Száloptikai kommunikáció - Fiber-optic communication

Optikai szál patch szekrény. A sárga kábelek egymódú szálak ; a narancssárga és a kék kábel többmódú szálak : 62,5/125 μm OM1 és 50/125 μm OM3 szálak.

A Stealth Communications üvegszálas személyzete 432 fős sötét szálas kábelt telepít Manhattan városközpontjának utcái alá, New York City

A száloptikai kommunikáció az információ egyik helyről a másikra történő továbbításának módja az infravörös fényimpulzusok küldésével egy optikai szálon . A fény a hordozóhullám egyik formája , amely modulálva van az információ továbbítására. A szál előnyben részesül az elektromos kábelezéssel szemben, ha nagy sávszélességre , nagy távolságra vagy elektromágneses interferencia -mentességre van szükség. Az ilyen típusú kommunikáció képes hangot, videót és telemetriát továbbítani helyi hálózatokon keresztül vagy nagy távolságokon keresztül.

Az optikai szálat számos távközlési vállalat használja telefonjelek, internetes kommunikáció és kábeltelevíziós jelek továbbítására. A Bell Labs kutatói rekordszálas sávszélesség-távolság terméket értek el , több mint 100 petabit × kilométer másodpercenként száloptikai kommunikáció használatával.

Háttér

Az 1970-es években először kifejlesztett száloptika forradalmasította a távközlési iparágat, és nagy szerepet játszott az információs kor eljövetelében . Az elektromos átvitellel szembeni előnyei miatt az optikai szálak nagyrészt felváltották a rézhuzalos kommunikációt a gerinchálózatokban a fejlett világban .

Az üvegszálas kommunikáció folyamata a következő alapvető lépéseket tartalmazza:

1. optikai jel létrehozása az adó használatával, általában elektromos jelből
2. továbbítja a jelet a szál mentén, biztosítva, hogy a jel ne legyen túl torz vagy gyenge
3. az optikai jel vétele
4. elektromos jellé alakítva

Alkalmazások

Az optikai szálat a távközlési vállalatok használják telefonjelek, internetes kommunikáció és kábeltelevíziós jelek továbbítására. Más iparágakban is használják, beleértve az orvosi, védelmi, kormányzati, ipari és kereskedelmi. Amellett, hogy a távközlési célokat szolgálja, fényvezetőként, képalkotó eszközök, lézerek, szeizmikus hullámok hidrofonjai, SONAR, valamint nyomás- és hőmérsékletmérő szenzorokként használják.

Az alacsonyabb csillapítás és interferencia miatt az optikai szálnak előnyei vannak a rézhuzalhoz képest a nagy távolságú, nagy sávszélességű alkalmazásokban. A városokon belüli infrastruktúra-fejlesztés azonban viszonylag nehéz és időigényes, a száloptikai rendszereket pedig összetett és költséges lehet telepíteni és üzemeltetni. E nehézségek miatt a korai száloptikai kommunikációs rendszereket elsősorban távolsági alkalmazásokba telepítették, ahol teljes átviteli kapacitásukkal kihasználhatók, ellensúlyozva a megnövekedett költségeket. A száloptikai kommunikáció ára 2000 óta jelentősen csökkent.

A szál otthoni bevezetésének ára jelenleg költséghatékonyabb, mint a réz alapú hálózat kiépítése. Az árak előfizetőnként 850 dollárra csökkentek az Egyesült Államokban, és alacsonyabbak olyan országokban, mint Hollandia, ahol az ásási költségek alacsonyak, és magas a lakhatási sűrűség.

1990 óta, amikor az optikai erősítőrendszerek kereskedelmi forgalomba kerültek, a távközlési iparág kiterjesztette a helyközi és az óceánközi szálú kommunikációs vonalak hatalmas hálózatát. 2002 -re elkészült egy 250 000 km hosszú , 2,56 Tb /s kapacitású tengeralattjáró -kommunikációs kábel interkontinentális hálózata , és bár bizonyos hálózati kapacitások kiváltságos információk, a távközlési beruházási jelentések szerint a hálózati kapacitás drámaian megnőtt 2004 óta.

Történelem

1880-ban Alexander Graham Bell és asszisztense, Charles Sumner Tainter megalkották a száloptikai kommunikáció nagyon korai előfutárát, a Photophone-t , a Bell újonnan létrehozott washingtoni Volta Laboratóriumában . Bell ezt tartotta legfontosabb találmányának. A készülék lehetővé tette a hang továbbítását egy fénysugáron. 1880. június 3 -án Bell a világ első vezeték nélküli telefonátvitelét végezte két épület között, mintegy 213 méterre egymástól. Légköri átviteli közeg használata miatt a fotofon nem bizonyulna praktikusnak, amíg a lézeres és optikai szál technológiák fejlődése lehetővé tette a fény biztonságos szállítását. A Photophone első gyakorlati haszna sok évtizeddel később jelent meg a katonai kommunikációs rendszerekben.

1954 -ben Harold Hopkins és Narinder Singh Kapany kimutatták, hogy a hengerelt üvegszál lehetővé teszi a fény továbbítását.

Jun-ichi Nishizawa , egy japán tudós Tohoku Egyetem , javasolt a használata optikai szálak számára kommunikációs 1963 Nishizawa feltalálták a PIN-dióda és a statikus indukciós tranzisztor , mindkettő hozzájárultak az optikai szál kommunikációs.

1966 -ban Charles K. Kao és George Hockham a Standard Telecommunication Laboratories -ban kimutatta, hogy a meglévő üveg 1000 dB/km vesztesége (a koaxiális kábel 5-10 dB/km -hez képest) az esetlegesen eltávolítható szennyeződéseknek köszönhető.

