Kako deluje optični prenos podatkov?

 

 

En sam stekleni pramen, ki je tanjši od človeškega lasu, prenaša 43 terahercev pasovne širine. Internetni promet vaše celotne soseske-vsak Netflixov tok, klic Zoom in nalaganje v TikTok-teče skozi nekaj, kar bi lahko pomotoma posesali. To ni teoretična zmogljivost. Optični sistemi, predstavljeni leta 2024, so potisnili na desetine terabitov na sekundo skozi en kabel, zaradi česar je optični prenos podatkov postal hrbtenica sodobnih omrežij.

Fizika se na prvi pogled zdi nazaj. Steklo bolje prevaja svetlobo kot baker pri prenosu podatkov. Veliko bolje. Po enem kilometru optičnih vlaken izgubite manj signala kot če bi enkrat odbili svetlobo od ogledala.

Večina razlag se začne z "svetloba potuje skozi steklo". Res, a neuporabno. Zanimivo je, kaj se zgodi na stekleni meji,-kjer fizika ustvari popolno ogledalo, ki obstaja samo takrat, ko ga potrebujete. Brez premaza. Brez srebrne podlage. Samo dve vrsti stekla se dotikata in nenadoma svetloba ne more uiti, niti ko hoče.

 

 

Kako optični prenos podatkov uporablja popolni notranji odboj

 

Popolni notranji odboj se ne obnaša kot običajna ogledala. Posvetlite z običajnim ogledalom pod katerim koli kotom in dobili boste odsev. Pri optičnih vlaknih pride do odboja le, ko svetloba doseže mejo nad 42 stopinj (za tipično steklo-z-zrak). Pod tem kotom? Svetloba gre skozi, kot da meja ne obstaja.

Ta selektivni odboj ustvari svetlobno past. Ko fotoni vstopijo v jedro vlakna pod pravim kotom, so geometrijsko zaklenjeni. Vsak odboj jih zadrži nad kritičnim kotom. Svetloba cik-cak teče po kablu s hitrostjo 286.000 milj na sekundo (približno dve-tretjini svoje hitrosti v vakuumu, upočasnjuje jo lomni količnik stekla okoli 1,5).

To deluje zaradi vmesnika o-jedrne obloge. Jedro ima lomni količnik približno 1,48, medtem ko je obloga 1,46. Teh 0,02 razlike-samo 1,3-odstotno odstopanje-je dovolj. Svetloba, ki poskuša pobegniti iz gostejšega jedra v manj gosto oblogo, zadene to mejo in se popolnoma odbije, pri čemer v bistvu izgubi energijo za oblogo.

Enomodovna-oplakna to popeljejo še dlje. S premerom jedra le 8-10 mikronov (rdeča krvna celica je približno 7 mikronov) prepuščajo le eno pot svetlobe. To odpravlja modalno disperzijo-, kjer različne svetlobne poti skozi vlakno prispejo ob različnih časih in zameglijo vaš signal. Enomodovna vlakna lahko prenašajo podatke več kot 40 kilometrov brez ojačanja.

 

Pretvarjanje elektronov v fotone

 

Na koncu prenosa je laserska dioda ali LED. Podatki prihajajo kot električni impulzi: visoka napetost je enaka binarnemu 1, nizka napetost je enaka binarnemu 0. Laser jih pretvori v svetlobne impulze pri valovnih dolžinah 850 nm, 1310 nm ali 1550 nm-vsi infrardeči, nevidni človeškim očem.

Zakaj infrardeči? Dva razloga. Prvič, steklo je najbolj prosojno pri teh valovnih dolžinah, z dušenjem pod 0,2 dB na kilometer pri 1550 nm. Drugič, silicijevi fotodetektorji so najbolj občutljivi v tem območju. "Okno" 1550 nm je še posebej dragoceno, ker doseže najboljšo točko, kjer so absorpcija stekla, sipanje in disperzija minimalizirani.

