ما هي المحولات الضوئية التي تضمن انتقال البيانات بسرعة؟

الوظيفة الأساسية للمرسلات المستقبلة الضوئية في الشبكات عالية السرعة

التحويل من الإشارة الكهربائية إلى الضوئية والحفاظ على سلامة الإشارة

تؤدي وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية دور الوسيط بين معدات الشبكة الكهربائية وهذه الخيوط الرقيقة من الزجاج التي نسميها الألياف الضوئية. وتقوم هذه الوحدات الصغيرة، التي تُعدّ من أبرز العناصر التشغيلية، بتحويل الإشارات الكهربائية إلى نبضات ضوئية فعلية عبر ديودات الليزر، ثم تقوم بالعملية العكسية تمامًا في الطرف الآخر، حيث تستقبل كاشفات الضوء تلك النبضات وتحولها مجددًا إلى إشارات كهربائية. ويتيح هذا الاتصال ثنائي الاتجاه إرسال كمٍّ هائل من البيانات عبر شبكات الألياف الضوئية وبسرعاتٍ خارقة. ولذلك فإن الحفاظ على نقاء الإشارات وسلامتها يكتسب أهميةً بالغة. ولهذا السبب يعتمد المصنعون على تقنياتٍ متقدمة مثل تعديل الإشارة بتقنية PAM4 جنبًا إلى جنب مع معالجات الإشارات الرقمية (DSP). وتُستخدم هذه التقنيات لمكافحة ظواهر مثل انتشار الإشارة (التشتُّت)، وضعف شدة الإشارة (الانبعاث)، فضلًا عن مختلف التأثيرات غير الخطية الغريبة التي قد تُفسد عمليات الإرسال. وحتى عند السرعات الفائقة مثل ٤٠٠ جيجابت/ثانية وما فوقها، تنجح هذه الأنظمة في الحفاظ على معدل أخطاء البت عند مستوياتٍ قريبة جدًّا من الصفر. تخيل كيف ستبدو مراكز البيانات لدينا وعمليات الذكاء الاصطناعي دون وجود هندسة كهرو-ضوئية دقيقة بهذا الشكل؛ فسنظل ننتظر لفترةٍ طويلةٍ جدًّا حتى تكتمل عمليات نقل البيانات الضخمة.

كيف تتفاعل الطول الموجي ومعدل نقل البيانات والمسافة لتحديد الأداء

إن الأداء والجدوى العملية لتشغيل أجهزة الإرسال والاستقبال تعتمد فعليًّا على ثلاثة عوامل رئيسية تعمل معًا: الطول الموجي، ومعدل نقل البيانات، والمسافة. وعند اختيار الأطوال الموجية، فإن التوافق مع أنواع الألياف البصرية يكتسب أهمية كبيرة. فعلى سبيل المثال، يُستخدم الطول الموجي ٨٥٠ نانومتر عادةً مع الألياف متعددة الأنماط (Multimode Fiber) للمسافات القصيرة، حيث يمكنه نقل إشارات بسعة ١٠٠ جيجابت في الثانية (100G) على مسافة تصل إلى نحو ١٠٠ متر. أما بالنسبة للمسافات الأطول، فيلجأ المهندسون إلى الطول الموجي ١٥٥٠ نانومتر مع الألياف أحادية الوضع (Single-mode Fiber)، والتي تتيح نقل إشارات بسعة ٤٠٠ جيجابت في الثانية (400G) على مسافات تصل إلى نحو كيلومترين. ومع ازدياد معدلات نقل البيانات من ٤٠٠ جيجابت في الثانية لتصل إلى ٨٠٠ جيجابت في الثانية (800G)، لا مفرَّ من اللجوء إما إلى البصريات التماسكية (Coherent Optics) أو إلى تقنيات الإشارة المتقدمة مثل تقنية PAM4. ومع ذلك، فإن هذا التطور ينطوي على تكلفةٍ إضافية تتمثل في ارتفاع استهلاك الطاقة وزيادة الحساسية تجاه المشكلات التي قد تطرأ في مسار الإرسال. كما أن العامل المتعلق بالمسافة يفرض قيودًا صارمةً أيضًا: فمعظم الروابط التي تبلغ مسافتها ٨٠ كيلومترًا تصل أقصى سعة لها إلى ٢٠٠ جيجابت في الثانية (200G) بسبب مشكلات التشتت اللوني (Chromatic Dispersion) وانخفاض مستويات الضوضاء. أما الروابط الأقصر التي تبلغ مسافتها ١٠ كيلومترات، فيمكنها في المقابل دعم سرعات تصل إلى ٨٠٠ جيجابت في الثانية (800G)، شرط تطبيق أساليب تصحيح الخطأ الأمامي المناسبة (Forward Error Correction - FEC) وتقنيات التعويض المعتمدة على معالجة الإشارات الرقمية (Digital Signal Processing - DSP). ويخصص مصمِّمو الشبكات في العالم الحقيقي وقتًا طويلاً جدًّا لتحقيق التوازن بين هذه المتطلبات المتنافسة أثناء بناء أنظمة تحتاج إلى القدرة على التوسع والتكيف مع ما تفرضه السوق من متغيرات على مر الزمن.