Az optikai szálat 1970 -ben sikeresen fejlesztette ki a Corning Glass Works , amelynek kommunikációs céljaira elég alacsony volt a csillapítás (kb. 20  dB /km), ugyanakkor GaAs félvezető lézereket fejlesztettek ki, amelyek kompaktak, és ezért alkalmasak fényáteresztésre hosszútáv.

1973-ban az Optelecom , Inc., amelyet a lézer feltalálója, Gordon Gould társalapított , szerződést kapott az ARPA-tól az egyik első optikai kommunikációs rendszerre. A hadsereg rakétaparancsnokságának Huntsville-ben, Alabama államban kifejlesztett rendszer célja egy rövid hatótávolságú rakéta távoli repülése volt a talajról egy öt kilométer hosszú optikai szál segítségével, amely repülés közben nem hullott le a rakétáról.

Az 1975-től kezdődő kutatási időszak után kifejlesztették az első kereskedelmi forgalomban lévő száloptikai kommunikációs rendszert, amely 0,8 μm körüli hullámhosszon működött és GaAs félvezető lézereket használt. Ez az első generációs rendszer 45 Mbit/s bitsebességgel működött, és az ismétlő távolság 10 km volt. Hamarosan, 1977. április 22 -én a General Telephone and Electronics elküldte az első élő telefonforgalmat száloptikán keresztül, 6 Mbit/s átviteli sebességgel a kaliforniai Long Beach -en.

1973 októberében, a Corning Glass aláírt egy fejlesztési szerződést CSELT és Pirelli célja a vizsgálati száloptika városi környezetben: 1977 szeptemberében, a második kábelt a vizsgálati sorozatban elemzi COS-2-ben kísérletileg telepített két vezeték (9 km ) Torinóban , először egy nagyvárosban, 140 Mbit/s sebességgel.

A száloptikai kommunikáció második generációját az 1980-as évek elején fejlesztették ki kereskedelmi használatra, 1,3 μm-en működtették, és InGaAsP félvezető lézereket használtak. Ezeket a korai rendszereket kezdetben korlátozta a több üzemmódú száldiszperzió, és 1981 - ben kiderült, hogy az egymódú szál nagymértékben javítja a rendszer teljesítményét, azonban az egymódú szállal való együttműködésre alkalmas praktikus csatlakozókat nehéz volt kifejleszteni. A kanadai SaskTel szolgáltató befejezte a világ leghosszabb kereskedelmi száloptikai hálózatának építését, amely 3268 km -t (2031 mérföldet) és 52 közösséget kötött össze. 1987 -ig ezek a rendszerek akár bitsebességgel is működtek1,7 Gbit/s , ismétlő távolság 50 km -ig (31 mi).

Az első transzatlanti telefonkábel , amely optikai szálat használt, a TAT-8 volt , amely a Desurvire által optimalizált lézer-erősítési technológián alapult . 1988 -ban kezdte meg működését.

A harmadik generációs száloptikai rendszerek 1,55 μm-en működtek, és veszteségeik körülbelül 0,2 dB/km voltak. Ezt a fejlődést az indium -gallium -arzenid felfedezése és az indium -gallium -arzenid fotodióda Pearsall által kifejlesztése ösztönözte . A mérnökök leküzdötték a korábbi InGaAsP félvezető lézerek ezen a hullámhosszon történő impulzusszórással kapcsolatos nehézségeit diszperziós eltolt szálak használatával, amelyeket úgy terveztek, hogy minimális diszperziójuk legyen 1,55 μm-en, vagy a lézerspektrum egyetlen hosszirányú módra való korlátozásával . Ezek a fejlesztések végül lehetővé tették a harmadik generációs rendszerek kereskedelmi működését2,5 Gbit/s, az ismétlő távolság 100 km -nél (62 mi) nagyobb.

A száloptikai kommunikációs rendszerek negyedik generációja optikai erősítéssel csökkentette az ismétlők és a hullámhossz-osztásos multiplexelés szükségességét az adatkapacitás növelése érdekében . Ez a két fejlesztés forradalmat okozott, amelynek eredményeképpen a rendszer kapacitása 1992 -től kezdődően félévente megduplázódott, bites sebességigA 10  Tb/s értéket 2001-re érték el. 2006-ban a bitráta14 Tb/s -ot értek el egyetlen 160 km -es vonalon optikai erősítők használatával.

A száloptikai kommunikáció ötödik generációjának fejlesztésének középpontjában az a hullámhossz-tartomány kiterjesztése áll, amelyen a WDM rendszer működhet. A hagyományos hullámhosszablak, amelyet C-sávnak neveznek, 1,53–1,57 μm hullámhossztartományt takar, a száraz szál pedig alacsony veszteségű ablakkal rendelkezik , amely ezt a tartományt 1,30–1,65 μm -re ígéri. További fejlemények közé tartozik az " optikai szolitonok " fogalma , olyan impulzusok, amelyek megőrzik alakjukat úgy, hogy egy meghatározott alakú impulzusok használatával ellensúlyozzák a diszperzió hatásait a szál nemlineáris hatásaival .

A kilencvenes évek végén-2000-ben az iparág promóterei és kutatócégek, mint például a KMI és az RHK előrejelzése szerint a kommunikációs sávszélesség iránti kereslet hatalmas növekedését jósolta az internet fokozott használata miatt , és különböző sávszélesség-igényes fogyasztói szolgáltatások, például igény szerinti videók kereskedelmi forgalomba hozatalát. . Az internetes protokoll adatforgalma exponenciálisan nőtt, gyorsabban, mint az integrált áramkör összetettsége a Moore -törvény értelmében . A dot-com buborék mellszobrától 2006-ig azonban az iparág fő tendenciája a vállalatok konszolidációja és a gyártás kiszállítása a költségek csökkentése érdekében. Az olyan vállalatok, mint a Verizon és az AT&T , kihasználták a száloptikai kommunikációt, hogy számos nagy teljesítményű adatot és szélessávú szolgáltatást nyújtsanak a fogyasztók otthonába.

