Волоконно-оптическая связь — это метод передачи информации из одного места в другое путем отправки импульсов инфракрасного или видимого света через оптическое волокно . [1] [2] Свет — это форма несущей волны , которая модулируется для передачи информации. [3] Оптоволокно предпочтительнее электрического кабеля, когда требуется высокая пропускная способность , большое расстояние или устойчивость к электромагнитным помехам . [4] Этот тип связи может передавать голос, видео и телеметрию через локальные сети или на большие расстояния. [5]
Оптическое волокно используется многими телекоммуникационными компаниями для передачи телефонных сигналов, интернет-связи и сигналов кабельного телевидения. Исследователи из Bell Labs достигли рекордного соотношения пропускной способности и расстояния, составившего более 100 петабит × километров в секунду, используя оптоволоконную связь. [6] [ нужен лучший источник ]
Оптоволокно, впервые разработанное в 1970-х годах, произвело революцию в телекоммуникационной отрасли и сыграло важную роль в наступлении информационной эпохи . [7] Из-за своих преимуществ перед электрической передачей оптические волокна в значительной степени заменили медные провода в магистральных сетях в развитых странах . [8]
Процесс связи с использованием оптоволокна включает в себя следующие основные этапы:
Оптическое волокно используется телекоммуникационными компаниями для передачи телефонных сигналов, интернет-связи и сигналов кабельного телевидения. Он также используется в других отраслях, включая медицину, оборону, правительство, промышленность и коммерческую деятельность. Помимо телекоммуникационных целей, он используется в качестве световодов, инструментов визуализации, лазеров, гидрофонов для сейсмических волн, гидролокаторов, а также в качестве датчиков для измерения давления и температуры.
Из-за меньшего затухания и помех оптическое волокно имеет преимущества перед медным проводом при передаче на большие расстояния и с высокой пропускной способностью. Однако развитие инфраструктуры в городах является относительно сложным и трудоемким процессом, а оптоволоконные системы могут быть сложными и дорогими в установке и эксплуатации. Из-за этих трудностей первые волоконно-оптические системы связи в основном устанавливались на большие расстояния, где их можно было использовать на полную мощность передачи, что компенсировало возросшую стоимость. Цены на оптоволоконную связь значительно снизились с 2000 года. [10]
Стоимость прокладки оптоволокна в домах в настоящее время стала более рентабельной, чем стоимость развертывания медной сети. Цены упали до 850 долларов за абонента в США и еще ниже в таких странах, как Нидерланды, где затраты на земляные работы низкие, а плотность застройки высокая. [ нужна цитата ]
С 1990 года, когда системы оптического усиления стали коммерчески доступными, телекоммуникационная отрасль проложила обширную сеть междугородных и трансокеанских волоконно-оптических линий связи. К 2002 году была завершена межконтинентальная сеть длиной 250 000 км подводного кабеля связи с пропускной способностью 2,56 Тбит /с, и хотя конкретные мощности сети являются секретной информацией, отчеты об инвестициях в телекоммуникации показывают, что пропускная способность сети резко возросла с 2004 года . По состоянию на 2020 год по всему миру проложено более 5 миллиардов километров оптоволоконного кабеля. [12]
В 1880 году Александр Грэм Белл и его помощник Чарльз Самнер Тейнтер создали очень раннего предшественника оптоволоконной связи, Фотофон , в недавно созданной Беллом лаборатории Вольта в Вашингтоне, округ Колумбия. Белл считал это своим самым важным изобретением. Устройство позволяло передавать звук по лучу света. 3 июня 1880 года Белл провел первую в мире беспроводную телефонную связь между двумя зданиями, находящимися на расстоянии около 213 метров друг от друга. [13] [14] Из-за использования атмосферной среды передачи фотофон не окажется практичным до тех пор, пока достижения в области лазерных и оптоволоконных технологий не позволят обеспечить безопасную передачу света. Первое практическое применение фотофона произошло в военных системах связи много десятилетий спустя. [15]
В 1954 году Гарольд Хопкинс и Нариндер Сингх Капани показали, что рулонное стекловолокно позволяет передавать свет. [16] Дзюнъити Нисидзава , японский учёный из Университета Тохоку , предложил использовать оптические волокна для связи в 1963 году. [17] Нисидзава изобрел PIN-диод и статический индукционный транзистор , оба из которых внесли свой вклад в развитие оптического волокна. коммуникации. [18] [19]
В 1966 году Чарльз К. Као и Джордж Хокхэм из Standard Telecommunication Laboratories показали, что потери в 1000 дБ/км в существующем стекле (по сравнению с 5–10 дБ/км в коаксиальном кабеле) были вызваны загрязнениями, которые потенциально можно было удалить.