Laserske diode lahko modulirajo z izjemnimi hitrostmi. Sodobni sistemi uporabljajo neposredno modulacijo do 25 Gbps, kjer se sam laser vklopi in izklopi milijarde krat na sekundo. Nad 25 Gbps sistemi preklopijo na zunanjo modulacijo-laser deluje neprekinjeno, medtem ko je ločen modulator

(običajno temelji na elektro{0}}optičnih učinkih) spreminja amplitudo, fazo ali oboje svetlobe.

Koherentni prenosni sistemi modulirajo amplitudo in fazo z uporabo tehnik, kot sta 16-QAM (kvadraturna amplitudna modulacija) ali 64-QAM. To jim omogoča kodiranje 4 ali 6 bitov na simbol namesto samo 1 bita. Dodajte polarizacijsko-deljeno multipleksiranje – pošiljanje dveh neodvisnih podatkovnih tokov na pravokotni svetlobni polarizaciji – in znova boste podvojili zmogljivost. Rezultat: spektralna učinkovitost se približuje 10 bitom na sekundo na herc pasovne širine.

Kodiranje poteka v nanosekundah. Dohodni električni signal pri 100 Gbps pomeni, da mora modulator spremeniti stanje vsakih 10 pikosekund (10^-11 sekund). Pri teh hitrostih elektronske komponente dosežejo svoje fizične meje. Zato sistemi 400G in 800G vse pogosteje uporabljajo koherentno zaznavanje s čipi za digitalno obdelavo signalov (DSP), ki izvajajo izračune v realnem času za dekodiranje signala.

 

Kaj se zgodi znotraj vlaken

 

Svetloba ne potuje v ravni črti skozi vlakna. Pri več-načinovnem vlaknu se odbije tisočkrat na meter ali sledi skoraj-ravni poti pri eno-načinovnem vlaknu. Kakor koli že, trije pojavi poskušajo uničiti vaš signal.

Slabljenjenastane zaradi absorpcije in sipanja. Čisto kremenčevo steklo absorbira svetlobo, ker noben material ni popolnoma prozoren. Proizvodnja uvaja sledove nečistoč (še posebej problematični so hidroksilni ioni). Mikroskopske spremembe gostote v steklu razpršijo svetlobo (Rayleighovo sipanje). Sodobna vlakna dosegajo slabljenje le 0,15 dB/km pri 1550 nm, kar pomeni, da imate po 60 kilometrih še vedno 25 % prvotne optične moči.

Kromatična disperzijase zgodi, ker se lomni količnik rahlo spreminja z valovno dolžino. Laser nikoli ne oddaja popolnoma monokromatske svetlobe-vedno obstaja nekaj spektralne širine. Komponente različnih valovnih dolžin potujejo skozi steklo z nekoliko različnimi hitrostmi. Na velike razdalje to razširi vsak svetlobni impulz, kar povzroči prekrivanje sosednjih impulzov. Pri 1310 nm je kromatska disperzija za standardna vlakna blizu ničle. Pri 1550 nm je približno 17 ps/(nm·km), vendar lahko disperzijsko-kompenzacijsko vlakno temu prepreči.

Disperzija polarizacijskega načina (PMD)vpliva celo na eno-optično vlakno. Popolno valjasto vlakno bi ohranilo polarizacijo, vendar zaradi mikroskopskih nepopolnosti in napetosti vlakno rahlo dvolomno. Svetloba v različnih polarizacijskih stanjih potuje z različnimi hitrostmi in prispe ob različnih časih. PMD je naključna in se spreminja s temperaturo in mehanskimi obremenitvami, zaradi česar jo je težje kompenzirati kot kromatsko disperzijo.