Technológia

A modern száloptikai kommunikációs rendszerek általában tartalmaznak egy optikai jeladót, amely az elektromos jelet optikai jellé alakítja át, hogy azt az optikai szálon keresztül küldjék, egy kábelt, amely több optikai szál kötegét tartalmazza, és amelyet földalatti vezetékeken és épületeken keresztül vezetnek, többféle erősítőt és optikai vevőegység a jel elektromos jelként történő visszanyerésére. A továbbított információ tipikusan számítógépek, telefonrendszerek és kábeltelevíziós társaságok által generált digitális információ .

Adók

A GBIC modul (itt látható, a fedél levéve) egy optikai és elektromos adó -vevő . Az elektromos csatlakozó a jobb felső sarokban, az optikai csatlakozó pedig a bal alsó sarokban található

A leggyakrabban használt optikai távadók a félvezető eszközök, például a fénykibocsátó diódák (LED-ek) és a lézerdiódák . A különbség a LED -ek és a lézerdiódák között az, hogy a LED -ek inkoherens fényt , míg a lézerdiódák koherens fényt termelnek . Az optikai kommunikációban való használatra a félvezető optikai távadókat kompaktnak, hatékonynak és megbízhatónak kell megtervezni, miközben optimális hullámhossztartományban működnek, és közvetlenül magas frekvencián modulálnak.

A legegyszerűbb formában a LED egy előre elfogult pn csomópont , amely spontán emisszió révén bocsát ki fényt , ezt a jelenséget elektrolumineszcenciának nevezik . A kibocsátott fény inkoherens, viszonylag széles spektrális szélessége 30–60 nm. A LED -fényáteresztés szintén nem hatékony, mivel a bemeneti teljesítménynek csak körülbelül 1% -a, vagy körülbelül 100 mikrowattja alakul át végül az optikai szálba kapcsolt indított energiává. Viszonylag egyszerű kialakításuk miatt azonban a LED-ek nagyon hasznosak alacsony költségű alkalmazásokhoz.

A kommunikációs LED -ek leggyakrabban indium -gallium -arzén -foszfidból (InGaAsP) vagy gallium -arzenidből (GaAs) készülnek . Mivel az InGaAsP LED -ek hosszabb hullámhosszon működnek, mint a GaAs LED -ek (1,3 mikrométer vs. 0,81–0,87 mikrométer), a kimeneti spektrumuk, míg az energiával egyenértékű hullámhossz tekintetében körülbelül 1,7 -szeres. A LED-ek nagy spektrumú szélessége nagyobb szál-diszperziónak van kitéve, ami jelentősen korlátozza a bitsebesség-távolság termékét (ez a hasznosság közös mércéje). A LED-ek elsősorban helyi hálózatú alkalmazásokhoz alkalmasak , 10–100 Mbit/s bitsebességgel és néhány kilométeres átviteli távolsággal. Olyan LED-eket is kifejlesztettek, amelyek több kvantumkút segítségével különböző hullámhosszúságú fényt bocsátanak ki széles spektrumban, és jelenleg a helyi WDM (Wavelength-Division Multiplexing) hálózatokban használatosak.

Napjainkban a LED -eket nagyrészt felváltották a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) eszközök, amelyek hasonló költségek mellett jobb sebességet, teljesítményt és spektrális tulajdonságokat kínálnak. A közös VCSEL eszközök jól illeszkednek a több üzemmódú szálhoz.

A félvezető lézer stimulált kibocsátáson keresztül bocsát ki fényt, nem pedig spontán sugárzást, ami nagy kimeneti teljesítményt (~ 100 mW) eredményez, valamint a koherens fény jellegével kapcsolatos egyéb előnyöket. A lézer kimenete viszonylag irányított, lehetővé téve a nagy kapcsolási hatékonyságot (~ 50 %) az egymódú szálhoz. A keskeny spektrális szélesség nagy bitsebességeket is lehetővé tesz, mivel csökkenti a kromatikus diszperzió hatását . Ezenkívül a félvezető lézerek közvetlenül modulálhatók magas frekvenciákon a rövid rekombinációs idő miatt .

A száloptikában használt félvezető lézertávadók általánosan használt osztályai közé tartozik a VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser), a Fabry – Pérot és a DFB (Distributed Feed Back).

A lézerdiódákat gyakran közvetlenül modulálják , vagyis a fénykimenetet közvetlenül a készülékre alkalmazott áram vezérli. Nagyon nagy adatátviteli sebesség vagy nagyon nagy távolságú kapcsolatok esetén a lézerforrás folyamatos hullámmal működtethető , és a fényt külső eszköz, optikai modulátor , például elektroabszorpciós modulátor vagy Mach – Zehnder interferométer modulálhatja . A külső moduláció növeli az elérhető kapcsolati távolságot a lézercsipogás kiküszöbölésével , ami megnöveli a közvetlenül modulált lézerek vonalszélességét , növelve a szál kromatikus diszperzióját. A nagyon nagy sávszélesség -hatékonyság érdekében koherens moduláció alkalmazható a fény fázisának változtatására az amplitúdón kívül, lehetővé téve a QPSK , QAM és OFDM használatát .

Az adó -vevő olyan eszköz, amely egy házban egyesíti az adót és a vevőt (lásd a jobb oldali képet).

