Moderna in fibra ottica sistemi di comunicazione in genere includono un trasmettitore ottico per convertire un segnale elettrico in un segnale ottico inviare tramite la fibra ottica, un cavo che contiene fasci di più fibre ottiche che viene instradato attraverso condotti sotterranei e degli edifici, di più tipi di amplificatori, e un ricevitore ottico per recuperare il segnale come un segnale elettrico. Le informazioni trasmesse sono in genere informazioni digitali generate da computer, sistemi telefonici e società televisive via cavo.
TransmittersEdit
I trasmettitori ottici più comunemente utilizzati sono dispositivi a semiconduttore come diodi emettitori di luce (LED) e diodi laser. La differenza tra LED e diodi laser è che i LED producono luce incoerente, mentre i diodi laser producono luce coerente. Per l’uso nelle comunicazioni ottiche, i trasmettitori ottici a semiconduttore devono essere progettati in modo da essere compatti, efficienti e affidabili, operando in un intervallo di lunghezze d’onda ottimale e modulati direttamente alle alte frequenze.
Nella sua forma più semplice, un LED è una giunzione p-n prevenuta, che emette luce attraverso un’emissione spontanea, un fenomeno denominato elettroluminescenza. La luce emessa è incoerente con una larghezza spettrale relativamente ampia di 30-60 nm. La trasmissione della luce a LED è anche inefficiente, con solo circa l ‘ 1% della potenza in ingresso, o circa 100 microwatt, eventualmente convertiti in potenza lanciata che è stata accoppiata nella fibra ottica. Tuttavia, grazie al loro design relativamente semplice, i LED sono molto utili per applicazioni a basso costo.
I LED di comunicazione sono più comunemente costituiti da fosfuro di arseniuro di gallio indio (InGaAsP) o arseniuro di gallio (GaAs). Perché i LED InGaAsP funzionano a una lunghezza d’onda più lunga rispetto ai LED GaAs (1,3 micrometri contro 0,81–0.87 micrometri), il loro spettro di uscita, mentre equivalente in energia è più ampio in termini di lunghezza d’onda di un fattore di circa 1,7. L’ampia larghezza dello spettro dei LED è soggetta a una maggiore dispersione delle fibre, limitando notevolmente il loro prodotto a distanza di bit rate (una misura comune di utilità). I LED sono adatti principalmente per applicazioni di rete locale con bit rate di 10-100 Mbit / s e distanze di trasmissione di pochi chilometri. Sono stati sviluppati anche LED che utilizzano diversi pozzi quantici per emettere luce a diverse lunghezze d’onda su un ampio spettro e sono attualmente in uso per reti WDM (Wavelength-Division Multiplexing) di area locale.
Oggi, i LED sono stati in gran parte sostituiti da dispositivi VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), che offrono una migliore velocità, potenza e proprietà spettrali, ad un costo simile. I dispositivi comuni di VCSEL accoppiano bene alla fibra del multi modo.
Un laser a semiconduttore emette luce attraverso un’emissione stimolata piuttosto che un’emissione spontanea, il che si traduce in un’elevata potenza di uscita (~100 mW) e altri benefici legati alla natura della luce coerente. L’uscita di un laser è relativamente direzionale, consentendo un’elevata efficienza di accoppiamento (~50%) in fibra monomodale. La larghezza spettrale stretta consente anche velocità in bit elevate poiché riduce l’effetto della dispersione cromatica. Inoltre, i laser a semiconduttore possono essere modulati direttamente alle alte frequenze a causa del breve tempo di ricombinazione.
Le classi comunemente utilizzate di trasmettitori laser a semiconduttore utilizzati in fibra ottica includono VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser), Fabry–Pérot e DFB (Distributed Feed Back).
I diodi laser sono spesso direttamente modulati, cioè l’emissione luminosa è controllata da una corrente applicata direttamente al dispositivo. Per velocità di trasmissione dati molto elevate o collegamenti a distanza molto lunga, una sorgente laser può essere azionato onda continua, e la luce modulata da un dispositivo esterno, un modulatore ottico, come un modulatore elettro-assorbimento o interferometro Mach–Zehnder. La modulazione esterna aumenta la distanza di collegamento ottenibile eliminando il chirp del laser, che allarga la larghezza di linea dei laser direttamente modulati, aumentando la dispersione cromatica nella fibra. Per un’efficienza di larghezza di banda molto elevata, la modulazione coerente può essere utilizzata per variare la fase della luce oltre all’ampiezza, consentendo l’uso di QPSK, QAM e OFDM.
Un ricetrasmettitore è un dispositivo che combina un trasmettitore e un ricevitore in un unico alloggiamento (vedi foto a destra).
Fibra ottica hanno visto i recenti progressi nella tecnologia. “Dual-polarizzazione quadratura phase shift keying è un formato di modulazione che invia in modo efficace quattro volte più informazioni di trasmissioni ottiche tradizionali della stessa velocità.”
