Komunikace s optickými vlákny - Fiber-optic communication

Komunikace pomocí optických vláken je způsob přenosu informací z jednoho místa na druhé odesláním impulzů infračerveného světla přes optické vlákno . Světlo je forma nosné vlny, která je modulována tak, aby přenášela informace. Vlákna jsou upřednostňována před elektrickými kabely, pokud je vyžadována velká šířka pásma , velká vzdálenost nebo odolnost proti elektromagnetickému rušení . Tento typ komunikace může přenášet hlas, video a telemetrii prostřednictvím místních sítí nebo na velké vzdálenosti.

Optické vlákno používá mnoho telekomunikačních společností k přenosu telefonních signálů, internetové komunikace a signálů kabelové televize. Vědci z Bell Labs dosáhli rekordní šířky pásma-vzdálenosti přes 100 petabitů × kilometrů za sekundu pomocí komunikace z optických vláken.

Pozadí

Vláknové optiky, které byly poprvé vyvinuty v 70. letech minulého století, přinesly revoluci v telekomunikačním průmyslu a hrály hlavní roli v příchodu informačního věku . Díky svým výhodám oproti elektrickému přenosu optická vlákna v rozvinutém světě do značné míry nahradila komunikaci s měděným drátem v páteřních sítích .

Proces komunikace pomocí optických vláken zahrnuje následující základní kroky:

1. vytváření optického signálu zahrnujícího použití vysílače, obvykle z elektrického signálu
2. přenáší signál podél vlákna a zajišťuje, aby signál nebyl příliš zkreslený nebo slabý
3. příjem optického signálu
4. převedením na elektrický signál

Aplikace

Optické vlákno používají telekomunikační společnosti k přenosu telefonních signálů, internetové komunikace a signálů kabelové televize. Používá se také v jiných průmyslových odvětvích, včetně lékařství, obrany, vlády, průmyslu a obchodu. Kromě toho, že slouží účelům telekomunikací, používá se jako světlovody, pro zobrazovací nástroje, lasery, hydrofony pro seismické vlny, SONAR a jako senzory pro měření tlaku a teploty.

Vzhledem k nižšímu útlumu a rušení má optické vlákno výhody oproti měděnému drátu v aplikacích s velkou šířkou pásma na dlouhé vzdálenosti. Rozvoj infrastruktury ve městech je však poměrně obtížný a časově náročný a instalace a provoz optických systémů může být složitý a nákladný. Kvůli těmto obtížím byly rané komunikační systémy s optickými vlákny primárně instalovány v dálkových aplikacích, kde je lze využít k plné přenosové kapacitě, což kompenzuje zvýšené náklady. Ceny komunikací z optických vláken od roku 2000 výrazně klesly.

Cena za zavádění vláken do domácností se v současné době stala nákladově efektivnější než cena za zavedení sítě na bázi mědi. Ceny klesly na 850 USD za předplatitele v USA a nižší v zemích jako Nizozemsko, kde jsou nízké náklady na kopání a vysoká hustota bydlení.

Od roku 1990, kdy se systémy s optickým zesílením staly komerčně dostupnými, položil telekomunikační průmysl rozsáhlou síť meziměstských a zaoceánských komunikačních linek. Do roku 2002 byla dokončena mezikontinentální síť 250 000 km podmořského komunikačního kabelu o kapacitě 2,56 Tb /s, a přestože specifické kapacity sítě jsou privilegovanými informacemi, zprávy o telekomunikačních investicích uvádějí, že kapacita sítě se od roku 2004 dramaticky zvýšila.

Dějiny

V roce 1880 Alexander Graham Bell a jeho asistent Charles Sumner Tainter vytvořili velmi raný předchůdce komunikace s optickými vlákny, Photophone , v Bellově nově založené Volta Laboratory ve Washingtonu, DC Bell to považoval za svůj nejdůležitější vynález. Zařízení umožňovalo přenos zvuku na paprsek světla. 3. června 1880 provedl Bell první bezdrátový telefonní přenos na světě mezi dvěma budovami, vzdálenými od sebe asi 213 metrů. Vzhledem k použití atmosférického přenosového média by se fotofon neprokázal jako praktický, dokud pokroky v laserových a optických vláknových technologiích nedovolí bezpečný přenos světla. První praktické použití Photophone přišlo ve vojenských komunikačních systémech o mnoho desítek let později.

V roce 1954 Harold Hopkins a Narinder Singh Kapany ukázali, že válcované skleněné vlákno umožňuje přenos světla.

Jun-ichi Nishizawa , japonský vědec z Tohoku University , navrhl použití optických vláken pro komunikaci v roce 1963. Nishizawa vynalezl PIN diodu a statický indukční tranzistor , které přispěly k rozvoji komunikace s optickými vlákny.

V roce 1966 Charles K. Kao a George Hockham ze Standard Telecommunication Laboratories ukázali, že ztráty 1 000 dB/km ve stávajícím skle (ve srovnání s 5–10 dB/km v koaxiálním kabelu) byly způsobeny nečistotami, které by mohly být potenciálně odstraněny.

Optické vlákno bylo úspěšně vyvinuto v roce 1970 společností Corning Glass Works , s dostatečně nízkým útlumem pro komunikační účely (asi 20  dB /km) a současně byly vyvinuty polovodičové lasery GaAs, které byly kompaktní, a proto vhodné pro přenos světla optickými kabely pro dlouhé vzdálenosti.