A száloptika nemrégiben fejlődött a technológiában. "A kettős polarizációjú kvadratúra fáziseltolásos kulcsolás egy modulációs formátum, amely hatékonyan négyszer annyi információt küld, mint az azonos sebességű hagyományos optikai átvitel."

Vevők

A fő összetevője egy optikai vevőegység egy fotodetektor , amely átalakítja a fényt elektromos árammá a fényelektromos hatás . A távközlés elsődleges fényérzékelői indium -gallium -arzenidből készülnek . A fotodetektor jellemzően egy félvezető alapú fotodióda . A fotodióda több típusa a pn fotodióda, a pin fotodióda és a lavina fotodióda. Fém-félvezető-fém (MSM) fotodetektorokat is használnak, mivel alkalmasak az áramkörök integrálására a regenerátorokban és a hullámhossz-osztásos multiplexerekben.

Az optikai-elektromos átalakítók jellemzően egy transzimpedanciás erősítővel és egy korlátozó erősítővel vannak összekapcsolva, hogy digitális jelet állítsanak elő az elektromos tartományban a bejövő optikai jelből, amely gyengülhet és torzulhat a csatornán való áthaladás során. További adatfeldolgozás, például az adatokból történő óra-helyreállítás (CDR), amelyet fáziszárolt hurok hajt végre, szintén alkalmazható az adatok továbbítása előtt.

A koherens vevőkészülékek helyi oszcillátor lézert használnak páros hibrid csatoló párral és négy fotodetektorral kombinálva polarizációnként, majd nagy sebességű ADC -ket és digitális jelfeldolgozást alkalmaznak a QPSK, QAM vagy OFDM modulált adatok helyreállításához.

Digitális torzítás

Az optikai kommunikációs rendszer adó áll a digitális-analóg átalakító (DAC), a meghajtó erősítőt és egy Mach-Zehnder-modulátor . A magasabb modulációs formátumok (> 4 QAM ) vagy a magasabb Baud-sebességek (> 32 GBaud) telepítése csökkenti a rendszer teljesítményét a lineáris és nem-lineáris adóhatások miatt. Ezek a hatások lehet sorolni lineáris torzulások miatt DAC sávszélesség-korlátozás és jeladó I / Q ferdeséget , valamint a nem-lineáris hatások által okozott erősítés telítettség a meghajtó erősítőhöz és a Mach-Zehnder modulátor. A digitális elő torzítás ellensúlyozza a rontó hatásokat, és lehetővé teszi az 56 GBaud -os Baud -sebességet és a modulációs formátumokat, például 64 QAM és 128 QAM a kereskedelemben kapható alkatrészekkel. A jeladó digitális jelfeldolgozója digitális elő torzítást végez a bemeneti jeleken az inverz adómodell használatával, mielőtt feltöltené a mintákat a DAC -ba.

A régebbi digitális elő torzítási módszerek csak a lineáris hatásokkal foglalkoztak. A nemrégiben megjelent publikációk szintén kompenzálták a nemlineáris torzulásokat. Berenguer és mtsai a Mach – Zehnder modulátort mint független Wiener rendszert modellezik, a DAC-t és a meghajtóerősítőt pedig egy csonka, időinvariáns Volterra sorozat modellezi . Khanna és munkatársai memóriapolinom segítségével modellezték az adó komponenseit együtt. Mindkét megközelítésben a Volterra-sorozat vagy a memória polinomiális együtthatói megtalálhatók az indirekt tanulási architektúra használatával . Duthel és munkatársai a Mach-Zehnder modulátor minden ágához több jelet rögzítenek, különböző polaritásban és fázisokban. A jeleket az optikai mező kiszámítására használják. A fázis- és kvadratúramezők keresztkorrelációja azonosítja az időzítést . A frekvenciaválaszt és a nemlineáris hatásokat az indirekt tanulási architektúra határozza meg.

Szálkábelek típusai

Kábeltekercses utánfutó vezetékkel, amely optikai szálat képes szállítani

Több üzemmódú optikai szál földalatti szervizgödörben

Az optikai szál kábel magból, burkolatból és pufferből (védő külső bevonat) áll, amelyben a burkolat a teljes belső visszaverődés módszerével vezeti a fényt a mag mentén . A mag és a burkolat (amelynek alacsonyabb a törésmutatója ) általában kiváló minőségű szilícium - dioxid- üvegből készül, bár mindkettő műanyagból is készülhet. Két optikai szál összekapcsolása fúziós illesztéssel vagy mechanikus összeillesztéssel történik, és speciális szaktudást és összekapcsolási technológiát igényel a szálmagok összehangolásához szükséges mikroszkopikus pontosság miatt.

Az optikai kommunikációban használt optikai szálak két fő típusa a többmódú optikai szálak és az egymódú optikai szálak . A több üzemmódú optikai szál nagyobb maggal rendelkezik (≥ 50 mikrométer ), így kevésbé pontos, olcsóbb adók és vevők csatlakozhatnak hozzá, valamint olcsóbb csatlakozók. A több üzemmódú szál azonban többmódú torzítást vezet be , ami gyakran korlátozza a kapcsolat sávszélességét és hosszát. Ezenkívül a többféle módú szálak magasabb adalékanyag- tartalma miatt általában drágák és nagyobb csillapítással rendelkeznek. Az egymódú szál magja kisebb (<10 mikrométer), és drágább alkatrészeket és összekapcsolási módszereket igényel, de sokkal hosszabb, nagyobb teljesítményű kapcsolatokat tesz lehetővé. Mind az egy-, mind a több üzemmódú szálat különböző osztályokban kínálják.

