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] Волокно предпочтительнее электрических кабелей, когда требуется высокая пропускная способность , большие расстояния или устойчивость к электромагнитным помехам . [4] Этот тип связи может передавать голос, видео и телеметрию через локальные сети или на большие расстояния. [5]
Оптоволокно используется многими телекоммуникационными компаниями для передачи телефонных сигналов, интернет-коммуникаций и сигналов кабельного телевидения. Исследователи из Bell Labs достигли рекордного произведения пропускной способности на расстояние более 100 петабит × километров в секунду с помощью оптоволоконной связи. [6] [ требуется лучший источник ]
Впервые разработанные в 1970-х годах, оптоволоконные технологии произвели революцию в телекоммуникационной отрасли и сыграли важную роль в наступлении информационного века . [7] Благодаря своим преимуществам по сравнению с электрической передачей, оптоволоконные кабели 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-коммуникаций и сигналов кабельного телевидения. Оно также используется в других отраслях, включая медицинскую, оборонную, правительственную, промышленную и коммерческую. Помимо обслуживания целей телекоммуникаций, оно используется в качестве световодов, для инструментов визуализации, лазеров, гидрофонов для сейсмических волн, SONAR и в качестве датчиков для измерения давления и температуры.
Благодаря меньшему затуханию и помехам оптоволокно имеет преимущества перед медным проводом в приложениях с большой пропускной способностью на большие расстояния. Однако развитие инфраструктуры в городах является относительно сложным и трудоемким, а волоконно-оптические системы могут быть сложными и дорогими в установке и эксплуатации. Из-за этих трудностей первые волоконно-оптические системы связи в основном устанавливались в приложениях с большой протяженностью, где они могли использоваться на полную мощность, компенсируя возросшую стоимость. Цены на волоконно-оптические коммуникации значительно снизились с 2000 года. [10]
Цена на развертывание оптоволокна в домах в настоящее время стала более рентабельной, чем стоимость развертывания сети на основе меди. Цены упали до $850 за абонента в США и ниже в таких странах, как Нидерланды, где стоимость рытья низкая, а плотность застройки высокая. [ необходима цитата ]
С 1990 года, когда системы оптического усиления стали коммерчески доступными, телекоммуникационная отрасль проложила обширную сеть междугородних и трансокеанских волоконно-оптических линий связи. К 2002 году была завершена межконтинентальная сеть из 250 000 км подводного кабеля связи с пропускной способностью 2,56 Тбит /с, и хотя конкретные сетевые мощности являются конфиденциальной информацией, отчеты об инвестициях в телекоммуникации показывают, что с 2004 года сетевая емкость резко возросла. [11] По состоянию на 2020 год по всему миру было развернуто более 5 миллиардов километров волоконно-оптического кабеля. [12]
В 1880 году Александр Грэхем Белл и его помощник Чарльз Самнер Тейнтер создали очень раннего предшественника волоконно-оптической связи, фотофон , в недавно созданной Беллом Лаборатории Вольта в Вашингтоне, округ Колумбия. Белл считал его своим самым важным изобретением. Устройство позволяло передавать звук по лучу света. 3 июня 1880 года Белл провел первую в мире беспроводную телефонную передачу между двумя зданиями, находившимися на расстоянии около 213 метров друг от друга. [13] [14] Из-за использования атмосферной среды передачи фотофон не был бы практичным, пока достижения в области лазерных и оптоволоконных технологий не позволили 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 прокатанное стекловолокно позволяет передавать свет. [16] Дзюнъити Нисидзава , японский ученый 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 вклад в развитие оптоволоконной связи. [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 затуханием, достаточно низким для целей связи (около 20 дБ /км), было разработано в 1970 году компанией Corning Glass Works . В то же время были разработаны полупроводниковые лазеры на основе GaAs , которые были компактными и, следовательно, подходили для передачи света по оптоволоконным кабелям на большие расстояния.
