Moderne faseroptische Kommunikationssysteme umfassen im Allgemeinen einen optischen Sender, um ein elektrisches Signal in ein optisches Signal umzuwandeln, um es durch die optische Faser zu senden, ein Kabel, das Bündel mehrerer optischer Fasern enthält, die durch unterirdische Leitungen und Gebäude geführt werden, mehrere Arten von Verstärkern und einen optischen Empfänger, um das Signal als elektrisches Signal wiederzugewinnen. Die übertragenen Informationen sind typischerweise digitale Informationen, die von Computern, Telefonanlagen und Kabelfernsehunternehmen erzeugt werden.
TransmittersEdit
Die am häufigsten verwendeten optischen Sender sind Halbleiterbauelemente wie Leuchtdioden (LEDs) und Laserdioden. Der Unterschied zwischen LEDs und Laserdioden besteht darin, dass LEDs inkohärentes Licht erzeugen, während Laserdioden kohärentes Licht erzeugen. Für den Einsatz in der optischen Kommunikation müssen optische Halbleitersender kompakt, effizient und zuverlässig ausgelegt sein, während sie in einem optimalen Wellenlängenbereich arbeiten und direkt bei hohen Frequenzen moduliert werden.In seiner einfachsten Form ist eine LED ein vorwärtsgerichteter PN-Übergang, der Licht durch spontane Emission emittiert, ein Phänomen, das als Elektrolumineszenz bezeichnet wird. Das emittierte Licht ist inkohärent mit einer relativ großen spektralen Breite von 30-60 nm. Die LED-Lichtübertragung ist ebenfalls ineffizient, da nur etwa 1% der Eingangsleistung oder etwa 100 Mikrowatt schließlich in Ausgangsleistung umgewandelt werden, die in die optische Faser eingekoppelt wurde. Aufgrund ihres relativ einfachen Aufbaus sind LEDs jedoch sehr nützlich für kostengünstige Anwendungen.
Kommunikations-LEDs werden am häufigsten aus Indium-Galliumarsenidphosphid (InGaAsP) oder Galliumarsenid (GaAs) hergestellt. Weil InGaAsP-LEDs mit einer längeren Wellenlänge arbeiten als GaAs-LEDs (1,3 Mikrometer vs. 0,81–0.87 mikrometer), ihr Ausgangsspektrum, während Energieäquivalent wellenlängenmäßig um einen Faktor von etwa 1,7 breiter ist. Die große Spektrumbreite von LEDs unterliegt einer höheren Faserdispersion, was ihr Bitraten-Distanz-Produkt (ein gängiges Maß für die Nützlichkeit) erheblich einschränkt. LEDs eignen sich vor allem für lokale Netzwerkanwendungen mit Bitraten von 10-100 Mbit/s und Übertragungsdistanzen von wenigen Kilometern. Es wurden auch LEDs entwickelt, die mehrere Quantentöpfe verwenden, um Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen über ein breites Spektrum zu emittieren, und werden derzeit für lokale WDM-Netzwerke (Wavelength-Division Multiplexing) verwendet.LEDs wurden heute weitgehend von VCSEL-Geräten (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) abgelöst, die verbesserte Geschwindigkeit, Leistung und spektrale Eigenschaften zu ähnlichen Kosten bieten. Gängige VCSEL-Geräte koppeln sich gut mit Multimode-Glasfasern.Ein Halbleiterlaser emittiert Licht eher durch stimulierte Emission als durch spontane Emission, was zu einer hohen Ausgangsleistung (~ 100 mW) sowie anderen Vorteilen im Zusammenhang mit der Natur des kohärenten Lichts führt. Der Ertrag eines Lasers ist verhältnismäßig gerichtet und erlaubt hohe Kopplungs-Leistungsfähigkeit (~50 %) in Einmodenfaser. Die schmale spektrale Breite ermöglicht auch hohe Bitraten, da sie den Effekt der chromatischen Dispersion reduziert. Darüber hinaus können Halbleiterlaser aufgrund der kurzen Rekombinationszeit direkt bei hohen Frequenzen moduliert werden.Zu den häufig verwendeten Klassen von Halbleiterlasertransmittern, die in der Faseroptik verwendet werden, gehören VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser), Fabry–Pérot und DFB (Distributed Feed Back).