Annak érdekében, hogy a szálat kereskedelmi forgalomban lévő termékbe csomagolják, jellemzően ultraibolya (UV), fényre keményedő akrilát polimerek használatával bevonják , majd optikai szálas csatlakozókkal zárják le , és végül kábelbe szerelik. Ezt követően le lehet fektetni a talajba, majd át lehet futtatni egy épület falain, és légi úton lehet kihelyezni a rézkábelekhez hasonló módon. Ezek a szálak telepítésük után kevesebb karbantartást igényelnek, mint a hagyományos sodrott érpárú vezetékek.

Speciális kábeleket használnak a nagy távolságú víz alatti adatátvitelhez, pl. Transzatlanti kommunikációs kábel . A kereskedelmi vállalkozások ( Emerald Atlantis , Hibernia Atlantic ) által üzemeltetett új (2011–2013) kábelek jellemzően négy szál szálból állnak, és 60–70 ms-ban kelnek át az Atlanti-óceánon (NYC-London). Minden ilyen kábel költsége körülbelül 300 millió dollár volt 2011 -ben. Forrás: The Chronicle Herald .

Egy másik gyakori gyakorlat az, hogy sok száloptikai szálat összekötnek a távolsági erőátviteli kábellel. Ez hatékonyan használja ki az energiaátviteli jogokat, biztosítja, hogy az energiaszolgáltató társaság birtokolhassa és vezérelhesse saját eszközei és vonalai megfigyeléséhez szükséges szálat, hatékonyan védett legyen a hamisítás ellen, és egyszerűsíti az intelligens hálózattechnológia bevezetését .

Erősítés

A száloptikai kommunikációs rendszer átviteli távolságát hagyományosan a szálcsillapítás és a szál torzítása korlátozza. Az optoelektronikus ismétlők használatával ezek a problémák megszűntek. Ezek az átjátszók a jelet elektromos jellé alakítják, majd egy adó segítségével ismét nagyobb intenzitással küldik a jelet, mint amit vették, így ellensúlyozva az előző szegmensben felmerült veszteséget. A modern hullámhossz-osztású multiplexelt jelek nagy összetettsége miatt, beleértve azt a tényt is, hogy ezeket körülbelül 20 km-enként kellett telepíteni, ezeknek az ismétlőknek a költsége nagyon magas.

Alternatív megoldás az optikai erősítők használata, amelyek közvetlenül erősítik az optikai jelet anélkül, hogy a jelet elektromos tartományba kellene átalakítani. Az optikai erősítők egyik gyakori típusát Erbium-adalékolt szálerősítőnek vagy EDFA-nak nevezik. Ezeket úgy állítjuk elő, adalékolásával hossza szál a ritkaföldfém-ásványi erbium , és szivattyúzás ez a fény a lézer rövidebb hullámhosszú, mint a távközlési jel (tipikusan 980  nm ). Az EDFA -k nyereséget biztosítanak az ITU C sávban 1550 nm -en, ami közel van az optikai szál veszteségminimumához.

Az optikai erősítőknek számos jelentős előnye van az elektromos ismétlőkkel szemben. Először is, egy optikai erősítő egyszerre nagyon széles sávot tud felerősíteni, amely több száz egyedi csatornát tartalmazhat, így nincs szükség a DWDM jelek demultiplexelésére minden erősítőnél. Másodszor, az optikai erősítők az adatsebességtől és a modulációs formátumtól függetlenül működnek, lehetővé téve több adatátviteli sebesség és modulációs formátum együttes létezését, és lehetővé teszik a rendszer adatsebességének frissítését anélkül, hogy az összes ismétlőt le kellene cserélni. Harmadszor, az optikai erősítők sokkal egyszerűbbek, mint az azonos képességű átjátszó, ezért lényegesen megbízhatóbbak. Az optikai erősítők nagyrészt felváltották az ismétlőket az új telepítéseknél, bár az elektronikus ismétlőket még mindig széles körben használják transzponderként a hullámhossz -átalakításhoz.

Hullámhossz-osztásos multiplexelés

A hullámhossz-osztásos multiplexelés (WDM) az a technika, amellyel több információcsatornát továbbítanak egyetlen optikai szálon keresztül, több különböző hullámhosszú fénysugarat küldve a szálon, mindegyiket külön információs csatornával modulálva. Ez lehetővé teszi az optikai szálak rendelkezésre álló kapacitásának megsokszorozását. Ehhez szükség van egy hullámhossz -osztású multiplexerre az adó berendezésben és egy demultiplexerre (lényegében spektrométerre ) a vevő berendezésre. A tömbös hullámvezető rácsokat általában WDM multiplexeléséhez és demultiplexeléséhez használják. A kereskedelemben kapható WDM technológia használatával a szál sávszélessége akár 160 csatornára is felosztható, így támogatva a kombinált bitsebességet az 1,6 Tbit/s tartományban .

Paraméterek

Sávszélesség – távolság termék

Mivel a diszperzió hatása a szál hosszával növekszik, a szálátviteli rendszert gyakran a sávszélesség -távolság szorzata jellemzi, amelyet általában MHz · km egységben fejeznek ki . Ez az érték a sávszélesség és a távolság szorzata, mivel kompromisszum van a jel sávszélessége és a továbbítható távolság között. Például egy közös, több üzemmódú szál, amelynek sávszélesség-távolság szorzata 500 MHz · km, 500 MHz jelet hordozhat 1 km-re vagy 1000 MHz jelet 0,5 km-re.

Rekord sebesség

Minden szál sok független csatornát hordozhat, amelyek mindegyike különböző fényhullámhosszat használ ( hullámhossz-osztásos multiplexelés ). A rostonkénti nettó adatátviteli sebesség (adatátviteli sebesség bájtok nélkül) a csatornánkénti adatsebesség, amelyet csökkent az előre meghatározott hibajavítás (FEC) általános költsége, megszorozva a csatornák számával (általában nyolcvan a kereskedelmi forgalomban lévő sűrű WDM rendszerekben 2008-tól) ).

