sistemele moderne de comunicații cu fibră optică includ, în general, un transmițător optic pentru a converti un semnal electric într-un semnal optic pentru a trimite prin fibra optică, un cablu care conține mănunchiuri de fibre optice multiple care sunt dirijate prin conducte și clădiri subterane, mai multe tipuri de amplificatoare și un receptor optic pentru a recupera semnalul ca semnal electric. Informațiile transmise sunt de obicei informații digitale generate de computere, sisteme telefonice și companii de televiziune prin cablu.

TransmittersEdit

un modul GBIC (prezentat aici cu capacul scos), este un transceiver optic și electric. Conectorul electric este în partea dreaptă sus, iar conectorii optici sunt în partea stângă jos

cele mai frecvent utilizate emițătoare optice sunt dispozitivele semiconductoare, cum ar fi diodele emițătoare de lumină (LED-uri) și diodele laser. Diferența dintre LED-uri și diode laser este că LED-urile produc lumină incoerentă, în timp ce diodele laser produc lumină coerentă. Pentru utilizarea în comunicațiile optice, transmițătoarele optice semiconductoare trebuie să fie proiectate pentru a fi compacte, eficiente și fiabile, în timp ce funcționează într-un interval optim de lungime de undă și modulate direct la frecvențe înalte.

în forma sa cea mai simplă, un LED este o joncțiune p-n părtinitoare înainte, care emite lumină prin emisie spontană, fenomen denumit electroluminescență. Lumina emisă este incoerentă cu o lățime spectrală relativ largă de 30-60 nm. Transmisia de lumină LED este, de asemenea, ineficientă, cu doar aproximativ 1% din puterea de intrare sau aproximativ 100 de microwați, transformată în cele din urmă în putere lansată care a fost cuplată în fibra optică. Cu toate acestea, datorită designului lor relativ simplu, LED-urile sunt foarte utile pentru aplicații cu costuri reduse.

LED-urile de comunicații sunt cel mai frecvent realizate din fosfură de arsenid de indiu galiu (InGaAsP) sau arsenid de galiu (GaAs). Deoarece LED–urile InGaAsP funcționează la o lungime de undă mai mare decât LED-urile GaAs (1,3 micrometri față de 0,81-0.87 micrometri), spectrul lor de ieșire, în timp ce echivalentul în energie este mai larg în termeni de lungime de undă cu un factor de aproximativ 1,7. Lățimea mare a spectrului LED-urilor este supusă unei dispersii mai mari a fibrelor, limitându-le considerabil rata de biți-distanța produsului (o măsură comună a utilității). LED-urile sunt potrivite în primul rând pentru aplicații de rețea locală cu rate de biți de 10-100 Mbit/s și distanțe de transmisie de câțiva kilometri. De asemenea, au fost dezvoltate LED-uri care utilizează mai multe sonde cuantice pentru a emite lumină la diferite lungimi de undă pe un spectru larg și sunt utilizate în prezent pentru rețelele WDM (multiplexare cu diviziune a lungimii de undă) din zona locală.

astăzi, LED-urile au fost în mare parte înlocuite de dispozitivele VCSEL (vertical Cavity Surface Emitting Laser), care oferă viteză, putere și proprietăți spectrale îmbunătățite, la un cost similar. Dispozitive comune VCSEL cuplu bine la fibra multi mode.

un laser semiconductor emite lumină prin emisie stimulată, mai degrabă decât prin emisie spontană, ceea ce are ca rezultat o putere de ieșire mare (~100 mW), precum și alte beneficii legate de natura luminii coerente. Ieșirea unui laser este relativ direcțională, permițând o eficiență ridicată de cuplare (~50 %) în fibră monomod. Lățimea spectrală îngustă permite, de asemenea, rate mari de biți, deoarece reduce efectul dispersiei cromatice. Mai mult, laserele semiconductoare pot fi modulate direct la frecvențe înalte din cauza timpului scurt de recombinare.

clasele utilizate în mod obișnuit de emițătoare laser semiconductoare utilizate în fibră optică includ VCSEL (laser cu emisie de suprafață cu cavitate verticală), Fabry-P Oqustrot și DFB (feed back distribuit).

diodele Laser sunt adesea modulate direct, adică ieșirea luminii este controlată de un curent aplicat direct dispozitivului. Pentru rate de date foarte mari sau legături la distanță foarte lungă, o sursă laser poate fi acționată undă continuă, iar lumina modulată de un dispozitiv extern, un modulator optic, cum ar fi un modulator electroabsorbție sau interferometru Mach-Zehnder. Modularea externă crește distanța de legătură realizabilă prin eliminarea ciripitului laser, care lărgește lățimea liniei laserelor modulate direct, crescând dispersia cromatică în fibră. Pentru o eficiență foarte mare a lățimii de bandă, modularea coerentă poate fi utilizată pentru a varia faza luminii în plus față de amplitudine, permițând utilizarea QPSK, QAM și OFDM.

un transmițător este un dispozitiv care combină un emițător și un receptor într-o singură carcasă (vezi imaginea din dreapta).

fibra optica au văzut progrese recente în tehnologie. „Tastarea cu schimbare de fază cu cuadratură cu dublă polarizare este un format de modulare care trimite efectiv de patru ori mai multe informații decât transmisiile optice tradiționale de aceeași viteză.”

