריך באופן מקיף את צריכת החשמל, יכולת ההסתגלות לטמפרטורה, צפיפות הפריסה ועלויות התפעול והתחזוקה של מחזור החיים המלא. מודולים אופטיים בעלי אמינות גבוהה שיכולים לפעול ביציבות במשך עשרות קילומטרים בסביבות קיצוניות (כגון קור קשה של -40 מעלות צלזיוס) הופכים לתמיכה מרכזית בסביבות פריסה מורכבות (כגון תחנות בסיס מרוחקות).