Przegląd sieci optycznych

Sieć optyczna to system komunikacyjny, który wykorzystuje sygnały świetlne zamiast elektronicznych do przesyłania informacji między dwoma lub więcej punktami. Punktami mogą być komputery w biurze, duże ośrodki miejskie, a nawet państwa w globalnym systemie telekomunikacyjnym. Sieci optyczne obejmują nadajniki i odbiorniki optyczne, kable światłowodowe, przełączniki optyczne i inne elementy optyczne. Sieci optyczne i elektroniczne mogą przybierać różne formy. Sieci typu punkt-punkt tworzą trwałe połączenia między dwoma lub większą liczbą punktów, dzięki czemu dowolna para węzłów może się ze sobą komunikować; sieci punkt-wielopunkt nadają te same sygnały jednocześnie do wielu różnych węzłów; Sieci komutowane, takie jak system telefoniczny, zawierają przełączniki, które wykonują tymczasowe połączenia między parami węzłów. Podstawowym budulcem tych sieci są kable światłowodowe – tak zwane rury – które przenoszą sygnały z węzła do węzła, a przełączniki kierują je do miejsca przeznaczenia.

Sygnał

Sygnał optyczny składa się z serii impulsów wytwarzanych przez wyłączenie i włączenie wiązki laserowej. Jego prędkość zależy od tego, jak szybko wiązka może być włączana i wyłączana oraz od tego, jak bardzo impulsy rozchodzą się podczas transmisji, efekt zwany dyspersją. Wielkość dyspersji zależy od typu włókna, długości włókna i charakteru sygnału optycznego. Im większa dyspersja, tym trudniej jest odróżnić sąsiednie impulsy. Przy obecnej technologii różne typy światłowodów można łączyć w celu zmniejszenia efektów dyspersji, umożliwiając transmisję z prędkością 10 gigabitów na sekundę przez kilka tysięcy kilometrów. Aby osiągnąć szybsze prędkości transmisji, naukowcy badają sposoby aktywnej kompensacji dyspersji.

Pojedynczy włókno może przesyłać wiele oddzielnych sygnałów jednocześnie przy różnych długościach fal światła, co jest techniką zwaną multipleksowaniem z podziałem długości fali. Jest to analogiczne do nadawania wielu sygnałów radiowych i telewizyjnych w powietrzu na różnych częstotliwościach.

Podobnie jak liczba stacji radiowych, maksymalna liczba kanałów optycznych jest ograniczona przez wycinek widma używany dla każdego kanału i całkowitą ilość dostępnego widma. Urządzenia zwane demultiplekserami rozdzielają kanały optyczne i dystrybuują je do oddzielnych odbiorników optycznych. Demultipleksery dzielą widmo na bardzo wąskie fragmenty, izolując każdy kanał optyczny od sąsiednich.

Pomnożenie liczby kanałów optycznych przez szybkość transmisji na każdym kanale optycznym daje całkowitą przepustowość światłowodu. Eksperymenty laboratoryjne przesłały ponad 10 bilionów bitów (10 terabitów) na sekundę przez ponad 100 kilometrów światłowodu. Jednak komercyjne szybkości transmisji zwykle nie przekraczają kilkuset gigabitów na sekundę.

Osiągnięcie tak wysokich szybkości transmisji danych i wielu kanałów wymaga zaawansowanych komponentów. Lasery półprzewodnikowe, które generują impulsy świetlne stosowane w prawie wszystkich systemach komunikacji światłowodowej, muszą emitować tylko bardzo wąski zakres długości fal, aby ograniczyć dyspersję. Włókna mają również na celu ograniczenie dyspersji.

Wzmacniacze

Najczystsze światłowody mogą przesyłać sygnały na odległość ponad 100 kilometrów bez wzmocnienia – znacznie dalej niż przewody miedziane. Gdy sygnał musi obejmować większą odległość, przechodzi przez wzmacniacz optyczny, który zwielokrotnia siłę sygnału optycznego. Najczęściej stosowanymi wzmacniaczami optycznymi są włókna domieszkowane atomami erbu, pierwiastka ziem rzadkich, który pochłania energię świetlną z zewnętrznego lasera pompującego. Atomy erbu uwalniają następnie tę energię, aby wzmocnić słabe sygnały optyczne w całym paśmie długości fal transmitowanych przez laser. Przy starannej kontroli ciąg dziesiątek wzmacniaczy światłowodowych może przesyłać sygnały tysiące kilometrów przez ocean.

Przełączniki optyczne

Jednym z wyzwań dla sieci optycznych jest przełączanie sygnałów świetlnych. Gdy sygnał dociera do miejsca przeznaczenia, musi być oddzielony od pozostałych kanałów. Aby upuścić jeden sygnał w punkcie pośrednim, filtr optyczny oddziela odpowiednią długość fali od reszty. Sprzęt w tym momencie może również dodać nowy sygnał do obecnie niezajętej długości fali.

Przełączniki optyczne mogą działać na jednej długości fali lub na wszystkich długościach fal transmitowanych przez światłowód. Stały filtr, taki jak opisany powyżej, można zastąpić przełącznikiem, który wybiera jeden z kilku filtrów, aby skierować żądaną długość fali do punktu pośredniego. Trzeci rodzaj przełącznika rozdziela długości fal na oddzielne wiązki, a ruchome lustro kieruje jedną lub więcej długości fal w innym kierunku. Inne przełączniki optyczne jednocześnie przełączają wszystkie długości fal przechodzących przez światłowód; jednym z przykładów jest lustro na wyjściu światłowodu, które może przechylać się między dwoma różnymi pozycjami, aby przekierować wszystkie kanały optyczne w przypadku zerwania światłowodu.

Powyższe przykłady są nazywane przełącznikami całkowicie optycznymi, ponieważ działają na sygnałach świetlnych. Przełączniki innej klasy przetwarzają sygnały optyczne na postać elektroniczną, która może być przełączana elektronicznie; powstały sygnał elektroniczny jest następnie podawany do nadajnika optycznego w celu wygenerowania nowego sygnału optycznego. Są to tak zwane przełączniki optoelektrooptyczne.

W miarę rozwoju technologii sieci optyczne będą musiały konwertować sygnały z jednej długości fali na drugą. Można to teraz zrobić za pomocą optoelektrooptycznych konwerterów długości fali, które przekształcają wejściowy sygnał optyczny na postać elektroniczną, aby sterować nadajnikiem o drugiej długości fali. W laboratorium zademonstrowano całkowicie optyczne przetworniki długości fali, ale nie są one jeszcze stosowane w praktycznych systemach. Potrzebne będą również źródła laserowe, które można dostroić do wielu różnych długości fal; kilka typów zostało zademonstrowanych, a niektóre są w produkcji komercyjnej.

ukryć