V roce 1973 společnost Optelecom , Inc., spoluzakladatel vynálezce laseru Gordona Goulda , obdržela od ARPA smlouvu na jeden z prvních optických komunikačních systémů. Systém byl vyvinut pro armádní velitelství raket v Huntsville v Alabamě a jeho cílem bylo umožnit vzdálené létání rakety krátkého dosahu ze země pomocí pětikilometrového optického vlákna, které se při letu z rakety nevyvinulo.

Po období výzkumu počínaje rokem 1975 byl vyvinut první komerční komunikační systém s optickými vlákny, který pracoval na vlnové délce kolem 0,8 μm a používal polovodičové lasery GaAs. Tento systém první generace pracoval s přenosovou rychlostí 45 Mbit/s s roztečí opakovače až 10 km. Brzy dne 22. dubna 1977, General Telephone and Electronics odeslal první živý telefonní provoz prostřednictvím optických vláken při propustnosti 6 Mbit/s v Long Beach v Kalifornii.

V říjnu 1973 společnost Corning Glass podepsala vývojovou smlouvu se společnostmi CSELT a Pirelli zaměřenou na testování optických vláken v městském prostředí: v září 1977 byl experimentálně rozmístěn druhý kabel této testovací série s názvem COS-2 ve dvou linkách (9 km ) v Turíně , poprvé ve velkoměstě, rychlostí 140 Mbit/s.

Druhá generace komunikace s optickými vlákny byla vyvinuta pro komerční použití na začátku 80. let minulého století, fungovala na 1,3 μm a používala polovodičové lasery InGaAsP. Tyto rané systémy byly zpočátku omezeny disperzí vláken ve více režimech a v roce 1981 bylo odhaleno, že vlákno v jednom režimu výrazně zlepšuje výkon systému, nicméně praktické konektory schopné pracovat s vláknem v jednom režimu se ukázaly být obtížně vyvinuté. Kanadský poskytovatel služeb SaskTel dokončil výstavbu tehdy nejdelší komerční sítě optických vláken na světě, která pokrývala 3 268 km (2031 mi) a propojila 52 komunit. V roce 1987 tyto systémy fungovaly s bitovými rychlostmi až1,7 Gbit/s s roztečí opakovače až 50 km (31 mi).

První transatlantický telefonní kabel využívající optické vlákno byl TAT-8 , založený na technologii laserového zesílení optimalizované společností Desurvire . Do provozu byl uveden v roce 1988.

Optické systémy třetí generace fungovaly na 1,55 μm a měly ztráty asi 0,2 dB/km. Tento vývoj byl urychlen objevem arzenidu india galia a vývojem fotodiody arsenidu india galia společností Pearsall. Inženýři překonali dřívější potíže s pulzním šířením pomocí konvenčních polovodičových laserů InGaAsP na této vlnové délce pomocí vláken s posunem disperze navržených tak, aby měly minimální rozptyl při 1,55 μm, nebo omezením laserového spektra na jeden podélný režim . Tento vývoj nakonec umožnil komerčně fungovat systémy třetí generace2,5 Gbit/s s roztečí opakovače přesahující 100 km (62 mi).

Čtvrtá generace komunikačních systémů s optickými vlákny používala optické zesílení ke snížení potřeby opakovačů a multiplexování s dělením vlnových délek ke zvýšení datové kapacity . Tato dvě vylepšení způsobila revoluci, která vedla ke zdvojnásobení kapacity systému každých šest měsíců počínaje rokem 1992 až do bitové rychlostiDo roku 2001 bylo dosaženo 10  Tb/s . V roce 2006 přenosová rychlost14 Tb/s bylo dosaženo pomocí jediné 160 km (99 mi) linky pomocí optických zesilovačů.

Vývoj páté generace optických komunikací se zaměřuje na rozšíření rozsahu vlnových délek, ve kterých může systém WDM fungovat. Konvenční okno vlnové délky, známé jako pásmo C, pokrývá rozsah vlnových délek 1,53–1,57 μm a suché vlákno má okno s nízkou ztrátou, které slibuje prodloužení tohoto rozsahu na 1,30–1,65 μm. Další vývoj zahrnuje koncept „ optických solitonů “, pulzů, které zachovávají svůj tvar tím, že působí proti účinkům disperze s nelineárními efekty vlákna pomocí pulzů specifického tvaru.

Na konci 90. let 20. století až 2000 předpovídali propagátoři průmyslu a výzkumné společnosti jako KMI a RHK masivní nárůst poptávky po šířce komunikačního pásma v důsledku zvýšeného využívání internetu a komercializace různých spotřebitelských služeb náročných na šířku pásma, jako je video na vyžádání . Datový provoz internetového protokolu rostl exponenciálně rychleji, než se podle Moorova zákona zvýšila složitost integrovaných obvodů . Od krachu dot-com bubliny do roku 2006 je však hlavním trendem v tomto odvětví konsolidace firem a offshoring výroby za účelem snížení nákladů. Společnosti jako Verizon a AT&T využily výhod komunikace z optických vláken k poskytování různých vysokovýkonných datových a širokopásmových služeb do domácností spotřebitelů.

Technologie

Moderní komunikační systémy s optickými vlákny obecně obsahují optický vysílač pro převod elektrického signálu na optický signál pro odeslání optickým vláknem, kabel obsahující svazky více optických vláken, který je veden podzemními kanály a budovami, několik druhů zesilovačů a optický přijímač pro obnovení signálu jako elektrického signálu. Přenášené informace jsou obvykle digitální informace generované počítači, telefonními systémy a společnostmi kabelové televize .

