moderna Fiberoptiska kommunikationssystem inkluderar i allmänhet en optisk sändare för att omvandla en elektrisk signal till en optisk signal för att skicka genom den optiska fibern, en kabel som innehåller buntar av flera optiska fibrer som dirigeras genom underjordiska ledningar och byggnader, flera typer av förstärkare och en optisk mottagare för att återställa signalen som en elektrisk signal. Den information som överförs är vanligtvis digital information som genereras av datorer, telefonsystem och kabel-TV-företag.

TransmittersEdit

en GBIC-modul (visas här med omslaget avlägsnat), är en optisk och elektrisk sändtagare. Den elektriska kontakten är uppe till höger och de optiska kontakterna är längst ner till vänster

de vanligaste optiska sändarna är halvledaranordningar som ljusdioder (lysdioder) och laserdioder. Skillnaden mellan lysdioder och laserdioder är att lysdioder producerar osammanhängande ljus, medan laserdioder producerar sammanhängande ljus. För användning i optisk kommunikation måste halvledaroptiska sändare vara konstruerade för att vara kompakta, effektiva och pålitliga, samtidigt som de arbetar i ett optimalt våglängdsområde och direkt moduleras vid höga frekvenser.

i sin enklaste form är en LED en framåtriktad PN-korsning som avger ljus genom spontan emission, ett fenomen som kallas elektroluminescens. Det emitterade ljuset är osammanhängande med en relativt bred spektralbredd på 30-60 nm. LED-ljusöverföring är också ineffektiv, med endast cirka 1% av ingångseffekten, eller cirka 100 mikrovatt, så småningom omvandlad till lanserad kraft som har kopplats in i den optiska fibern. På grund av sin relativt enkla design är lysdioder dock mycket användbara för billiga applikationer.

kommunikation lysdioder är oftast gjorda av Indium galliumarsenidfosfid (InGaAsP) eller galliumarsenid (GaAs). Eftersom InGaAsP-lysdioder arbetar med en längre våglängd än GaAs–lysdioder (1,3 mikrometer mot 0,81-0.87 mikrometer), deras utgångsspektrum, medan ekvivalent i energi är bredare i våglängdsvillkor med en faktor på cirka 1,7. Den stora spektrumbredden på lysdioder är föremål för högre fiberdispersion, vilket avsevärt begränsar deras bithastighetsavståndsprodukt (ett vanligt mått på användbarhet). Lysdioder är lämpliga främst för lokala nätverksapplikationer med bithastigheter på 10-100 Mbit/s och överföringsavstånd på några kilometer. Lysdioder har också utvecklats som använder flera kvantbrunnar för att avge ljus vid olika våglängder över ett brett spektrum och används för närvarande för lokala WDM-nätverk (Våglängdsdelningsmultiplexering).

idag har lysdioder i stor utsträckning ersatts av VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) – enheter, som erbjuder förbättrad hastighet, kraft och spektrala egenskaper, till en liknande kostnad. Vanliga VCSEL-enheter parar väl till fiber i flera lägen.

en halvledarlaser avger ljus genom stimulerad emission snarare än spontan emission, vilket resulterar i hög uteffekt (~100 mW) samt andra fördelar relaterade till naturen av koherent ljus. Utsignalen från en laser är relativt riktad, vilket möjliggör hög kopplingseffektivitet (~50 %) i fiber i enkelläge. Den smala spektralbredden möjliggör också höga bithastigheter eftersom det minskar effekten av kromatisk dispersion. Dessutom kan halvledarlaser moduleras direkt vid höga frekvenser på grund av kort rekombinationstid.

vanligen använda klasser av halvledarlasersändare som används i fiberoptik inkluderar VCSEL (vertikal-kavitet Ytemitterande Laser), Fabry-p Jacobrot och DFB (distribuerad återmatning).

laserdioder moduleras ofta direkt, det vill säga ljusutgången styrs av en ström som appliceras direkt på enheten. För mycket höga datahastigheter eller mycket långa avståndslänkar kan en laserkälla drivas kontinuerlig våg och ljuset moduleras av en extern enhet, en optisk modulator, såsom en elektroabsorptionsmodulator eller Mach-Zehnder interferometer. Extern modulering ökar det uppnåbara länkavståndet genom att eliminera laserkvitter, vilket breddar linjens bredd av direktmodulerade lasrar, vilket ökar den kromatiska dispersionen i fibern. För mycket hög bandbreddseffektivitet kan koherent modulering användas för att variera ljusets fas utöver amplituden, vilket möjliggör användning av QPSK, QAM och OFDM.

en sändtagare är en enhet som kombinerar en sändare och en mottagare i ett enda hölje (se bilden till höger).

fiberoptik har sett de senaste framstegen inom teknik. ”Dual-polarisation quadrature phase shift keying är ett moduleringsformat som effektivt skickar fyra gånger så mycket information som traditionella optiska överföringar med samma hastighet.”