Laserdioden werden häufig direkt moduliert, d. h. Die Lichtleistung wird durch einen Strom gesteuert, der direkt an das Gerät angelegt wird. Für sehr hohe Datenraten oder sehr lange Distanzverbindungen kann eine Laserquelle kontinuierlich betrieben werden Welle, und das Licht moduliert durch ein externes Gerät, ein optischer Modulator, wie ein Elektroabsorptionsmodulator oder Mach-Zehnder–Interferometer. Externe Modulation erhöht den erreichbaren Verbindungsabstand, indem sie Laser-Chirp beseitigt, der die Linienbreite von direkt modulierten Lasern verbreitert und die chromatische Streuung in der Faser erhöht. Für eine sehr hohe Bandbreiteneffizienz kann eine kohärente Modulation verwendet werden, um zusätzlich zur Amplitude die Phase des Lichts zu variieren, was die Verwendung von QPSK, QAM und OFDM ermöglicht.
Ein Transceiver ist ein Gerät, das einen Sender und einen Empfänger in einem einzigen Gehäuse kombiniert (siehe Bild rechts).
Faseroptik hat jüngste Fortschritte in der Technologie gesehen. „Dual-Polarisation Quadrature Phase Shift Keying ist ein Modulationsformat, das effektiv viermal so viele Informationen wie herkömmliche optische Übertragungen der gleichen Geschwindigkeit sendet.“
ReceiversEdit
Die Hauptkomponente eines optischen Empfängers ist ein Photodetektor, der Licht unter Verwendung des photoelektrischen Effekts in Elektrizität umwandelt. Die primären Photodetektoren für die Telekommunikation bestehen aus Indium-Galliumarsenid. Der Photodetektor ist typischerweise eine halbleiterbasierte Photodiode. Verschiedene Arten von Photodioden umfassen p-n-Photodioden, p-i-n-Photodioden und Avalanche-Photodioden. Metall-Halbleiter-Metall (MSM)-Photodetektoren werden aufgrund ihrer Eignung für die Schaltungsintegration in Regeneratoren und Wellenlängenmultiplexer ebenfalls verwendet.
Optisch-elektrische Wandler sind typischerweise mit einem Transimpedanzverstärker und einem Begrenzungsverstärker gekoppelt, um aus dem eingehenden optischen Signal ein digitales Signal im elektrischen Bereich zu erzeugen, das beim Durchlaufen des Kanals gedämpft und verzerrt werden kann. Weitere Signalverarbeitung wie Taktwiederherstellung von Daten (CDR), die durch eine Phasenregelschleife durchgeführt wird, kann auch angewendet werden, bevor die Daten weitergegeben werden.Kohärente Empfänger verwenden einen lokalen Oszillatorlaser in Kombination mit einem Paar Hybridkoppler und vier Photodetektoren pro Polarisation, gefolgt von Hochgeschwindigkeits-ADCs und digitaler Signalverarbeitung, um mit QPSK, QAM oder OFDM modulierte Daten wiederherzustellen.
Digitale Vorverzerrungbearbeiten
Ein Sender eines optischen Kommunikationssystems besteht aus einem Digital-Analog-Wandler (DAC), einem Treiberverstärker und einem Mach–Zehnder-Modulator. Der Einsatz höherer Modulationsformate (> 4QAM) oder höherer Baudraten (> 32 GBaud) vermindert die Systemleistung aufgrund linearer und nichtlinearer Sendereffekte. Diese Effekte können in lineare Verzerrungen aufgrund von DAC-Bandbreitenbegrenzung und Sender–I / Q-Skew sowie in nichtlineare Effekte aufgrund der Verstärkungssättigung im Treiberverstärker und im Mach-Zehnder-Modulator eingeteilt werden. Die digitale Vorverzerrung wirkt den degradierenden Effekten entgegen und ermöglicht mit den handelsüblichen Komponenten Baudraten bis 56 GBaud und Modulationsformate wie 64QAM und 128QAM. Der digitale Signalprozessor des Senders führt eine digitale Vorverzerrung der Eingangssignale unter Verwendung des inversen Sendermodells durch, bevor die Samples in den DAC hochgeladen werden.