ReceiversEdit
Il componente principale di un ricevitore ottico è un fotorivelatore che converte la luce in elettricità utilizzando l’effetto fotoelettrico. I fotorivelatori primari per le telecomunicazioni sono costituiti da arseniuro di indio gallio. Il fotodetettore è in genere un fotodiodo basato su semiconduttori. Diversi tipi di fotodiodi includono fotodiodi p-n, fotodiodi p-i-n e fotodiodi a valanga. I fotorivelatori metallo-semiconduttore-metallo (MSM) sono utilizzati anche per la loro idoneità all’integrazione di circuiti in rigeneratori e multiplexer a divisione di lunghezza d’onda.
I convertitori ottico-elettrici sono tipicamente accoppiati con un amplificatore di transimpedenza e un amplificatore limitante per produrre un segnale digitale nel dominio elettrico dal segnale ottico in ingresso, che può essere attenuato e distorto mentre passa attraverso il canale. Un’ulteriore elaborazione del segnale, come il recupero dell’orologio dai dati (CDR) eseguita da un ciclo a blocco di fase, può essere applicata anche prima che i dati vengano trasmessi.
I ricevitori coerenti utilizzano un laser oscillatore locale in combinazione con una coppia di accoppiatori ibridi e quattro fotorivelatori per polarizzazione, seguiti da ADC ad alta velocità e elaborazione del segnale digitale per recuperare i dati modulati con QPSK, QAM o OFDM.
predistortionEdit digitale
Un trasmettitore di sistema di comunicazione ottica è costituito da un convertitore digitale-analogico (DAC), un amplificatore driver e un modulatore Mach-Zehnder. L’implementazione di formati di modulazione più elevati (> 4QAM) o velocità di trasmissione più elevate (> 32 GBaud) riduce le prestazioni del sistema a causa di effetti di trasmissione lineari e non lineari. Questi effetti possono essere classificati in distorsioni lineari a causa della limitazione della larghezza di banda del DAC e dell’inclinazione I/Q del trasmettitore, nonché effetti non lineari causati dalla saturazione del guadagno nell’amplificatore del driver e nel modulatore Mach-Zehnder. La predistorsione digitale contrasta gli effetti degradanti e consente velocità di trasmissione fino a 56 GBaud e formati di modulazione come 64QAM e 128QAM con i componenti disponibili in commercio. Il trasmettitore processore di segnale digitale esegue predistorsione digitale sui segnali di ingresso utilizzando il modello di trasmettitore inverso prima di caricare i campioni al DAC.
I vecchi metodi di predistorsione digitale riguardavano solo gli effetti lineari. Pubblicazioni recenti hanno anche compensato le distorsioni non lineari. Berenguer et al modellano il modulatore Mach–Zehnder come un sistema Wiener indipendente e il DAC e l’amplificatore del driver sono modellati da una serie Volterra troncata, invariante il tempo. Khanna et al hanno usato un polinomio di memoria per modellare i componenti del trasmettitore congiuntamente. In entrambi gli approcci la serie di Volterra o i coefficienti polinomiali di memoria si trovano usando l’architettura di apprendimento indiretto. Duthel et al registra per ogni ramo del modulatore Mach-Zehnder diversi segnali a diverse polarità e fasi. I segnali vengono utilizzati per calcolare il campo ottico. La correlazione incrociata tra i campi in fase e quadratura identifica l’inclinazione temporale. La risposta in frequenza e gli effetti non lineari sono determinati dall’architettura di apprendimento indiretto.
cavo in Fibra typesEdit
Un cavo in fibra ottica è costituito da un nucleo, rivestimenti, e un buffer (una protezione rivestimento esterno), in cui il rivestimento di guide di luce lungo il core utilizzando il metodo della riflessione interna totale. Il nucleo e il rivestimento (che ha un indice di rifrazione inferiore) sono solitamente realizzati in vetro di silice di alta qualità, anche se possono essere entrambi fatti di plastica. Il collegamento di due fibre ottiche avviene mediante giunzione a fusione o giunzione meccanica e richiede abilità speciali e tecnologia di interconnessione a causa della precisione microscopica richiesta per allineare i nuclei in fibra.