Visok{0}}zmogljivi sistemi se soočajo z dodatnim izzivom:nelinearni učinki. Pri optičnih močeh nad približno 1 milivatom se lomni količnik stekla začne spreminjati z intenzivnostjo. To povzroča štiri-mešanje valov, samo-fazno modulacijo in navzkrižno-fazno modulacijo-pojave, kjer kanali različnih valovnih dolžin motijo ​​drug drugega. Inženirji to obvladajo tako, da vzdržujejo nizko-moč na kanal in ustrezno razmaknejo kanale med valovnimi dolžinami.

 

Ponovno spreminjanje svetlobe v podatke

 

Fotodetektor na sprejemnem koncu pretvori fotone nazaj v elektrone. Večina sistemov uporablja PIN (pozitivne-intrinzične-negativne) fotodiode ali APD (lavinske fotodiode). Ko foton zadene fotodiodo, vzbudi elektron in ustvari tok, ki je sorazmeren z optično močjo.

PIN fotodiode so enostavnejše in bolj linearne, vendar zahtevajo močnejše signale. APD-ji zagotavljajo notranje ojačenje (kot fotopomnoževalna cev) s pomočjo lavinskega pomnoževanja-en foton lahko ustvari na desetine elektronov. Zaradi tega so APD-ji 10-20-krat bolj občutljivi od fotodiod PIN, kar je ključnega pomena za sisteme na dolge razdalje, kjer je moč signala šibka.

Vendar fotodetekcija povzroča šum. Toplotni šum iz elektronike ojačevalnika dodaja naključna tokovna nihanja. Strelni šum izhaja iz kvantne narave same svetlobe-fotoni prihajajo naključno, ne v popolnoma pravilnih tokovih, kar povzroča statistične razlike v fototoku. In v APD-jih lavinski proces doda odvečni šum.

Sprejemnik se mora odločiti, ali vsak simbol predstavlja 0 ali 1 (ali za več-nivojsko modulacijo katero od več možnih vrednosti). Ta odločilni prag postane kritičen, ko šum in poslabšanje signala zabrišeta razliko. Napredni sprejemniki uporabljajo odpravljanje napak naprej (FEC)-in dodajajo redundanco poslanim podatkom, kar omogoča sprejemniku zaznavanje in popravljanje bitnih napak brez ponovnega prenosa.

Sodobni sistemi 100G in 400G uporabljajo koherentne sprejemnike z laserjem lokalnega oscilatorja. Z mešanjem vhodnega optičnega signala s tem lokalnim oscilatorjem lahko zaznajo ne samo intenziteto, temveč tudi fazo in polarizacijo. To obnovi vse informacije, kodirane s koherentnimi oddajniki, in omogoči sofisticirane tehnike DSP, ki v realnem-času kompenzirajo okvare vlaken.

Celoten cikel odda-sprejemanja uvede zakasnitev. Pri eno-optičnih vlaknih svetloba potuje s približno 200.000 km/s (ob upoštevanju lomnega količnika stekla). New York–London prek čezatlantskega kabla (približno 5500 km) pomeni približno 28 milisekund zakasnitve pri širjenju. Dodajte obdelavo oddajnika-sprejemnika, preklapljanje in stroške protokola in dobite skupno 60-70 milisekund – še vedno impresivno hitro.

 

Multipleksiranje-valovne dolžine: skaliranje optičnega prenosa podatkov

 

Sistemi z eno valovno dolžino dosegajo največ okoli 400 Gbps na vlakno s trenutno tehnologijo. Multipleksiranje z-deljenjem valov (WDM) preseže to mejo s pošiljanjem več valovnih dolžin hkrati skozi eno vlakno. Vsaka valovna dolžina prenaša neodvisen tok podatkov.

Sistemi DWDM (gosti WDM) združujejo valovne dolžine na tesno, običajno na razdalji 50 GHz ali 100 GHz v pasu C- (1530–1565 nm). Sodobni sistemi uporabljajo od 80 do 96 kanalov, od katerih vsak prenaša 100-400 Gbps, za skupno zmogljivost vlaken 8-38 terabitov na sekundo. To je dovolj za prenos celotne knjižnice Netflix v približno 20 sekundah.