Ältere digitale Vorverzerrungsmethoden adressierten nur lineare Effekte. Neuere Veröffentlichungen kompensierten auch nichtlineare Verzerrungen. Modelle des Mach-Zehnder-Modulators als unabhängiges Wiener System und der DAC und der Treiberverstärker werden durch einen abgeschnitten modelliert, zeitinvariante Volterra-Serie. Khanna et al verwendeten ein Speicherpolynom, um die Senderkomponenten gemeinsam zu modellieren. In beiden Ansätzen werden die Volterra-Reihe oder die Speicherpolynomkoeffizienten unter Verwendung einer indirekten Lernarchitektur gefunden. Duthel et al. zeichnen für jeden Zweig des Mach-Zehnder-Modulators mehrere Signale unterschiedlicher Polarität und Phasen auf. Die Signale werden zur Berechnung des optischen Feldes verwendet. Kreuzkorrelierende Inphasen- und Quadraturfelder identifizieren die Zeitverschiebung. Der Frequenzgang und die nichtlinearen Effekte werden durch die indirekte Lernarchitektur bestimmt.
Faser kabel Typenbearbeiten
Ein Glasfaserkabel besteht aus einem Kern, einer Ummantelung und einem Puffer (einer schützenden äußeren Beschichtung), bei dem die Ummantelung das Licht unter Verwendung der Methode der inneren Totalreflexion entlang des Kerns leitet. Der Kern und der Mantel (der einen niedrigeren Brechungsindex aufweist) bestehen üblicherweise aus hochwertigem Quarzglas, obwohl sie beide auch aus Kunststoff bestehen können. Das Verbinden von zwei optischen Fasern erfolgt durch Fusionsspleißen oder mechanisches Spleißen und erfordert aufgrund der mikroskopischen Präzision, die zum Ausrichten der Faserkerne erforderlich ist, besondere Fähigkeiten und Verbindungstechnologie.
Zwei Haupttypen von optischen Fasern, die in der optischen Kommunikation verwendet werden, umfassen Multimode-optische Fasern und Singlemode-optische Fasern. Eine Multimode-Glasfaser hat einen größeren Kern (≥ 50 Mikrometer), so dass weniger präzise, billigere Sender und Empfänger sowie billigere Steckverbinder angeschlossen werden können. Eine Multimode-Faser führt jedoch zu einer Multimode-Verzerrung, die häufig die Bandbreite und Länge der Verbindung einschränkt. Darüber hinaus sind Multimode-Fasern aufgrund ihres höheren Dotierstoffgehalts in der Regel teuer und weisen eine höhere Dämpfung auf. Der Kern einer Singlemode-Faser ist kleiner (<10 Mikrometer) und erfordert teurere Komponenten und Verbindungsmethoden, ermöglicht jedoch viel längere Verbindungen mit höherer Leistung. Sowohl Single- als auch Multimode-Fasern werden in verschiedenen Qualitäten angeboten.
| MMF FDDI 62,5/125 µm (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 850 nm & 1850 MHz·km bei 950 nm |
1 dB/km bei 1300/bei 1550 nm |
0,4 dB/km bei 1300/bei 1550 nm |
Um Fasern in ein kommerziell brauchbares Produkt zu verpacken, wird sie typischerweise mit ultravioletten (UV), lichthärtenden Acrylatpolymeren schutzbeschichtet, dann mit Glasfaserverbindern abgeschlossen und schließlich zu einem Kabel zusammengebaut. Danach kann es im Boden verlegt und dann durch die Wände eines Gebäudes geführt und ähnlich wie Kupferkabel aerial eingesetzt werden. Diese Fasern erfordern weniger Wartung als herkömmliche Twisted-Pair-Drähte, sobald sie eingesetzt werden.
Für die Datenübertragung über große Entfernungen unter Wasser werden spezielle Kabel verwendet, z. B. transatlantische Kommunikationskabel. Neue (2011-2013) Kabel, die von Handelsunternehmen (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic) betrieben werden, haben typischerweise vier Faserstränge und überqueren den Atlantik (NYC-London) in 60–70ms. Die Kosten für jedes dieser Kabel betrugen 2011 etwa 300 Millionen US-Dollar. quelle: Der Chronicle Herald.
