moderne fiberoptiske kommunikationssystemer inkluderer generelt en optisk sender til at konvertere et elektrisk signal til et optisk signal til at sende gennem den optiske fiber, et kabel indeholdende bundter af flere optiske fibre, der føres gennem underjordiske ledninger og bygninger, flere slags forstærkere og en optisk modtager til at gendanne signalet som et elektrisk signal. Den transmitterede information er typisk digital information genereret af computere, telefonsystemer og kabel-tv-virksomheder.
Transmittereredit
de mest almindeligt anvendte optiske sendere er halvlederindretninger såsom lysemitterende dioder (LED ‘ er) og laserdioder. Forskellen mellem lysdioder og laserdioder er, at lysdioder producerer usammenhængende lys, mens laserdioder producerer sammenhængende lys. Til brug i optisk kommunikation skal halvlederoptiske sendere være konstrueret til at være kompakte, effektive og pålidelige, mens de arbejder i et optimalt bølgelængdeområde og moduleres direkte ved høje frekvenser.
i sin enkleste form er en LED et fremadrettet P-n-kryds, der udsender lys gennem spontan emission, et fænomen kaldet elektroluminescens. Det udsendte lys er usammenhængende med en relativt bred spektral bredde på 30-60 nm. LED-lystransmission er også ineffektiv, med kun omkring 1% af indgangseffekten eller omkring 100 mikrobølger, der til sidst omdannes til lanceret strøm, der er koblet til den optiske fiber. På grund af deres relativt enkle design er LED ‘ er imidlertid meget nyttige til billige applikationer.
Kommunikationsdioder fremstilles oftest af Indium galliumarsenidphosphid (InGaAsP) eller galliumarsenid (GaAs). Fordi InGaAsP LED ‘er fungerer ved en længere bølgelængde end GaAs LED’ er (1,3 mikrometer vs. 0,81–0.87 mikrometer), deres udgangsspektrum, mens ækvivalent i energi er bredere i bølgelængdevilkår med en faktor på omkring 1,7. LED ‘ ernes store spektrumbredde er underlagt højere fiberdispersion, hvilket begrænser deres bithastighedsafstandsprodukt betydeligt (et almindeligt mål for anvendelighed). Led ‘ er er primært egnede til lokalnetværksapplikationer med bithastigheder på 10-100 Mbit/s og transmissionsafstande på et par kilometer. Led ‘ er er også blevet udviklet, der bruger flere kvantebrønde til at udsende lys ved forskellige bølgelængder over et bredt spektrum og er i øjeblikket i brug for lokale netværk.
i dag er LED ‘ er stort set blevet afløst af VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) enheder, der tilbyder forbedret hastighed, effekt og spektrale egenskaber til en lignende pris. Fælles VCSEL enheder par godt til multi mode fiber.
en halvlederlaser udsender lys gennem stimuleret emission snarere end spontan emission, hvilket resulterer i høj udgangseffekt (~100 mvh) samt andre fordele relateret til arten af sammenhængende lys. Udgangen af en laser er relativt retningsbestemt, hvilket tillader høj koblingseffektivitet (~50 %) i single-mode fiber. Den smalle spektralbredde giver også mulighed for høje bithastigheder, da det reducerer effekten af kromatisk dispersion. Desuden kan halvlederlasere moduleres direkte ved høje frekvenser på grund af kort rekombinationstid.
almindeligt anvendte klasser af halvlederlaser-sendere, der anvendes i fiberoptik, inkluderer VCSEL (lodret Hulrumsoverfladeemitterende Laser), Fabry-P Pristrot og DFB (distribueret Feed Back).
laserdioder moduleres ofte direkte, dvs.lysudgangen styres af en strøm, der påføres direkte på enheden. For meget høje datahastigheder eller meget langdistanceforbindelser kan en laserkilde betjenes kontinuerlig bølge, og lyset moduleres af en ekstern enhed, en optisk modulator, såsom en elektroabsorptionsmodulator eller Mach-hinder interferometer. Ekstern modulering øger den opnåelige linkafstand ved at eliminere laserkirp, som udvider linjebredden af direkte modulerede lasere, hvilket øger den kromatiske dispersion i fiberen. For meget høj båndbreddeeffektivitet kan sammenhængende modulering bruges til at variere lysets fase ud over amplituden, hvilket muliggør brugen af KPSK, kam og OFDM.
en transceiver er en enhed, der kombinerer en sender og en modtager i et enkelt hus (se billedet til højre).
fiberoptik har set de seneste fremskridt inden for teknologi. “Dual-polarisering kvadratur fase shift keying er en graduering format, der effektivt sender fire gange så meget information som traditionelle optiske transmissioner af samme hastighed.”
