a Modern optikai kommunikációs rendszerek általában tartalmaznak egy optikai adó átalakítani elektromos jelet egy optikai jelet küld át az optikai, kábel tartalmazó köteg több optikai szálak, hogy van irányítva a föld alatti vezetékek, épületek, több féle erősítő, valamint egy optikai vevő, hogy visszaszerezze a jel, mint egy elektromos jelet. A továbbított információk jellemzően számítógépek, telefonrendszerek és kábeltelevíziós társaságok által generált digitális információk.
TransmittersEdit
a leggyakrabban használt optikai adók félvezető eszközök, például fénykibocsátó diódák (LED-ek) és lézerdiódák. A LED-ek és a lézerdiódák közötti különbség az, hogy a LED-ek inkoherens fényt hoznak létre, míg a lézerdiódák koherens fényt termelnek. Az optikai kommunikációban való alkalmazáshoz a félvezető optikai távadókat úgy kell megtervezni, hogy kompakt, hatékony és megbízható legyen, miközben optimális hullámhossz-tartományban működik, és magas frekvenciákon közvetlenül modulálható legyen.
legegyszerűbb formájában a LED egy előre elfogult p-n csomópont, amely spontán kibocsátással fényt bocsát ki, egy olyan jelenség, amelyet elektrolumineszcenciának neveznek. A kibocsátott fény összefüggéstelen, viszonylag széles spektrális szélessége 30-60 nm. LED átviteli is hatékony, csak körülbelül 1% – a bemeneti áram, vagy 100 microwatts, végül alakítani indított hatalom, amely már párosított-a az optikai. Viszonylag egyszerű kialakításuk miatt azonban a LED-ek nagyon hasznosak az alacsony költségű alkalmazásokhoz.
a kommunikációs LED-ek leggyakrabban Indium gallium-arzenid-foszfidból (InGaAsP) vagy gallium-arzenidből (GaAs) készülnek. Mivel az InGaAsP LED-ek hosszabb hullámhosszon működnek, mint a GaAs LED-ek (1,3 mikrométer vs. 0,81-0.87 mikrométer), a kimeneti spektrum, míg egyenértékű energia szélesebb hullámhossz szempontjából egy tényező körülbelül 1.7. A LED-ek nagy spektrumszélessége nagyobb szálas diszperziónak van kitéve, ami jelentősen korlátozza bitsebesség-távolság terméküket (a hasznosság általános mértéke). A LED-ek elsősorban 10-100 Mbit/s bitsebességgel rendelkező helyi hálózati alkalmazásokhoz, valamint néhány kilométeres átviteli távolságokhoz alkalmasak. LED-eket is kifejlesztettek, amelyek több kvantumkút segítségével különböző hullámhosszúságú fényt bocsátanak ki széles spektrumon, és jelenleg a helyi WDM (hullámhossz-osztásos Multiplexing) hálózatokban használják.
ma a LED-eket nagyrészt felváltották a VCSEL (függőleges Üregfelületet kibocsátó lézer) eszközök, amelyek jobb sebességet, teljesítményt és spektrális tulajdonságokat kínálnak, hasonló költséggel. Közös VCSEL eszközök pár jól multi mód szál.
a félvezető lézer a spontán kibocsátás helyett stimulált kibocsátással bocsát ki fényt, ami nagy kimeneti teljesítményt (~100 mW), valamint a koherens fény természetével kapcsolatos egyéb előnyöket eredményez. A lézer kimenete viszonylag irányított, lehetővé téve a nagy kapcsolási hatékonyságot (~50%) egy üzemmódú szálakká. A keskeny spektrális szélesség magas bitsebességet is lehetővé tesz, mivel csökkenti a kromatikus diszperzió hatását. Ezenkívül a félvezető lézerek közvetlenül nagy frekvenciákon modulálhatók a rövid rekombinációs idő miatt.
A száloptikában használt félvezető lézeradók általánosan használt osztályai közé tartozik a VCSEL (függőleges üregű Felületkibocsátó lézer), a Fabry-Pérot és a DFB (elosztott visszacsatolás).
A Lézerdiódákat gyakran közvetlenül modulálják, vagyis a fénykibocsátást közvetlenül a készülékre alkalmazott áram vezérli. Nagyon magas adatátviteli sebesség vagy nagyon hosszú távú kapcsolatok esetén a lézerforrás folyamatos hullámmal működtethető, a fényt pedig külső eszköz, optikai Modulátor, például elektro-abszorpciós Modulátor vagy Mach–Zehnder interferométer modulálja. A külső moduláció növeli az elérhető kapcsolási távolságot a lézeres csipogás kiküszöbölésével, amely kiszélesíti a közvetlenül Modulált lézerek vonalát, növelve a szálban lévő kromatikus diszperziót. A nagyon nagy sávszélesség-hatékonyság érdekében koherens moduláció használható a fény fázisának változtatására az amplitúdó mellett, lehetővé téve a QPSK, QAM és OFDM használatát.
az adó-vevő egy adó-és vevőkészüléket egyetlen házban egyesítő eszköz (lásd a jobb oldali képet).