В 1973 году компания Optelecom , Inc., соучредителем которой был изобретатель лазера Гордон Гулд , получила контракт от ARPA на одну из первых оптических систем связи. Разработанная для армейского ракетного командования в Хантсвилле, штат Алабама, система была предназначена для того, чтобы ракета малой дальности с видеообработкой могла связываться с землей с помощью лазера с помощью пятикилометрового оптического волокна, которое разматывалось с ракеты во время ее полета. [20] Затем Optelecom поставила первую коммерческую оптическую систему связи компании Chevron. [21]
После периода исследований, начавшихся в 1975 году, была разработана первая коммерческая волоконно-оптическая телекоммуникационная система, которая работала на длине волны около 0,8 мкм и использовала полупроводниковые лазеры GaAs. Эта система первого поколения работала на скорости передачи данных 45 Мбит/с с расстоянием между ретрансляторами до 10 км. Вскоре, 22 апреля 1977 года, General Telephone and Electronics отправила первый живой телефонный трафик по волоконно-оптическому кабелю с пропускной способностью 6 Мбит/с в Лонг-Бич, Калифорния. [ необходима цитата ]
В октябре 1973 года Corning Glass подписала контракт на разработку с CSELT и Pirelli, направленный на тестирование волоконной оптики в городской среде: в сентябре 1977 года второй кабель в этой серии испытаний, названный COS-2, был экспериментально развернут в две линии (9 км) в Турине , впервые в большом городе, со скоростью 140 Мбит/с. [22]
Второе поколение волоконно-оптической связи было разработано для коммерческого использования в начале 1980-х годов, работало на 1,3 мкм и использовало полупроводниковые лазеры InGaAsP. Эти ранние системы изначально были ограничены многомодовой волоконной дисперсией, а в 1981 году было обнаружено, что одномодовое волокно значительно улучшает производительность системы, однако оказалось сложно разработать практические разъемы, способные работать с одномодовым волокном. Канадский поставщик услуг SaskTel завершил строительство того, что тогда было самой длинной в мире коммерческой волоконно-оптической сетью, которая охватывала 3268 км (2031 милю) и связывала 52 сообщества. [23] К 1987 году эти системы работали со скоростью передачи данных до1,7 Гбит/с с расстоянием между ретрансляторами до 50 км (31 миля).
Первый трансатлантический телефонный кабель , использующий оптоволокно, был TAT-8 , основанный на оптимизированной технологии лазерного усиления Desurvire . Он был введен в эксплуатацию в 1988 году.
Волоконно-оптические системы третьего поколения работали на 1,55 мкм и имели потери около 0,2 дБ/км. Это развитие было стимулировано открытием арсенида индия-галлия и разработкой фотодиода на основе арсенида индия-галлия Пирсоллом. Инженеры преодолели более ранние трудности с расширением импульса с использованием обычных полупроводниковых лазеров InGaAsP на этой длине волны, используя волокна со смещенной дисперсией, разработанные для минимальной дисперсии на 1,55 мкм или ограничивая спектр лазера одной продольной модой . Эти разработки в конечном итоге позволили системам третьего поколения работать в коммерческих целях на2,5 Гбит/с при расстоянии между ретрансляторами более 100 км (62 мили).
Четвертое поколение волоконно-оптических систем связи использовало оптическое усиление для снижения потребности в повторителях и мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) для увеличения емкости данных . Внедрение WDM стало началом оптических сетей , поскольку WDM стала технологией выбора для расширения полосы пропускания волоконно-оптических сетей. [24] Первой на рынке с плотной системой WDM была Ciena Corp. в июне 1996 года. [25] Внедрение оптических усилителей и WDM привело к тому, что емкость системы удваивалась каждые шесть месяцев с 1992 года до скорости передачи данныхК 2001 году была достигнута скорость 10 Тбит/с. В 2006 году скорость передачи данных достиглаСкорость 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 в 3000 километров с помощью четырехжильных волоконно-оптических кабелей со стандартным диаметром кабеля. [27]
Основное внимание в разработке пятого поколения волоконно-оптических коммуникаций 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, обещающее расширение этого диапазона до 1300–1650 нм. [ необходима цитата ] Другие разработки включают концепцию оптических солитонов , импульсов, которые сохраняют свою форму, противодействуя эффектам дисперсии с помощью нелинейных эффектов волокна, используя импульсы определенной формы.