ReceiversEdit
hovedkomponenten i en optisk modtager er en fotodetektor, der omdanner lys til elektricitet ved hjælp af den fotoelektriske effekt. De primære fotodetektorer til telekommunikation er lavet af Indium galliumarsenid. Fotodetektoren er typisk en halvlederbaseret fotodiode. Flere typer af fotodioder omfatter p-n fotodioder, p-i-n fotodioder og lavine fotodioder. Metal-halvleder-metal (MSM) fotodetektorer anvendes også på grund af deres egnethed til kredsløbsintegration i regeneratorer og bølgelængde-divisionsmultipleksere.
optisk-elektriske omformere er typisk koblet med en transimpedansforstærker og en begrænsende forstærker til at producere et digitalt signal i det elektriske domæne fra det indkommende optiske signal, som kan dæmpes og forvrænges, mens de passerer gennem kanalen. Yderligere signalbehandling såsom urgendannelse fra data (CDR) udført af en faselåst sløjfe kan også anvendes, før dataene videregives.kohærente modtagere bruger en lokal oscillatorlaser i kombination med et par hybridkoblinger og fire fotodetektorer pr.
Digital predistortionEdit
en optisk kommunikationssystemsender består af en digital-til-analog konverter (DAC), en driverforstærker og en Mach–modulator. Implementeringen af højere modulationsformater (> 4kam) eller højere Baudhastigheder (> 32 gbaud) mindsker systemets ydeevne på grund af lineære og ikke-lineære sendereffekter. Disse effekter kan kategoriseres i lineære forvrængninger på grund af DAC-båndbreddebegrænsning og sender i/K–skævhed såvel som ikke-lineære effekter forårsaget af forstærkningsmætning i førerforstærkeren og Mach-hinder-modulatoren. Digital predistortion modvirker de nedværdigende effekter og muliggør Baud satser op til 56 GBaud og graduering formater som 64KAM og 128kam med de kommercielt tilgængelige komponenter. Transmitterens digitale signalprocessor udfører digital forudfordeling på indgangssignalerne ved hjælp af den inverse transmittermodel, før prøverne uploades til DAC.
Ældre digitale predistortionsmetoder adresserede kun lineære effekter. Nylige publikationer kompenserede også for ikke-lineære forvrængninger. Berenguer m. fl. modellerer Mach-Sehnder-modulatoren som et uafhængigt Viner-system, og DAC og driverforstærkeren er modelleret af en afkortet, tids-invariant Volterra-serie. Khanna et al brugte et hukommelsespolynom til at modellere senderkomponenterne i fællesskab. I begge tilgange findes Volterra-serien eller hukommelsespolynomkoefficienterne ved hjælp af indirekte læringsarkitektur. Duthel et al registrerer for hver gren af Mach-Sehnder-modulatoren flere signaler ved forskellig polaritet og faser. Signalerne bruges til at beregne det optiske felt. Krydskorrelerende felter i fase og kvadratur identificerer tidsforskydningen. Frekvensresponsen og de ikke-lineære effekter bestemmes af den indirekte læringsarkitektur.
Fiberkabeltyperedit
et optisk fiberkabel består af en kerne, beklædning og en buffer (en beskyttende ydre belægning), hvor beklædningen styrer lyset langs kernen ved hjælp af metoden til total intern refleksion. Kernen og beklædningen (som har et lavere brydningsindeks) er normalt lavet af silicaglas af høj kvalitet, selvom de begge også kan være lavet af plast. Tilslutning af to optiske fibre sker ved fusion splejsning eller mekanisk splejsning og kræver særlige færdigheder og sammenkoblingsteknologi på grund af den mikroskopiske præcision, der kræves for at justere fiberkernerne.
to hovedtyper af optisk fiber, der anvendes i optisk kommunikation, omfatter multi-mode optiske fibre og single-mode optiske fibre. En optisk fiber med flere tilstande har en større kerne (50 mikrometer), hvilket giver mindre præcise, billigere sendere og modtagere mulighed for at oprette forbindelse til den såvel som billigere stik. Imidlertid introducerer en multi-mode fiber multimode forvrængning, som ofte begrænser båndbredden og længden af linket. På grund af dets højere dopingindhold er multi-mode fibre normalt dyre og udviser højere dæmpning. Kernen i en single-mode fiber er mindre (<10 mikrometer) og kræver dyrere komponenter og sammenkoblingsmetoder, men tillader meget længere links med højere ydeevne. Både single-og multi-mode fiber tilbydes i forskellige kvaliteter.