A száloptika a legújabb technológiai fejlődést látta. “Dual-polarizáció quadrature phase shift keying egy modulációs formátum, amely hatékonyan küld négyszer annyi információt, mint a hagyományos optikai átvitel azonos sebességgel.”
ReceiversEdit
az optikai vevő fő összetevője egy fotodetektor, amely a fényt villamos energiává alakítja a fotoelektromos hatás segítségével. A távközlés elsődleges fotodetektorai Indium gallium-arzenidből készülnek. A fotodetektor jellemzően félvezető alapú fotodióda. A fotodiódák többféle típusa létezik: p – n fotodiódák, p-i-n fotodiódák és lavina fotodiódák. A fém-félvezető-fém (MSM) fotodetektorokat a regenerátorokban és a hullámhossz-osztású multiplexerekben való áramkör-integrációra való alkalmasságuk miatt is használják.
Optikai-elektromos átalakítók jellemzően párosított-val egy transimpedance erősítő, valamint korlátozó erősítő hogy készítsen egy digitális jelet az elektromos domain a bejövő optikai jel, amely legyengülhetett, vagy torz, miközben halad át a csatornán. Az adatok továbbítása előtt további jelfeldolgozás, például az órajel-helyreállítás az adatokból (CDR), amelyet fáziszárt hurok hajt végre.
a koherens vevőkészülékek helyi oszcillátor lézert használnak egy pár hibrid csatlakozóval és négy fotodetektorral polarizációnként, majd nagy sebességű ADC-ket és digitális jelfeldolgozást alkalmaznak a QPSK, QAM vagy OFDM Modulált adatok helyreállításához.
digitális predistortionEdit
egy optikai kommunikációs rendszer adó egy digitális-analóg átalakítóból( DAC), egy driver erősítőből és egy Mach–Zehnder-Modulátorból áll. A magasabb modulációs formátumok (> 4qam) vagy magasabb átviteli sebesség (> 32 GBaud) telepítése csökkenti a rendszer teljesítményét a lineáris és nem lineáris adóhatások miatt. Ezeket a hatásokat a DAC sávszélesség-korlátozása és az I/Q jeladó torzulása miatt lineáris torzulások, valamint a vezetőerősítőben és a Mach–Zehnder modulátorban a nyereség telítettsége által okozott nemlineáris hatások közé lehet sorolni. A digitális predistortion ellensúlyozza a lealacsonyító hatásokat, és lehetővé teszi akár 56 GBaud és modulációs formátumokat, mint például a 64qam és a 128qam a kereskedelemben kapható komponensekkel. Az adó digitális jelprocesszor digitális predistortiót hajt végre a bemeneti jeleken az inverz adó modell segítségével, mielőtt a mintákat feltöltené a DAC-ba.
a régebbi digitális predistortion módszerek csak lineáris hatásokkal foglalkoztak. A legutóbbi publikációk kompenzálták a nemlineáris torzulásokat is. A Berenguer et al modellezi a Mach–Zehnder modulátort, mint független Wiener rendszert, a DAC-ot és a meghajtó erősítőt pedig egy csonka, időinvariáns Volterra sorozat modellezi. Khanna et al használt memória polinom modellezésére az adó komponensek közösen. Mindkét megközelítésben a Volterra sorozat vagy a memória polinom együtthatók közvetett tanulási architektúrával találhatók. A Duthel et al a Mach-Zehnder Modulátor minden egyes ágára több jelet rögzít különböző polaritással és fázisokkal. A jeleket az optikai mező kiszámításához használják. A fázis-és kvadratúramezőken kereszt-korreláló mezők azonosítják az időzítési ferdeséget. A frekvenciaválaszt és a nemlineáris hatásokat a közvetett tanulási architektúra határozza meg.
Üvegszálas kábel typesEdit
Egy optikai kábel áll egy mag, burkolat, a puffer (védő külső bevonattal), amelyben a burkolat útmutatók a fény, valamint az alapvető módszert használva a teljes belső visszaverődés. A mag és a burkolat (amelynek alacsonyabb törésmutatója van) általában kiváló minőségű szilícium-dioxid üvegből készül, bár mindkettő műanyagból is készülhet. A két optikai szál összekapcsolása fúziós splicing vagy mechanikus splicing segítségével történik, és a szálmagok összehangolásához szükséges mikroszkopikus pontosság miatt különleges készségekre és összekapcsolási technológiára van szükség.
az optikai kommunikációban használt optikai szálak két fő típusa a több üzemmódú optikai szálak és az egy üzemmódú optikai szálak. A több üzemmódú optikai szálnak nagyobb magja van (≥50 mikrométer), így kevésbé pontos, olcsóbb adók és vevőkészülékek csatlakoztathatók hozzá, valamint olcsóbb csatlakozók. Azonban egy multi-mode szál bevezeti multimódusú torzítás, amely gyakran korlátozza a sávszélesség, hossza a kapcsolatot. Továbbá a magasabb adalékanyag-tartalma miatt a több üzemmódú szálak általában drágák, és nagyobb csillapítást mutatnak. Az egymódusú szál magja kisebb (<10 mikrométer), drágább komponenseket és összekapcsolási módszereket igényel, de sokkal hosszabb, nagyobb teljesítményű kapcsolatokat tesz lehetővé. Mind az egy -, mind a több módú rostot különböző minőségben kínálják.