В конце 1990-х и до 2000 года отраслевые промоутеры и исследовательские компании, такие как KMI и RHK, предсказывали массовый рост спроса на пропускную способность связи из-за возросшего использования Интернета и коммерциализации различных потребительских услуг, требующих большой пропускной способности, таких как видео по запросу . Трафик данных по интернет-протоколу увеличивался экспоненциально, более быстрыми темпами, чем увеличивалась сложность интегральных схем в соответствии с законом Мура . Однако с момента краха пузыря доткомов и до 2006 года основной тенденцией в отрасли была консолидация фирм и офшоринг производства для снижения затрат. Такие компании, как Verizon и AT&T, использовали преимущества оптоволоконной связи для доставки различных высокопроизводительных данных и широкополосных услуг 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 является цифровой информацией, генерируемой компьютерами или телефонными системами .
Наиболее часто используемые оптические передатчики — это полупроводниковые приборы, такие как светодиоды (LED) и лазерные диоды . Разница между светодиодами и лазерными диодами заключается в том, что светодиоды производят некогерентный свет , тогда как лазерные диоды производят когерентный свет. Для использования в оптической связи полупроводниковые оптические передатчики должны быть спроектированы так, чтобы быть компактными, эффективными и надежными, работая в оптимальном диапазоне длин волн и напрямую модулируясь на высоких частотах.
В своей простейшей форме светодиод излучает свет посредством спонтанного излучения , явления, называемого электролюминесценцией . Излучаемый свет является некогерентным с относительно широкой спектральной шириной 30–60 нм. [a] Большая ширина спектра светодиодов подвержена более высокой дисперсии волокна, что значительно ограничивает их произведение скорости передачи данных на расстояние (общая мера полезности). Светодиоды подходят в первую очередь для локальных сетевых приложений со скоростью передачи данных 10–100 Мбит/с и расстоянием передачи данных в несколько километров.
Передача света светодиодами неэффективна, так как только около 1% входной мощности, или около 100 микроватт, в конечном итоге преобразуется в передаваемую мощность, связанную с оптоволокном. [28]
Разработаны светодиоды, в которых используется несколько квантовых ям для излучения света на разных длинах волн в широком спектре, и в настоящее время они используются для локальных приложений с мультиплексированием по длине волны (WDM).
Светодиоды были в значительной степени вытеснены устройствами с вертикальным резонатором поверхностного излучения (VCSEL), которые предлагают улучшенную скорость, мощность и спектральные свойства по аналогичной цене. 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, Fabry–Pérot и распределенный лазер с обратной связью .
Полупроводниковый лазер излучает свет посредством вынужденного излучения , а не спонтанного, что приводит к высокой выходной мощности (~100 мВт), а также другим преимуществам, связанным с природой когерентного света. Выход лазера относительно направлен, что обеспечивает высокую эффективность соединения (~50%) в одномодовом волокне. Обычные устройства VCSEL также хорошо соединяются с многомодовым волокном. Узкая спектральная ширина также обеспечивает высокие скорости передачи данных, поскольку она снижает эффект хроматической дисперсии . Кроме того, полупроводниковые лазеры можно модулировать непосредственно на высоких частотах из-за короткого времени рекомбинации .
Лазерные диоды часто модулируются напрямую , то есть выход света контролируется током, подаваемым непосредственно на устройство. Для очень высоких скоростей передачи данных или очень дальних соединений лазерный источник может работать в режиме непрерывной волны , а свет модулируется внешним устройством, оптическим модулятором , таким как электроабсорбционный модулятор или интерферометр Маха-Цендера . Внешняя модуляция увеличивает достижимое расстояние связи за счет устранения чирпа лазера , который расширяет ширину линии в напрямую модулированных лазерах, увеличивая хроматическую дисперсию в волокне. Для очень высокой эффективности полосы пропускания может использоваться когерентная модуляция для изменения фазы света в дополнение к амплитуде, что позволяет использовать QPSK , QAM и OFDM . «Двойная поляризационная квадратурная фазовая манипуляция — это формат модуляции, который эффективно отправляет в четыре раза больше информации, чем традиционные оптические передачи той же скорости». [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 p–n-фотодиоды, p–i–n-фотодиоды и лавинные фотодиоды. Фотодетекторы металл-полупроводник-металл (MSM) 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 ограничивающим усилителем для получения цифрового сигнала в электрическом домене, восстановленного из входящего оптического сигнала. Дальнейшая обработка сигнала, такая как восстановление тактовой частоты из данных, выполняемая фазовой автоподстройкой частоты, также может применяться до передачи данных.
