Moderní optické komunikační systémy obvykle zahrnují optický vysílač pro převod elektrického signálu na optický signál poslat přes optické vlákno, kabel, obsahující svazky více optických vláken, která je směrována přes podzemní potrubí a budov, více druhů zesilovače a optického přijímače obnovit signál jako elektrický signál. Přenášené informace jsou obvykle digitální informace generované počítači, telefonními systémy a společnostmi kabelové televize.

TransmittersEdit

je optický a elektrický transceiver. Konektor je v horním rohu a optické konektory jsou na spodní levé

nejčastěji používané optické vysílače jsou polovodičová zařízení, jako je světlo-emitující diody (Led) a laserové diody. Rozdíl mezi led a laserovými diodami spočívá v tom, že LED diody produkují nesouvislé světlo, zatímco laserové diody produkují koherentní světlo. Pro použití v optických komunikací, polovodičové optické vysílače musí být navržen tak, aby být kompaktní, efektivní a spolehlivé, při provozu v optimální vlnové délce a přímo modulován na vysokých frekvencích.

ve své nejjednodušší formě je LED křižovatka p-n, která vyzařuje světlo spontánní emisí, což je jev označovaný jako elektroluminiscence. Vyzařované světlo je nesouvislé s relativně širokou spektrální šířkou 30-60 nm. Přenos světla LED je také neefektivní, s pouze asi 1% vstupního výkonu, nebo asi 100 mikrowattů, nakonec přeměněn na zahájený výkon, který byl spojen s optickým vláknem. Díky relativně jednoduchému designu jsou však LED diody velmi užitečné pro nízkonákladové aplikace.

komunikační LED diody se nejčastěji vyrábějí z fosfidu arsenidu India Gallia (InGaAsP) nebo arsenidu Gallia (GaAs). Protože LED diody InGaAsP pracují na delší vlnové délce než LED diody GaAs (1,3 mikrometrů vs. 0,81–0.87 mikrometrů), jejich výstupní spektrum, zatímco ekvivalent v energii je z hlediska vlnové délky širší o faktor asi 1,7. Široká šířka spektra LED je vystavena vyššímu rozptylu vláken, což značně omezuje jejich produkt bit rate-distance (společná míra užitečnosti). LED diody jsou vhodné především pro lokální síťové aplikace s přenosovými rychlostmi 10-100 Mbit / sa přenosovými vzdálenostmi několika kilometrů. Byly také vyvinuty LED diody, které používají několik kvantových jamek k vyzařování světla při různých vlnových délkách v širokém spektru a v současné době se používají pro lokální sítě WDM (vlnová délka-Division Multiplexing).

dnes byly LED diody do značné míry nahrazeny zařízeními VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), která nabízejí lepší rychlost, výkon a spektrální vlastnosti za podobnou cenu. Běžná zařízení VCSEL se dobře spojují s vláknem s více režimy.

polovodičový laser emituje světlo spíše prostřednictvím stimulované emise než spontánní emise, což má za následek vysoký výstupní výkon (~100 mW) a další výhody související s povahou koherentního světla. Výstup laseru je relativně směrový, což umožňuje vysokou účinnost spojky (~50 %) do vlákna s jedním režimem. Úzká spektrální šířka také umožňuje vysoké přenosové rychlosti, protože snižuje účinek chromatické disperze. Kromě toho mohou být polovodičové lasery modulovány přímo při vysokých frekvencích kvůli krátké rekombinační době.

Běžně používané třídy polovodičové laserové vysílače používané v optických vláken patří VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser), Fabry–Pérot a DFB (Distributed Feed Back).

laserové diody jsou často přímo modulovány, to znamená, že světelný výkon je řízen proudem aplikovaným přímo na zařízení. Pro velmi vysoké přenosové rychlosti nebo velmi dlouhé vzdálenosti, odkazy, zdroj laseru může být provozován kontinuální vlnu, a světlo modulované externí zařízení, optické modulátory, jako je elektro-absorpční modulátor nebo Mach–Zehnder interferometru. Externí modulace zvyšuje dosažitelnou vzdálenost spojení tím, že eliminuje laserový chirp, který rozšiřuje šířku čáry přímo modulovaných laserů a zvyšuje chromatickou disperzi ve vlákně. Pro velmi vysokou účinnost šířky pásma může být koherentní modulace použita ke změně fáze světla kromě amplitudy, což umožňuje použití QPSK, QAM a OFDM.

transceiver je zařízení kombinující vysílač a přijímač v jediném pouzdře (viz obrázek vpravo).

