moderne vezeloptische communicatiesystemen omvatten in het algemeen een optische zender om een elektrisch signaal om te zetten in een optisch signaal om door de optische vezel te sturen, een kabel met bundels van meerdere optische vezels die door ondergrondse leidingen en gebouwen worden geleid, meerdere soorten versterkers en een optische ontvanger om het signaal als een elektrisch signaal terug te krijgen. De verzonden informatie is doorgaans digitale informatie die wordt gegenereerd door computers, telefoonsystemen en kabeltelevisiebedrijven.

TransmittersEdit

een GBIC-module (hier afgebeeld met de hoes verwijderd) is een optische en elektrische zendontvanger. De elektrische connector bevindt zich rechtsboven en de optische connectoren linksonder

de meest gebruikte optische transmitters zijn halfgeleiderelementen zoals luminescentiedioden (LED ‘ s) en laserdioden. Het verschil tussen LEDs en laserdiodes is dat LEDs onsamenhangend licht produceren, terwijl laserdiodes coherent licht produceren. Voor gebruik in optische communicatie moeten optische halfgeleiderzenders compact, efficiënt en betrouwbaar zijn ontworpen, terwijl ze werken in een optimaal golflengtebereik en direct gemoduleerd zijn bij hoge frequenties.

in zijn eenvoudigste vorm is een LED een vooringenomen p-n-verbinding, die licht uitstraalt door spontane emissie, een fenomeen dat elektroluminescentie wordt genoemd. Het uitgestraalde licht is onsamenhangend met een relatief brede spectrale breedte van 30-60 nm. De LEIDENE lichte transmissie is ook inefficiënt, met slechts ongeveer 1% van inputmacht, of ongeveer 100 microwatt, uiteindelijk omgezet in lanceerde macht die in de optische vezel is gekoppeld. Echter, door hun relatief eenvoudige ontwerp, LED ‘ s zijn zeer nuttig voor low-cost toepassingen.

communicatie-leds worden meestal gemaakt van Indium galliumarsenidefosfide (InGaAsP) of galliumarsenide (GaAs). Omdat InGaAsP LED ’s werken op een langere golflengte dan GaAs LED’ s (1,3 micrometer vs.0.81–0.87 micrometer), hun uitgangsspectrum, terwijl equivalent in energie is breder in golflengte termen met een factor van ongeveer 1,7. De grote spectrumbreedte van LED ‘ s is onderhevig aan een hogere vezeldispersie, waardoor hun bitsnelheid-afstand product aanzienlijk wordt beperkt (een gemeenschappelijke maat voor bruikbaarheid). LED ‘ s zijn vooral geschikt voor lokale netwerktoepassingen met bitsnelheden van 10-100 Mbit/s en transmissieafstanden van enkele kilometers. LED ‘ s zijn ook ontwikkeld die verschillende kwantumputten gebruiken om licht uit te zenden bij verschillende golflengten over een breed spectrum en zijn momenteel in gebruik voor local-area WDM (Wavelength-Division Multiplexing) netwerken.

tegenwoordig zijn LED ‘ s grotendeels vervangen door VCSEL-apparaten (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), die tegen vergelijkbare kosten betere snelheid, vermogen en spectrale eigenschappen bieden. Gemeenschappelijke VCSEL apparaten paar goed aan multi-mode vezel.

een halfgeleiderlaser zendt licht uit door middel van gestimuleerde emissie in plaats van spontane emissie, wat resulteert in een hoog uitgangsvermogen (~100 mW) en andere voordelen die verband houden met de aard van coherent licht. De output van een laser is relatief directioneel, waardoor hoge koppelingsefficiëntie (~50 %) in single-mode fiber. De smalle spectrale breedte zorgt ook voor hoge bitsnelheden omdat het het effect van chromatische dispersie vermindert. Bovendien kunnen halfgeleiderlasers direct bij hoge frequenties worden gemoduleerd vanwege de korte recombinatietijd.

algemeen gebruikte klassen van halfgeleiderlaserzenders die in glasvezel worden gebruikt, zijn VCSEL( laser met verticale holte), Fabry-Pérot en DFB (Distributed Feed Back).

laserdioden worden vaak direct gemoduleerd, dat wil zeggen dat de lichtopbrengst wordt geregeld door een stroom die rechtstreeks op het apparaat wordt toegepast. Voor zeer hoge datasnelheden of zeer lange afstandsverbindingen mag een laserbron continu worden bediend en mag het licht worden gemoduleerd door een extern apparaat, een optische modulator, zoals een elektroabsorptiemodulator of Mach-Zehnder interferometer. Externe modulatie verhoogt de bereikbare verbindingsafstand door laser chirp te elimineren, die de lijnbreedte van direct gemoduleerde lasers verbreedt, waardoor de chromatische dispersie in de vezel toeneemt. Voor een zeer hoge bandbreedteefficiëntie kan coherente modulatie worden gebruikt om de lichtfase naast de amplitude te variëren, waardoor het gebruik van QPSK, QAM en OFDM mogelijk is.

een zendontvanger is een apparaat dat een zender en een ontvanger in één behuizing combineert (zie foto rechts).

glasvezel heeft recente ontwikkelingen in de technologie gezien. “Dual-polarisatie quadrature phase shift keying is een modulatieformaat dat effectief vier keer zoveel informatie verzendt als traditionele optische transmissies met dezelfde snelheid.”