Оптическое волокно с достаточно низким затуханием для целей связи (около 20 дБ /км) было разработано в 1970 году компанией Corning Glass Works . В то же время были разработаны полупроводниковые лазеры GaAs , компактные и поэтому пригодные для передачи света по оптоволоконным кабелям на большие расстояния.
В 1973 году компания Optelecom , Inc., сооснователем которой является изобретатель лазера Гордон Гулд , получила контракт от ARPA на одну из первых систем оптической связи. Разработанная для армейского ракетного командования в Хантсвилле, штат Алабама, система предназначалась для того, чтобы позволить ракете малой дальности с видеообработкой связываться с землей с помощью лазера посредством оптического волокна длиной пять километров, которое разматывалось от ракеты во время ее полета. [20] Затем компания Optelecom поставила Chevron первую коммерческую систему оптической связи. [21]
После периода исследований, начавшихся с 1975 года, была разработана первая коммерческая волоконно-оптическая телекоммуникационная система, работающая на длине волны около 0,8 мкм и использующая полупроводниковые лазеры GaAs. Эта система первого поколения работала со скоростью передачи данных 45 Мбит/с с расстоянием между ретрансляторами до 10 км. Вскоре, 22 апреля 1977 года, компания General Telephone and Electronics отправила первый прямой телефонный трафик по оптоволоконному кабелю со скоростью 6 Мбит/с в Лонг-Бич, Калифорния. [ нужна цитата ]
В октябре 1973 года компания Corning Glass подписала с CSELT и Pirelli контракт на разработку , направленный на тестирование оптоволокна в городских условиях: в сентябре 1977 года второй кабель в этой серии испытаний, получивший название COS-2, был экспериментально проложен по двум линиям длиной 9 км. ) в Турине , впервые в большом городе, на скорости 140 Мбит/с. [22]
Второе поколение волоконно-оптической связи было разработано для коммерческого использования в начале 1980-х годов, работало на длине волны 1,3 мкм и использовало полупроводниковые лазеры InGaAsP. Эти ранние системы изначально были ограничены дисперсией многомодового волокна , и в 1981 году было обнаружено, что одномодовое волокно значительно улучшает производительность системы, однако разработать практические разъемы, способные работать с одномодовым волокном, оказалось сложно. Канадский поставщик услуг SaskTel завершил строительство самой длинной на тот момент коммерческой оптоволоконной сети в мире, которая охватывала 3268 км (2031 миль) и связывала 52 населенных пункта. [23] К 1987 году эти системы работали со скоростью передачи данных до1,7 Гбит/с с расстоянием между повторителями до 50 км (31 мили).
Первым трансатлантическим телефонным кабелем , в котором использовалось оптическое волокно, был ТАТ-8 , основанный на оптимизированной технологии лазерного усиления Desurvire . Введен в эксплуатацию в 1988 году.
Волоконно-оптические системы третьего поколения работали на длине волны 1,55 мкм и имели потери около 0,2 дБ/км. Это развитие было стимулировано открытием Пирсоллом арсенида индия-галлия и разработкой фотодиода из арсенида индия-галлия. Инженеры преодолели более ранние трудности с распространением импульса с использованием обычных полупроводниковых лазеров InGaAsP на этой длине волны, используя волокна со смещенной дисперсией , разработанные для обеспечения минимальной дисперсии на длине волны 1,55 мкм, или ограничивая спектр лазера одной продольной модой . Эти разработки в конечном итоге позволили системам третьего поколения начать коммерческую эксплуатацию на2,5 Гбит/с с расстоянием между повторителями более 100 км (62 мили).