Vsaka valovna dolžina zahteva svoj laser, natančno uglašen in temperaturno-stabiliziran. Tudi majhni odmiki valovnih dolžin povzročijo prekrivanje kanalov. Optični multiplekserji združijo te valovne dolžine v eno vlakno, demultiplekserji pa jih ločijo na sprejemnem koncu. Te naprave uporabljajo interferenčne filtre, uklonske rešetke ali razporejene valovodne rešetke za razlikovanje valovnih dolžin, ki jih loči samo 0,4 nanometra.

Optični ojačevalniki z-erbijem (EDFA) ojačajo vse kanale WDM hkrati. Pri črpanju z laserjem 980 nm ali 1480 nm erbijevi ioni v jedru vlakna delujejo kot ojačitveni medij in ojačajo signale v območju 1530-1565 nm. EDFA omogočajo popolnoma optično ojačanje brez pretvarjanja v elektroniko, kar omogoča, da podmorski kabli z ojačevalniki vsakih 40–80 kilometrov prečkajo oceane.

Praktični sistemi WDM se soočajo z inženirskimi izzivi. Lestvica nelinearnih učinkov s številom kanalov in skupno močjo. Preslušavanje kanala se kopiči na velikih razdaljah. In upravljanje 96 natančno-nastavljenih laserjev pri temperaturnih nihanjih in staranju zahteva prefinjene nadzorne sisteme. Toda zaradi povečanja pasovne širine se splača-podvodni kabli, nameščeni leta 2024, potisnejo 24 terabitov na par vlaken.

 

Kjer optični prenos odpove

 

Kontaminacija uniči optične signale.Prstni odtis na optičnem konektorju lahko povzroči 1-2 dB vnesene izgube-pri 1550 nm, s čimer izgubite 20–37 % signala samo zaradi kožnega olja. Prašni delci razpršijo svetlobo. Za pravilno čiščenje so potrebni izopropilni alkohol in robčki, ki ne puščajo vlaken, ter pregled z mikroskopom (400-kratna povečava razkrije površinske napake). Podatkovni centri poročajo, da je 80 % težav s povezavo posledica umazanih priključkov.

Telesne poškodbezgodi lažje, kot bi pričakovali. Kritični radij upogiba vlaken je običajno 30 mm za namestitev in 15 mm za dolgoročno-delovanje. Tesnejši zavoji povzročijo izgubo zaradi mikroupogibanja-svetloba "pušča" na zavoju. Do makroupogibanja pride, ko se vlakna pretesno ovijejo okoli kabelskih kolutov. In glodalci radi grizljajo kable iz vlaken (očitno so močni člani dobrega okusa). Oklepni kabel pomaga, vendar poveča stroške.

Napake priključkauvrstitev med najvišje izdaje na tem področju. Mehansko spajanje nepravilno poravna jedra vlaken. Slabo fuzijsko spajanje pušča zračne reže ali kontaminacijo. Tudi dobri konektorji imajo 0,2-0,5 dB vstavljene izgube na par. V povezavi z 10 konektorji izgubite 2-5 dB, preden upoštevate slabljenje vlaken. Vnaprej zaključeni kabli to zmanjšajo, vendar zmanjšajo fleksibilnost.

Okoljski dejavnikinapetostni optični sistemi. Temperaturna nihanja spremenijo dolžino vlaken (koeficient toplotnega raztezanja je približno 0,5 ppm/stopinjo), kar povzroči odmik valovne dolžine v sistemih WDM. Vlaga ne vpliva neposredno na steklo, ampak razjeda priključke in razdelilne omarice. Vibracije v industrijskih okoljih lahko povzročijo ohlapnost konektorjev. In elektromagnetni impulzi zaradi strele ali električnih napak ne poškodujejo neposredno vlaken, lahko pa uničijo oddajnike.

