nykyaikaiset kuituoptiset viestintäjärjestelmät sisältävät yleensä optisen lähettimen, jolla sähköinen signaali muunnetaan optiseksi signaaliksi, joka lähetetään optisen kuidun kautta, kaapelin, joka sisältää useiden optisten kuitujen nippuja, jotka ohjataan maanalaisten johtimien ja rakennusten läpi, useita erilaisia vahvistimia, ja optisen vastaanottimen, jolla signaali palautetaan sähköisenä signaalina. Välitetty tieto on tyypillisesti tietokoneiden, puhelinjärjestelmien ja kaapelitelevisioyhtiöiden tuottamaa digitaalista tietoa.
Lähettimetedit
yleisimmin käytettyjä optisia lähettimiä ovat Puolijohdekomponentit, kuten valodiodit (ledit) ja laserdiodit. LEDien ja laserdiodien erona on se, että LEDit tuottavat epäyhtenäistä valoa, kun taas laserdiodit tuottavat koherenttia valoa. Optisessa viestinnässä käytettävät puolijohdeoptiset lähettimet on suunniteltava pienikokoisiksi, tehokkaiksi ja luotettaviksi siten, että ne toimivat optimaalisella aallonpituusalueella ja että ne moduloidaan suoraan korkeilla taajuuksilla.
yksinkertaisimmillaan LED on eteenpäin suuntautuva P-n-liitos, joka säteilee valoa spontaanin emission kautta, ilmiö, jota kutsutaan elektroluminesenssiksi. Säteilevä valo on epäyhtenäistä ja sen spektrileveys on suhteellisen laaja 30-60 nm. LED-valonsiirto on myös tehotonta, sillä vain noin 1% ottotehosta eli noin 100 mikrowattia muunnetaan lopulta käynnistystehoksi, joka on kytketty valokuituun. Kuitenkin, koska niiden suhteellisen yksinkertainen muotoilu, ledit ovat erittäin hyödyllisiä edullisia sovelluksia.
Tietoliikenneledejä valmistetaan yleisimmin Indiumgalliumarsenidifosfidista (InGaAsP) tai galliumarsenidista (GaAs). Koska InGaAsP-ledit toimivat pidemmällä aallonpituudella kuin GaAs–LEDit (1,3 mikrometriä vs. 0,81-0.87 mikrometriä), niiden ulostulospektri, kun taas ekvivalentti on aallonpituudeltaan laajempi noin 1,7 kertoimella. Suuri spektri leveys LEDit sovelletaan suurempi kuidun hajonta, rajoittaa huomattavasti niiden bittinopeus-etäisyys tuote (yhteinen mitta hyödyllisyys). Ledit soveltuvat ensisijaisesti lähiverkkosovelluksiin, joiden bittinopeus on 10-100 Mbit/s ja siirtoetäisyydet muutamia kilometrejä. On myös kehitetty ledejä, jotka käyttävät useita kvanttikaivoja lähettääkseen valoa eri aallonpituuksilla laajalla spektrillä ja ovat tällä hetkellä käytössä lähialueen WDM (Wavelength-Division Multiplexing)-verkoissa.
nykyään LEDit on pitkälti syrjäyttänyt VCSEL (Vertical onkalo Surface Emitting Laser) – laitteet, jotka tarjoavat parannetut nopeus -, Teho-ja spektriominaisuudet samaan hintaan. Yhteinen VCSEL laitteet pari hyvin multi mode kuitua.
puolijohdelaser lähettää valoa stimuloidun emission eikä spontaanin emission kautta, mikä johtaa suureen lähtötehoon (~100 mW) sekä muihin koherentin valon luonteeseen liittyviin hyötyihin. Laserin lähtö on suhteellisen suuntaava, mikä mahdollistaa suuren kytkentätehokkuuden (~50%) yksitilakuituun. Kapea spektrileveys mahdollistaa myös suuret bittinopeudet, koska se vähentää kromaattisen dispersion vaikutusta. Lisäksi puolijohdelasereita voidaan moduloida suoraan korkeilla taajuuksilla lyhyen rekombinaatioajan vuoksi.