Eine weitere gängige Praxis besteht darin, viele Glasfaserstränge in einem Fernübertragungskabel zu bündeln. Dies nutzt die Wegerechte bei der Stromübertragung effektiv aus, stellt sicher, dass ein Energieunternehmen die zur Überwachung seiner eigenen Geräte und Leitungen erforderlichen Glasfasern besitzen und kontrollieren kann, ist effektiv gegen Manipulationen immun und vereinfacht den Einsatz von Smart-Grid-Technologie.
Verstärkungbearbeiten
Die Übertragungsdistanz eines faseroptischen Kommunikationssystems wurde traditionell durch Faserdämpfung und Faserverzerrung begrenzt. Durch die Verwendung von optoelektronischen Repeatern wurden diese Probleme beseitigt. Diese Repeater wandeln das Signal in ein elektrisches Signal um und verwenden dann einen Sender, um das Signal erneut mit einer höheren Intensität als empfangen zu senden, wodurch dem im vorherigen Segment entstandenen Verlust entgegengewirkt wird. Wegen der hohen Komplexität bei modernen Wellenlängenmultiplexsignalen. einschließlich der Tatsache, dass sie etwa alle 20 km (12 Meilen) installiert werden mussten, sind die Kosten für diese Repeater sehr hoch.Ein alternativer Ansatz besteht darin, optische Verstärker zu verwenden, die das optische Signal direkt verstärken, ohne das Signal in den elektrischen Bereich umwandeln zu müssen. Ein üblicher Typ eines optischen Verstärkers wird als erbiumdotierter Faserverstärker oder EDFA bezeichnet. Diese werden hergestellt, indem eine Faserlänge mit dem Seltenerdmineral Erbium dotiert und mit Licht von einem Laser mit einer kürzeren Wellenlänge als das Kommunikationssignal (typischerweise 980 nm) gepumpt wird. EDFAs bieten eine Verstärkung im ITU-C-Band bei 1550 nm, was nahe dem Verlustminimum für optische Fasern liegt.
Optische Verstärker haben mehrere wesentliche Vorteile gegenüber elektrischen Repeatern. Erstens kann ein optischer Verstärker ein sehr breites Band auf einmal verstärken, das Hunderte von einzelnen Kanälen umfassen kann, wodurch die Notwendigkeit entfällt, DWDM-Signale an jedem Verstärker zu demultiplexen. Zweitens arbeiten optische Verstärker unabhängig von der Datenrate und dem Modulationsformat, so dass mehrere Datenraten und Modulationsformate nebeneinander existieren und die Datenrate eines Systems verbessert werden kann, ohne dass alle Repeater ausgetauscht werden müssen. Drittens sind optische Verstärker viel einfacher als ein Repeater mit den gleichen Fähigkeiten und daher wesentlich zuverlässiger. Optische Verstärker haben Repeater in neuen Installationen weitgehend ersetzt, obwohl elektronische Repeater immer noch weit verbreitet als Transponder für die Wellenlängenumwandlung verwendet werden.
Wellenlängenmultiplexbearbeiten
Wellenlängenmultiplex (WDM) ist die Technik zum Übertragen mehrerer Informationskanäle durch eine einzelne optische Faser, indem mehrere Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen durch die Faser gesendet werden, die jeweils mit einem separaten Informationskanal moduliert sind. Dadurch kann die verfügbare Kapazität von Lichtwellenleitern vervielfacht werden. Dies erfordert einen Wellenlängenmultiplexer in der Sendeeinrichtung und einen Demultiplexer (im Wesentlichen ein Spektrometer) in der Empfangseinrichtung. Arrayed-Wellenleitergitter werden üblicherweise zum Multiplexen und Demultiplexen in WDM verwendet. Unter Verwendung der WDM-Technologie, die jetzt im Handel erhältlich ist, kann die Bandbreite einer Faser in bis zu 160 Kanäle unterteilt werden, um eine kombinierte Bitrate im Bereich von 1,6 Tbit / s zu unterstützen.