Združljivost oddajnikovfrustrira omrežne inženirje. Modul SFP+ proizvajalca A morda ne bo deloval v stikalu prodajalca B, tudi če oba trdita, da sta skladna s standardi. Formati podatkov digitalnega optičnega nadzora (DOM) se razlikujejo. Proračuni moči se ne ujemajo vedno. In uporaba sprejemno-sprejemne-oddajno-sprejemne enote za dolge razdalje (zasnovane za 40 km) v aplikacijah za-kratke razdalje (300 m) lahko preobremeni sprejemnik, kar zahteva optične dušilce.

Meritev stopnje bitnih napak (BER) kvantificira te napake. "Čista" optična povezava doseže BER pod 10^-12 (manj kot ena napaka na bilijon bitov). S kontaminacijo ali poškodbo se to zniža na 10^-6 ali še slabše, kjer FEC ne more slediti. Na tej točki postane izguba paketa vidna – pretakanje videoposnetkov jeclja, prenosi ne uspejo, časovna omejitev omrežnih aplikacij.

 

Realnost stroškov in uvajanja

 

Več{0}}modna vlakna stanejo 0,50 $-2 na meter, enomodna okoli 0,30–1 $ na meter. Sama vlakna so poceni. Prevladujejo stroški namestitve: kopanje jarkov za podzemni kabel znaša 50–200 USD na meter, odvisno od terena. Namestitev iz zraka na obstoječih stebrih to zniža na 10–30 USD na meter, vendar se sooča z dovoljenimi izzivi in ​​ranljivostjo zaradi neviht.

Sprejemno-sprejemniki se gibljejo od 20 USD za module 1G SFP do 500 USD za 10G SFP+, 2000 USD za 100G QSFP28 in 8000 USD za 400G QSFP-DD. Koherentni sprejemniki-na dolge razdalje za 100 km+ povezave stanejo 15.000–30.000 USD. Te cene sčasoma padajo, vendar še vedno prevladujejo v ekonomiji povezav podatkovnih centrov in omrežij podzemne železnice.

Podmorski kabli predstavljajo skrajni konec naložb v optični prenos. Čezatlantski kabel stane 300–500 milijonov dolarjev, namestitev pa traja dve leti. Vendar zagotavlja 10–50 let storitev s prenosom terabitov na sekundo, zaradi česar ekonomija deluje za glavne ponudnike hrbteničnih internetnih storitev. Najnovejši kabli, kot je Grace Hopper (2024), se raztezajo na 4100 milj s 17 pari vlaken, od katerih vsak prenaša 24 terabitov na sekundo.

Stroški vzdrževanja se zelo razlikujejo. Podatkovni centri z nadzorovanimi okolji imajo le malo težav, ko so kabli pravilno nameščeni. Zunanja naprava zahteva stalno vzdrževanje: voda v spojnih zapiralih, rezi vlaken v konstrukciji, korozija konektorjev, okvara kabla zaradi obremenitve z ledom. Telekomunikacijski ponudniki letno namenijo 2-5 % kapitalskih izdatkov za vzdrževanje.

Skupni stroški lastništva dajejo prednost optičnim vlaknom za razdalje nad 100 metrov. Pod tem baker dobro deluje pri hitrostih 1-10G. Nad 10G postanejo vlakna obvezna tudi za kratke vožnje. Točka prehoda se nenehno premika, saj stroški oddajnika padajo, baker pa se bori z višjimi hitrostmi.

 

 

Optični-prosti prostor proti optičnim vlaknom

 

Vsak optični prenos ne uporablja vlaken. Optični-sistemi v prostem vesolju (FSO) oddajajo laserske žarke skozi zrak ali vesolje in dosegajo 10 Gbps v 1–2 kilometrih v mestnih okoljih ali do 40 Gbps med sateliti v nizki zemeljski orbiti.

