nowoczesne systemy komunikacji światłowodowej na ogół obejmują nadajnik optyczny do konwersji sygnału elektrycznego na sygnał optyczny, aby wysłać przez światłowód, kabel zawierający wiązki wielu włókien optycznych, które są poprowadzone przez podziemne przewody i budynki, wiele rodzajów wzmacniaczy i odbiornik optyczny w celu odzyskania sygnału jako sygnału elektrycznego. Przekazywane informacje są zazwyczaj informacją cyfrową generowaną przez komputery, systemy telefoniczne i firmy telewizji kablowej.
Nadajnikiedit
najczęściej stosowanymi nadajnikami optycznymi są urządzenia półprzewodnikowe, takie jak diody elektroluminescencyjne (LED) i diody laserowe. Różnica między diodami LED a diodami laserowymi polega na tym, że diody LED wytwarzają niespójne światło, podczas gdy diody laserowe wytwarzają spójne światło. Do stosowania w komunikacji optycznej półprzewodnikowe nadajniki optyczne muszą być zaprojektowane tak, aby były kompaktowe, wydajne i niezawodne, jednocześnie pracujące w optymalnym zakresie długości fali i bezpośrednio modulowane przy wysokich częstotliwościach.
w swojej najprostszej formie DIODA LED jest przesuniętym do przodu złączem p-n, emitującym światło poprzez emisję spontaniczną, zjawisko określane jako elektroluminescencja. Emitowane światło jest niespójne o stosunkowo szerokiej szerokości widmowej 30-60 nm. Transmisja światła LED jest również nieefektywna, z zaledwie około 1% mocy wejściowej, czyli około 100 mikrofal, ostatecznie przekształconych w energię uruchomioną, która została sprzężona z włóknem światłowodowym. Jednak ze względu na stosunkowo prostą konstrukcję Diody LED są bardzo przydatne w tanich zastosowaniach.
Diody komunikacyjne są najczęściej wykonane z fosforku arsenku Indu galu (InGaAsP) lub arsenku galu (GaAs). Ponieważ diody InGaAsP działają na dłuższej długości fali niż diody GaAs (1,3 mikrometra vs. 0,81-0.87 mikrometrów), ich widmo wyjściowe, podczas gdy ekwiwalent energii jest szerszy pod względem długości fali o współczynnik około 1,7. Duża szerokość widma diod LED podlega większej dyspersji światłowodów, znacznie ograniczając ich iloczyn przepływności-odległości (wspólna miara użyteczności). Diody LED nadają się przede wszystkim do zastosowań w sieciach lokalnych z przepływnością 10-100 Mbit/s i odległościami transmisji do kilku kilometrów. Opracowano również diody LED, które wykorzystują kilka studni kwantowych do emitowania światła o różnych długościach fal w szerokim spektrum i są obecnie stosowane w lokalnych sieciach WDM (Wavelength-Division Multiplexing).
obecnie Diody LED zostały w dużej mierze zastąpione przez urządzenia VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), które oferują lepszą prędkość, moc i właściwości spektralne, przy podobnych kosztach. Wspólne urządzenia VCSEL dobrze łączą się z światłowodem wielomodowym.
laser półprzewodnikowy emituje światło poprzez emisję stymulowaną, a nie spontaniczną, co skutkuje dużą mocą wyjściową (~100 mW), a także innymi korzyściami związanymi z naturą światła koherentnego. Wyjście lasera jest stosunkowo kierunkowe, co pozwala na wysoką sprawność sprzęgania (~50%) w światłowodzie jednomodowym. Wąska szerokość widmowa pozwala również na wysokie przepływności, ponieważ zmniejsza efekt dyspersji chromatycznej. Ponadto lasery półprzewodnikowe mogą być modulowane bezpośrednio przy wysokich częstotliwościach ze względu na krótki czas rekombinacji.