В четвертом поколении волоконно-оптических систем связи использовалось оптическое усиление для уменьшения необходимости в повторителях и мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) для увеличения емкости данных . Внедрение WDM положило начало оптическим сетям , поскольку WDM стал предпочтительной технологией для расширения полосы пропускания оптоволокна. [24] Первой на рынок с плотной системой WDM была компания Ciena Corp. в июне 1996 года. [25] Внедрение оптических усилителей и WDM привело к тому, что пропускная способность системы удваивалась каждые шесть месяцев с 1992 года до тех пор, пока скорость передачи данных не достиглаК 2001 году была достигнута скорость 10 Тбит/с. В 2006 году скорость передачи данных составилаСкорость 14 Тбит/с была достигнута по одной линии длиной 160 км (99 миль) с использованием оптических усилителей. [26] По состоянию на 2021 год [обновлять]японские ученые передали 319 терабит в секунду на расстояние более 3000 километров с помощью четырехжильных оптоволоконных кабелей стандартного диаметра. [27]
Основное внимание при разработке пятого поколения волоконно-оптической связи уделяется расширению диапазона длин волн, в котором может работать система WDM . Обычное окно длин волн, известное как диапазон C, охватывает диапазон длин волн 1525–1565 нм, а сухое волокно имеет окно с низкими потерями, что обещает расширение этого диапазона до 1300–1650 нм. [ нужна цитация ] Другие разработки включают концепцию оптических солитонов , импульсов, которые сохраняют свою форму, противодействуя эффектам дисперсии с нелинейными эффектами волокна с помощью импульсов определенной формы.
В конце 1990-х по 2000 год отраслевые промоутеры и исследовательские компании, такие как KMI и RHK, предсказывали значительный рост спроса на полосу пропускания связи из-за более широкого использования Интернета и коммерциализации различных потребительских услуг, требующих высокой пропускной способности, таких как видео по запросу. . Трафик данных Интернет-протокола рос в геометрической прогрессии, быстрее, чем увеличивалась сложность интегральных схем согласно закону Мура . Однако с момента краха пузыря доткомов до 2006 года основной тенденцией в отрасли была консолидация фирм и перенос производства за границу для снижения затрат. Такие компании, как Verizon и AT&T, воспользовались преимуществами оптоволоконной связи для доставки различных услуг высокоскоростной передачи данных и широкополосной связи в дома потребителей.
Современные волоконно-оптические системы связи обычно включают оптические передатчики, которые преобразуют электрические сигналы в оптические сигналы, оптоволоконные кабели для передачи сигнала, оптические усилители и оптические приемники для преобразования сигнала обратно в электрический сигнал. Передаваемая информация обычно представляет собой цифровую информацию , генерируемую компьютерами или телефонными системами .
Наиболее часто используемыми оптическими передатчиками являются полупроводниковые устройства, такие как светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды . Разница между светодиодами и лазерными диодами заключается в том, что светодиоды излучают некогерентный свет , а лазерные диоды — когерентный свет. Для использования в оптической связи полупроводниковые оптические передатчики должны быть компактными, эффективными и надежными, работать в оптимальном диапазоне длин волн и иметь прямую модуляцию на высоких частотах.
В своей простейшей форме светодиод излучает свет посредством спонтанного излучения — явления, называемого электролюминесценцией . Излучаемый свет некогерентен и имеет относительно широкую спектральную ширину 30–60 нм. [a] Большая ширина спектра светодиодов подвержена более высокой дисперсии волокон, что значительно ограничивает их произведение скорости передачи данных на расстояние (обычная мера полезности). Светодиоды подходят в первую очередь для приложений локальных сетей со скоростью передачи данных 10–100 Мбит/с и дальностью передачи в несколько километров.
Передача света светодиодами неэффективна: только около 1% входной мощности, или около 100 микроватт, в конечном итоге преобразуется в передаваемую мощность, передаваемую по оптическому волокну. [28]
Были разработаны светодиоды, в которых используется несколько квантовых ям для излучения света на разных длинах волн в широком спектре, и в настоящее время они используются в приложениях локального мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM).
Светодиоды были в значительной степени вытеснены лазерами поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), которые обеспечивают улучшенную скорость, мощность и спектральные характеристики при аналогичной стоимости. Однако из-за своей относительно простой конструкции светодиоды очень полезны для очень недорогих приложений. Обычно используемые классы полупроводниковых лазерных передатчиков, используемых в волоконной оптике, включают VCSEL, Фабри-Перо и лазер с распределенной обратной связью .
Полупроводниковый лазер излучает свет посредством вынужденного излучения , а не спонтанного излучения, что приводит к высокой выходной мощности (~ 100 мВт), а также к другим преимуществам, связанным с природой когерентного света. Выходной сигнал лазера относительно направлен, что обеспечивает высокую эффективность связи (~ 50%) с одномодовым волокном. Обычные устройства VCSEL также хорошо сочетаются с многомодовым оптоволокном. Узкая спектральная ширина также обеспечивает высокую скорость передачи данных, поскольку снижает эффект хроматической дисперсии . Кроме того, полупроводниковые лазеры можно модулировать непосредственно на высоких частотах из-за короткого времени рекомбинации .