Vysílače

Nejčastěji používanými optickými vysílači jsou polovodičová zařízení, jako jsou světelné diody (LED) a laserové diody . Rozdíl mezi LED a laserovými diodami je v tom, že LED diody produkují nesouvislé světlo , zatímco laserové diody produkují koherentní světlo . Pro použití v optické komunikaci musí být polovodičové optické vysílače navrženy tak, aby byly kompaktní, účinné a spolehlivé, přičemž pracují v optimálním rozsahu vlnových délek a jsou přímo modulovány na vysokých frekvencích.

Ve své nejjednodušší formě je LED dioda pn předpětí pn , která vyzařuje světlo spontánní emisí , což je jev označovaný jako elektroluminiscence . Vyzařované světlo je nekoherentní s relativně širokou spektrální šířkou 30–60 nm. Přenos světla LED je také neefektivní, pouze asi 1% vstupního výkonu nebo asi 100 mikrowattů, nakonec přeměněno na spuštěný výkon, který byl spojen do optického vlákna. Díky relativně jednoduchému designu jsou však LED diody velmi užitečné pro nízkonákladové aplikace.

Komunikační LED diody jsou nejčastěji vyráběny z fosfidu arzenidu india galia (InGaAsP) nebo arsenidu galia (GaAs). Protože LED diody InGaAsP pracují s delší vlnovou délkou než LED diody GaAs (1,3 mikrometru vs. 0,81–0,87 mikrometru), jejich výstupní spektrum, zatímco ekvivalent v energii, je z hlediska vlnové délky širší přibližně o 1,7. Velká šířka spektra LED je vystavena vyššímu rozptylu vláken, což značně omezuje jejich součin vzdálenosti a přenosové rychlosti (běžná míra užitečnosti). LED diody jsou vhodné především pro aplikace v místní síti s přenosovými rychlostmi 10–100 Mbit/s a přenosovou vzdáleností několika kilometrů. Byly také vyvinuty LED diody, které používají několik kvantových jamek k vyzařování světla na různých vlnových délkách v širokém spektru a v současné době se používají pro lokální sítě WDM (Wavelength-Division Multiplexing).

Dnes jsou LED diody z velké části nahrazeny zařízeními VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), které nabízejí vyšší rychlost, výkon a spektrální vlastnosti za podobnou cenu. Běžná zařízení VCSEL se dobře spojují s vláknem s více režimy.

Polovodičový laser vyzařuje světlo spíše stimulovanou emisí než spontánní emisí, což má za následek vysoký výstupní výkon (~ 100 mW) a další výhody související s povahou koherentního světla. Výstup laseru je relativně směrový, což umožňuje vysokou účinnost vazby (~ 50 %) do jednovidového vlákna. Úzká spektrální šířka také umožňuje vysoké přenosové rychlosti, protože snižuje účinek chromatické disperze . Kromě toho mohou být polovodičové lasery modulovány přímo na vysokých frekvencích kvůli krátké době rekombinace .

Mezi běžně používané třídy polovodičových laserových vysílačů používaných ve vláknové optice patří VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser), Fabry – Pérot a DFB (Distributed Feed Back).

Laserové diody jsou často přímo modulovány , to znamená, že světelný výkon je řízen proudem aplikovaným přímo na zařízení. Pro velmi vysoké datové rychlosti nebo odkazy na velmi dlouhé vzdálenosti může být laserový zdroj provozován spojitou vlnou a světlo modulované externím zařízením, optickým modulátorem , jako je elektroabsorpční modulátor nebo interferometr Mach – Zehnder . Externí modulace zvyšuje dosažitelnou vzdálenost spojení odstraněním laserového cvrlikání , které rozšiřuje šířku čáry přímo modulovaných laserů a zvyšuje chromatickou disperzi ve vlákně. Pro velmi vysokou účinnost šířky pásma lze použít koherentní modulaci ke změně fáze světla kromě amplitudy, což umožňuje použití QPSK , QAM a OFDM .

Vysílač je zařízení kombinující vysílač a přijímač v jednom krytu (viz obrázek vpravo).

Vláknová optika zaznamenala v poslední době technologický pokrok. „Klíčování fázového posunu s duální polarizací kvadraturního posunu je modulační formát, který efektivně odesílá čtyřikrát více informací než tradiční optické přenosy stejné rychlosti.“

Přijímače

Hlavní součástí optického přijímače je fotodetektor, který pomocí fotoelektrického jevu přeměňuje světlo na elektřinu . Primární fotodetektory pro telekomunikace jsou vyrobeny z arzenidu india galia . Fotodetektor je obvykle polovodičová fotodioda . Mezi několik typů fotodiod patří fotodiody pn, pinové fotodiody a lavinové fotodiody. Používají se také fotodetektory kov-polovodič-kov (MSM) kvůli jejich vhodnosti pro integraci obvodů v regenerátorech a multiplexorech s dělením vlnových délek.

Opticko-elektrické převaděče jsou typicky spojeny s transimpedančním zesilovačem a omezovacím zesilovačem pro vytváření digitálního signálu v elektrické doméně z příchozího optického signálu, který může být zeslaben a zkreslen při průchodu kanálem. Další zpracování signálu, jako je obnova hodin z dat (CDR) prováděné fázově uzamčenou smyčkou, lze také použít před předáním dat.

Koherentní přijímače používají lokální oscilátorový laser v kombinaci s dvojicí hybridních vazebních členů a čtyřmi fotodetektory na polarizaci, následované vysokorychlostními ADC a zpracováním digitálního signálu pro obnovu dat modulovaných pomocí QPSK, QAM nebo OFDM.