powszechnie stosowane klasy półprzewodnikowych nadajników laserowych stosowanych w światłowodach to VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser), Fabry–Pérot i Dfb (Distributed Feed Back).
diody laserowe są często bezpośrednio modulowane, to znaczy strumień świetlny jest sterowany prądem przyłożonym bezpośrednio do urządzenia. W przypadku bardzo dużych prędkości transmisji danych lub połączeń na bardzo duże odległości źródłem Laserowym może być fala ciągła, a światło modulowane przez urządzenie zewnętrzne, modulator optyczny, taki jak modulator elektroakustyczny lub interferometr Mach-Zehndera. Modulacja zewnętrzna zwiększa osiągalną odległość ogniwa, eliminując chirp laserowy, który rozszerza szerokość linii bezpośrednio modulowanych laserów, zwiększając dyspersję chromatyczną we włóknach. Aby uzyskać bardzo wysoką wydajność pasma, można użyć spójnej modulacji do zmiany fazy światła oprócz amplitudy, umożliwiając użycie QPSK, QAM i OFDM.
transceiver to urządzenie łączące nadajnik i odbiornik w jednej obudowie (patrz rysunek po prawej).
Światłowody odnotowały ostatnie postępy w technologii. „Podwójna polaryzacja kwadratura przesunięcia fazowego jest formatem modulacji, który skutecznie wysyła cztery razy więcej informacji niż tradycyjne transmisje optyczne o tej samej prędkości.”
Odbiornikedytuj
głównym składnikiem odbiornika optycznego jest fotodetektor, który zamienia światło na energię elektryczną za pomocą efektu fotoelektrycznego. Podstawowe fotodetektory dla telekomunikacji są wykonane z arsenku Indu galu. Fotodetektor jest zazwyczaj fotodiodą opartą na półprzewodnikach. Kilka typów fotodiod to fotodiody p-n, fotodiody p-i-n i fotodiody lawinowe. Fotodetektory Metal-półprzewodnik-metal (MSM) są również stosowane ze względu na ich przydatność do integracji obwodów w regeneratorach i multiplekserach z podziałem długości fali.
Konwertery optyczno-elektryczne są zazwyczaj sprzężone ze wzmacniaczem transimpedancji i wzmacniaczem ograniczającym w celu wytworzenia sygnału cyfrowego w dziedzinie elektrycznej z przychodzącego sygnału optycznego, który może być tłumiony i zniekształcony podczas przechodzenia przez kanał. Dalsze przetwarzanie sygnału, takie jak odzyskiwanie zegara z danych (CDR), wykonywane przez pętlę z blokadą fazową, może być również zastosowane przed przekazaniem danych.
koherentne odbiorniki używają lokalnego lasera oscylacyjnego w połączeniu z parą hybrydowych sprzęgieł i czterema fotodetektorami na polaryzację, a następnie szybkich ADC i cyfrowego przetwarzania sygnału w celu odzyskania danych modulowanych za pomocą QPSK, QAM lub OFDM.
digital predistortionEdit
Nadajnik optycznego systemu komunikacji składa się z przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC), wzmacniacza sterującego i modulatora Mach-Zehnder. Zastosowanie wyższych formatów modulacji (>4QAM) lub wyższych prędkości transmisji (> 32 GBaud) zmniejsza wydajność systemu z powodu liniowych i nieliniowych efektów nadajnika. Efekty te można podzielić na zniekształcenia liniowe ze względu na ograniczenie przepustowości DAC i przekrzywienie przetwornika i/Q, a także nieliniowe efekty spowodowane nasyceniem wzmocnienia we wzmacniaczu sterownika i modulatorze Mach-Zehnder. Cyfrowa predyspozycja przeciwdziała degradującym skutkom i umożliwia szybkość transmisji do 56 GBaud i formaty modulacji, takie jak 64QAM i 128QAM z dostępnymi na rynku komponentami. Cyfrowy Procesor sygnałowy nadajnika wykonuje cyfrową predystorję na sygnałach wejściowych za pomocą odwrotnego modelu nadajnika przed przesłaniem próbek do DAC.