Due tipi principali di fibre ottiche utilizzate nelle comunicazioni ottiche includono fibre ottiche multimodali e fibre ottiche monomodali. Una fibra ottica multi-mode ha un nucleo più grande (≥50 micrometri), che consente di collegare trasmettitori e ricevitori meno precisi e più economici e connettori più economici. Tuttavia, una fibra multi-mode introduce distorsione multimodale, che spesso limita la larghezza di banda e la lunghezza del collegamento. Inoltre, a causa del suo contenuto di drogante più elevato, le fibre multimodali sono solitamente costose e presentano una maggiore attenuazione. Il nucleo di una fibra monomodale è più piccolo (<10 micrometri) e richiede componenti e metodi di interconnessione più costosi, ma consente collegamenti molto più lunghi e ad alte prestazioni. Sia la fibra monomodale che multimodale è offerta in diversi gradi.
| 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 |
per pacchetto fibra in una commercialmente prodotto, di solito, è protettivo rivestito utilizzando i raggi ultravioletti (UV), fotopolimerizzabile a polimeri di acrilato, poi terminato con connettori per fibre ottiche, e poi assemblato in un cavo. Successivamente, può essere posato nel terreno e quindi eseguito attraverso le pareti di un edificio e distribuito aerialmente in modo simile ai cavi di rame. Queste fibre richiedono meno manutenzione rispetto ai comuni fili a doppino intrecciato una volta distribuiti.
I cavi specializzati sono utilizzati per la trasmissione di dati sottomarini a lunga distanza, ad esempio i cavi di comunicazione transatlantici. I nuovi cavi (2011-2013) gestiti da imprese commerciali (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic) hanno tipicamente quattro fili di fibra e attraversano l’Atlantico (NYC-Londra) in 60–70ms. Il costo di ciascuno di questi cavi era di circa $300M nel 2011. fonte: The Chronicle Herald.
Un’altra pratica comune è quella di raggruppare molti fili in fibra ottica all’interno del cavo di trasmissione di potenza a lunga distanza. Questo sfrutta i diritti di trasmissione di potenza di modo in modo efficace, assicura una società elettrica può possedere e controllare la fibra necessaria per monitorare i propri dispositivi e linee, è efficacemente immune da manomissioni, e semplifica l’implementazione della tecnologia smart grid.
AmplificationEdit
La distanza di trasmissione di un sistema di comunicazione in fibra ottica è stata tradizionalmente limitata dall’attenuazione della fibra e dalla distorsione della fibra. Utilizzando ripetitori optoelettronici, questi problemi sono stati eliminati. Questi ripetitori convertono il segnale in un segnale elettrico e quindi utilizzano un trasmettitore per inviare nuovamente il segnale ad un’intensità superiore a quella ricevuta, contrastando così la perdita subita nel segmento precedente. A causa dell’elevata complessità con i moderni segnali multiplexati a divisione di lunghezza d’onda. compreso il fatto che dovevano essere installati circa una volta ogni 20 km (12 miglia), il costo di questi ripetitori è molto alto.
Un approccio alternativo è quello di utilizzare amplificatori ottici che amplificano il segnale ottico direttamente senza dover convertire il segnale nel dominio elettrico. Un tipo comune di amplificatore ottico è chiamato un amplificatore di fibra drogata con erbio, o EDFA. Questi sono fatti drogando una lunghezza di fibra con l’erbio minerale delle terre rare e pompandolo con luce da un laser con una lunghezza d’onda più corta del segnale di comunicazione (tipicamente 980 nm). Gli EDFAS forniscono un guadagno nella banda C ITU a 1550 nm, che è vicino al minimo di perdita per la fibra ottica.
Gli amplificatori ottici presentano diversi vantaggi significativi rispetto ai ripetitori elettrici. In primo luogo, un amplificatore ottico può amplificare una banda molto ampia in una sola volta che può includere centinaia di singoli canali, eliminando la necessità di demultiplex segnali DWDM a ciascun amplificatore. In secondo luogo, gli amplificatori ottici operano indipendentemente dalla velocità di trasmissione dati e dal formato di modulazione, consentendo la coesistenza di più velocità di trasmissione dati e formati di modulazione e consentendo l’aggiornamento della velocità di trasmissione dati di un sistema senza dover sostituire tutti i ripetitori. In terzo luogo, gli amplificatori ottici sono molto più semplici di un ripetitore con le stesse capacità e sono quindi significativamente più affidabili. Gli amplificatori ottici hanno ampiamente sostituito i ripetitori nelle nuove installazioni, sebbene i ripetitori elettronici siano ancora ampiamente utilizzati come transponder per la conversione della lunghezza d’onda.
Wavelength-division multiplexingEdit
Wavelength-division multiplexing (WDM) è la tecnica di trasmissione di più canali di informazione attraverso una singola fibra ottica inviando più fasci di luce di diverse lunghezze d’onda attraverso la fibra, ciascuna modulata con un canale di informazione separato. Ciò consente di moltiplicare la capacità disponibile delle fibre ottiche. Ciò richiede un multiplexer di divisione di lunghezza d’onda nell’apparecchiatura trasmittente e un demultiplexer (essenzialmente uno spettrometro) nell’apparecchiatura ricevente. Le grate disposte della guida d’onda sono comunemente usate per multiplexing e demultiplexing in WDM. Utilizzando la tecnologia WDM ora disponibile in commercio, la larghezza di banda di una fibra può essere divisa in ben 160 canali per supportare un bit rate combinato nell’intervallo di 1,6 Tbit / s.