FSO se izogne ​​stroškom namestitve optičnih vlaken, pritegne začasne povezave ali lokacije, kjer kopanje jarkov ni mogoče. Povezave med--gradnjami čez ulice ali parkirišča dobro delujejo. Toda FSO se sooča z izzivi, ki jih vlakna nimajo: megla lahko poveča dušenje za 100 dB na kilometer (vlakna: 0,2 dB/km), dež za 10 dB/km in scintilacija (atmosferska turbulenca) povzroči naključno bledenje signala.

Kazanje in sledenje postane kritično. 1-miliradianski žarek, razporejen na 1 kilometer, ustvari 1-metrsko točko. Nihanje zgradbe zaradi vetra ali toplotnega raztezanja lahko povezavo popolnoma zamakne. Sistemi aktivnega sledenja kompenzirajo, vendar dodajo kompleksnost. In fizične ovire - ptice, žuželke, konstrukcije - lahko začasno blokirajo žarek.

Satelitske optične povezave potiskajo FSO do skrajnosti. Konstelacija SpaceX Starlink uporablja laserske navzkrižne povezave med sateliti in dosega 100 Gbps na razdaljah do 5000 kilometrov skozi vakuum. Brez atmosferskega dušenja, vendar natančno usmerjanje na tisoče kilometrov zahteva prefinjene algoritme. Dopplerjev premik od relativnega gibanja je treba kompenzirati. In vesoljski odpadki predstavljajo stalno grožnjo.

FSO bolj dopolnjuje kot nadomešča vlakna. Optična vlakna zagotavljajo visoko-zanesljivo hrbtenico, medtem ko FSO obravnava robne primere, kjer so optična vlakna nepraktična. Hibridni sistemi uporabljajo tako-optična vlakna kot primarno pot, FSO kot samodejni preklop ali povečanje zmogljivosti.

 

Nastajajoče tehnologije in prihodnje smeri

 

Vlakna z votlim-jedrom vodijo svetlobo skozi zrak znotraj fotonske kristalne strukture namesto trdnega stekla. To zmanjša zakasnitev (svetloba potuje s skoraj 300.000 km/s v zraku v primerjavi z 200.000 km/s v steklu) in odpravi nelinearne učinke. Podjetja za finančno trgovanje plačujejo premije za vsako prihranjeno mikrosekundo, zaradi česar so votla-jedrna vlakna ekonomsko upravičena za določene poti. Tehnični izzivi ostajajo-višji proizvodni stroški, večja krhkost in večja občutljivost na upogibanje.

Prostor{0}}multipleksiranje (SDM) uporablja več{1}}jedrna ali nekaj-načinska vlakna za povečanje zmogljivosti. Sed-jedrno vlakno vam dejansko daje sedem neodvisnih vlaken v enem kablu. Predstavitveni sistemi so dosegli več kot 100 Tbps z uporabo SDM v kombinaciji z WDM. Toda spajanje načinov med jedri povzroča preslušavanje in spajanje postane eksponentno težje. Komercialna uvedba je oddaljena 5–10 let.

Multipleksiranje orbitalnega kotnega momenta (OAM) zasuka svetlobo v spiralne valovne fronte, kar ustvari še eno dimenzijo multipleksiranja. Laboratorijske demonstracije kažejo povečanje zmogljivosti, vendar se praktična izvedba sooča z resnimi izzivi. Načini OAM zahtevajo prosti-prostor ali specializirana vlakna, imajo velike izgube in so izjemno občutljivi na motnje. Večina raziskovalcev zdaj vidi OAM kot dopolnilo obstoječim tehnikam in ne kot revolucionarno.

Kvantna komunikacija prek vlaken omogoča teoretično nezlomljivo šifriranje s kvantno distribucijo ključev (QKD). Fotoni kodirajo kvantna stanja, ki jih ni mogoče izmeriti, ne da bi jih motili in razkrili poskuse prisluškovanja. Kitajska je leta 2017 postavila 2000-kilometrsko omrežje QKD. Toda sistemi QKD so dragi, zapleteni in neposredno ne povečajo podatkovne zmogljivosti-, temveč zavarujejo kanal, ne pa ga širijo. Praktični QKD ostaja omejen na aplikacije z visoko stopnjo varnosti.