Лазерные диоды часто имеют прямую модуляцию , то есть светоотдача контролируется током, подаваемым непосредственно на устройство. Для очень высоких скоростей передачи данных или линий связи на очень большие расстояния источник лазера может работать в режиме непрерывной волны , а свет модулировать внешним устройством, оптическим модулятором , таким как электроабсорбционный модулятор или интерферометр Маха – Цендера . Внешняя модуляция увеличивает достижимое расстояние соединения за счет устранения лазерного чирпа , который расширяет ширину линии в лазерах с прямой модуляцией, увеличивая хроматическую дисперсию в волокне. Для очень высокой эффективности использования полосы пропускания можно использовать когерентную модуляцию для изменения фазы света в дополнение к амплитуде, что позволяет использовать QPSK , QAM и OFDM . «Квадратурная фазовая манипуляция с двойной поляризацией — это формат модуляции, который эффективно передает в четыре раза больше информации, чем традиционная оптическая передача с той же скоростью». [29]
Основным компонентом оптического приемника является фотодетектор , который преобразует свет в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта . Первичные фотодетекторы для телекоммуникаций изготавливаются из арсенида индия-галлия . Фотодетектор обычно представляет собой фотодиод на основе полупроводника . Несколько типов фотодиодов включают pn-фотодиоды, штыревые фотодиоды и лавинные фотодиоды. Фотодетекторы металл-полупроводник-металл (МСМ) также используются из-за их пригодности для интеграции схем в регенераторах и мультиплексорах с разделением по длине волны.
Поскольку свет может ослабляться и искажаться при прохождении через волокно, фотодетекторы обычно соединяются с трансимпедансным усилителем и ограничительным усилителем для создания цифрового сигнала в электрической области, восстановленного из входящего оптического сигнала. Перед передачей данных также может применяться дополнительная обработка сигнала, такая как восстановление тактового сигнала из данных, выполняемое с помощью системы фазовой автоподстройки частоты .
В когерентных приемниках используется гетеродин-лазер в сочетании с парой гибридных ответвителей и четырьмя фотодетекторами на каждую поляризацию, за которыми следуют высокоскоростные АЦП и цифровая обработка сигналов для восстановления данных, модулированных с помощью QPSK, QAM или OFDM. [ нужна цитата ]
Передатчик оптической системы связи состоит из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), усилителя формирователя и модулятора Маха-Цендера . Развертывание более высоких форматов модуляции (> 4-QAM ) или более высоких скоростей передачи данных (>32 ГБд ) снижает производительность системы из-за линейных и нелинейных эффектов передатчика. Эти эффекты можно классифицировать как линейные искажения из-за ограничения полосы пропускания ЦАП и перекоса I/Q передатчика, а также нелинейные эффекты, вызванные насыщением усиления в усилителе-драйвере и модуляторе Маха-Цендера. Цифровое предыскажение нейтрализует эффекты ухудшения качества и обеспечивает скорость передачи данных до56 ГБбод и такие форматы модуляции, как 64-QAM и 128-QAM , с использованием коммерчески доступных компонентов. Процессор цифровых сигналов передатчика выполняет цифровое предыскажение входных сигналов, используя инверсную модель передатчика, перед отправкой выборок в ЦАП.