| MMF FDDI 62.5/125 liter (1987) |
MMF OM1 62.5/125 µm (1989) |
MMF OM2 50/125 µm (1998) |
MMF OM3 50/125 µm (2003) |
MMF OM4 50/125 µm (2008) |
MMF OM5 50/125 µm (2016) |
SMF OS1 9/125 µm (1998) |
SMF OS2 9/125 µm (2000) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 160 MHz·km @ 850 nm |
200 MHz·km @ 850 nm |
500 MHz·km @ 850 nm |
1500 MHz·km @ 850 nm |
3500 MHz·km @ 850 nm |
3500 MH·km @ 850 nm & 1850 MH·km @ 950 nm |
1 dB/km @ 1300/ 1550 nm |
0.4 dB/km @ 1300/ 1550 nm |
for at pakke fiber i et kommercielt levedygtigt produkt er det typisk beskyttende belagt ved hjælp af ultraviolet (UV), lyshærdede acrylatpolymerer, derefter afsluttet med optiske fiberforbindelser og endelig samlet i et kabel. Derefter kan den lægges i jorden og derefter løbe gennem væggene i en bygning og indsættes aerialt på en måde, der ligner kobberkabler. Disse fibre kræver mindre vedligeholdelse end almindelige snoet par ledninger, når de er indsat.
specialkabler bruges til langdistance undersøisk datatransmission, f.eks. transatlantisk kommunikationskabel. Nye (2011-2013) kabler, der drives af kommercielle virksomheder (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic) har typisk fire fiberstrenge og krydser Atlanterhavet (NYC-London) i 60–70ms. omkostningerne ved hvert sådant kabel var omkring $300m i 2011. kilde: Chronicle Herald.
en anden almindelig praksis er at bundle mange fiberoptiske tråde inden for fjerntransmissionskabel. Dette udnytter kraftoverførselsrettigheder effektivt, sikrer, at et elselskab kan eje og kontrollere den fiber, der kræves for at overvåge sine egne enheder og linjer, er effektivt immun mod manipulation og forenkler implementeringen af smart grid-teknologi.
Amplifikationrediger
transmissionsafstanden for et fiberoptisk kommunikationssystem har traditionelt været begrænset af fiberdæmpning og af fiberforvrængning. Ved at bruge opto-elektroniske repeatere er disse problemer blevet elimineret. Disse repeatere konverterer signalet til et elektrisk signal og bruger derefter en sender til at sende signalet igen med en højere intensitet end modtaget, hvilket modvirker tabet i det foregående segment. På grund af den høje kompleksitet med moderne bølgelængde-division multipleksede signaler. inklusive det faktum, at de skulle installeres cirka en gang hver 20 km (12 mi), er omkostningerne ved disse repeatere meget høje.
en alternativ tilgang er at bruge optiske forstærkere, der forstærker det optiske signal direkte uden at skulle konvertere signalet til det elektriske domæne. En almindelig type optisk forstærker kaldes en erbium-doteret fiberforstærker eller EDFA. Disse fremstilles ved at dope en længde fiber med det sjældne jordarters mineral erbium og pumpe det med lys fra en laser med en kortere bølgelængde end kommunikationssignalet (typisk 980 nm). Edfa ‘ er giver gevinst i ITU C-båndet ved 1550 nm, hvilket er nær tabsminimum for optisk fiber.
optiske forstærkere har flere væsentlige fordele i forhold til elektriske repeatere. For det første kan en optisk forstærker forstærke et meget bredt bånd på en gang, som kan omfatte hundredvis af individuelle kanaler, hvilket eliminerer behovet for at demultipleks DDM-signaler ved hver forstærker. For det andet fungerer optiske forstærkere uafhængigt af datahastigheden og moduleringsformatet, hvilket gør det muligt for flere datahastigheder og modulationsformater at eksistere sammen og muliggøre opgradering af datahastigheden i et system uden at skulle erstatte alle repeatere. For det tredje er optiske forstærkere meget enklere end en repeater med de samme muligheder og er derfor betydeligt mere pålidelige. Optiske forstærkere har stort set erstattet repeatere i nye installationer, selvom elektroniske repeatere stadig bruges i vid udstrækning som transpondere til bølgelængdekonvertering.
bølgelængde-division multipleksendit
bølgelængde-division multipleksending (VDM) er teknikken til at transmittere flere informationskanaler gennem en enkelt optisk fiber ved at sende flere lysstråler med forskellige bølgelængder gennem fiberen, hver moduleret med en separat informationskanal. Dette gør det muligt at multiplicere den tilgængelige kapacitet af optiske fibre. Dette kræver en bølgelængdedelingsmultiplekser i det transmitterende udstyr og en demultiplekser (i det væsentlige et spektrometer) i det modtagende udstyr. Det er almindeligt anvendt til multipleks og demultipleks. Båndbredden af en fiber kan opdeles i så mange som 160 kanaler for at understøtte en kombineret bithastighed i området 1,6 Tbit/s.