Digitální předzvěst

Vysílač optického komunikačního systému se skládá z převodníku digitálního signálu na analogový (DAC), zesilovače budiče a modulátoru Mach – Zehnder . Nasazení vyšších modulačních formátů (> 4 QAM ) nebo vyšších přenosových rychlostí (> 32 GBaud) snižuje výkon systému díky efektům lineárního a nelineárního vysílače. Tyto efekty lze kategorizovat do lineárních zkreslení v důsledku omezení šířky pásma DAC a zkosení I/Q vysílače , stejně jako nelineárních efektů způsobených saturací zesílení v zesilovači budiče a modulátoru Mach – Zehnder. Digitální predistortion působí proti degradačním efektům a umožňuje přenosové rychlosti až 56 GBaud a modulační formáty jako 64 QAM a 128 QAM s komerčně dostupnými komponentami. Procesor digitálního signálu vysílače provádí digitální předzvěst na vstupních signálech pomocí modelu inverzního vysílače před odesláním vzorků do DAC.

Starší metody digitální predistorce řešily pouze lineární efekty. Nedávné publikace také kompenzovaly nelineární zkreslení. Berenguer a kol. Modelují modulátor Mach – Zehnder jako nezávislý Wienerův systém a DAC a budicí zesilovač jsou modelovány zkrácenou, časově invariantní řadou Volterra . Khanna et al použili paměťový polynom k ​​společnému modelování součástí vysílače. V obou přístupech se řada Volterra nebo paměťové polynomové koeficienty nacházejí pomocí architektury nepřímého učení . Duthel et al zaznamenává pro každou větev modulátoru Mach-Zehnder několik signálů s různou polaritou a fázemi. Signály se používají k výpočtu optického pole. Křížová korelace ve fázových a kvadraturních polích určuje časové zkosení . Frekvenční charakteristiky a nelineární účinky jsou určeny nepřímé-učení architektury.

Typy vláknových kabelů

Optický kabel sestává z jádra, pláště a pufrem (ochranný vnější nátěr), ve kterém je plášť vede světlo podél jádra pomocí metody úplného vnitřního odrazu . Jádro a plášť (který má nižší index lomu ) jsou obvykle vyrobeny z vysoce kvalitního křemičitého skla, i když mohou být oba vyrobeny také z plastu. Spojení dvou optických vláken se provádí fúzním spojením nebo mechanickým spojením a vyžaduje speciální dovednosti a technologii propojení díky mikroskopické přesnosti potřebné k vyrovnání jader vláken.

Dva hlavní typy optických vláken používaných v optické komunikaci zahrnují multimódová optická vlákna a jednovidová optická vlákna . Vícerežimové optické vlákno má větší jádro (≥ 50 mikrometrů ), což umožňuje připojení méně přesných a levnějších vysílačů a přijímačů i levnějších konektorů. Vícerežimové vlákno však zavádí multimódové zkreslení , které často omezuje šířku pásma a délku odkazu. Navíc kvůli svému vyššímu obsahu dopantu jsou multimódová vlákna obvykle drahá a vykazují vyšší útlum. Jádro jednovidového vlákna je menší (<10 mikrometrů) a vyžaduje dražší komponenty a metody propojení, ale umožňuje mnohem delší a výkonnější propojení. Jednovidové i vícerežimové vlákno je nabízeno v různých stupních.

Porovnání tříd vláken

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 při 850 nm	200 MHz · km při 850 nm	500 MHz · km při 850 nm	1500 MHz · km při 850 nm	3500 MHz · km při 850 nm	3500 MHz · km při 850 nm a 1850 MHz · km při 950 nm	1 dB/ km při 1300/1550 nm	0,4 dB/ km při 1300/1550 nm

Aby se vlákno sbalilo do komerčně životaschopného produktu, je obvykle ochranně potaženo použitím ultrafialových (UV), světlem vytvrzovaných akrylátových polymerů , poté zakončeno konektory z optických vláken a nakonec sestaveno do kabelu. Poté může být položen do země a poté procházet stěnami budovy a letecky rozmístěn podobným způsobem jako měděné kabely. Tato vlákna vyžadují po instalaci menší údržbu než běžné kroucené dvoulinky.

K přenosu dat na podmořskou vzdálenost na dlouhé vzdálenosti se používají speciální kabely, např. Transatlantický komunikační kabel . Nové (2011–2013) kabely provozované komerčními podniky ( Emerald Atlantis , Hibernia Atlantic ) mají obvykle čtyři vlákna a procházejí Atlantikem (NYC-Londýn) za 60–70 ms. Náklady na každý takový kabel byly v roce 2011 asi 300 milionů dolarů. Zdroj: The Chronicle Herald .

Další běžnou praxí je spojit mnoho vláken z optických vláken do dálkového kabelu pro přenos energie . To efektivně využívá práva na přenos energie, zajišťuje, že energetická společnost může vlastnit a ovládat vlákno potřebné k monitorování vlastních zařízení a linek, je účinně imunní vůči neoprávněným zásahům a zjednodušuje nasazení technologie inteligentních sítí .