Старые методы цифрового предыскажения учитывали только линейные эффекты. В недавних публикациях также рассматриваются нелинейные искажения. Беренгер и др. моделируют модулятор Маха-Цендера как независимую систему Винера , а ЦАП и усилитель-драйвер моделируются усеченным, инвариантным во времени рядом Вольтерра . [30] Ханна и др. используют полином памяти для совместного моделирования компонентов передатчика. [31] В обоих подходах ряд Вольтерра или коэффициенты полинома памяти находятся с использованием архитектуры непрямого обучения. Дутель и др. записывают для каждой ветви модулятора Маха-Цендера несколько сигналов разной полярности и фаз. Сигналы используются для расчета оптического поля. Взаимная корреляция синфазных и квадратурных полей определяет временной сдвиг . Частотная характеристика и нелинейные эффекты определяются архитектурой косвенного обучения. [32]
Волоконно -оптический кабель состоит из жилы, оболочки и буфера (наружного защитного покрытия), в котором оболочка направляет свет вдоль жилы, используя метод полного внутреннего отражения . Сердечник и оболочка (имеющая более низкий показатель преломления ) обычно изготавливаются из высококачественного кварцевого стекла, хотя они также могут быть изготовлены из пластика. Соединение двух оптических волокон осуществляется методом сварки или механического соединения и требует специальных навыков и технологии соединения из-за микроскопической точности, необходимой для выравнивания сердцевин волокон. [33]
Два основных типа оптического волокна, используемые в оптической связи, включают многомодовые оптические волокна и одномодовые оптические волокна . Многомодовое оптическое волокно имеет большую сердцевину (≥ 50 микрометров ), что позволяет подключать к нему менее точные и более дешевые передатчики и приемники, а также более дешевые разъемы. Однако многомодовое волокно вносит многомодовые искажения , которые часто ограничивают полосу пропускания и длину канала. Кроме того, из-за более высокого содержания легирующих примесей многомодовые волокна обычно дороги и имеют более высокое затухание. Сердцевина одномодового волокна меньше (< 10 микрометров) и требует более дорогих компонентов и методов соединения, но позволяет использовать гораздо более длинные и высокопроизводительные каналы. Как одномодовое, так и многомодовое волокно предлагается в различных классах.
Чтобы упаковать волокно в коммерчески жизнеспособный продукт, на него обычно наносят защитное покрытие с помощью отверждаемых ультрафиолетом акрилатных полимеров и собирают в кабель. После этого его можно проложить в земле, а затем пропустить через стены здания и развернуть в воздухе аналогично медным кабелям. Эти волокна после развертывания требуют меньшего обслуживания, чем обычные витые пары. [35]
Для подводной передачи данных на большие расстояния используются специальные кабели, например кабель трансатлантической связи . Новые (2011–2013 гг.) кабели, эксплуатируемые коммерческими предприятиями (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic ), обычно имеют четыре жилы волокна, и сигналы пересекают Атлантику (Нью-Йорк-Лондон) за 60–70 мс. Стоимость каждого такого кабеля в 2011 году составила около 300 миллионов долларов. [36]
Другой распространенной практикой является объединение множества оптоволоконных жил в кабель передачи электроэнергии на большие расстояния с использованием, например, оптического заземляющего провода . Это эффективно использует право прохода электроэнергии, гарантирует, что энергетическая компания может владеть и контролировать оптоволокно, необходимое для мониторинга ее собственных устройств и линий, эффективно защищена от несанкционированного доступа и упрощает развертывание технологии интеллектуальных сетей .
Расстояние передачи волоконно-оптической системы связи традиционно ограничивалось затуханием волокна и его искажениями. Благодаря использованию оптоэлектронных повторителей эти проблемы были устранены. Эти ретрансляторы преобразуют сигнал в электрический сигнал, а затем используют передатчик для повторной отправки сигнала с более высокой интенсивностью, чем был получен, тем самым компенсируя потери, понесенные в предыдущем сегменте. Из-за высокой сложности современных сигналов, мультиплексированных с разделением по длине волны, в том числе из-за того, что их приходилось устанавливать примерно раз в 20 км (12 миль), стоимость этих ретрансляторов очень высока.
Альтернативный подход заключается в использовании оптических усилителей , которые усиливают оптический сигнал напрямую, без необходимости преобразования сигнала в электрический домен. Одним из распространенных типов оптических усилителей является волоконный усилитель, легированный эрбием (EDFA). Они изготавливаются путем легирования участка волокна редкоземельным минералом эрбием и лазерной накачки его светом с более короткой длиной волны, чем сигнал связи (обычно 980 нм ). EDFA обеспечивают усиление в диапазоне ITU C на длине волны 1550 нм.
Оптические усилители имеют ряд существенных преимуществ перед электрическими повторителями. Во-первых, оптический усилитель может одновременно усиливать очень широкую полосу частот, которая может включать сотни мультиплексированных каналов, что устраняет необходимость демультиплексирования сигналов на каждом усилителе. Во-вторых, оптические усилители работают независимо от скорости передачи данных и формата модуляции, позволяя сосуществовать нескольким скоростям передачи данных и форматам модуляции, а также повышать скорость передачи данных в системе без необходимости замены всех ретрансляторов. В-третьих, оптические усилители гораздо проще ретранслятора с теми же возможностями и поэтому существенно надежнее. Оптические усилители в значительной степени заменили повторители в новых установках, хотя электронные повторители по-прежнему широко используются, когда требуется преобразование сигнала, выходящее за пределы усиления.
Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) — это метод передачи нескольких каналов информации через одно оптическое волокно путем отправки по волокну нескольких световых лучей разной длины волны, каждый из которых модулируется отдельным информационным каналом. Это позволяет увеличить доступную пропускную способность оптических волокон. Для этого требуется мультиплексор с разделением по длине волны в передающем оборудовании и демультиплексор (по сути, спектрометр ) в приемном оборудовании. Матричные волноводные решетки обычно используются для мультиплексирования и демультиплексирования в WDM. [37] Используя коммерчески доступную технологию WDM, полосу пропускания оптоволокна можно разделить на целых 160 каналов [38] для поддержки комбинированной скорости передачи данных в диапазоне1,6 Тбит/с .
Поскольку эффект дисперсии увеличивается с длиной волокна, волоконная система передачи часто характеризуется произведением ширины полосы пропускания на расстояние , обычно выражаемым в МГц ·км. Это значение является продуктом полосы пропускания и расстояния, поскольку существует компромисс между полосой пропускания сигнала и расстоянием, на которое он может передаваться. Например, обычное многомодовое волокно с произведением полосы пропускания на расстояние 500 МГц·км может передавать сигнал 500 МГц на расстояние 1 км или сигнал 1000 МГц на расстояние 0,5 км.
Используя мультиплексирование с разделением по длине волны , каждое волокно может передавать множество независимых каналов, каждый из которых использует различную длину волны света. Чистая скорость передачи данных (скорость передачи данных без служебных байтов) на одно волокно представляет собой скорость передачи данных на каждый канал, уменьшенную на накладные расходы прямого исправления ошибок (FEC), умноженную на количество каналов (обычно до восьмидесяти в коммерческих плотных системах WDM по состоянию на 2008 год ). [обновлять]). [ нужно обновить ]
Ниже приведены результаты исследований с использованием стандартных одномодовых одножильных оптоволоконных кабелей телекоммуникационного класса.
Ниже обобщаются исследования с использованием специализированных кабелей, обеспечивающих пространственное мультиплексирование, использование специализированных трехмодовых волоконно-оптических кабелей или аналогичных специализированных волоконно-оптических кабелей.
Исследования DTU , Fujikura и NTT примечательны тем, что команде удалось снизить энергопотребление оптики примерно до 5% по сравнению с более распространенными технологиями, что может привести к созданию нового поколения очень энергоэффективных оптических компонентов.
Исследования, проведенные Университетом RMIT в Мельбурне, Австралия, разработали нанофотонное устройство, которое передает данные о световых волнах, скрученных в спиральную форму, и обеспечивает 100-кратное увеличение достижимых в настоящее время скоростей оптоволокна. [70] Этот метод известен как орбитальный угловой момент (ОАМ). Нанофотонное устройство использует ультратонкие листы для измерения долей миллиметра искривленного света. Наноэлектронное устройство встроено в разъем размером меньше USB-разъема и может быть установлено на конце оптоволоконного кабеля. [71]
Для современного стеклянного оптического волокна максимальное расстояние передачи ограничено не прямым поглощением материала, а дисперсией , распространением оптических импульсов по мере их распространения по волокну. Дисперсия ограничивает полосу пропускания волокна, поскольку расширяющийся оптический импульс ограничивает скорость, с которой импульсы могут следовать друг за другом по волокну и при этом быть различимыми на приемнике. Дисперсия в оптических волокнах вызвана множеством факторов.
Межмодовая дисперсия , вызванная разными осевыми скоростями разных поперечных мод , ограничивает производительность многомодового волокна . Поскольку одномодовое волокно поддерживает только одну поперечную моду, межмодовая дисперсия исключается.
В одномодовом волокне производительность в первую очередь ограничивается хроматической дисперсией , которая возникает потому, что индекс стекла незначительно меняется в зависимости от длины волны света, а из-за модуляции свет от оптических передатчиков обязательно занимает (узкий) диапазон длин волн. . Дисперсия мод поляризации , еще один источник ограничений, возникает потому, что, хотя одномодовое волокно может поддерживать только одну поперечную моду, оно может передавать эту моду с двумя разными поляризациями, а небольшие дефекты или искажения в волокне могут изменить скорости распространения для двух мод. поляризации. Это явление называется двойным лучепреломлением , и ему можно противодействовать с помощью оптического волокна, сохраняющего поляризацию .