ReceiversEdit

componenta principală a unui receptor optic este un fotodetector care transformă lumina în electricitate folosind efectul fotoelectric. Fotodetectorii primari pentru telecomunicații sunt fabricați din arsenid de indiu galiu. Fotodetectorul este de obicei o fotodiodă bazată pe semiconductori. Mai multe tipuri de fotodiode includ fotodiodele p-n, fotodiodele p-i-n și fotodiodele avalanche. Fotodetectoarele Metal-semiconductor-metal (MSM) sunt, de asemenea, utilizate datorită adecvării lor pentru integrarea circuitelor în regeneratoare și multiplexoare cu diviziune de lungime de undă.

convertoarele Optico-electrice sunt de obicei cuplate cu un amplificator de transimpedanță și un amplificator limitator pentru a produce un semnal digital în domeniul electric din semnalul optic de intrare, care poate fi atenuat și distorsionat în timp ce trece prin canal. Procesarea suplimentară a semnalului, cum ar fi recuperarea ceasului din date (CDR) efectuată de o buclă blocată în fază, poate fi, de asemenea, aplicată înainte ca datele să fie transmise.

receptoarele coerente utilizează un laser Oscilator local în combinație cu o pereche de cuploare hibride și patru fotodetectoare pe polarizare, urmate de ADC-uri de mare viteză și procesare digitală a semnalului pentru a recupera datele modulate cu QPSK, QAM sau OFDM.

digital predistortionEdit

un transmițător de sistem de comunicații optice constă dintr-un convertor digital-analog (DAC), un amplificator de driver și un modulator Mach–Zehnder. Implementarea formatelor de modulare mai mari (> 4QAM) sau a ratelor Baud mai mari (> 32 GBaud) diminuează performanța sistemului datorită efectelor emițătorului liniar și neliniar. Aceste efecte pot fi clasificate în distorsiuni liniare datorită limitării lățimii de bandă DAC și a înclinării i/Q a transmițătorului, precum și a efectelor neliniare cauzate de saturația câștigului în amplificatorul șoferului și modulatorul Mach-Zehnder. Predistorsiunea digitală contracarează efectele degradante și permite rate Baud de până la 56 GBaud și formate de modulare precum 64QAM și 128qam cu componentele disponibile în comerț. Procesorul de semnal digital al transmițătorului efectuează predistorția digitală a semnalelor de intrare utilizând modelul emițătorului invers înainte de a încărca eșantioanele în DAC.

metodele mai vechi de predistorsiune digitală au abordat doar efectele liniare. Publicațiile recente au compensat, de asemenea, distorsiunile neliniare. Berenguer et al modelează modulatorul Mach-Zehnder ca sistem Wiener independent, iar DAC și amplificatorul șoferului sunt modelate de o serie Volterra trunchiată, invariantă în timp. Khanna și colab au folosit un polinom de memorie pentru a modela împreună componentele emițătorului. În ambele abordări, seria Volterra sau coeficienții polinomiali de memorie se găsesc folosind arhitectura de învățare indirectă. Duthel și colab înregistrează pentru fiecare ramură a modulatorului Mach-Zehnder mai multe semnale la polaritate și faze diferite. Semnalele sunt utilizate pentru a calcula câmpul optic. Corelarea încrucișată în fază și câmpurile de cuadratură identifică oblicul de sincronizare. Răspunsul în frecvență și efectele neliniare sunt determinate de arhitectura învățării indirecte.

tipuri de cabluri de fibră optică

o remorcă cu tambur de cablu cu conductă care poate transporta fibră optică

fibră optică multimodală într-o groapă de serviciu subterană

un cablu de fibră optică constă dintr-un miez, o placare și un tampon (un strat exterior de protecție), în care placarea ghidează lumina de-a lungul miezului folosind metoda reflexiei interne totale. Miezul și placarea (care are un indice de refracție mai mic) sunt de obicei realizate din sticlă de silice de înaltă calitate, deși ambele pot fi realizate și din plastic. Conectarea a două fibre optice se face prin îmbinare prin fuziune sau îmbinare mecanică și necesită abilități speciale și tehnologie de interconectare datorită preciziei microscopice necesare pentru alinierea miezurilor de fibre.

două tipuri principale de fibre optice utilizate în comunicațiile optice includ fibre optice Multi-mode și fibre optice single-mode. O fibră optică multi-mode are un miez mai mare (50 micrometri), permițând emițătorilor și receptoarelor mai puțin precise și mai ieftine să se conecteze la ea, precum și conectori mai ieftini. Cu toate acestea, o fibră multi-mode introduce distorsiuni multimodale, ceea ce limitează adesea lățimea de bandă și lungimea legăturii. Mai mult, datorită conținutului său mai mare de dopanți, fibrele multi-mode sunt de obicei scumpe și prezintă o atenuare mai mare. Miezul unei fibre cu un singur mod este mai mic (<10 micrometri) și necesită componente și metode de interconectare mai scumpe, dar permite legături mult mai lungi și mai performante. Ambele fibre single și multi-mode sunt oferite în diferite grade.