ReceiversEdit

het hoofdbestanddeel van een optische ontvanger is een fotodetector die licht omzet in elektriciteit met behulp van het foto-elektrisch effect. De primaire fotodetectoren voor telecommunicatie zijn gemaakt van Indium galliumarsenide. De fotodetector is typisch een halfgeleider-gebaseerde fotodiode. Verschillende soorten fotodiodes omvatten p-n fotodiodes, p-i-n fotodiodes en lawine fotodiodes. Metal-semiconductor-metal (MSM) fotodetectoren worden ook gebruikt vanwege hun geschiktheid voor circuit integratie in regeneratoren en golflengteverdeling multiplexers.

optische-elektrische omzetters worden doorgaans gekoppeld aan een transimpedantieversterker en een beperkende versterker om een digitaal signaal te produceren in het elektrische domein van het inkomende optische signaal, dat kan worden verzwakt en vervormd terwijl het door het kanaal gaat. Verdere signaalverwerking zoals klokterugwinning van gegevens (CDR) die door een fase-gesloten lijn wordt uitgevoerd kan ook worden toegepast alvorens de gegevens worden doorgegeven.

coherente ontvangers gebruiken een lokale oscillatorlaser in combinatie met een paar hybride koppelingen en vier fotodetectoren per polarisatie, gevolgd door ADC ‘ s met hoge snelheid en digitale signaalverwerking om gegevens te herstellen gemoduleerd met QPSK, QAM of OFDM.

digitale predistortionEdit

een optische communicatiesysteem zender bestaat uit een digitaal-naar-analoog omzetter (DAC), een driver versterker en een Mach–Zehnder-Modulator. De inzet van hogere modulatieformaten (> 4QAM) of hogere baudrates (> 32 GBaud) vermindert de prestaties van het systeem als gevolg van lineaire en niet-lineaire transmitter-effecten. Deze effecten kunnen worden gecategoriseerd in lineaire vervormingen als gevolg van DAC bandbreedte beperking en zender I / Q scheef, evenals niet-lineaire effecten veroorzaakt door versterking verzadiging in de driver versterker en de Mach–Zehnder modulator. Digital predistortion gaat de degraderende effecten tegen en maakt baudrates mogelijk tot 56 GBaud en modulatieformaten zoals 64QAM en 128QAM met de commercieel verkrijgbare componenten. De transmitter digital signal processor voert digitale predistortion op de ingangssignalen met behulp van de inverse transmitter model voor het uploaden van de monsters naar de DAC.

oudere digitale predistortiemethoden richtten zich alleen op lineaire effecten. Recente publicaties compenseerden ook niet-lineaire verstoringen. Berenguer et al modellen de Mach-Zehnder modulator als een onafhankelijke Wiener systeem en de DAC en de driver versterker zijn gemodelleerd door een afgeknotte, tijd-invariante Volterra serie. Khanna et al gebruikten een geheugenpolynoom om de zendercomponenten gezamenlijk te modelleren. In beide benaderingen worden de Volterra-reeks of de geheugenpolynomiale coëfficiënten gevonden gebruikend Indirect-lerende architectuur. Duthel et al registreert voor elke tak van de Mach-Zehnder modulator verschillende signalen bij verschillende polariteit en fasen. De signalen worden gebruikt om het optische veld te berekenen. Kruis-correlerende in-fase en kwadratuur velden identificeert de timing scheef. De frequentierespons en de niet-lineaire effecten worden bepaald door de architectuur voor indirect leren.

Glasvezel kabel typesEdit

Een kabelhaspel trailer met leidingen die kan dragen optische vezel

Multi-mode optische vezel in een ondergrondse put

Een optische kabel bestaat uit een kern, gevelbekleding, en een buffer (een beschermende coating), waarin de bekleding gidsen het licht langs de kern met behulp van de methode van totale interne reflectie. De kern en de bekleding (die een lagere brekingsindex heeft) zijn meestal gemaakt van hoogwaardig silicaglas, hoewel ze beide kunnen worden gemaakt van kunststof. Het verbinden van twee optische vezels wordt gedaan door fusie verbinden of mechanisch verbinden en vereist speciale vaardigheden en interconnectietechnologie vanwege de microscopische precisie die nodig is om de vezelkernen uit te lijnen.

twee hoofdtypen optische vezels die worden gebruikt in optische communicatie zijn optische vezels met meerdere modi en optische vezels met één modi. Een multi-mode optische vezel heeft een grotere kern (≥ 50 micrometer), waardoor minder nauwkeurige, goedkopere zenders en ontvangers kunnen worden aangesloten, evenals goedkopere connectoren. Echter, een multi-mode vezel introduceert multimode vervorming, die vaak beperkt de bandbreedte en lengte van de link. Bovendien, vanwege de hogere dopant inhoud, multi-mode vezels zijn meestal duur en vertonen hogere demping. De kern van een single-mode vezel is kleiner (<10 micrometer) en vereist duurdere componenten en interconnectiemethoden, maar maakt veel langere, betere verbindingen mogelijk. Zowel single-als multi-mode vezel wordt aangeboden in verschillende kwaliteiten.