Szabványos szálkábelek

Az alábbiakban összefoglaljuk a jelenlegi legkorszerűbb kutatásokat, amelyek szabványos távközlési minőségű, egy módú, egyszilárd magú szálkábeleket használnak.

A 2016 -os Nokia/DT/TUM eredmény figyelemre méltó, mivel ez az első eredmény, amely közel kerül a Shannon elméleti határhoz .

A 2011 -es KIT és a 2020 -as RMIT/Monash/Swinburne eredmények figyelemre méltóak, mivel egyetlen forrást használtak az összes csatorna meghajtására.

Speciális kábelek

Az alábbiakban összefoglaljuk a jelenlegi legkorszerűbb kutatásokat speciális kábelek használatával, amelyek lehetővé teszik a térbeli multiplexelést, speciális hárommódú szálkábeleket vagy hasonló speciális száloptikai kábeleket használva.

A 2018 -as NICT eredmény nevezetes azzal, hogy megdöntötte az átviteli rekordot egymagos kábellel, vagyis nem térbeli multiplexelést alkalmazva .

Új technikák

A DTU, a Fujikura és az NTT kutatásai figyelemre méltóak abban, hogy a csapat képes volt az optika energiafogyasztását körülbelül 5% -ra csökkenteni a mainstream technikákhoz képest, ami nagyon energiahatékony optikai alkatrészek új generációjához vezethet.

Az ausztráliai Melbourne-i RMIT Egyetem kutatása során kifejlesztettek egy nanofotonikus eszközt, amely 100-szorosára növelte az elérhető száloptikai sebességet csavart fénytechnikával. Ez a technika spirális formába sodort fényhullámok adatait hordozza, hogy tovább növelje az optikai kábel kapacitását, ezt a technikát orbitális szögimpulzusnak (OAM) nevezik. A nanofotonikus eszköz ultravékony topológiai nanolemezeket használ a milliméteres csavart fény töredékének mérésére, a nanoelektronikai eszköz az USB-csatlakozó méreténél kisebb csatlakozóba van ágyazva, könnyen illeszkedik egy optikai szál kábel végére. A készülék csavart fényen keresztül küldött kvantuminformációk fogadására is használható, valószínűleg a kvantumkommunikáció és a kvantumszámítási kutatás új tartományában fogják használni.

Diszperzió

A modern üvegoptikai szálak esetében a maximális átviteli távolságot nem az anyag közvetlen elnyelése, hanem többféle diszperzió vagy az optikai impulzusok terjedése korlátozza a szál mentén. Az optikai szálak szóródását számos tényező okozza. Az intermodális diszperzió , amelyet a különböző keresztirányú módok eltérő tengelyirányú sebessége okoz, korlátozza a többmódú szál teljesítményét . Mivel az egymódú szál csak egy keresztirányú módot támogat, az intermodális diszperzió megszűnik.

Az egymódú szálak teljesítményét elsősorban a kromatikus diszperzió korlátozza (más néven csoportsebességű diszperzió ), ami azért fordul elő, mert az üveg indexe kissé változik a fény hullámhosszától függően, és a valódi optikai adók fényének szükségszerűen nem nulla a spektrális szélessége ( moduláció miatt). A polarizációs mód diszperziója , amely a korlátozások egy másik forrása, azért fordul elő, mert bár az egymódú szál csak egy keresztirányú módot képes fenntartani, ezt az üzemmódot két különböző polarizációval is elviselheti, és a szál enyhe hiányosságai vagy torzulásai megváltoztathatják a kettő terjedési sebességét polarizációk. Ezt a jelenséget szál kettős törésnek nevezik, és ellensúlyozható polarizációt fenntartó optikai szálakkal . A szórás korlátozza a szál sávszélességét, mert a szétterülő optikai impulzus korlátozza azt a sebességet, hogy az impulzusok követhetik egymást a szálon, és mégis megkülönböztethetők legyenek a vevőn.

Bizonyos diszperziók, különösen a kromatikus diszperziók, eltávolíthatók „diszperziós kompenzátorral”. Ez úgy működik, hogy egy speciálisan előkészített szálhosszúságot használnak, amelynek diszperziója ellentétes az átviteli szál indukciójával, és ez élesíti az impulzust, hogy az elektronika megfelelően dekódolja.

Csillapítás

A szálcsillapítást , amely szükségessé teszi az erősítőrendszerek használatát, az anyag abszorpciója , a Rayleigh -szórás , a Mie -szórás és a csatlakozási veszteségek kombinációja okozza . Bár a tiszta szilícium -dioxid anyagfelvétele mindössze 0,03 dB/km (a modern szálak csillapítása körülbelül 0,3 dB/km), az eredeti optikai szálak szennyeződései körülbelül 1000 dB/km csillapítást okoztak. A csillapítás egyéb formáit a szál fizikai igénybevételei, a sűrűség mikroszkopikus ingadozása és a tökéletlen illesztési technikák okozzák.

Átviteli ablakok

Minden hatás, amely hozzájárul a csillapításhoz és a diszperzióhoz, az optikai hullámhossztól függ. Vannak hullámhossz -sávok (vagy ablakok), ahol ezek a hatások a leggyengébbek, és ezek a legkedvezőbbek az átvitelhez. Ezeket az ablakokat szabványosították, és a jelenleg meghatározott sávok a következők:

Vegye figyelembe, hogy ez a táblázat azt mutatja, hogy a jelenlegi technológiának sikerült áthidalnia az eredetileg szétválasztott második és harmadik ablakot.