Zesílení

Přenosová vzdálenost komunikačního systému s optickými vlákny byla tradičně omezena útlumem vláken a zkreslením vláken. Použitím optoelektronických opakovačů byly tyto problémy odstraněny. Tyto opakovače převádějí signál na elektrický signál a poté pomocí vysílače vysílají signál znovu s vyšší intenzitou, než jaká byla přijata, čímž působí proti ztrátě vzniklé v předchozím segmentu. Vzhledem k vysoké složitosti moderních multiplexovaných signálů s dělením vlnových délek, včetně skutečnosti, že musely být instalovány přibližně jednou za 20 km (12 mi), jsou náklady na tyto opakovače velmi vysoké.

Alternativním přístupem je použití optických zesilovačů, které zesilují optický signál přímo, aniž by museli převádět signál na elektrickou doménu. Jeden běžný typ optického zesilovače se nazývá vláknový zesilovač dopovaný Erbiem nebo EDFA. Ty se vyrábějí dopováním délky vlákna minerálem erbia vzácných zemin a čerpáním světla z laseru s kratší vlnovou délkou, než je komunikační signál (typicky 980  nm ). EDFA poskytují zisk v pásmu ITU C při 1550 nm, což je téměř minimum ztráty pro optická vlákna.

Optické zesilovače mají oproti elektrickým opakovačům několik významných výhod. Za prvé, optický zesilovač může zesílit velmi široké pásmo najednou, což může zahrnovat stovky jednotlivých kanálů, což eliminuje potřebu demultiplexovat signály DWDM na každém zesilovači. Za druhé, optické zesilovače pracují nezávisle na formátu datové rychlosti a modulace, což umožňuje souběžnou existenci více datových rychlostí a formátů modulace a umožňuje aktualizaci rychlosti přenosu dat systému, aniž by bylo nutné vyměnit všechny opakovače. Za třetí, optické zesilovače jsou mnohem jednodušší než opakovač se stejnými schopnostmi, a proto jsou výrazně spolehlivější. Optické zesilovače do značné míry nahradily opakovače v nových instalacích, ačkoli elektronické zesilovače jsou stále široce používány jako transpondéry pro konverzi vlnových délek.

Multiplexování s dělením vlnových délek

Multiplexování s dělením na vlnové délce (WDM) je technika přenosu více informačních kanálů přes jedno optické vlákno vysláním více světelných paprsků různých vlnových délek přes vlákno, každý modulovaný samostatným informačním kanálem. To umožňuje znásobit dostupnou kapacitu optických vláken. To vyžaduje multiplexor s dělením vlnových délek ve vysílacím zařízení a demultiplexor (v podstatě spektrometr ) v přijímacím zařízení. Sdružené vlnovodové mřížky se běžně používají pro multiplexování a demultiplexování ve WDM. Pomocí nyní komerčně dostupné technologie WDM lze šířku pásma vlákna rozdělit až na 160 kanálů, což podporuje kombinovanou přenosovou rychlost v rozsahu 1,6 Tbit/s .

Parametry

Šířka pásma - produkt vzdálenosti

Protože účinek disperze roste s délkou vlákna, je přenosový systém vláken často charakterizován produktem šířka pásma – vzdálenost , obvykle vyjádřený v jednotkách MHz · km. Tato hodnota je součinem šířky pásma a vzdálenosti, protože existuje kompromis mezi šířkou pásma signálu a vzdáleností, na kterou jej lze přenášet. Například běžné vícerežimové vlákno s produktem šířky pásma – vzdálenost 500 MHz · km by mohlo přenášet signál 500 MHz na 1 km nebo signál 1000 MHz na 0,5 km.

Rychlost záznamu

Každé vlákno může nést mnoho nezávislých kanálů, z nichž každý používá jinou vlnovou délku světla ( multiplexování s dělením vlnových délek ). Čistá datová rychlost (datová rychlost bez režijních bytů) na vlákno je datová rychlost na kanál snížená o režii dopředné korekce chyb (FEC), vynásobená počtem kanálů (obvykle až osmdesát v komerčních hustých systémech WDM od roku 2008 ).

Standardní optické kabely

Následující text shrnuje současný nejmodernější výzkum pomocí standardních jednovidových, jednožilových vláknových kabelů pro telekomunikace.

Rok	Organizace	Efektivní rychlost	WDM kanály	Rychlost na kanál	Vzdálenost
2009	Alcatel-Lucent	15,5 Tbit/s	155	100 Gbit/s	7 000 km
2010	NTT	69,1 Tbit/s	432	171 Gbit/s	240 km
2011	NEC	101,7 Tbit/s	370	273 Gbit/s	165 km
2011	KIT	26 Tbit/s	336	77 Gbit/s	50 km
2016	BT a Huawei	5,6 Tbit/s	28	200 Gbit/s	asi 140 km?
2016	Nokia Bell Labs , Deutsche Telekom a Technická univerzita v Mnichově	1 Tbit/s	1	1 Tbit/s
2016	Nokia-Alcatel-Lucent	65 Tbit/s			6600 km
2017	BT a Huawei	11,2 Tbit/s	28	400 Gbit/s	250 km
2020	Univerzity RMIT, Monash a Swinburne	39,0 Tbit/s	160	244 Gbit/s	76,6 km
2020	UCL	178,08 Tbit/s	660	25 Gbit/s	40 km

Výsledek Nokia/DT/TUM 2016 je pozoruhodný, protože je to první výsledek, který se blíží teoretickému limitu Shannon .

Výsledky KIT 2011 a 2020 RMIT/Monash/Swinburne jsou pozoruhodné tím, že k ovládání všech kanálů byl použit jediný zdroj.

Specializované kabely

Následující přehled shrnuje současný nejmodernější výzkum pomocí specializovaných kabelů, které umožňují prostorový multiplex, použití specializovaných třírežimových optických kabelů nebo podobných specializovaných optických kabelů.