starsze cyfrowe metody predestynacji zajmowały się jedynie efektami liniowymi. Ostatnie publikacje rekompensowały również nieliniowe zniekształcenia. Berenguer i in. modelują modulator Mach-Zehndera jako niezależny system Wienera, a przetwornik i wzmacniacz są modelowane przez obciętą, niezmienną w czasie serię Volterra. Khanna i wsp. wykorzystali wielomian pamięci do wspólnego modelowania komponentów nadajnika. W obu podejściach szereg Volterra lub współczynniki wielomianu pamięci znajdują się przy użyciu architektury pośredniego uczenia się. Duthel et al rejestruje dla każdej gałęzi modulatora Mach-Zehnder kilka sygnałów o różnej polaryzacji i fazach. Sygnały są wykorzystywane do obliczania pola optycznego. Wzajemne korelowanie pól w fazie i kwadratury identyfikuje pochylenie czasowe. Odpowiedź częstotliwościowa i efekty nieliniowe są określane przez architekturę pośredniego uczenia się.
typy kabli Światłowodowychedit
kabel światłowodowy składa się z rdzenia, okładziny i bufora (zewnętrznej powłoki ochronnej), w którym Okładzina prowadzi światło wzdłuż rdzenia za pomocą metody całkowitego wewnętrznego odbicia. Rdzeń i okładzina (o niższym współczynniku załamania) są zwykle wykonane z wysokiej jakości szkła krzemionkowego, chociaż mogą być również wykonane z tworzywa sztucznego. Łączenie dwóch włókien optycznych odbywa się przez łączenie fuzji lub mechaniczne łączenie i wymaga specjalnych umiejętności i technologii połączeń ze względu na mikroskopijną precyzję wymaganą do wyrównania rdzeni światłowodowych.
dwa główne typy światłowodów stosowanych w komunikacji optycznej obejmują wielomodowe włókna światłowodowe i jednomodowe włókna światłowodowe. Światłowód wielomodowy ma większy rdzeń (≥50 mikrometrów), dzięki czemu można podłączyć do niego mniej precyzyjne, tańsze nadajniki i odbiorniki, a także tańsze złącza. Jednak światłowód wielomodowy wprowadza zniekształcenia wielomodowe, które często ograniczają przepustowość i długość łącza. Ponadto, ze względu na wyższą zawartość domieszek, włókna wielomodowe są zwykle drogie i wykazują wyższe tłumienie. Rdzeń światłowodu jednomodowego jest mniejszy (<10 mikrometrów) i wymaga droższych komponentów i metod połączeń, ale pozwala na znacznie dłuższe połączenia o wyższej wydajności. Światłowód jedno – i wielomodowy oferowany jest w różnych gatunkach.
| 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 |
aby zapakować włókno w komercyjnie opłacalny produkt, zwykle jest on powlekany ochronnie za pomocą ultrafioletowych (UV), utwardzonych światłem polimerów akrylowych, a następnie zakończony złączami światłowodowymi i ostatecznie zmontowany w kabel. Następnie można go ułożyć w ziemi, a następnie uruchomić przez ściany budynku i rozprowadzić aerodynamicznie w sposób podobny do kabli miedzianych. Włókna te wymagają mniejszej konserwacji niż zwykłe skrętki po ich wdrożeniu.