Történelmileg az O sáv alatt használt egy ablakot, az első ablakot, 800–900 nm -en; azonban a veszteségek nagyok ebben a régióban, ezért ezt az ablakot elsősorban rövid távú kommunikációra használják. A jelenlegi alsó ablakok (O és E) 1300 nm körül sokkal kisebb veszteséggel rendelkeznek. Ez a régió nulla diszperzióval rendelkezik. Az 1500 nm körüli középső ablakok (S és C) a legelterjedtebbek. Ez a régió rendelkezik a legkisebb csillapítási veszteséggel és a leghosszabb tartományt érik el. Van némi diszperziója, ezért ennek eltávolítására diszperziós kompenzáló eszközöket használnak.

Regeneráció

Ha egy kommunikációs összeköttetésnek nagyobb távolságra kell kiterjednie, mint amennyi a meglévő száloptikai technológia képes, a jelet a kapcsolat közbenső pontjain optikai kommunikációs ismétlőkkel kell regenerálni . Az ismétlők jelentős költségekkel járnak a kommunikációs rendszerben, és így a rendszertervezők megpróbálják minimalizálni használatukat.

A szál- és optikai kommunikációs technológia legújabb fejlesztései eddig csökkentették a jelromlást, így az optikai jel regenerálására csak több száz kilométeren keresztül van szükség. Ez nagymértékben csökkentette az optikai hálózatok költségeit, különösen a tenger alatti szakaszokon, ahol az ismétlők költsége és megbízhatósága az egyik kulcsfontosságú tényező, amely meghatározza a teljes kábelrendszer teljesítményét. A teljesítménynövekedéshez hozzájáruló fő előrelépések a diszperziókezelés, amely a diszperzió és a nemlinearitás közötti hatások kiegyensúlyozására törekszik; és szolitonok , amelyek nemlineáris hatásokat alkalmaznak a szálban, hogy lehetővé tegyék a diszperziómentes terjedést nagy távolságokon.

Utolsó mérföld

Bár a száloptikai rendszerek kitűnőek a nagy sávszélességű alkalmazásokban, az optikai szálak lassan jutottak el ahhoz a célhoz, hogy a szálakat a helyiségekbe juttassák el, vagy megoldják az utolsó mérföldes problémát. Az FTTH telepítése azonban jelentősen nőtt az elmúlt évtizedben, és a tervek szerint a közeljövőben több millió előfizetőt fog kiszolgálni. Japánban például az EPON nagyrészt felváltotta a DSL -t, mint szélessávú internetforrást. A dél-koreai KT az FTTH (Fiber To The Home) nevű szolgáltatást is nyújt , amely száloptikai kapcsolatot biztosít az előfizető otthonához. A legnagyobb FTTH telepítések Japánban, Dél -Koreában és Kínában vannak. Szingapúr megkezdte teljes szálas jövőbeli generációs országos szélessávú hálózatának (Next Gen NBN) megvalósítását, amelyet 2012-ben fejeznek be, és amelyet az OpenNet telepít. Mióta 2010 szeptemberében megkezdték a szolgáltatások bevezetését, Szingapúrban a hálózat lefedettsége elérte az országos 85% -ot.

Az Egyesült Államokban a Verizon Communications egy FTTH szolgáltatást nyújt FiOS néven , hogy meglévő területén belül magas ARPU (Average Revenue Per User) piacokat válasszon. A másik túlélő ILEC (vagy inkumbens helyi tőzsdei szolgáltató), az AT&T egy FTTN (Fiber To The Node) szolgáltatást használ, U-verse csavart érpárral az otthonba. MSO -versenytársaik FTTN -t alkalmaznak koax segítségével HFC használatával . Az összes nagyobb hozzáférési hálózat a szolgáltató hálózata és az ügyfél közötti távolság nagy részében optikai szálat használ.

A globálisan meghatározó hozzáférési hálózati technológia az EPON (Ethernet Passive Optical Network). Európában és az Egyesült Államokban a telekomok között a BPON (ATM-alapú szélessávú PON) és a GPON (Gigabit PON) gyökerei az FSAN (Full Service Access Network) és az ITU-T szabványszervezetek irányítása alatt állnak.

Összehasonlítás az elektromos erőátvitellel

Mobil száloptikai illesztési laboratórium földalatti kábelek eléréséhez és összeillesztéséhez

Kinyílt egy föld alatti száloptikai kötés

Az optikai szál és az elektromos (vagy réz ) átvitel közötti választás egy adott rendszerben számos kompromisszum alapján történik. Az optikai szálat általában olyan rendszerekhez választják, amelyek nagyobb sávszélességet igényelnek, vagy nagyobb távolságokat ölelnek fel, mint az elektromos kábelezés.

A szál fő előnyei a kivételesen alacsony veszteség (amely nagy távolságokat tesz lehetővé az erősítők/ismétlők között), a földáramok hiánya, valamint a parazita jelekkel és áramellátással kapcsolatos egyéb problémák, amelyek közösek a párhuzamos elektromos vezetőkben (mivel inkább a fénytől függ, mint a villamos energiától) és a száloptika dielektromos jellege), és eredendően magas adatátviteli képessége. Egyetlen nagy sávszélességű szálkábel cseréjére több ezer elektromos kapcsolatra lenne szükség. A szálak másik előnye, hogy még akkor is, ha hosszú távra futnak egymás mellett, a szálkábelek gyakorlatilag nem tapasztalnak áthallást , ellentétben bizonyos típusú elektromos távvezetékekkel . A szálakat nagy elektromágneses interferenciával (EMI) rendelkező területeken lehet telepíteni , például közművezetékek, áramvezetékek és vasúti sínek mellett. A nem fémből készült teljesen dielektromos kábelek ideálisak olyan helyeken is, ahol nagy a villámcsapás.