optická vlákna zaznamenala nedávný pokrok v technologii. „Dual-polarizace kvadratura fázový posun klíčování je modulační formát, který účinně pošle čtyři krát tolik informací jako tradiční optické přenosy o stejné rychlosti.“

přijímače

hlavní složkou optického přijímače je fotodetektor, který pomocí fotoelektrického efektu převádí světlo na elektřinu. Primární fotodetektory pro telekomunikace jsou vyrobeny z arsenidu India Gallia. Fotodetektor je obvykle fotodioda založená na polovodičích. Několik typů fotodiod zahrnuje p-n fotodiody, p-i-n fotodiody a lavinové fotodiody. Fotodetektory kov-polovodič-kov (MSM) se také používají kvůli jejich vhodnosti pro integraci obvodů do regenerátorů a Multiplexerů s dělením vlnových délek.

Optické-elektrické převodníky jsou obvykle spolu s transimpedance amplifier a omezující zesilovač produkovat digitálního signálu v elektrické doméně z příchozí optický signál, který může být oslabené a zkreslený při průchodu kanálu. Další zpracování signálu, jako je obnovení hodin z dat (CDR) prováděné fázově uzamčenou smyčkou, může být také použito před předáním dat.

Koherentní přijímače použít lokální oscilátor laser v kombinaci s párem hybridní vazební členy a čtyři fotodetektory na polarizaci, následované vysokorychlostní ad převodníky a digitální zpracování signálu, aby obnovit data modulována s QPSK, QAM nebo OFDM.

digitální predistortionEdit

vysílač optického komunikačního systému se skládá z převodníku digitálního na analogový (DAC), zesilovače ovladače a modulátoru Mach–Zehnder. Nasazení vyšší modulační formáty (> 4QAM) nebo vyšší Přenosové rychlosti (> 32 GBaud) snižuje výkon systému vzhledem k lineární a non-lineární vysílač účinky. Tyto efekty mohou být kategorizovány v lineárních deformacích v důsledku omezení šířky pásma DAC a zkosení vysílače i/Q, jakož i nelineárních efektů způsobených saturací zisku v zesilovači řidiče a modulátoru Mach–Zehnder. Digitální predistortion působí proti znehodnocujících účinků a umožňuje Přenosové rychlosti až 56 GBaud a modulační formáty, jako 64QAM 128QAM a s komerčně dostupné komponenty. Procesor digitálního signálu vysílače provádí digitální predistorii na vstupních signálech pomocí inverzního modelu vysílače před nahráním vzorků do DAC.

starší digitální predistoriční metody se zabývaly pouze lineárními efekty. Nedávné publikace také kompenzovaly nelineární zkreslení. Modely Mach-zehnderova modulátoru jako nezávislého Wienerova systému a DAC a zesilovač řidiče jsou modelovány zkrácenou, časově invariantní řadou Volterra. Khanna et al použili paměťový polynom k společnému modelování součástí vysílače. V obou přístupech jsou Volterrovy řady nebo koeficienty polynomu paměti nalezeny pomocí architektury nepřímého učení. Duthel et al zaznamenává pro každou větev modulátoru Mach-Zehnder několik signálů s různou polaritou a fázemi. Signály se používají pro výpočet optického pole. Křížově korelující pole ve fázi a kvadratuře identifikují Časové zkosení. Frekvenční odezva a nelineární efekty jsou určeny architekturou nepřímého učení.

optický kabel typesEdit

kabel naviják přívěsu s conduit, který může nést optické vlákno

Multi-mode optických vláken v podzemním služby pit

optický optický kabel se skládá z jádra, pláště a nárazníkovou (ochrannou vnější vrstvou), ve kterém opláštění vede světlo podél jádra pomocí metody úplného vnitřního odrazu. Jádro a plášť (který má nižší index lomu) jsou obvykle vyrobeny z vysoce kvalitního křemičitého skla, i když mohou být oba vyrobeny také z plastu. Spojení dvou optických vláken se provádí pomocí fusion splétání nebo mechanické spojování a vyžaduje speciální dovednosti a propojení technologie, díky mikroskopické přesnosti nutné sladit vlákna jádra.

dva hlavní typy optických vláken používaných v optické komunikaci zahrnují vícemodová optická vlákna a jednomodová optická vlákna. Optické vlákno s více režimy má větší jádro (≥ 50 mikrometrů), což umožňuje připojení méně přesných, levnějších vysílačů a přijímačů a levnějších konektorů. Vlákno s více režimy však zavádí multimodové zkreslení, které často omezuje šířku pásma a délku spojení. Navíc, kvůli jeho vyššímu obsahu dopantů, multi-mode vlákna jsou obvykle drahé a vykazují vyšší útlum. Jádro single-mode vlákno je menší (<10 mikrometrů) a vyžaduje dražší komponenty a propojení metod, ale umožňuje mnohem delší, vyšší výkon odkazy. Jedno-i multi-mode vlákno je nabízeno v různých stupních.