Когерентные приемники используют лазер локального генератора в сочетании с парой гибридных ответвителей и четырьмя фотодетекторами на поляризацию, за которыми следуют высокоскоростные АЦП и цифровая обработка сигнала для восстановления данных, модулированных с помощью QPSK, QAM или OFDM. [ необходима цитата ]
Передатчик оптической системы связи состоит из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), усилителя драйвера и модулятора Маха-Цендера . Развертывание более высоких форматов модуляции (> 4-QAM ) или более высоких скоростей передачи данных (>32 ГБод ) 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 драйвера и модуляторе Маха-Цендера. Цифровое предыскажение противодействует эффектам ухудшения и позволяет увеличить скорость передачи данных до56 ГБод и форматы модуляции, такие как 64-QAM и 128-QAM с коммерчески доступными компонентами. Цифровой сигнальный процессор передатчика выполняет цифровое предыскажение входных сигналов, используя обратную модель передатчика, перед отправкой образцов в ЦАП.
Старые методы цифрового предыскажения рассматривали только линейные эффекты. Недавние публикации также рассматривают нелинейные искажения. Беренгер и др. моделируют модулятор Маха-Цендера как независимую систему Винера , а ЦАП и усилитель драйвера моделируются усеченным, не зависящим от времени рядом Вольтерры . [30] Ханна и др. используют полином памяти для совместного моделирования компонентов передатчика. [31] В обоих подходах ряд Вольтерры или коэффициенты полинома памяти находятся с использованием архитектуры косвенного обучения. Дютель и др. регистрируют для каждой ветви модулятора Маха-Цендера несколько сигналов с различной полярностью и фазами. Сигналы используются для расчета оптического поля. Взаимная корреляция синфазных и квадратурных полей определяет временной перекос . Частотная характеристика и нелинейные эффекты определяются архитектурой косвенного обучения. [32]
Оптоволоконный кабель состоит из сердечника, оболочки и буфера (защитного внешнего покрытия), в котором оболочка направляет свет вдоль сердечника, используя метод полного внутреннего отражения . Сердцевина и оболочка (которая имеет более низкий показатель преломления ) обычно изготавливаются из высококачественного кварцевого стекла, хотя они оба могут быть изготовлены из пластика. Соединение двух оптических волокон осуществляется методом сплавления или механического сращивания и требует специальных навыков и технологии соединения из-за микроскопической точности, необходимой для выравнивания волоконных сердечников. [33]
Два основных типа оптического волокна, используемых 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, более дешевые передатчики и приемники, а также более дешевые разъемы. Однако многомодовое волокно вносит многомодовые искажения , которые часто ограничивают полосу пропускания и длину линии связи. Кроме того, из-за более высокого содержания легирующих примесей многомодовые волокна обычно дороги и демонстрируют более высокое затухание. Сердцевина одномодового волокна меньше (< 10 микрометров) и требует более дорогих компонентов и методов соединения, но позволяет создавать гораздо более длинные и высокопроизводительные линии связи. Как одномодовое, так и многомодовое волокно предлагаются в разных классах.
Для упаковки волокна в коммерчески жизнеспособный продукт, его обычно покрывают защитным слоем с использованием отвержденных ультрафиолетом акрилатных полимеров [ требуется ссылка ] и собирают в кабель. После этого его можно проложить в земле, а затем пропустить через стены здания и развернуть по воздуху аналогично медным кабелям. Эти волокна требуют меньшего обслуживания, чем обычные витые пары после их развертывания. [35]
Специализированные кабели используются для передачи данных на большие расстояния под водой, например, трансатлантический кабель связи . Новые (2011–2013) 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 составляла около 300 млн долларов. [36]
Другой распространенной практикой является связывание множества волоконно-оптических жил в кабель передачи электроэнергии на большие расстояния с использованием, например, оптического заземляющего провода . Это эффективно использует права прохода при передаче электроэнергии, гарантирует, что энергетическая компания может владеть и контролировать волокно, необходимое для мониторинга ее собственных устройств и линий, эффективно защищено от несанкционированного доступа и упрощает развертывание технологии интеллектуальной сети .