Rok	Organizace	Efektivní rychlost	Počet režimů šíření	Počet jader	Kanály WDM (na jádro)	Rychlost na kanál	Vzdálenost
2011	NICT	109,2 Tbit/s		7
2012	NEC , Corning	1,05 Pbit/s		12			52,4 km
2013	University of Southampton	73,7 Tbit/s		1 (dutý)	3x96 (režim DM)	256 Gbit/s	310 m
2014	Technická univerzita v Dánsku	43 Tbit/s		7			1045 km
2014	Eindhoven University of Technology (TU/e) a University of Central Florida (CREOL)	255 Tbit/s		7	50	~ 728 Gbit/s	1 km
2015	NICT , Sumitomo Electric a RAM Photonics	2,15 Pbit/s		22	402 (pásma C+L)	243 Gbit/s	31 km
2017	NTT	1 Pbit/s	single-mode	32	46	680 Gbit/s	205,6 km
2017	KDDI Research a Sumitomo Electric	10,16 Pbit/s	6 režimů	19	739 (pásma C+L)	120 Gbit/s	11,3 km
2018	NICT	159 Tbit/s	tri-režim	1	348	414 Gbit/s	1045 km
2021	NICT	319 Tbit/s	single-mode	4	552 (pásma S, C a L)	144,5 Gbit/s	3001 km (69,8 km)

Výsledek 2018 NICT je pozoruhodný pro překonání rekordu v propustnosti pomocí jediného žilového kabelu, tedy bez použití prostorového multiplexování .

Nové techniky

Výzkum společností DTU, Fujikura & NTT je pozoruhodný tím, že týmu se podařilo snížit spotřebu energie optiky na přibližně 5% ve srovnání s běžnějšími technikami, což by mohlo vést k nové generaci velmi energeticky účinných optických komponent.

Rok	Organizace	Efektivní rychlost	Počet režimů šíření	Počet jader	Kanály WDM (na jádro)	Rychlost na kanál	Vzdálenost
2018	Hao Hu a kol. (DTU, Fujikura a NTT)	768 Tbit/s (661 Tbit/s)	Single-mode	30	80	320 Gbit/s

Výzkum provedený univerzitou RMIT v australském Melbourne vyvinul nanofotonické zařízení, které pomocí techniky krouceného světla dosáhlo stonásobného zvýšení současných dosažitelných rychlostí optických vláken. Tato technika přenáší data o světelných vlnách, které byly stočeny do spirály, aby se dále zvýšila kapacita optického kabelu, tato technika je známá jako orbitální moment hybnosti (OAM). Nanofotonické zařízení používá ultratenké topologické nanosheety k měření zlomku milimetru zkrouceného světla, nanoelektronické zařízení je zabudováno v konektoru menším, než je velikost konektoru USB, snadno se vejde na konec kabelu z optických vláken. Zařízení lze také použít k příjmu kvantových informací odesílaných zkrouceným světlem, pravděpodobně bude použito v novém rozsahu výzkumu kvantové komunikace a kvantových počítačů.

Rozptyl

U moderních skleněných optických vláken není maximální přenosová vzdálenost omezena přímou absorpcí materiálu, ale několika druhy disperze nebo šíření optických impulsů při jejich cestování po vlákně. Disperze v optických vláknech je způsobena řadou faktorů. Intermodální disperze způsobená různými osovými rychlostmi různých příčných režimů omezuje výkon vícerežimového vlákna . Protože vlákno s jedním režimem podporuje pouze jeden příčný režim, je eliminována intermodální disperze.

V jednom režimu je výkon vlákna primárně omezen chromatickou disperzí (nazývanou také disperze skupinové rychlosti ), ke které dochází, protože index skla se mírně liší v závislosti na vlnové délce světla a světlo ze skutečných optických vysílačů má nutně nenulovou spektrální šířku ( kvůli modulaci). Disperze v polarizačním režimu , další zdroj omezení, nastává proto, že ačkoliv vlákno s jedním režimem může vydržet pouze jeden příčný režim, může tento režim nést se dvěma různými polarizacemi a mírné nedokonalosti nebo zkreslení vlákna mohou změnit rychlosti šíření těchto dvou polarizace. Tento jev se nazývá dvojlom vlákna a lze jej potlačit optickým vláknem udržujícím polarizaci . Disperze omezuje šířku pásma vlákna, protože šířící se optický impuls omezuje rychlost, kterou mohou pulsy na vlákně po sobě následovat a stále jsou rozlišitelné v přijímači.

Určitou disperzi, zejména chromatickou disperzi, lze odstranit pomocí „kompenzátoru disperze“. Funguje to tak, že se použije speciálně připravená délka vlákna, která má opačný rozptyl než ten, který je způsoben přenosovým vláknem, a tím se zostří puls, aby jej elektronika mohla správně dekódovat.

Útlum

Útlum vláken , který vyžaduje použití zesilovacích systémů, je způsoben kombinací absorpce materiálu , Rayleighova rozptylu , Mieho rozptylu a ztrát spojení. Přestože je absorpce materiálu u čistého oxidu křemičitého pouze kolem 0,03 dB/km (moderní vlákno má útlum kolem 0,3 dB/km), nečistoty v původních optických vláknech způsobily útlum asi 1000 dB/km. Jiné formy útlumu jsou způsobeny fyzickým napětím vlákna, mikroskopickými výkyvy hustoty a nedokonalými technikami spojování.