Silicijeva fotonika integrira optične komponente na silicijeve čipe s pomočjo izdelave CMOS. To obljublja veliko znižanje stroškov za oddajnike, stikala in multiplekserje. Intel, Cisco in drugi so leta 2024 poslali silicijeve fotonske izdelke. Toda silicij absorbira svetlobo na običajnih telekomunikacijskih valovnih dolžinah, kar zahteva hibridno integracijo z materiali III-V za laserje. Tehnologija se nenehno izboljšuje, vendar še ni dosegla obljubljenega--zmanjšanja stroškov v obsegu.

 

Pogosto zastavljena vprašanja

 

Kakšna je dejanska hitrost prenosa podatkov po optičnih vlaknih?

Fizična hitrost širjenja svetlobe skozi steklena vlakna je približno 200.000 kilometrov na sekundo-približno 67 % svetlobne hitrosti v vakuumu, ki jo upočasnjuje lomni količnik stekla 1,5. Za zmogljivost prenosa podatkov sodobni sistemi z eno-valovno dolžino dosegajo 100–400 Gbps, medtem ko sistemi WDM, ki prenašajo več valovnih dolžin hkrati, dosegajo 8–38 terabitov na sekundo na vlakno. Zakasnitev na tipičnih razdaljah je približno 5 mikrosekund na kilometer.

Ali lahko optična vlakna prenašajo moč skupaj s podatki?

Standardna optična vlakna prenašajo samo svetlobne signale in ne morejo prenašati električne energije. Vendar pa hibridni kabli združujejo optična vlakna z bakrenimi vodniki za zagotavljanje podatkov in energije-, kar je običajno v industrijskih aplikacijah in telekomunikacijski opremi. Nekatere raziskave raziskujejo kodiranje prenosa moči v optičnih signalih, vendar praktične ravni moči ostajajo nezadostne za večino aplikacij, omejene z učinkovitostjo fotoelektrične pretvorbe in pragovi poškodb vlaken.

Zakaj optični sistemi še vedno potrebujejo ojačevalnike, če so izgube vlaken tako majhne?

Celo pri slabljenju le 0,2 dB na kilometer signali znatno oslabijo na velikih razdaljah. Po 100 kilometrih moč signala pade na 1/100.000 prvotne moči. Fotodetektorji zahtevajo minimalne ravni moči, da ohranijo sprejemljive stopnje bitnih napak. Ojačevalniki (običajno EDFA vsakih 40-80 km v sistemih za dolge razdalje) obnovijo moč signala brez pretvarjanja v elektroniko, kar omogoča čezoceanske kable, ki segajo na tisoče kilometrov.

Kaj določa, ali uporabiti eno-modno ali več-modno vlakno?

Zahteve glede razdalje in pasovne širine vodijo izbiro. Več-načinsko vlakno (jedro 50-62,5 mikronov) dobro deluje na razdaljah pod 550 metrov pri 10 Gb/s, uporablja cenejše sprejemnike in sprejemnike LED ter jih je lažje spajati in povezovati. Enomodovna vlakna (jedro 8–10 mikronov) so potrebna za razdalje nad 550 metrov in hitrosti prenosa podatkov nad 10 Gbps, zahtevajo dražje laserske sprejemnike in sprejemnike ter natančno poravnavo, vendar podpirajo praktično neomejeno razdaljo z ojačanjem.

Kako vreme vpliva na vkopane ali zračne kable iz optičnih vlaken?

Na steklena vlakna sama ne vplivajo vreme-so odporna na elektromagnetne motnje, temperaturna nihanja in vlago. Vendar lahko mehanske obremenitve zaradi obremenitve z ledom, cikli toplotnega raztezanja/krčenja in poplave poškodujejo kable. Zračni kabli se soočajo z večjo stopnjo napak zaradi neviht in padajočih vej. Podzemni kabli so bolj zaščiteni, vendar občutljivi na premikanje tal in vdor vlage v spojke. Ustrezna zasnova kabla in namestitev zmanjšata ta tveganja.