المكونات الحرجة التي تُشغِّل وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية الحديثة

الدايودات الليزرية، وكواشف الضوء، ومعالجات الإشارات الرقمية (DSPs): تمكين السرعة والدقة

تعتمد وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية الحديثة على ثلاثة أجزاء رئيسية تعمل معًا: ديودات الليزر، والكاشفات الضوئية، ومعالجات الإشارات الرقمية المتطورة التي نُطلق عليها اسم «DSPs». وتولِّد ديودات الليزر إشارات ضوئية مستقرة وسريعة، عادةً عبر تقنية التغذية الراجعة الموزَّعة (DFB) أو عبر أنظمة الفوتونيات السيليكونية الأحدث، مما يساعد في تقليل فقدان الإشارة إلى الحد الأدنى أثناء إرسال البيانات عبر الكابلات الليفية. أما بالنسبة للكاشفات الضوئية، فإن معظم الأنظمة تستخدم إما النوع PIN أو النوع الانهيالي (Avalanche) لتحويل الضوء الوارد مجددًا إلى إشارات كهربائية واضحة. ويجب أن تكون هذه الكواشف ذات استجابة عالية جدًّا مع الحفاظ على مستويات منخفضة من الضوضاء لضمان سلامة البيانات. ومن ثم تأتي معالجات الإشارات الرقمية (DSPs) التي تقوم بمجموعة متنوعة من المهام المعقدة خلف الكواليس، مثل معادلة الإشارات في الزمن الحقيقي، واستعادة توقيت الساعة، وفك ترميز تصحيحات التصحيح الأمامي للأخطاء (FEC) لإصلاح أي مشكلات قد تطرأ أثناء عملية الإرسال. وتعمل جميع هذه المكونات معًا بشكل متناغم لتحقيق معدلات خطأ بتية مذهلة تقل عن ١ × ١٠⁻¹⁵، حتى على مسافات تجاوزت ١٠٠ كيلومتر. ولا ينبغي أن ننسى متطلبات زمن الانتظار المحدَّد بدقة (Deterministic Latency)، والتي تجعل هذه الأنظمة أساسيةً لتشغيل مراكز البيانات الضخمة الحديثة ودعم بنية شبكات الجيل الخامس (5G) المتطورة.

تحدي الكفاءة 400 جيجابت/ثانية فما فوق: الموازنة بين القدرة والحرارة وعرض النطاق الترددي

تجاوز عتبة 400 جيجابت/ثانية يُحدث مشاكل جسيمة تتعلق بالحرارة واستهلاك الطاقة. ففي كل مرة تتضاعف فيها معدلات نقل البيانات، تزداد متطلبات الطاقة بنسبة تصل إلى ٦٠–٧٠٪ تقريبًا، ما يؤدي إلى تركيز كمية أكبر من الحرارة داخل منافذ المبدِّلات المُركَّبة بكثافة عالية. وإذا تركت هذه الحرارة الزائدة دون رقابة، فإنها تؤدي في النهاية إلى تشويه الإشارات، وتسريع اهتراء المكونات، وتقليل موثوقية النظام بشكل عام. وقد طوَّرت الصناعة عدة أساليب للتعامل مع هذه المشكلات. فبعض الشركات المصنِّعة تدمج أنظمة تبريد باستخدام مُبدِّدات حرارية ذات قنوات دقيقة جدًّا (Micro-channel heatsinks)، بينما تعتمد شركات أخرى أنظمة إدارة طاقة تكيفية قادرة على خفض استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى ٣٠٪ تقريبًا عند انخفاض حركة المرور. كما يزداد أيضًا اعتماد تقنية الفوتونيات السيليكونية (Silicon photonics)، التي تُقلِّل طول التوصيلات الكهربائية الطويلة بين المكونات، مما يخفض كلًّا من فقدان الإشارة وإنتاج الحرارة. وعلى صعيد المواد، نشهد تحسينات أيضًا؛ إذ تتمتع الليزر المصنوعة من فوسفيد الإنديوم بكفاءة أعلى في تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوئية (Wall plug efficiency) مقارنةً بالخيارات التقليدية. وكل هذه التطورات تعني أن أجهزة الإرسال والاستقبال الحديثة يمكنها التعامل مع استهلاك يصل إلى ٤٠٠ واط لكل وحدة راك (Rack unit)، مع الحفاظ على درجات حرارة داخلية أقل من ٥٠ درجة مئوية، وهو ما يتوافق مع المعايير الحرارية التي وضعتها كلٌّ من منظمة مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) ومنتدى الواجهات البصرية (OIF) للتشغيل عالي السرعة المستمر.