Расстояние передачи волоконно-оптической системы связи традиционно ограничивалось затуханием волокна и искажением волокна. Благодаря использованию оптоэлектронных повторителей эти проблемы были устранены. Эти повторители преобразуют сигнал в электрический сигнал, а затем используют передатчик для повторной отправки сигнала с более высокой интенсивностью, чем был получен, тем самым компенсируя потери, возникшие в предыдущем сегменте. Из-за высокой сложности современных мультиплексированных сигналов с разделением по длине волны, включая тот факт, что их приходилось устанавливать примерно каждые 20 км (12 миль), стоимость этих повторителей 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 усилитель на основе легированного эрбием волокна (EDFA). Они изготавливаются путем легирования отрезка 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 несколько существенных преимуществ по сравнению с электрическими повторителями. Во-первых, оптический усилитель может усиливать очень широкую полосу одновременно, которая может включать сотни мультиплексированных каналов, устраняя необходимость демультиплексировать сигналы 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 и позволяя повышать скорость передачи данных системы без необходимости замены всех повторителей. В-третьих, оптические усилители намного проще повторителя с теми же возможностями и, следовательно, значительно надежнее. Оптические усилители в значительной степени заменили повторители в новых установках, хотя электронные повторители по-прежнему широко используются, когда требуется кондиционирование сигнала за пределами усиления.
Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) — это метод передачи нескольких каналов информации через одно оптическое волокно путем отправки нескольких световых лучей с разными длинами волн через волокно, каждый из которых модулируется отдельным информационным каналом. Это позволяет умножить доступную емкость оптических волокон. Для этого требуется мультиплексор с разделением по длине волны в передающем оборудовании и демультиплексор (по сути, спектрометр ) в приемном оборудовании. Для мультиплексирования и демультиплексирования в WDM обычно используются решетки волноводов . [37] Используя технологию WDM, которая в настоящее время доступна на рынке, полосу пропускания волокна можно разделить на 160 каналов [38] для поддержки объединенной скорости передачи данных в диапазоне1,6 Тбит/с .
Поскольку эффект дисперсии увеличивается с длиной волокна, система передачи по волокну часто характеризуется ее произведением полосы пропускания на расстояние , обычно выражаемым в единицах МГц · км. Это значение является произведением 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 1 км или сигнал 1000 МГц на 0,5 км.
Используя мультиплексирование с разделением по длине волны , каждое волокно может переносить множество независимых каналов, каждый из которых использует свою длину волны света. Чистая скорость передачи данных (скорость передачи данных без служебных байтов) на волокно — это скорость передачи данных на канал, уменьшенная на служебные данные прямой коррекции ошибок (FEC), умноженная на количество каналов (обычно до восьмидесяти в коммерческих плотных системах WDM по состоянию на 2008 год [обновлять]). [ требуется обновление ]
Ниже приведены результаты исследований с использованием стандартных телекоммуникационных одномодовых волоконно-оптических кабелей с одной твердотельной жилой.
Ниже приведены результаты исследований с использованием стандартных многомодовых одножильных волоконно-оптических кабелей телекоммуникационного класса.
Ниже приведены результаты исследований с использованием специализированных кабелей, позволяющих осуществлять пространственное мультиплексирование, с использованием 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 в Университете RMIT, Мельбурн, Австралия, разработали нанофотонное устройство, которое переносит данные о световых волнах, скрученных в спиральную форму, и достигло 100-кратного увеличения текущих достижимых скоростей волоконно-оптических кабелей. [74] Эта технология известна как орбитальный угловой момент (OAM). Нанофотонное устройство использует сверхтонкие листы для измерения доли миллиметра скрученного света. Наноэлектронное устройство встроено в разъем, меньший по размеру, чем разъем USB, и может быть установлено на конце оптоволоконного кабеля. [75]
Для современного стеклянного оптического волокна максимальная дальность передачи ограничена не прямым поглощением материала, а дисперсией , распространением оптических импульсов по мере их перемещения по волокну. Дисперсия ограничивает полосу пропускания волокна, поскольку распространение оптического импульса ограничивает скорость, с которой импульсы могут следовать друг за другом по волокну и при этом быть различимыми на приемнике. Дисперсия в оптических волокнах вызвана различными факторами.