Ali je mogoče optične kable prisluškovati ali prestreči kot bakrene kable?

Prestrezanje vlaken zahteva fizični dostop in specializirano opremo. Za razliko od bakrenih kablov, ki oddajajo elektromagnetne signale, ki jih je mogoče zajeti na daljavo, vlakna omejijo svetlobo znotraj jedra s popolnim notranjim odbojem. Prisluškovanje zahteva bodisi zlom vlakna (povzroči očitno izgubo signala) ali pa ga močno upogne, da uhaja svetloba (zaznavno z nadzorom moči). Kvantni sistemi za distribucijo ključev lahko zaznajo celo ne-invazivne poskuse prisluškovanja, zaradi česar so vlakna sama po sebi varnejša od električnega prenosa.

Kaj povzroča uporabo različnih valovnih dolžin (850 nm, 1310 nm, 1550 nm)?

Različne valovne dolžine uravnotežijo več dejavnikov. 850nm dobro deluje s poceni več-načinovnimi vlakni in laserji VCSEL za kratke razdalje, vendar je absorpcija stekla višja. 1310nm doseže točko "ničelne disperzije" v standardnem eno-načinovnem vlaknu, kjer je kromatska disperzija čim manjša, primerna za metro omrežja. 1550nm ima najnižjo dušenje (0,15-0,2 dB/km) in deluje z ojačevalniki-dopiranimi z erbijem, zaradi česar je optimalen za prenos na dolge razdalje. Izbira je odvisna od zahtev glede razdalje, vrste vlaken in potreb po ojačanju.

Kako optični konektorji dosežejo nizke izgube, čeprav jih je mogoče odklopiti?

Natančne obrobe (keramične ali kovinske) držijo konec vlakna, polirane do pod-mikronske ravnosti in poravnane na 1–2 mikrona. Objemki se fizično dotaknejo, ko so združeni, s pritiskom vzmeti, ki ohranja poravnavo. Kljub temu je tipična izguba priključka 0,2–0,5 dB na parjenje (približno 5–11 % izgube moči). Manjša izguba zahteva fuzijsko spajanje, ki trajno združi vlakna tako, da jih stopi skupaj, pri čemer doseže izgubo 0,01–0,1 dB, vendar odpravi možnost odklopa.

 

Bottom Line

 

Optični prenos podatkov deluje, ker popolni notranji odboj ujame svetlobo v steklo, ki je tanjše od lasu, sodobna elektronika pa lahko to svetlobo modulira milijardekrat na sekundo. Fizika je enostavna{1}}svetloba, ki se odbija skozi steklo-, vendar je za njeno implementacijo s hitrostjo terabit-na-sekundo čez ocean-razdalje, ki obsega razdalje, potreben izreden inženiring.

Tehnologija ni popolna. Kontaminacija, fizične poškodbe in združljivost komponent povzročajo dejanske-napake. Če pa so pravilno nameščena in vzdrževana, optična vlakna zagotavljajo neprimerljivo pasovno širino, zmogljivost razdalje in odpornost na motnje. Zato skoraj vsaka internetna povezava zunaj vaše hiše, vsaka medsebojna povezava podatkovnega centra in vsaka čezoceanska povezava poteka po optičnih vlaknih.

Naslednje desetletje prinaša postopne izboljšave in ne revolucionarnih sprememb. Zmogljivost se bo povečala z gostejšim WDM in potencialno SDM. Silicijeva fotonika lahko zmanjša stroške oddajnikov. Vendar bo optični prenos podatkov-modulirana svetloba, ki se širi skozi steklo s popolnim notranjim odbojem-ostala hrbtenica globalnih komunikacij. Fizika deluje preveč dobro, da bi jo zamenjala.