Převodová okna

Každý efekt, který přispívá k útlumu a disperzi, závisí na optické vlnové délce. Existují pásma (nebo okna) vlnových délek, kde jsou tyto efekty nejslabší, a ty jsou pro přenos nejpříznivější. Tato okna byla standardizována a aktuálně definovaná pásma jsou následující:

Kapela	Popis	Rozsah vlnových délek
O pásmo	originál	1260 až 1360 nm
E pásmo	prodloužena	1360 až 1460 nm
Kapela S.	krátké vlnové délky	1460 až 1530 nm
Pásmo C.	konvenční („erbiové okno“)	1530 až 1565 nm
Pásmo L.	dlouhé vlnové délky	1565 až 1625 nm
U pásmo	ultra dlouhé vlnové délky	1625 až 1675 nm

Tato tabulka ukazuje, že současné technologii se podařilo překlenout druhé a třetí okno, které byly původně disjunktní.

Historicky se pod pásmem O používalo okno, nazývané první okno, při 800–900 nm; v této oblasti jsou však ztráty vysoké, takže toto okno se používá především pro komunikaci na krátké vzdálenosti. Současná spodní okna (O a E) kolem 1300 nm mají mnohem nižší ztráty. Tato oblast má nulovou disperzi. Nejpoužívanější jsou prostřední okna (S a C) kolem 1500 nm. Tato oblast má nejnižší ztráty útlumu a dosahuje nejdelšího dosahu. Má určitou disperzi, takže se k jejímu odstranění používají zařízení kompenzující disperzi.

Regenerace

Když musí komunikační spojení přesahovat větší vzdálenost, než je schopna existující technologie optických vláken, musí být signál regenerován v mezilehlých bodech spojení optickými komunikačními opakovači . Opakovače přidávají komunikačnímu systému značné náklady, a proto se návrháři systémů snaží minimalizovat jejich používání.

Nedávné pokroky ve vláknové a optické komunikační technologii omezily degradaci signálu tak daleko, že regenerace optického signálu je zapotřebí pouze na vzdálenosti stovek kilometrů. To výrazně snížilo náklady na optické sítě, zejména v podmořských oblastech, kde jsou náklady a spolehlivost opakovačů jedním z klíčových faktorů určujících výkon celého kabelového systému. Hlavními pokroky přispívajícími k těmto zlepšením výkonu je řízení rozptylu, které se snaží vyvážit účinky rozptylu proti nelinearitě; a solitony , které ve vlákně využívají nelineární efekty, aby umožnily šíření bez disperze na dlouhé vzdálenosti.

Poslední míle

Přestože systémy s optickými vlákny vynikají v aplikacích s velkou šířkou pásma, optické vlákno dosáhlo svého cíle vlákno do prostor nebo vyřešit problém poslední míle pomalu . Nasazení FTTH se však za poslední desetiletí výrazně zvýšilo a v blízké budoucnosti se předpokládá, že bude sloužit dalším milionům předplatitelů. Například v Japonsku EPON z velké části nahradil DSL jako zdroj širokopásmového internetu. Jihokorejská KT také poskytuje službu s názvem FTTH (Fiber To The Home), která poskytuje připojení optického vlákna k domovu předplatitele. Největší nasazení FTTH je v Japonsku, Jižní Koreji a Číně. Singapur zahájil implementaci celonárodní celonárodní širokopásmové sítě příští generace (Next Gen NBN), která by měla být dokončena v roce 2012 a instaluje ji OpenNet. Od zahájení služby v září 2010 dosáhlo pokrytí sítě v Singapuru 85% na celostátní úrovni.

V USA poskytuje společnost Verizon Communications službu FTTH s názvem FiOS pro výběr trhů s vysokým ARPU (Průměrný výnos na uživatele) v rámci svého stávajícího území. Druhý hlavní přežívající ILEC (nebo Úřadující lokální směnárna), AT&T, používá službu FTTN (Fiber To The Node) s názvem U-verse s kroucenou dvojicí do domova. Jejich konkurenti MSO používají FTTN s koaxiálním kabelem využívajícím HFC . Všechny hlavní přístupové sítě používají vlákno pro většinu vzdálenosti od sítě poskytovatele služeb k zákazníkovi.

Celosvětově dominantní technologií přístupové sítě je EPON (Ethernet Passive Optical Network). V Evropě a mezi telekomunikačními společnostmi ve Spojených státech měly BPON (širokopásmový PON na bázi ATM) a GPON (Gigabit PON) kořeny v organizacích standardů FSAN (Full Service Access Network) a ITU-T.

Srovnání s elektrickým přenosem

Volba mezi optickým vláknem a elektrickým (nebo měděným ) přenosem pro konkrétní systém se provádí na základě řady kompromisů. Optické vlákno je obecně voleno pro systémy vyžadující větší šířku pásma nebo překlenující delší vzdálenosti, než dokáže pojmout elektrická kabeláž.

Hlavními výhodami vlákna jsou jeho výjimečně nízké ztráty (umožňující velké vzdálenosti mezi zesilovači/opakovači), absence pozemních proudů a dalších parazitních signálů a problémů s energií, které jsou společné pro dlouhé paralelní běhy elektrických vodičů (kvůli jeho spoléhání se spíše na světlo než na elektřinu přenos a dielektrická povaha optických vláken) a jeho inherentně vysoká kapacita přenosu dat. K výměně jediného kabelu s vysokou šířkou pásma by byly zapotřebí tisíce elektrických spojů. Další výhodou vláken je, že i když jsou vedeny podél sebe na velké vzdálenosti, optické kabely prakticky nepůsobí přeslech , na rozdíl od některých typů elektrických přenosových vedení . Vlákno lze instalovat v oblastech s vysokou elektromagnetickou interferencí (EMI), například vedle inženýrských sítí, elektrických vedení a železničních tratí. Nekovové celo dielektrické kabely jsou také ideální pro oblasti s vysokým výskytem blesků.