Интермодовая дисперсия , вызванная различными осевыми скоростями различных поперечных мод , ограничивает производительность многомодового волокна . Поскольку одномодовое волокно поддерживает только одну поперечную моду, интермодовая дисперсия устраняется.
В одномодовом волокне производительность в первую очередь ограничена хроматической дисперсией , которая возникает из-за того, что индекс стекла немного меняется в зависимости от длины волны света, и из-за модуляции свет от оптических передатчиков обязательно занимает (узкий) диапазон длин волн. Дисперсия поляризационной моды , еще один источник ограничения, возникает из-за того, что хотя одномодовое волокно может поддерживать только одну поперечную моду, оно может переносить эту моду с двумя различными поляризациями, и небольшие дефекты или искажения в волокне могут изменить скорости распространения для двух поляризаций. Это явление называется двулучепреломлением и может быть нейтрализовано сохраняющим поляризацию оптическим волокном .
Некоторая дисперсия, особенно хроматическая дисперсия, может быть устранена компенсатором дисперсии . Он работает с использованием специально подготовленного отрезка волокна, имеющего противоположную дисперсию по сравнению с волокном передачи, и это обостряет импульс, так что он может быть правильно декодирован электроникой.
Затухание волокна вызвано комбинацией поглощения материала , рассеяния Рэлея , рассеяния Ми и потерь в соединителях . Поглощение материала для чистого кремния составляет всего около 0,03 дБ/км. Примеси в ранних оптических волокнах вызывали затухание около 1000 дБ/км. Современное волокно имеет затухание около 0,3 дБ/км. Другие формы затухания вызваны физическими напряжениями в волокне, микроскопическими колебаниями плотности и несовершенными методами сращивания . [76]
Каждый эффект, который способствует затуханию и дисперсии, зависит от оптической длины волны. Существуют диапазоны длин волн (или окна), где эти эффекты наиболее слабы, и они наиболее благоприятны для передачи. Эти окна были стандартизированы. [77]
Обратите внимание, что эта таблица показывает, что современным технологиям удалось объединить окна E и S, которые изначально были разъединены.
Исторически существовало окно длин волн короче диапазона O, называемое первым окном, в 800–900 нм; однако в этой области потери высоки, поэтому это окно используется в основном для связи на короткие расстояния. Текущие 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. Эта область имеет самые низкие потери затухания и достигает самого большого диапазона. Она имеет некоторую дисперсию, 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 оптических ретрансляторов связи . Ретрансляторы существенно увеличивают стоимость системы связи, поэтому проектировщики систем пытаются свести их использование к минимуму.
Недавние достижения в области волоконно-оптических коммуникационных технологий снизили деградацию сигнала до такой степени, что регенерация оптического сигнала требуется 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 этим улучшениям производительности, являются управление дисперсией, которое стремится сбалансировать эффекты дисперсии с нелинейностью; и солитоны , которые используют нелинейные эффекты в волокне для обеспечения распространения без дисперсии на большие расстояния.