Некоторая дисперсия, особенно хроматическая, может быть устранена с помощью компенсатора дисперсии . Это работает за счет использования специально подготовленного участка волокна, дисперсия которого противоположна дисперсии, индуцируемой передающим волокном, и это обостряет импульс, чтобы его можно было правильно декодировать электроникой.
Затухание в волокне вызвано сочетанием поглощения материала , рэлеевского рассеяния , рассеяния Ми и потерь в разъемах . Поглощение материала для чистого кремнезема составляет всего около 0,03 дБ/км. Примеси в первых оптических волокнах вызывали затухание около 1000 дБ/км. Современное волокно имеет затухание около 0,3 дБ/км. Другие формы затухания вызваны физическими нагрузками на волокно, микроскопическими колебаниями плотности и несовершенством методов сварки . [72]
Каждый эффект, способствующий затуханию и дисперсии, зависит от длины волны оптического излучения. Существуют диапазоны длин волн (или окна), в которых эти эффекты наиболее слабы и они наиболее благоприятны для передачи. Эти окна стандартизированы. [73]
Обратите внимание, что эта таблица показывает, что современным технологиям удалось соединить окна E и S, которые изначально были непересекающимися.
Исторически сложилось так, что существовало окно с длинами волн короче диапазона O, называемое первым окном, при 800–900 нм; однако потери в этом регионе высоки, поэтому это окно используется в основном для связи на коротких расстояниях. Нынешние нижние окна (O и E) около 1300 нм имеют гораздо меньшие потери. Эта область имеет нулевую дисперсию. Средние окна (S и C) около 1500 нм используются наиболее широко. В этом регионе самые низкие потери на затухание и самая большая дальность действия. У него есть некоторая дисперсия, поэтому для решения этой проблемы используются устройства компенсации дисперсии.
Когда линия связи должна охватывать большее расстояние, чем позволяет существующая волоконно-оптическая технология, сигнал должен быть регенерирован в промежуточных точках линии с помощью ретрансляторов оптической связи . Ретрансляторы существенно увеличивают стоимость системы связи, поэтому разработчики систем стараются свести к минимуму их использование.
Последние достижения в области волоконно-оптических технологий связи снизили деградацию сигнала до такой степени, что регенерация оптического сигнала необходима только на расстояниях в сотни километров. Это значительно снизило стоимость оптических сетей, особенно на подводных участках, где стоимость и надежность ретрансляторов являются одними из ключевых факторов, определяющих производительность всей кабельной системы. Основными достижениями, способствующими повышению производительности, являются управление дисперсией, которое стремится сбалансировать эффекты дисперсии и нелинейности; и солитоны , которые используют нелинейные эффекты в волокне для обеспечения распространения без дисперсии на большие расстояния.
Хотя оптоволоконные системы превосходны в приложениях с высокой пропускной способностью, оптическое волокно медленно достигает своей цели — прокладки оптоволокна в помещения или решения проблемы «последней мили» . Однако за последнее десятилетие масштабы внедрения FTTH значительно возросли, и, по прогнозам, в ближайшем будущем они будут обслуживать миллионы новых абонентов. В Японии, например, EPON в значительной степени заменил DSL в качестве источника широкополосного доступа в Интернет. Южнокорейская компания KT также предоставляет услугу под названием FTTH (Fiber To The Home), которая обеспечивает оптоволоконное соединение с домом абонента. Крупнейшие развертывания FTTH находятся в Японии, Южной Корее и Китае. Сингапур приступил к реализации своей полностью оптоволоконной национальной широкополосной сети следующего поколения (Next Gen NBN), завершение которой намечено на 2012 год и которая устанавливается OpenNet. С момента начала развертывания услуг в сентябре 2010 года покрытие сети в Сингапуре достигло 85% по всей стране.
В США Verizon Communications предоставляет услугу FTTH под названием FiOS для выбора рынков с высоким ARPU (средний доход на пользователя) на своей существующей территории. Другой крупный сохранившийся оператор ILEC (или действующий оператор местной телефонной связи), AT&T, использует услугу FTTN (оптоволокно до узла) под названием U-verse с витой парой до дома. Их конкуренты MSO используют FTTN с коаксиальным кабелем с использованием HFC . Все основные сети доступа используют оптоволокно на большей части расстояния от сети поставщика услуг до клиента.