| 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 @ 950 nm |
1 dB/km @ 1300/ 1550 nm |
0.4 dB/km @ 1300/ 1550 nm |
annak érdekében, hogy a csomag szál kereskedelmileg életképes termék, jellemzően protectively bevont segítségével ultraibolya (UV) fény-gyógyítható akrilát polimerek, akkor megszűnik optikai csatlakozók, majd végül össze egy kábel. Ezt követően a talajba fektethető, majd egy épület falain keresztül futhat, légi úton pedig a rézkábelekhez hasonló módon telepíthető. Ezek a szálak kevesebb karbantartást igényelnek, mint a szokásos csavart érpárhuzalok, miután telepítették őket.
speciális kábeleket használnak a távolsági tenger alatti adatátvitelhez, például transzatlanti kommunikációs kábelhez. Új (2011-2013) kábelek által üzemeltetett kereskedelmi vállalkozások (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic) jellemzően négy szál rost és át az Atlanti-óceánon (NYC–London) 60-70ms. költsége minden ilyen kábel körülbelül $300m 2011-ben. forrás: The Chronicle Herald.
egy másik általános gyakorlat az, hogy sok száloptikai szálat kötnek össze a távolsági tápkábelen belül. Ez hasznosítja erőátviteli jogait, így hatékonyan biztosítja a hatalom cég saját irányítást a rost szükséges, hogy figyelemmel kíséri saját eszközök, vonalak, hatékony immunrendszer befolyásolása, valamint egyszerűsíti a telepítés a smart grid technológiát.
AmplificationEdit
a száloptikai kommunikációs rendszer átviteli távolságát hagyományosan az optikai csillapítás és az optikai torzítás korlátozza. Az opto-elektronikus ismétlők használatával ezek a problémák megszűntek. Ezek a repeater átalakítani a jel elektromos jellé, majd egy adó küldeni a jelet, ismét egy nagyobb intenzitású, mint érkezett, így ellensúlyozva a veszteségét az előző szegmens. Mivel a nagy komplexitás modern hullámhossz-Osztás multiplexelt jelek. beleértve azt a tényt, hogy 20 km-enként (12 mi) körülbelül egyszer kellett telepíteni, ezeknek az ismétlőknek a költsége nagyon magas.
alternatív megközelítés az optikai erősítők használata, amelyek közvetlenül erősítik az optikai jelet anélkül, hogy a jelet elektromos tartományba kellene konvertálni. Az optikai erősítő egyik gyakori típusát Erbium-adalékolt szálerősítőnek vagy EDFA-nak nevezik. Ezeket úgy készítik, hogy a ritkaföldfém ásványi erbiummal egy szálhosszúságot doppingolnak, és a kommunikációs jelnél (jellemzően 980 nm) rövidebb hullámhosszúságú lézerrel pumpálják. Az EDFAs 1550 nm-en biztosítja az ITU C sáv nyereségét, ami közel áll az optikai szál veszteség minimumához.
Az optikai erősítőknek számos jelentős előnye van az elektromos ismétlőkkel szemben. Először is, egy optikai erősítő egyszerre egy nagyon széles sávot erősíthet, amely több száz egyedi csatornát tartalmazhat, kiküszöbölve az egyes erősítők demultiplex DWDM jeleinek szükségességét. Másodszor, az optikai erősítők az adatátviteli sebességtől és a modulációs formátumtól függetlenül működnek, lehetővé téve több adatsebesség és modulációs formátum együttes létezését, és lehetővé téve a rendszer adatátviteli sebességének korszerűsítését anélkül, hogy az összes ismétlőt ki kellene cserélni. Harmadszor, az optikai erősítők sokkal egyszerűbbek, mint az azonos képességekkel rendelkező átjátszó, ezért lényegesen megbízhatóbbak. Az optikai erősítők nagyrészt helyettesítették az ismétlőket az új berendezésekben, bár az elektronikus ismétlőket továbbra is széles körben használják transzponderként a hullámhossz-konverzióhoz.
Hullámhossz-osztály multiplexingEdit
Hullámhossz-division multiplexing (WDM) az a technika, továbbítása, több csatorna információ keresztül egy optikai küldött több fénysugarak különböző hullámhosszon keresztül a szál, minden modulált egy külön információs csatorna. Ez lehetővé teszi az optikai szálak rendelkezésre álló kapacitásának megszorozását. Ehhez az átviteli berendezésben hullámhossz osztású multiplexerre, a fogadó berendezésben pedig demultiplexerre (lényegében spektrométerre) van szükség. Arrayed hullámvezető rácsok általánosan használt multiplexing demultiplexing a WDM. A kereskedelemben már elérhető WDM technológia használatával a szál sávszélessége akár 160 csatornára is felosztható, hogy támogassa a kombinált bitsebességet az 1.6 Tbit/s tartományban.