Хотя волоконно-оптические системы превосходны в приложениях с высокой пропускной способностью, проблема последней мили остается нерешенной, поскольку оптоволокно до помещений развивается медленно. Однако развертывание оптоволокна до дома (FTTH) ускорилось. Например, в Японии EPON в значительной степени заменил DSL в качестве источника широкополосного Интернета. Самые крупные развертывания FTTH находятся в Японии, Южной Корее и Китае. Сингапур начал реализацию своей полностью волоконной сети Next Generation Nationwide Broadband Network (Next Gen NBN), которую планируется завершить в 2012 году и которая устанавливается OpenNet. С тех пор, как они начали развертывать услуги в сентябре 2010 года, покрытие сети в Сингапуре достигло 85% по всей стране. [ требуется обновление ]
В США Verizon Communications предоставляет услугу FTTH под названием FiOS для отдельных рынков с высоким средним доходом на пользователя в пределах своей существующей территории. Другой крупный выживший действующий местный оператор связи , AT&T , использует услугу FTTN ( оптоволокно до узла ) под названием U-verse с витой парой до дома. Их конкуренты MSO используют FTTN с коаксиалом, используя гибридные волоконно-коаксиальные сети. Все основные сети доступа используют оптоволокно для большей части расстояния от сети поставщика услуг до клиента.
Глобально доминирующей технологией сетей доступа является пассивная оптическая сеть Ethernet (EPON). В Европе и среди телекоммуникационных компаний в Соединенных Штатах широкополосная PON на базе ATM (BPON) и гигабитная PON (GPON) имеют корни в сетях полного доступа к услугам (FSAN) 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. Оптоволокно обычно выбирают для систем, требующих более высокой пропускной способности , работающих в суровых условиях или охватывающих большие расстояния, чем может обеспечить электрический кабель.
Основными преимуществами оптоволокна являются его исключительно низкие потери (что позволяет использовать большие расстояния между повторителями), отсутствие токов заземления и других паразитных сигналов и проблем с питанием, характерных для длинных параллельных электрических проводников (из-за того, что для передачи данных он использует свет, а не электричество, и диэлектрической природы оптоволокна), а также его изначально высокая пропускная способность. Для замены одного оптоволоконного кабеля с высокой пропускной способностью потребовались бы тысячи электрических соединений. Еще одним преимуществом оптоволокна является то, что даже при прокладке рядом друг с другом на больших расстояниях оптоволоконные кабели фактически не испытывают перекрестных помех , в отличие от некоторых типов линий электропередачи . Оптоволокно можно устанавливать в зонах с высоким уровнем электромагнитных помех (ЭМП), например, вдоль линий электропередач и железнодорожных путей. Неметаллические полностью диэлектрические кабели также идеально подходят для зон с высокой частотой ударов молний.
Для сравнения, в то время как однолинейные медные системы голосовой связи длиной более пары километров требуют встроенных повторителей сигнала для удовлетворительной производительности, оптические системы нередко проходят более 100 километров (62 мили) без какой-либо активной или пассивной обработки.
Оптические волокна сложнее и дороже сращивать, чем электрические проводники. А при более высоких мощностях оптические волокна подвержены плавлению волокон , что приводит к катастрофическому разрушению сердцевины волокна и повреждению компонентов передачи. [78]
В приложениях с короткими расстояниями и относительно низкой пропускной способностью электрическая передача часто предпочтительнее из-за ее более низкой стоимости. Оптическая связь не распространена в коротких приложениях типа «коробка-коробка», «кроссплата» или «чип-чип».
В определенных ситуациях оптоволокно может использоваться даже для передачи данных на короткие расстояния или в приложениях с низкой пропускной способностью благодаря другим важным характеристикам:
Оптоволоконные кабели можно прокладывать в зданиях с использованием того же оборудования, которое применяется для прокладки медных и коаксиальных кабелей, с некоторыми модификациями из-за небольших размеров и ограниченного допустимого натяжения и радиуса изгиба оптических кабелей.
Для того, чтобы различные производители могли разрабатывать компоненты, которые функционируют совместимо в системах волоконно-оптической связи, был разработан ряд стандартов. Международный союз электросвязи публикует несколько стандартов, касающихся характеристик и производительности самих волокон, включая
Другие стандарты определяют критерии производительности для волокна, передатчиков и приемников, которые должны использоваться вместе в соответствующих системах. Некоторые из этих стандартов:
TOSLINK — наиболее распространённый формат цифрового аудиокабеля , использующий пластиковое оптоволокно для подключения цифровых источников к цифровым приёмникам .
Оптическое волокно сломается, если его согнуть слишком резко.
датчики имеют преимущества в опасных средах, поскольку не возникает искр при обрыве волокна или износе его оболочки.