pentru a împacheta fibra într-un produs viabil din punct de vedere comercial, acesta este de obicei acoperit protector folosind polimeri acrilați ultravioleți (UV), întăriți cu lumină, apoi terminați cu conectori de fibră optică și, în cele din urmă, asamblați într-un cablu. După aceea, poate fi așezat în pământ și apoi rulat prin pereții unei clădiri și desfășurat aerian într-un mod similar cu cablurile de cupru. Aceste fibre necesită mai puțină întreținere decât firele obișnuite cu perechi răsucite odată ce sunt desfășurate.

cablurile specializate sunt utilizate pentru transmisia de date submarine pe distanțe lungi, de exemplu cablu de comunicații transatlantice. Cablurile noi (2011-2013) operate de întreprinderile comerciale (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic) au de obicei patru fire de fibre și traversează Atlanticul (NYC-Londra) în 60–70ms. costul fiecărui astfel de cablu a fost de aproximativ 300 de milioane de dolari în 2011. sursa: Cronica Herald.

o altă practică obișnuită este de a lega multe fire de fibră optică în cablul de transmisie a puterii pe distanțe lungi. Acest lucru exploatează în mod eficient drepturile de transmisie a energiei, asigură că o companie electrică poate deține și controla fibra necesară pentru a-și monitoriza propriile dispozitive și linii, este în mod eficient imună la manipulare și simplifică implementarea tehnologiei smart grid.

amplificare

distanța de transmisie a unui sistem de comunicații cu fibră optică a fost în mod tradițional limitată de atenuarea fibrelor și de distorsiunea fibrelor. Prin utilizarea repetoarelor optoelectronice, aceste probleme au fost eliminate. Aceste repetoare convertesc semnalul într-un semnal electric și apoi folosesc un emițător pentru a trimite din nou semnalul la o intensitate mai mare decât a fost primit, contracarând astfel pierderea suferită în segmentul anterior. Datorită complexității ridicate cu semnale multiplexate moderne de diviziune a lungimii de undă. inclusiv faptul că trebuiau instalate aproximativ o dată la 20 km (12 mi), costul acestor repetoare este foarte mare.

o abordare alternativă este utilizarea amplificatoarelor optice care amplifică semnalul optic direct, fără a fi nevoie să convertiți semnalul în domeniul electric. Un tip comun de amplificator optic se numește amplificator de fibre dopate cu erbiu sau EDFA. Acestea sunt realizate prin doparea unei lungimi de fibră cu erbiu mineral din pământuri rare și pomparea acesteia cu lumină de la un laser cu o lungime de undă mai mică decât semnalul de comunicații (de obicei 980 nm). EDFAs oferă câștig în banda ITU C la 1550 nm, care este aproape de minimul de pierdere pentru fibra optică.amplificatoarele optice au mai multe avantaje semnificative față de repetoarele electrice. În primul rând, un amplificator optic poate amplifica o bandă foarte largă simultan, care poate include sute de canale individuale, eliminând necesitatea demultiplexării semnalelor DWDM la fiecare amplificator. În al doilea rând, amplificatoarele optice funcționează independent de rata de date și de formatul de modulare, permițând coexistența mai multor rate de date și formate de modulare și permițând actualizarea ratei de date a unui sistem fără a fi nevoie să înlocuiască toate repetoarele. În al treilea rând, amplificatoarele optice sunt mult mai simple decât un repetor cu aceleași capacități și, prin urmare, sunt semnificativ mai fiabile. Amplificatoarele optice au înlocuit în mare măsură repetoarele în instalațiile noi, deși repetoarele electronice sunt încă utilizate pe scară largă ca transpondere pentru Conversia lungimii de undă.

multiplexarea diviziunii lungimii de undă

multiplexarea diviziunii lungimii de undă (WDM) este tehnica transmiterii mai multor canale de informații printr-o singură fibră optică prin trimiterea mai multor fascicule de lumină de diferite lungimi de undă prin fibră, fiecare modulată cu un canal de informații separat. Aceasta permite multiplicarea capacității disponibile a fibrelor optice. Acest lucru necesită un multiplexor de diviziune a lungimii de undă în echipamentul de transmisie și un demultiplexor (în esență un spectrometru) în echipamentul de recepție. Grilajele de ghidare de undă sunt utilizate în mod obișnuit pentru multiplexare și demultiplexare în WDM. Folosind tehnologia WDM disponibilă acum în comerț, lățimea de bandă a unei fibre poate fi împărțită în până la 160 de canale pentru a suporta o rată de biți combinată în intervalul de 1,6 Tbit/S.