عوامل الشكل والمعايير: مطابقة وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية مع احتياجات البنية التحتية

يؤدي اختيار عامل الشكل المناسب إلى ضمان الكثافة المثلى للموانئ، وإدارة الحرارة بكفاءة، والتشغيل البيني الأمثل عبر البنية التحتية المتغيرة. وتتيح الواجهات الميكانيكية والكهربائية القياسية — من SFP إلى QSFP-DD — التوافق الفوري (Plug-and-Play)، مع دعم ترقيات عرض النطاق الترددي التدريجية دون الحاجة إلى إجراء عمليات استبدال شاملة للنظام.

SFP، QSFP، OSFP، وQSFP-DD — توسيع الكثافة والسرعة من ١ جيجابت/ثانية إلى ٨٠٠ جيجابت/ثانية

تُعَدُّ وحدات SFP ممتازة في تقديم سرعات تتراوح بين 1 جيجابت/ثانية و10 جيجابت/ثانية، وبأحجام مدمجة تناسب بيئة الشبكات الطرفية ونقاط الوصول حيث تكتسب المساحة أهميةً بالغة. أما إصدارات QSFP فهي تضم أربعة مسارات معًا، ما يجعلها مناسبةً لدعم سرعات تصل إلى 100 جيجابت/ثانية في تلك المبدِّلات المزدحمة جدًّا والموجودة على نطاق واسع في مراكز بيانات السحابة الحديثة. وبالنظر إلى ما هو آتٍ، فإن كلا التنسيقين OSFP وQSFP-DD قادران على تلبية متطلبات النطاق الترددي الهائلة التي تتراوح بين 400 جيجابت/ثانية و800 جيجابت/ثانية، وذلك بفضل هندستهما ذات الثمانية مسارات بالإضافة إلى حلول إدارة الحرارة المحسَّنة. وبالفعل، تضاعف هذه التصاميم الجديدة عدد المنافذ لكل وحدة راك (rack unit) مقارنةً بمعايير QSFP28 الأقدم. ووفقًا لأحدث النتائج المُعلَّنة في مؤتمر OFC 2023، نجحت هذه التطورات في خفض استهلاك الطاقة لكل جيجابت بنسبة تقارب 30٪، ما يسهِّل كثيرًا على الشركات ترقية بنى تحتيتها الحالية البالغة 100 جيجابت/ثانية نحو أنظمة 800 جيجابت/ثانية المتطوِّرة المُحسَّنة خصيصًا لأحمال العمل المتعلقة بالذكاء الاصطناعي وتعلُّم الآلة.

SR، LR، ER، ZR، DR، FR: فك تشفير معايير المدى للنشر في العالم الحقيقي

تساعد تصنيفات المدى في تحديد ما يمكن توقعه من أنواع الألياف المختلفة على مسافات مختلفة. ويُستخدم مصطلح «المدى القصير» (SR) للمسافات التي تقل عن ٣٠٠ متر باستخدام الألياف متعددة الأنماط، وهي الألياف التي تُستخدَم عادةً في ربط المعدات داخل الرفوف أو عبر الحرم الجامعي. أما مصطلح «المدى الطويل» (LR) فيغطي مسافات أبعد، حيث يدعم الاتصالات حتى ١٠ كيلومترات عبر الألياف ذات النمط الواحد، ما يجعله مثاليًّا لأنظمة الشبكات الواسعة على مستوى المدن. ويتخطى مصطلح «المدى الممتد» (ER) ذلك ليصل إلى نحو ٤٠ كيلومترًا، بينما يمتد «المدى الطويل جدًّا» (ZR) إلى ٨٠ كيلومترًا. وتتطلب هذه المسافات الأطول استخدام ليزر أقوى وتقنيات أكثر تطورًا في تصحيح الأخطاء لضمان الأداء السليم في شبكات النواة والكابلات البحرية. وفي الآونة الأخيرة، ظهرت فئتان متخصصتان هما «مدى مراكز البيانات» (DR) و«مدى الألياف» (FR) لخدمة مراكز البيانات الحديثة. فعادةً ما يغطي مصطلح DR الروابط التي تبلغ طولها ٥٠٠ متر بين الخوادم ضمن هياكل «العمود-الورقة» (spine-leaf)، في حين يوفِّر مصطلح FR مواصفات قياسية تعمل عبر أنواع مختلفة من الألياف وفق إرشادات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE 802.3)، مما يضمن التوافق بين المعدات الصادرة عن شركات مصنِّعة مختلفة.