kuituoptiikassa yleisesti käytettyjä puolijohdelaserlähettimien luokkia ovat VCSEL (Pystyontelo-Pintalähettäjä), Fabry-Pérot ja DFB (Distributed Feed Back).
laserdiodit ovat usein suoraan moduloituja, eli valontuottoa ohjataan suoraan laitteeseen kohdistuvalla virralla. Erittäin suurilla datanopeuksilla tai hyvin pitkillä etäisyyksillä laserlähdettä voidaan käyttää jatkuvalla aallolla ja valoa moduloida ulkoisella laitteella, optisella modulaattorilla, kuten elektroabsorptiomodulaattorilla tai Mach-Zehnder–interferometrillä. Ulkoinen modulaatio lisää saavutettavissa olevaa linkkietäisyyttä poistamalla lasersirpin, joka laajentaa suoraan moduloitujen laserien linjaleveyttä, mikä lisää kromaattista dispersiota kuidussa. Erittäin suuren kaistanleveyden hyötysuhteen saavuttamiseksi koherenttia modulaatiota voidaan käyttää valon vaiheen vaihteluun amplitudin lisäksi, mikä mahdollistaa QPSK: n, QAM: n ja OFDM: n käytön.
lähetin on laite, joka yhdistää lähettimen ja vastaanottimen yhteen koteloon (katso kuva oikealla).
Kuituoptiikassa on nähty tekniikan viimeaikaista kehitystä. ”Dual-polarisaatio quadrature vaihesiirto keying on modulaatiomuoto, joka lähettää tehokkaasti neljä kertaa niin paljon tietoa kuin perinteiset Optiset lähetykset, joilla on sama nopeus.”
ReceiversEdit
optisen vastaanottimen pääkomponentti on valodetektori, joka muuttaa valon sähköksi valosähköisen efektin avulla. Telekommunikaation ensisijaiset valodetektorit on valmistettu Indiumgalliumarsenidista. Valodetektori on tyypillisesti puolijohdepohjainen fotodiodi. Useita fotodiodityyppejä ovat p-n-fotodiodit, p-i-n-fotodiodit ja lumivyöryfodiodit. Metal-semiconductor-metal (MSM)-valonheittimiä käytetään myös, koska ne soveltuvat piirien integrointiin regeneraattoreissa ja aallonpituus-jako-multipleksereissä.
Optis-Sähköiset muuntimet on tyypillisesti yhdistetty transimpedanssivahvistimeen ja rajoittavaan vahvistimeen, jotta saapuvasta optisesta signaalista saadaan sähkölle digitaalinen signaali, joka voi vaimentua ja vääristyä kanavan läpi kulkiessa. Ennen tietojen välittämistä voidaan käyttää myös muita signaalinkäsittelyjä, kuten kellojen palautusta datasta (cdr), joka suoritetaan vaihelukitulla silmukalla.
koherentit vastaanottimet käyttävät paikallisoskillaattorilaseria yhdessä parin hybridikytkimen ja neljän fotodetektorin kanssa polarisaatiota kohti, minkä jälkeen nopeat ADCs: t ja digitaalinen signaalinkäsittely palauttavat QPSK: lla, QAM: lla tai OFDM: llä moduloidut tiedot.
digitaalinen predistortionEdit
optinen viestintäjärjestelmälähetin koostuu digitaalisesta analogisesta muuntimesta (DAC), ajurivahvistimesta ja Mach-Zehnder-Modulaattorista. Korkeamman modulaatiomuodon (> 4qam) tai korkeamman Baud-nopeuden (> 32 GBaud) käyttöönotto heikentää järjestelmän suorituskykyä lineaaristen ja epälineaaristen lähetinefektien vuoksi. Nämä vaikutukset voidaan luokitella lineaarisiin vääristymiin, jotka johtuvat DAC: n kaistanleveyden rajoittamisesta ja lähettimen i/Q skew: stä sekä ajurivahvistimen ja Mach-Zehnder–modulaattorin gain-kylläisyyden aiheuttamista epälineaarisista vaikutuksista. Digitaalinen predistortion estää halventava vaikutuksia ja mahdollistaa Baud hinnat jopa 56 GBaud ja modulaatio formaatteja, kuten 64QAM ja 128QAM kaupallisesti saatavilla komponentteja. Lähettimen digitaalinen signaaliprosessori suorittaa digitaalisen predistroinnin tulosignaaleille käänteisen lähetinmallin avulla ennen näytteiden lähettämistä DAC: hen.