ReceiversEdit

huvudkomponenten i en optisk mottagare är en fotodetektor som omvandlar ljus till el med hjälp av den fotoelektriska effekten. De primära fotodetektorerna för telekommunikation är gjorda av Indium galliumarsenid. Fotodetektorn är typiskt en halvledarbaserad fotodiod. Flera typer av fotodioder inkluderar p-n fotodioder, p-i-n fotodioder och lavinfotodioder. Metall-halvledare-metall (MSM) fotodetektorer används också på grund av deras lämplighet för kretsintegration i regeneratorer och våglängdsdelningsmultiplexorer.

optiska-elektriska omvandlare är vanligtvis kopplade till en transimpedansförstärkare och en begränsande förstärkare för att producera en digital signal i den elektriska domänen från den inkommande optiska signalen, som kan dämpas och förvrängas medan den passerar genom kanalen. Ytterligare signalbehandling såsom klockåterställning från data (CDR) som utförs av en faslåst slinga kan också tillämpas innan data överförs.

koherenta mottagare använder en lokal oscillatorlaser i kombination med ett par hybridkopplare och fyra fotodetektorer per polarisering, följt av Höghastighetsadc och digital signalbehandling för att återställa data modulerade med QPSK, QAM eller OFDM.

Digital predistortionEdit

en optisk kommunikationssystemsändare består av en digital-till-analog omvandlare (DAC), en förarförstärkare och en Mach–Zehnder-Modulator. Utbyggnaden av högre moduleringsformat (> 4QAM) eller högre Baudhastigheter (> 32 GBaud) minskar systemets prestanda på grund av linjära och icke-linjära sändareffekter. Dessa effekter kan kategoriseras i linjära snedvridningar på grund av DAC-bandbreddsbegränsning och sändare i/Q skev samt icke-linjära effekter orsakade av förstärkningsmättnad i förarförstärkaren och Mach–Zehnder-modulatorn. Digital predistortion motverkar de nedbrytande effekterna och möjliggör Baudhastigheter upp till 56 GBaud och moduleringsformat som 64QAM och 128qam med de kommersiellt tillgängliga komponenterna. Sändarens digitala signalprocessor utför digital predistortion på ingångssignalerna med hjälp av den inversa sändarmodellen innan de laddar upp proverna till DAC.

äldre digitala predistortionsmetoder behandlade endast linjära effekter. Nya publikationer kompenserade också för icke-linjära snedvridningar. Berenguer et al modeller Mach-Zehnder modulator som ett oberoende Wiener-system och DAC och förarförstärkaren modelleras av en stympad, tidsinvariant Volterra-serie. Khanna et al använde ett minnespolynom för att modellera sändarkomponenterna gemensamt. I båda tillvägagångssätten finns Volterra-serien eller minnespolynomkoefficienterna med hjälp av indirekt inlärningsarkitektur. Duthel et al registrerar för varje gren av Mach-Zehnder modulator flera signaler vid olika polaritet och faser. Signalerna används för att beräkna det optiska fältet. Korskorrelaterande i fas-och kvadraturfält identifierar tidpunkten skev. Frekvensresponsen och de icke-linjära effekterna bestäms av den indirekta inlärningsarkitekturen.

fiberkabel typesEdit

en kabelrulle trailer med ledning som kan bära optisk fiber

multi-mode optisk fiber i en underjordisk servicegrop

en optisk fiberkabel består av en kärna, beklädnad och en buffert (en skyddande yttre beläggning), i vilken beklädnaden styr ljuset längs kärnan genom att använda metoden för total intern reflektion. Kärnan och beklädnaden (som har ett lägre brytningsindex) är vanligtvis gjorda av högkvalitativt kiseldioxidglas, även om de båda kan vara gjorda av plast också. Anslutning av två optiska fibrer görs genom fusion skarvning eller mekanisk skarvning och kräver speciella färdigheter och sammankopplingsteknik på grund av den mikroskopiska precision som krävs för att anpassa fiberkärnorna.

två huvudtyper av optisk fiber som används i optisk kommunikation inkluderar multi-mode optiska fibrer och single-mode optiska fibrer. En optisk fiber med flera lägen har en större kärna (50 mikrometer i kuben), vilket gör att mindre exakta, billigare sändare och mottagare kan ansluta till den samt billigare kontakter. En multi-mode fiber introducerar emellertid multimodförvrängning, vilket ofta begränsar länkens bandbredd och längd. På grund av dess högre dopantinnehåll är multi-mode fibrer vanligtvis dyra och uppvisar högre dämpning. Kärnan i en enkelmodig fiber är mindre (<10 mikrometer) och kräver dyrare komponenter och sammankopplingsmetoder, men tillåter mycket längre länkar med högre prestanda. Både single-och multi-mode fiber erbjuds i olika kvaliteter.