Összehasonlításképpen: míg az egysoros, hangminőségű, pár kilométernél hosszabb rézrendszerek kielégítő teljesítményhez soros jelismétlőket igényelnek, nem szokatlan, hogy az optikai rendszerek meghaladják a 100 kilométert (62 mérföldet), ha nincs aktív vagy passzív feldolgozás. Az egymódú szálkábelek általában 12 km (7,5 mérföld) hosszúságban kaphatók, minimálisra csökkentve a hosszú kábelezés során szükséges kötések számát. A több üzemmódú szál legfeljebb 4 km hosszúságban kapható, bár az ipari szabványok csak 2 km-es töretlen futásokat írnak elő.

Rövid távolságú és viszonylag kis sávszélességű alkalmazásokban gyakran az elektromos átvitelt részesítik előnyben

• Alacsonyabb anyagköltség, ahol nincs szükség nagy mennyiségre
• Alacsonyabb adó- és vevőköltségek
• Képesség villamos energia és jelek továbbítására (megfelelően kialakított kábelekben)
• Az átalakítók egyszerű kezelése lineáris módban.

Az optikai szálakat nehezebb és drágább összeilleszteni, mint az elektromos vezetékeket. Nagyobb teljesítmény esetén az optikai szálak érzékenyek a szálbiztosítékra , ami a szálmag katasztrofális megsemmisülését és az átviteli alkatrészek károsodását eredményezi.

Az elektromos átvitel ezen előnyei miatt az optikai kommunikáció nem gyakori a rövid box-to-box, backplane vagy chip-to-chip alkalmazásokban; ezeken a mérlegeken azonban optikai rendszereket mutattak be a laboratóriumban.

Bizonyos helyzetekben a szál még rövid távolságú vagy alacsony sávszélességű alkalmazásokhoz is használható, más fontos jellemzők miatt:

• Immunitás az elektromágneses interferenciákkal szemben, beleértve a nukleáris elektromágneses impulzusokat .
• Nagy elektromos ellenállás , így biztonságosan használható nagyfeszültségű berendezések közelében vagy különböző földpotenciállal rendelkező területek között .
• Kisebb súly - fontos például a repülőgépeknél.
• Nincs szikra - fontos gyúlékony vagy robbanásveszélyes gáz környezetben.
• Nem elektromágneses sugárzású, és nehéz megérinteni a jel megzavarása nélkül-ez fontos a nagy biztonságú környezetben.
• Sokkal kisebb kábelméret - fontos ott, ahol az út korlátozott, például meglévő épület hálózatba kötése, ahol kisebb csatornákat lehet fúrni, és helyet takaríthat meg a meglévő kábelcsatornákban és tálcákban.
• Korrózióállóság a nem fém átviteli közeg miatt

Az optikai szálak kábelei beépíthetők az épületekbe ugyanazzal a berendezéssel, mint a réz- és a koaxiális kábelek, bizonyos módosításokkal az optikai kábelek kis mérete, korlátozott húzási feszültsége és hajlítási sugara miatt. Az optikai kábeleket általában a csatornarendszerekbe lehet telepíteni 6000 méteres vagy annál hosszabb fesztávolságra, a csatorna állapotától, a csatornarendszer elrendezésétől és a telepítési technikától függően. A hosszabb kábelek egy közbenső ponton feltekercselhetők, és szükség esetén távolabb húzhatók a csatornarendszerbe.

Irányadó szabványok

Annak érdekében, hogy a különböző gyártók képesek legyenek olyan alkatrészeket kifejleszteni, amelyek kompatibilisek a száloptikai kommunikációs rendszerekben, számos szabványt dolgoztak ki. A Nemzetközi Távközlési Unió számos szabványt tesz közzé a szálak jellemzőivel és teljesítményével kapcsolatban, beleértve

• ITU-T G.651, "50/125 μm multimódusú osztályozott optikai szálkábel jellemzői"
• ITU-T G.652 , "Az egymódú optikai szál kábel jellemzői"

Más szabványok meghatározzák a szálak, az adók és a vevőkészülékek teljesítménykritériumait, amelyeket együtt kell használni a megfelelő rendszerekben. Néhány ilyen szabvány:

• 100 gigabites Ethernet
• 10 Gigabites Ethernet
• Szálas csatorna
• Gigabites Ethernet
• HIPPI
• Szinkron digitális hierarchia
• Szinkron optikai hálózat
• Optikai szállítási hálózat (OTN)

A TOSLINK a legelterjedtebb formátum a digitális audio kábelekhez, amelyek műanyag optikai szálat használnak a digitális források digitális vevőkészülékekhez való csatlakoztatásához .

Lásd még

• Sötét szál
• Szál az x -ig
• Szabad térben működő optikai kommunikáció
• Információelmélet
• Tengeralattjáró kommunikációs kábel
• Passzív optikai hálózat
• Térosztásos multiplexelés

Hivatkozások

További irodalom

• Keizer, Gerd. (2011). Optikai szál kommunikáció , 4. kiadás. New York, NY: McGraw-Hill, ISBN  9780073380711
• Senior, John. (2008). Optikai szál kommunikáció: elvek és gyakorlat , 3. kiadás. Prentice Hall. ISBN  978-0130326812

Külső linkek

• Hogyan működik a száloptika (Howstuffworks.com)
• A lézer és a száloptikai forradalom
• Száloptika, a Georgia State University hiperfizikájából
• "Az optikai kommunikáció megértése" Az IBM vörös könyve
• FTTx Primer 2008. július
• Száloptikai átvitel biztonsági és felügyeleti megoldásokban
• Száloptika - Internet, kábel- és telefonkommunikáció
• Szál alapú optikai átviteli rendszerek szimulációja