Доминирующей во всем мире технологией сети доступа является EPON (пассивная оптическая сеть Ethernet). В Европе и среди телекоммуникационных компаний в США BPON (широкополосная PON на базе ATM) и GPON (гигабитная PON) имеют корни в FSAN (сеть полного доступа к услугам) и организациях по стандартизации ITU-T, находящихся под их контролем.
Выбор между оптоволоконной и электрической (или медной ) передачей для конкретной системы делается на основе ряда компромиссов. Оптическое волокно обычно выбирают для систем, требующих более высокой пропускной способности или охватывающих большие расстояния, чем может обеспечить электрический кабель.
Основными преимуществами оптоволокна являются его исключительно низкие потери (позволяющие использовать большие расстояния между усилителями/ретрансляторами), отсутствие токов заземления и других паразитных сигналов и проблем с питанием, характерных для длинных параллельных электрических проводников (из-за того, что для передачи сигналов используется свет, а не электричество). передачи и диэлектрической природы оптоволокна), а также его изначально высокая пропускная способность. Для замены одного оптоволоконного кабеля с высокой пропускной способностью потребуются тысячи электрических линий. Еще одним преимуществом волокон является то, что даже при прокладке рядом друг с другом на больших расстояниях волоконные кабели практически не испытывают перекрестных помех , в отличие от некоторых типов линий электропередачи . Оптоволокно можно прокладывать в зонах с высоким уровнем электромагнитных помех (ЭМП), например, рядом с линиями электропередач, линиями электропередачи и железнодорожными путями. Неметаллические цельнодиэлектрические кабели также идеально подходят для зон с высокой вероятностью ударов молний.
Для сравнения: в то время как однолинейные медные системы голосового класса длиной более пары километров требуют встроенных ретрансляторов сигнала для удовлетворительной работы, нередко оптические системы преодолевают расстояние более 100 километров (62 мили) без активных или пассивная обработка. Одномодовые оптоволоконные кабели обычно доступны длиной 12 км (7,5 миль), что сводит к минимуму количество сращиваний, необходимых на длинной трассе кабеля. Доступно многомодовое волокно длиной до 4 км, хотя промышленные стандарты требуют только 2 км непрерывных участков.
В приложениях на короткие расстояния и с относительно низкой пропускной способностью электрическая передача часто предпочтительна из-за ее
Оптические волокна сложнее и дороже соединить, чем электрические проводники. А при более высоких мощностях оптические волокна подвержены перегоранию , что приводит к катастрофическому разрушению сердцевины волокна и повреждению компонентов передачи. [74]
Из-за этих преимуществ электрической передачи оптическая связь не распространена в приложениях типа «коробка-коробка», объединительной панели или «чип-чип»; однако оптические системы такого масштаба были продемонстрированы в лаборатории.
В определенных ситуациях оптоволокно можно использовать даже для приложений на коротких расстояниях или с низкой пропускной способностью благодаря другим важным особенностям:
Оптоволоконные кабели можно прокладывать в зданиях с тем же оборудованием, которое используется для прокладки медных и коаксиальных кабелей, с некоторыми модификациями из-за небольших размеров и ограниченного натяжения и радиуса изгиба оптических кабелей. Оптические кабели обычно можно прокладывать в системах воздуховодов на пролетах 6000 метров и более, в зависимости от состояния воздуховода, расположения системы воздуховодов и метода установки. Более длинные кабели можно свернуть в промежуточной точке и при необходимости протянуть дальше в систему воздуховодов.
Чтобы различные производители могли разрабатывать компоненты, совместимые с волоконно-оптическими системами связи, был разработан ряд стандартов. Международный союз электросвязи публикует несколько стандартов, касающихся характеристик и характеристик самих волокон, в том числе
Другие стандарты определяют критерии производительности оптоволокна, передатчиков и приемников, которые должны использоваться вместе в соответствующих системах. Некоторые из этих стандартов:
TOSLINK — наиболее распространенный формат цифрового аудиокабеля , в котором используется пластиковое оптическое волокно для подключения цифровых источников к цифровым ресиверам .
Оптическое волокно порвется, если его слишком сильно согнуть
Оптические датчики выгодны в опасных средах, поскольку при разрыве волокна или износе его покрытия не возникает искр.