Pro srovnání, zatímco jednořádkové měděné systémy hlasové třídy delší než několik kilometrů vyžadují pro uspokojivý výkon opakovače signálu in-line, není neobvyklé, že optické systémy ujedou více než 100 kilometrů (62 mi) bez aktivního nebo pasivní zpracování. Jednovidové optické kabely jsou běžně k dispozici v délkách 12 km (7,5 mil), čímž se minimalizuje počet spojů potřebných při dlouhém vedení kabelů. Vícerežimové vlákno je k dispozici v délkách až 4 km, přestože průmyslové standardy nařizují pouze 2 km nepřerušených běhů.

V aplikacích s krátkou vzdáleností a relativně malou šířkou pásma je často preferován elektrický přenos

• Nižší náklady na materiál, kde není vyžadováno velké množství
• Nižší náklady na vysílače a přijímače
• Schopnost přenášet elektrickou energii i signály (v příslušně navržených kabelech)
• Snadné ovládání převodníků v lineárním režimu.

Optická vlákna se spojují obtížněji a nákladněji než elektrické vodiče. A při vyšších výkonech jsou optická vlákna náchylná k tavení vláken , což má za následek katastrofické zničení jádra vlákna a poškození součástí přenosu.

Kvůli těmto výhodám elektrického přenosu není optická komunikace běžná v krátkých aplikacích typu box-to-box, backplane nebo chip-to-chip; optické systémy na těchto stupnicích však byly prokázány v laboratoři.

V určitých situacích lze vlákno použít i pro aplikace na krátké vzdálenosti nebo s malou šířkou pásma, a to kvůli dalším důležitým funkcím:

• Odolnost proti elektromagnetickému rušení, včetně jaderných elektromagnetických impulsů .
• Vysoký elektrický odpor , takže je bezpečné používat v blízkosti zařízení vysokého napětí nebo mezi oblastmi s různým zemním potenciálem .
• Lehčí váha - důležitá například v letadlech.
• Žádné jiskry - důležité v prostředí s hořlavými nebo výbušnými plyny.
• Není elektromagneticky vyzařující a je obtížné jej klepnout bez narušení signálu-důležité v prostředí s vysokou bezpečností.
• Mnohem menší velikost kabelu - důležité tam, kde je omezená cesta, například při propojení stávající budovy, kde lze vrtat menší kanály a ušetřit místo ve stávajících kabelových kanálech a žlaboch.
• Odolnost proti korozi díky nekovovému přenosovému médiu

Kabely z optických vláken lze instalovat v budovách se stejným zařízením, jaké se používá k instalaci měděných a koaxiálních kabelů, s určitými úpravami kvůli malým rozměrům a omezenému tahu a poloměru ohybu optických kabelů. Optické kabely lze typicky instalovat do potrubních systémů v rozpětí 6000 metrů nebo více v závislosti na stavu potrubí, rozložení potrubního systému a instalační technice. Delší kabely lze navinout v mezilehlém bodě a podle potřeby zatáhnout dále do systému potrubí.

Řídící standardy

Aby mohli různí výrobci vyvíjet komponenty, které fungují kompatibilně v komunikačních systémech s optickými vlákny, byla vyvinuta řada norem. Mezinárodní telekomunikační unie vydává několik standardů příbuzných charakteristikám a výkonu vláken sám, včetně

• ITU-T G.651, „Charakteristiky 50/125 μm multimódového indexovaného kabelu s optickým vláknem“
• ITU-T G.652 , „Charakteristika jednovidového optického kabelu“

Jiné normy specifikují výkonnostní kritéria pro vlákna, vysílače a přijímače, které mají být použity společně v odpovídajících systémech. Některé z těchto standardů jsou:

• 100 Gigabitový ethernet
• 10 Gigabitový ethernet
• Fibre Channel
• Gigabitový ethernet
• HIPPI
• Synchronní digitální hierarchie
• Synchronní optické sítě
• Optická transportní síť (OTN)

TOSLINK je nejběžnějším formátem pro digitální audiokabel využívající k připojení digitálních zdrojů k digitálním přijímačům plastová optická vlákna .

Viz také

• Tmavé vlákno
• Vlákno do x
• Optická komunikace ve volném prostoru
• Informační teorie
• Komunikační kabel ponorky
• Pasivní optická síť
• Multiplexování s dělením prostoru

Reference

Další čtení

• Keizer, Gerd. (2011). Komunikace z optických vláken , 4. vydání. New York, NY: McGraw-Hill, ISBN  9780073380711
• Senior, Johne. (2008). Optical Fiber Communications: Principles and Practice , 3rd ed. Prentický sál. ISBN  978-0130326812

externí odkazy

• Jak fungují optické vlákna (Howstuffworks.com)
• Laserová a optická revoluce
• Fiber Optics, od Hyperphysics na Georgia State University
• "Pochopení Optical Communications" Redbook IBM
• FTTx Primer červenec 2008
• Přenos optických vláken v bezpečnostních a sledovacích řešeních
• Vláknová optika - internetová, kabelová a telefonní komunikace
• Simulace optických přenosových systémů na bázi vláken