بهینه سازی شبکه فیبر نوری با فناوری کریستال مایع

با پیشرفت‌هایی در فناوری‌هایی مانند وسایل نقلیه خودران، ارتباطات 6G و ارتباطات کوانتومی، شبکه‌های فیبر نوری به سرعت در حال رسیدن به مرزهای ظرفیت خود هستند. پژوهشگران Fraunhofer با همکاری شرکای خود راه‌حل‌های هوشمندانه‌ای برای بهینه‌سازی انتقال داده‌ها ابداع کرده‌اند. سوئیچ‌های نوری با آینه‌های کریستال مایع روی سیلیکون (LCoS) بسته‌های داده را کوچک کرده و به شبکه اجازه می‌دهند تا داده‌های بیشتری را حمل کند، در حالی که سیگنال‌ها به‌صورت انعطاف‌پذیر در رشته‌های مختلف فیبر توزیع می‌شوند تا قابلیت انعطاف‌پذیری بیشتری ایجاد کنند.

کابل‌های فیبر نوری سیگنال‌ها را با سرعت نزدیک به سرعت نور منتقل می‌کنند و حتی حجم‌های زیادی از داده‌ها را با سرعت‌های بسیار بالا ارسال می‌کنند. با این حال، سیستم‌های فیبر نوری سنتی دیگر قادر به پشتیبانی از فناوری‌های آینده نیستند. در دو پروژه WESORAM و Multi-Cap، موسسه Fraunhofer برای اپتیک کاربردی و مهندسی دقیق (IOF) در یِنا به همراه شرکای خود تلاش کرده‌اند تا شبکه‌های فیبر نوری را برای دنیای آینده آماده کنند.

شبکه‌های فیبر نوری هم‌اکنون از تکنولوژی‌هایی مانند تقسیم طول‌موج برای چندگانه‌سازی استفاده می‌کنند. در این روش، نور به‌عنوان حامل جریان داده استفاده می‌شود و یک سوئیچ نوری نور را به چندین فرکانس تقسیم می‌کند. یک شبکه گریتینگ طیفی سیگنال را به طول‌موج‌های مختلف تقسیم کرده و سپس آن را به آینه LCoS منتقل می‌کند. این آینه سیگنال‌ها را به فیبرهای خروجی هدایت می‌کند، که این امکان را می‌دهد که هر فیبر چندین جریان داده را منتقل کند. با این حال، این روش فقط می‌تواند در یک دامنه فرکانسی محدود استفاده شود.

جریان متقاطع سیگنال‌ها

در پروژه WESORAM، که مخفف “سوئیچ‌های انتخابی طول‌موج برای چندگانه‌سازی فضایی نوری” است، دکتر استفن تراتمن و تیم او در Fraunhofer IOF با شرکای پروژه همکاری کردند تا این تکنولوژی را بهبود بخشند.

ابتدا تیم انعطاف‌پذیری بیشتری به مکانیسم سوئیچ در سوئیچ LCoS افزود تا بتواند جریان داده‌ها را به هر فیبر هدایت کند. پس از اینکه گریتینگ طیفی سیگنال نور ورودی را به فرکانس‌ها تقسیم کرد، آینه LCoS هر فرکانس را به فیبر متفاوتی می‌فرستد. این روش، تقسیم طول‌موج را به تکنیک تقسیم فضایی طول‌موج تبدیل می‌کند. به‌عنوان تکمیل اصل “چندین فرکانس در یک فیبر”، اصل “یک فرکانس، چندین فیبر” نیز به کار گرفته می‌شود.

“در پروژه ما، موفق شدیم سیگنال‌ها را از هشت کانال ورودی به 16 کانال خروجی ارسال کنیم. این نوع اتصالات متقاطع ظرفیت شبکه را افزایش می‌دهد زیرا انعطاف‌پذیری بیشتری برای انتقال و ارسال داده‌ها فراهم می‌آورد. این به‌ویژه در مواقعی مفید است که داده‌ها باید مسافت‌های طولانی، مانند بین شهرها، ارسال شوند.” دکتر تراتمن، مدیر پروژه و کارشناس سیستم‌های نوری، می‌گوید.

مزیت دیگر این است که به‌طور کلی به تعداد کمتری سوئیچ نوری برای شبکه فیبر نوری نیاز است. این امر هزینه‌های نصب و عملیات جاری را کاهش می‌دهد.

بسته‌های داده کوچکتر، سرعت بالاتر

گام بعدی پژوهشگران در یِنا، افزایش وضوح ماژول نوری با استفاده از گریتینگ جدیدی بود که توسعه داده‌اند. “در حال حاضر، وضوح طیفی 100 گیگاهرتز یا حدود 0.8 نانومتر استاندارد است. آینه‌ای که ما توسعه داده‌ایم می‌تواند تا 25 گیگاهرتز یا حدود 0.2 نانومتر را محقق کند.” دکتر تراتمن توضیح می‌دهد.

وضوح بالاتر به این معنی است که فرکانس نور برای جریان داده به‌طور چهاربرابر باریک‌تر است، بنابراین بسته‌های داده به همان اندازه کوچک‌تر می‌شوند. این به نوبه خود به این معناست که هادی‌های نوری می‌توانند بسته‌های داده بیشتری را به طور همزمان منتقل کنند.

شرکای پروژه، شرکت Adtran در مینینگن (تورینگن) که در زمینه شبکه‌ها تخصص دارد و شرکت هولوی در برلین که بر روی سیستم‌های نوری تمرکز دارد و آینه LCoS را ساخته است، بودند. متخصصان Fraunhofer IOF مسئول طراحی نوری بودند. آنها همچنین از فناوری فوق‌دقت برای توسعه تقسیم‌کننده پرتو برای گریتینگ طیفی استفاده کردند و همه اجزاء را در یک قطعه کوچک یکپارچه کردند.

تقویت‌کننده Multi-Cap برای فیبرهای چند هسته‌ای

پروژه WESORAM به طور هماهنگ با پروژه دیگری به نام Multi-Cap پیش می‌رود. در این پروژه، پژوهشگران در حال تلاش برای افزایش تعداد کانال‌ها برای انتقال داده‌های موازی هستند. فیبرهای سنتی شامل یک کانال داده و یک هسته سیگنال هستند، در حالی که فیبرهای چند هسته‌ای از هسته‌های متعدد برای انتقال داده‌ها استفاده می‌کنند. اگرچه این کابل‌ها هادی‌های بیشتری دارند، اما به‌طور کلی ضخامت بیشتری ندارند.

تیم Fraunhofer IOF تقویت‌کننده‌های سیگنال مورد نیاز برای فیبرهای چند هسته‌ای را توسعه داده است. این تقویت‌کننده‌ها می‌توانند تا 12 کانال را همزمان پشتیبانی کنند و بیش از 20 دسی‌بل تقویت در هر کانال ارائه دهند. این فناوری از نظر انرژی بسیار کارآمدتر است، زیرا تنها به یک ماژول تقویت‌کننده برای 12 کانال نیاز است.