vanhemmat digitaaliset predistorointimenetelmät käsittelivät vain lineaarisia vaikutuksia. Viimeaikaiset julkaisut kompensoivat myös epälineaarisia vääristymiä. Berenguer et al mallit Mach-Zehnder modulaattori itsenäisenä Wiener järjestelmä ja DAC ja ajurivahvistin on mallinnettu typistetty, aika-invariant Volterra sarja. Khanna et al käytti muistipolynomia mallintamaan lähettimen komponentteja yhdessä. Molemmissa lähestymistavoissa Volterra-sarja tai muistipolynomikertoimet löytyvät epäsuoran oppimisen arkkitehtuurin avulla. Duthel et al kirjaa kunkin haaran Mach-Zehnder modulaattori useita signaaleja eri napaisuus ja vaiheet. Signaaleja käytetään optisen kentän laskemiseen. Cross-correlating in-vaihe ja kvadrature kentät tunnistaa ajoitus vinoutunut. Taajuusvaste ja epälineaariset vaikutukset määräytyvät epäsuoran oppimisen arkkitehtuurin mukaan.
Kuitukaapelityypitedit
optinen kuitukaapeli koostuu ytimestä, verhouksesta ja puskurista (suojaava ulompi pinnoite), jossa verhous ohjaa valoa pitkin ydintä käyttäen sisäisen kokonaisheijastuksen menetelmää. Ydin ja verhous (jonka taitekerroin on alhaisempi) on yleensä valmistettu korkealaatuisesta piidioksidilasista, vaikka ne molemmat voivat olla myös muovia. Kahden optisen kuidun liittäminen tapahtuu fuusiosaumauksella tai mekaanisella liittämisellä ja vaatii erityistaitoja ja yhteenliitäntäteknologiaa, koska kuituytimien kohdistamiseen tarvitaan mikroskooppista tarkkuutta.
kaksi optisen kuidun päätyyppiä, joita käytetään optisessa viestinnässä, ovat monimuotoiset optiset kuidut ja yksimuotoiset optiset kuidut. Monitilaisessa valokuidussa on suurempi ydin (≥50 mikrometriä), jolloin siihen voidaan liittää vähemmän tarkkoja, halvempia lähettimiä ja vastaanottimia sekä halvempia liittimiä. Monitilakuitu tuo kuitenkin mukanaan multimode-vääristymän, joka usein rajoittaa linkin kaistanleveyttä ja pituutta. Lisäksi, koska sen suurempi dopanttipitoisuus, monitilakuidut ovat yleensä kalliita ja niillä on suurempi vaimennus. Yksimuotoisen kuidun ydin on pienempi (<10 mikrometriä) ja vaatii kalliimpia komponentteja ja yhteenliitäntämenetelmiä, mutta mahdollistaa paljon pidemmät, suorituskykyisemmät yhteydet. Sekä yksi-että monitilakuitua on tarjolla eri laatuisina.
| 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 MHz·km @ 850 nm & 1850 MHz·km |
1 dB/km @ 1300/ |
0,4 dB/km @ 1300/ 1550 nm |
jotta kuitu pakataan kaupallisesti kannattavaksi tuotteeksi, se tyypillisesti suojataan ultraviolettisäteilyllä (UV), valosuolatuilla akrylaattipolymeereillä, sitten päätetään optisilla kuituliittimillä ja kootaan lopuksi kaapeliksi. Sen jälkeen se voidaan asentaa maahan ja sitten ajaa rakennuksen seinien läpi ja ottaa käyttöön aeriaalisesti samalla tavalla kuin kuparikaapelit. Nämä kuidut vaativat vähemmän huoltoa kuin yhteinen kierretty pari johdot, kun ne otetaan käyttöön.
erikoistuneita kaapeleita käytetään merenalaisen tiedon kaukoliikenteeseen, esimerkiksi Atlantin ylittävään tietoliikennekaapeliin. Uudet (2011-2013) kaapelit toimivat kaupallisten yritysten (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic) on yleensä neljä säikeistä kuitua ja ylittää Atlantin (NYC-Lontoo) 60-70ms. kustannukset kunkin tällaisen kaapelin oli noin $300m vuonna 2011. lähde: the Chronicle Herald.