V zájmu balení vlákniny v komerčně životaschopný produkt, obvykle je ochranitelsky potažené pomocí ultrafialové (UV), světlem tuhnoucí akrylátové polymery, pak ukončena s optické vlákno konektory, a nakonec sestaveny do kabelu. Poté může být položen do země a poté protékat stěnami budovy a letecky nasazen podobným způsobem jako měděné kabely. Tato vlákna vyžadují menší údržbu než běžné kroucené párové dráty, jakmile jsou nasazeny.

speciální kabely se používají pro dálkový podmořský přenos dat, např. transatlantický komunikační kabel. Nové (2011-2013) kabely provozované obchodní podniky (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic) mají obvykle čtyři vlákna a přes Atlantik (NEW york-Londýn) v 60–70ms. Náklady na každý takový kabel byl o 300 milionů dolarů v roce 2011. zdroj: The Chronicle Herald.

Další běžnou praxí je spojit mnoho vláken z optických vláken v dálkovém kabelu pro přenos energie. To využívá přenosu výkonu práv způsobem, efektivně, zajišťuje energetická společnost může vlastnit a ovládat vlákno potřebné k sledovat své vlastní zařízení a linek, je fakticky imunní vůči manipulaci, a zjednodušuje nasazení technologie smart grid.

Amplifikaceeditovat

přenosová vzdálenost komunikačního systému s optickými vlákny byla tradičně omezena útlumem vláken a zkreslením vláken. Použitím optoelektronických opakovačů byly tyto problémy odstraněny. Tyto opakovače převést signál na elektrický signál, a pak použít vysílač poslat signál opět na vyšší intenzitu, než byl přijat, a tím působí proti ztrátě vzniklé v předchozím segmentu. Vzhledem k vysoké složitosti s moderními multiplexovanými signály s dělením vlnových délek. včetně skutečnosti, že musely být instalovány asi jednou za 20 km (12 mi), jsou náklady na tyto opakovače velmi vysoké.

alternativním přístupem je použití optických zesilovačů, které zesilují optický signál přímo, aniž by bylo nutné převádět signál na elektrickou doménu. Jeden běžný typ optického zesilovače se nazývá erbiem dopovaný vláknový zesilovač nebo EDFA. Tyto jsou tvořeny doping délce vlákna s vzácných zemin, minerálních erbium a jeho čerpání s světlo z laseru s kratší vlnovou délku než komunikační signál (typicky 980 nm). EDFA poskytují zisk v pásmu ITU C při 1550 nm, což je téměř minimální ztráta pro optické vlákno.

optické zesilovače mají oproti elektrickým opakovačům několik významných výhod. Za prvé, optický zesilovač může zesílit velmi široké pásmo najednou, které může zahrnovat stovky jednotlivých kanálů, což eliminuje potřebu demultiplexovat DWDM signály u každého zesilovače. Za druhé, optické zesilovače pracují nezávisle na přenosové rychlosti a modulace formátu, což umožňuje více datových sazby a modulační formáty koexistovat a umožnění modernizace rychlost přenosu dat systému, aniž by museli nahradit všechny opakovače. Zatřetí, optické zesilovače jsou mnohem jednodušší než opakovač se stejnými schopnostmi, a proto jsou výrazně spolehlivější. Optické zesilovače do značné míry nahradily opakovače v nových instalacích, ačkoli elektronické opakovače jsou stále široce používány jako transpondéry pro konverzi vlnových délek.

Vlnová délka-divize multiplexingEdit

Wavelength-division multiplexing (WDM) je technika přenosu více informačních kanálů přes jediné optické vlákno zasláním více světelných paprsků o různých vlnových délkách přes vlákno, každý modulován samostatný informační kanál. To umožňuje znásobit dostupnou kapacitu optických vláken. To vyžaduje multiplexer s dělením vlnových délek ve vysílacím zařízení a demultiplexer (v podstatě spektrometr) v přijímacím zařízení. Uspořádané vlnovodné mřížky se běžně používají pro multiplexování a demultiplexování ve WDM. Pomocí technologie WDM, která je nyní komerčně dostupná, lze šířku pásma vlákna rozdělit na až 160 kanálů pro podporu kombinované přenosové rychlosti v rozsahu 1,6 Tbit / s.