om een pakket glasvezel in een commercieel haalbaar product, meestal is beschermend gecoat met behulp van ultraviolet (UV) licht uithardend acrylaat polymeren, dan beëindigd met optische fiber aansluitingen, en eindelijk in een kabel. Daarna kan het in de grond worden gelegd en vervolgens door de muren van een gebouw lopen en aeriaal worden ingezet op een manier die vergelijkbaar is met koperen kabels. Deze vezels vereisen minder onderhoud dan gewone twisted pair draden zodra ze worden ingezet.

gespecialiseerde kabels worden gebruikt voor datatransmissie over lange afstand onder zee, bijvoorbeeld trans-Atlantische communicatiekabel. Nieuwe (2011-2013) kabels geëxploiteerd door commerciële ondernemingen (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic) hebben meestal vier strengen vezels en steken de Atlantische Oceaan (NYC-Londen) in 60–70ms. kosten van elke dergelijke kabel was ongeveer $300M in 2011. bron: The Chronicle Herald.

een andere gangbare praktijk is het bundelen van veel glasvezelstrengen binnen een langeafstandskabel. Dit exploiteert machtstransmissierechten effectief, zorgt ervoor dat een energiebedrijf de vezel kan bezitten en controleren die nodig is om zijn eigen apparaten en lijnen te bewaken, is effectief immuun voor manipulatie en vereenvoudigt de implementatie van smart grid-technologie.

Versterkingedit

de transmissieafstand van een vezeloptische communicatiesysteem wordt traditioneel beperkt door vezeldemping en vezelvervorming. Door het gebruik van opto-elektronische repeaters zijn deze problemen geëlimineerd. Deze repeaters zetten het signaal om in een elektrisch signaal, en gebruiken dan een zender om het signaal opnieuw te verzenden met een hogere intensiteit dan werd ontvangen, waardoor het verlies in het vorige segment wordt tegengegaan. Vanwege de hoge complexiteit met moderne golflengteverdeling multiplexed signalen. inclusief het feit dat ze ongeveer eens per 20 km moesten worden geïnstalleerd, zijn de kosten van deze repeaters zeer hoog.

een alternatieve aanpak is het gebruik van optische versterkers die het optische signaal rechtstreeks versterken zonder dat het signaal naar het elektrische domein hoeft te worden geconverteerd. Een veel voorkomend type optische versterker wordt een erbium-gedoteerde vezelversterker of EDFA genoemd. Deze worden gemaakt door een lengte van vezel met het zeldzame-aarde mineraal erbium te dopen en het met licht van een laser met een kortere golflengte dan het communicatiesignaal (typisch 980 nm) te pompen. EDFA ‘ s bieden winst in de ITU C-band bij 1550 nm, wat in de buurt is van het verliesminimum voor optische vezels.

optische versterkers hebben een aantal belangrijke voordelen ten opzichte van elektrische repeaters. Ten eerste kan een optische versterker een zeer brede band in één keer versterken die honderden individuele kanalen kan omvatten, waardoor de noodzaak om DWDM-signalen bij elke versterker te demultiplex wordt geëlimineerd. Ten tweede werken optische versterkers onafhankelijk van de gegevenssnelheid en modulatieformaat, waardoor meerdere gegevenssnelheden en modulatieformaten naast elkaar kunnen bestaan en upgraden van de gegevenssnelheid van een systeem mogelijk is zonder dat alle repeaters hoeven te worden vervangen. Ten derde, optische versterkers zijn veel eenvoudiger dan een repeater met dezelfde mogelijkheden en zijn daarom aanzienlijk betrouwbaarder. Optische versterkers zijn grotendeels vervangen repeaters in nieuwe installaties, hoewel elektronische repeaters nog steeds op grote schaal worden gebruikt als transponders voor golflengteconversie.

Wavelength-division multiplexingdit

Wavelength-division multiplexing (WDM) is de techniek van het verzenden van meerdere kanalen van informatie via een enkele optische vezel door het verzenden van meerdere lichtbundels van verschillende golflengten door de vezel, elk gemoduleerd met een afzonderlijk informatiekanaal. Hierdoor kan de beschikbare capaciteit van optische vezels worden vermenigvuldigd. Dit vereist een golflengteverdeling Multiplextelegraaf in de zendapparatuur en een demultiplextelegraaf (hoofdzakelijk een spectrometer) in de ontvangende apparatuur. Arrayed golfgeleiderroosters worden vaak gebruikt voor multiplexen en demultiplexen in WDM. Met behulp van WDM-technologie die nu in de handel verkrijgbaar is, kan de bandbreedte van een vezel worden verdeeld in maar liefst 160 kanalen om een gecombineerde bitsnelheid in het bereik van 1,6 Tbit/s te ondersteunen.