toinen yleinen käytäntö on niputtaa monia valokuitusäikeitä pitkän matkan sähkönsiirtokaapeliin. Tämä hyödyntää tehokkaasti Sähkönsiirto-oikeuksia, varmistaa, että sähköyhtiö voi omistaa ja hallita omien laitteidensa ja linjojensa valvontaan tarvittavaa kuitua, on tehokkaasti immuuni peukaloinnille ja yksinkertaistaa älyverkkoteknologian käyttöönottoa.
Vahvistusmedit
valokuituyhteysjärjestelmän lähetysetäisyyttä on perinteisesti rajoitettu kuidun vaimennuksella ja kuidun vääristymisellä. Käyttämällä Optoelektronisia toistimia nämä ongelmat on poistettu. Nämä toistimet muuntaa signaalin sähköiseksi signaaliksi, ja sitten käyttää lähettimen lähettää signaalin uudelleen suuremmalla intensiteetillä kuin vastaanotettiin, mikä estää tappio aiheutunut edellisessä segmentissä. Koska korkea monimutkaisuus moderni aallonpituus-jako multiplexed signaaleja. mukaan lukien se, että ne oli asennettava noin kerran 20 km (12 mi), kustannukset nämä toistimet on erittäin korkea.
vaihtoehtoinen lähestymistapa on käyttää optisia vahvistimia, jotka vahvistavat optisen signaalin suoraan ilman, että signaalia tarvitsee muuntaa sähköiseksi. Yksi yleinen optisen vahvistimen tyyppi on nimeltään Erbium-seostettu kuituvahvistin eli EDFA. Näitä valmistetaan dopingilla kuidun pituudesta harvinaisen maametallin erbiumin kanssa ja pumppaamalla sitä valolla laserista, jonka aallonpituus on viestintäsignaalia lyhyempi (tyypillisesti 980 nm). EDFAs antaa vahvistuksen ITU C-kaistalla 1550 nm: ssä, mikä on lähellä optisen kuidun häviöminimiä.
optisilla vahvistimilla on useita merkittäviä etuja sähköisiin toistimiin verrattuna. Ensinnäkin optinen vahvistin voi vahvistaa hyvin laaja bändi kerralla, joka voi sisältää satoja yksittäisiä kanavia, poistaa tarpeen demultiplex DWDM signaaleja kussakin vahvistimessa. Toiseksi Optiset vahvistimet toimivat datanopeudesta ja modulaatiomuodosta riippumatta, mikä mahdollistaa useiden datanopeuksien ja modulaatiomuotojen samanaikaisen olemassaolon ja mahdollistaa järjestelmän datanopeuden päivittämisen ilman, että kaikkia toistimia tarvitsee korvata. Kolmanneksi Optiset vahvistimet ovat paljon yksinkertaisempia kuin samat ominaisuudet omaava toistin ja ovat siksi huomattavasti luotettavampia. Optiset vahvistimet ovat pitkälti korvanneet toistimet uusissa asennuksissa, joskin elektronisia toistimia käytetään edelleen laajalti transpondereina aallonpituuden muuntamisessa.
Wavelength-division multiplexingEdit
Wavelength-division multiplexing (WDM) on tekniikka, jossa lähetetään useita informaatiokanavia yhden optisen kuidun läpi lähettämällä useita eri aallonpituuksia edustavia valosäteitä, joista jokainen moduloidaan erillisellä informaatiokanavalla. Tämä mahdollistaa optisten kuitujen käytettävissä olevan kapasiteetin moninkertaistamisen. Tämä edellyttää aallonpituusjaon multiplekseri lähettävässä laitteessa ja demultiplekseri (lähinnä spektrometri) vastaanottavassa laitteessa. Arrayed aaltoputkiristikot käytetään yleisesti multiplexing ja demultiplexing WDM. Nykyään kaupallisesti saatavilla olevalla WDM-tekniikalla kuidun kaistanleveys voidaan jakaa jopa 160 kanavaan tukemaan yhdistettyä bittinopeutta alueella 1,6 Tbit/S.