för att paketera fiber till en kommersiellt livskraftig produkt är den vanligtvis skyddande belagd med ultraviolett (UV), ljushärdade akrylatpolymerer, avslutas sedan med optiska fiberkontakter och slutligen monteras i en kabel. Därefter kan den läggas i marken och sedan springa genom väggarna i en byggnad och utplaceras luftigt på ett sätt som liknar kopparkablar. Dessa fibrer kräver mindre underhåll än vanliga tvinnade partrådar när de är utplacerade.

specialkablar används för långväga subsea dataöverföring, t.ex. transatlantisk kommunikationskabel. Nya (2011-2013) kablar som drivs av kommersiella företag (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic) har vanligtvis fyra fibersträngar och korsar Atlanten (NYC-London) i 60–70ms. kostnaden för varje sådan kabel var cirka 300 miljoner dollar 2011. källa: Chronicle Herald.

en annan vanlig praxis är att bunta många fiberoptiska strängar inom långväga kraftöverföringskabel. Detta utnyttjar kraftöverföringsrättigheter på ett effektivt sätt, säkerställer att ett kraftföretag kan äga och kontrollera den fiber som krävs för att övervaka sina egna enheter och linjer, är effektivt immun mot manipulering och förenklar implementeringen av smart grid-teknik.

Förstärkningredigera

överföringsavståndet för ett fiberoptiskt kommunikationssystem har traditionellt begränsats av fiberdämpning och av fiberförvrängning. Genom att använda opto-elektroniska repeaters har dessa problem eliminerats. Dessa repeaters omvandlar signalen till en elektrisk signal och använder sedan en sändare för att skicka signalen igen med en högre intensitet än vad som mottogs, vilket motverkar förlusten i föregående segment. På grund av den höga komplexiteten med moderna våglängdsdelning multiplexerade signaler. inklusive det faktum att de måste installeras ungefär en gång var 20 km (12 mi) är kostnaden för dessa repeaters mycket hög.

ett alternativt tillvägagångssätt är att använda optiska förstärkare som förstärker den optiska signalen direkt utan att behöva konvertera signalen till den elektriska domänen. En vanlig typ av optisk förstärkare kallas en Erbiumdopad fiberförstärkare, eller EDFA. Dessa görs genom att dopa en fiberlängd med det sällsynta jordartsmineralet erbium och pumpa det med ljus från en laser med en kortare våglängd än kommunikationssignalen (vanligtvis 980 nm). EDFA ger förstärkning i ITU C-bandet vid 1550 nm, vilket är nära förlustminimum för optisk fiber.

optiska förstärkare har flera betydande fördelar jämfört med elektriska repeaters. Först kan en optisk förstärkare förstärka ett mycket brett band på en gång som kan innehålla hundratals enskilda kanaler, vilket eliminerar behovet av att demultiplex DWDM-signaler vid varje förstärkare. För det andra arbetar optiska förstärkare oberoende av datahastighet och moduleringsformat, vilket gör det möjligt att samexistera flera datahastigheter och moduleringsformat och möjliggör uppgradering av datahastigheten för ett system utan att behöva ersätta alla repeaters. För det tredje är optiska förstärkare mycket enklare än en repeater med samma kapacitet och är därför betydligt mer tillförlitliga. Optiska förstärkare har till stor del ersatt repeaters i nya installationer, även om elektroniska repeaters fortfarande används i stor utsträckning som transpondrar för våglängdskonvertering.

våglängd-division multiplexingEdit

våglängd-division multiplexing (WDM) är tekniken för överföring av flera informationskanaler genom en enda optisk fiber genom att skicka flera ljusstrålar med olika våglängder genom fibern, var och en modulerad med en separat informationskanal. Detta gör att den tillgängliga kapaciteten hos optiska fibrer kan multipliceras. Detta kräver en våglängdsdelningsmultiplexer i sändningsutrustningen och en demultiplexer (i huvudsak en spektrometer) i mottagningsutrustningen. Arrayed vågledare galler används ofta för multiplexering och demultiplexering i WDM. Med hjälp av WDM-teknik som nu är kommersiellt tillgänglig kan bandbredden för en fiber delas upp i så många som 160 kanaler för att stödja en kombinerad bithastighet i intervallet 1,6 Tbit/s.