Kable specjalistyczne są używane do dalekobieżnej transmisji danych podmorskich, np. transatlantycki kabel komunikacyjny. Nowe (2011-2013) Kable obsługiwane przez przedsiębiorstwa komercyjne (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic) zazwyczaj mają cztery pasma światłowodu i przechodzą przez Atlantyk (NYC–Londyn) w 60-70ms. koszt każdego takiego kabla wynosił około 300 milionów dolarów w 2011 roku. źródło: The Chronicle Herald.
inną powszechną praktyką jest Wiązanie wielu pasm światłowodowych w kablu do transmisji mocy na duże odległości. W ten sposób skutecznie wykorzystuje się prawa przesyłu energii, zapewnia firmie energetycznej możliwość posiadania i kontrolowania światłowodu wymaganego do monitorowania własnych urządzeń i linii, jest skutecznie odporny na manipulacje i upraszcza wdrażanie technologii inteligentnych sieci.
wzmocnienie
odległość transmisji światłowodowego systemu komunikacyjnego została tradycyjnie ograniczona przez tłumienie włókien i zniekształcenia włókien. Dzięki zastosowaniu repeaterów optoelektronicznych problemy te zostały wyeliminowane. Wzmacniacze te przetwarzają sygnał na sygnał elektryczny, a następnie wykorzystują nadajnik do ponownego wysłania sygnału z większym natężeniem niż został odebrany, przeciwdziałając w ten sposób stratom poniesionym w poprzednim segmencie. Ze względu na dużą złożoność nowoczesnych sygnałów multipleksowanych z podziałem długości fali. wliczając w to fakt, że musiały być instalowane mniej więcej raz na 20 km, koszt tych repeaterów jest bardzo wysoki.
alternatywnym podejściem jest użycie wzmacniaczy optycznych, które wzmacniają sygnał optyczny bezpośrednio, bez konieczności konwersji sygnału na domenę elektryczną. Jeden wspólny typ wzmacniacza optycznego nazywa się wzmacniaczem światłowodowym z domieszką Erbu lub powołaniem. Są one wytwarzane przez domieszkowanie długości włókna minerałem ziem rzadkich erbium i pompowanie go światłem z lasera o krótszej długości fali niż sygnał komunikacyjny (Zwykle 980 nm). EDFA zapewniają wzmocnienie w paśmie itu C przy 1550 nm, co jest bliskie minimum strat dla światłowodu.
wzmacniacze optyczne mają kilka istotnych zalet w stosunku do wzmacniaczy elektrycznych. Po pierwsze, wzmacniacz optyczny może wzmocnić bardzo szerokie pasmo na raz, które może zawierać setki pojedynczych kanałów, eliminując potrzebę demultiplex sygnałów DWDM na każdym wzmacniaczu. Po drugie, wzmacniacze optyczne działają niezależnie od szybkości transmisji danych i formatu modulacji, umożliwiając współistnienie wielu szybkości transmisji danych i formatów modulacji oraz umożliwiając modernizację szybkości transmisji danych systemu bez konieczności wymiany wszystkich repeaterów. Po trzecie, wzmacniacze optyczne są znacznie prostsze niż repeater o tych samych możliwościach i dlatego są znacznie bardziej niezawodne. Wzmacniacze optyczne w dużej mierze zastąpiły repeatery w nowych instalacjach, chociaż elektroniczne repeatery są nadal szeroko stosowane jako transpondery do konwersji długości fali.
multipleksowanie z podziałem długości fali
multipleksowanie z podziałem długości fali (WDM) jest techniką przesyłania wielu kanałów informacji przez pojedyncze włókno światłowodowe poprzez wysyłanie wielu wiązek światła o różnych długościach fal przez włókno, z których każda modulowana jest oddzielnym kanałem informacyjnym. Pozwala to na zwielokrotnienie dostępnej pojemności światłowodów. Wymaga to multipleksera podziału długości fali w sprzęcie nadawczym i demultipleksera (zasadniczo spektrometru) w sprzęcie odbiorczym. Siatki falowodowe są powszechnie stosowane do multipleksowania i demultipleksowania w WDM. Dzięki technologii WDM dostępnej obecnie na rynku, przepustowość światłowodu można podzielić na aż 160 kanałów, aby obsługiwać połączoną przepływność w zakresie 1,6 Tbit/s.