W czasopiśmie Nature Photonics opublikowano opis nowej technologii przesyłania danych światłowodem z prędkością do 26 Tbit/s zamiast dotychczasowego maksimum 1,6 Tbit/s.
Grupa niemieckich inżynierów pod przewodnictwem profesora Wolfganga Freude z Uniwersytetu w Karlsruhe zastosowała technikę OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), która jest szeroko stosowana w komunikacji bezprzewodowej (802.11 i LTE), telewizji cyfrowej (DVB-T) i ADSL, do światłowód..
Trudniej jest zastosować OFDM w światłowodzie, ponieważ tutaj trzeba podzielić strumień świetlny na podnośne. Wcześniej jedynym sposobem na osiągnięcie tego było użycie oddzielnego lasera dla każdej podnośnej.
Porównanie różnych typów multipleksowania
Do nadawania na każdej częstotliwości wykorzystywany jest oddzielny laser i oddzielny odbiornik, dzięki czemu setki laserów mogą jednocześnie transmitować sygnał w jednym kanale światłowodowym. Według profesora Freude'a całkowita pojemność kanału jest ograniczona jedynie liczbą laserów. „Przeprowadzono już eksperyment i wykazano prędkość 100 terabitów/s” – powiedział w wywiadzie dla BBC. Ale do tego musieliśmy użyć około 500 laserów, co samo w sobie jest bardzo drogie.
Freude i jego współpracownicy opracowali technologię przesyłania ponad 300 podnośnych o różnych kolorach przez światłowód za pomocą pojedynczego lasera działającego w krótkich impulsach. W grę wchodzi tu interesujące zjawisko zwane optycznym czesaniem częstotliwości. Każdy mały impuls jest „rozmazany” na częstotliwościach i w czasie, dzięki czemu odbiornik sygnału przy pomocy dobrego taktowania może teoretycznie przetworzyć każdą częstotliwość osobno.
Po kilku latach pracy niemieckim badaczom w końcu udało się znaleźć właściwy moment, wybrać odpowiednie materiały i praktycznie przetworzyć każdą podnośną za pomocą szybkiej transformaty Fouriera (FFT). Transformata Fouriera to operacja, która wiąże funkcję zmiennej rzeczywistej z inną funkcją zmiennej rzeczywistej. Ta nowa funkcja opisuje współczynniki przy rozkładzie pierwotnej funkcji na składowe elementarne - drgania harmoniczne o różnych częstotliwościach.
FFT idealnie nadaje się do rozkładania światła na podnośne. Okazało się, że z typowego impulsu można wydobyć łącznie około 350 kolorów (częstotliwości), a każdy z nich wykorzystywany jest jako osobna podnośna, jak w tradycyjnej technice OFDM. W zeszłym roku Freude i jego koledzy przeprowadzili eksperyment i pokazali w praktyce prędkość 10,8 terabita/s, a teraz jeszcze bardziej poprawili dokładność rozpoznawania częstotliwości.
Według Freude'a opracowana przez niego technologia pomiaru czasu i FFT mogłaby zostać zaimplementowana na chipie i znaleźć zastosowanie komercyjne.
Optyka otwiera ogromne możliwości tam, gdzie wymagana jest szybka komunikacja z dużą przepustowością. To sprawdzona, zrozumiała i wygodna technologia. W obszarze audiowizualnym otwiera nowe perspektywy i dostarcza rozwiązań niedostępnych innymi metodami. Optyka przeniknęła do wszystkich kluczowych obszarów – systemów nadzoru, sterowni i centrów sytuacyjnych, obiektów wojskowych i medycznych oraz obszarów o ekstremalnych warunkach pracy. Linie światłowodowe zapewniają wysoki stopień ochrony poufnych informacji i umożliwiają przesyłanie nieskompresowanych danych, takich jak grafika i wideo o wysokiej rozdzielczości, z dokładnością do jednego piksela. Nowe standardy i technologie światłowodowych linii komunikacyjnych. Czy światłowód jest przyszłością SCS (systemów okablowania strukturalnego)? Budujemy sieć korporacyjną.
Kabel światłowodowy (inaczej światłowód).- jest to zasadniczo inny typ kabla w porównaniu z dwoma rozważanymi typami kabli elektrycznych lub miedzianych. Informacje na ten temat przekazywane są nie za pomocą sygnału elektrycznego, ale świetlnego. Jego głównym elementem jest przezroczyste włókno szklane, przez które światło przemieszcza się na ogromne odległości (nawet do kilkudziesięciu kilometrów) przy niewielkim tłumieniu.
Kabel światłowodowy ma wyjątkową wydajność w sprawie odporności na zakłócenia i tajności przekazywanych informacji. W zasadzie żadne zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne nie są w stanie zniekształcić sygnału świetlnego, a sam sygnał nie generuje zewnętrznego promieniowania elektromagnetycznego. Podłączenie do tego typu kabla w celu nieuprawnionego podsłuchiwania sieci jest prawie niemożliwe, ponieważ zagroziłoby to integralności kabla. Teoretycznie możliwa szerokość pasma takiego kabla sięga 1012 Hz, czyli 1000 GHz, czyli jest nieporównywalnie wyższa niż w przypadku kabli elektrycznych. Koszt kabla światłowodowego stale spada i obecnie jest w przybliżeniu taki sam jak koszt cienkiego kabla koncentrycznego.
Typowe tłumienie sygnału w kablach światłowodowych przy częstotliwościach stosowanych w sieciach lokalnych waha się od 5 do 20 dB/km, co w przybliżeniu odpowiada właściwościom kabli elektrycznych przy niskich częstotliwościach. Jednak w przypadku kabla światłowodowego wraz ze wzrostem częstotliwości przesyłanego sygnału tłumienie wzrasta bardzo nieznacznie, a przy wysokich częstotliwościach (zwłaszcza powyżej 200 MHz) jego przewaga nad kablem elektrycznym jest niezaprzeczalna; po prostu nie ma on konkurentów.
Zalety optyki są powszechnie znane: odporność na szumy i zakłócenia, kable o małej średnicy i dużej przepustowości, odporność na włamania i przechwytywanie informacji, brak konieczności stosowania wzmacniaczy i wzmacniaczy itp.
Kiedyś pojawiały się problemy z zakańczaniem linii optycznych, ale dziś zostały one w dużej mierze rozwiązane, dzięki czemu praca z tą technologią stała się znacznie łatwiejsza. Istnieje jednak szereg kwestii, które należy rozpatrywać wyłącznie w kontekście obszarów zastosowań. Podobnie jak w przypadku transmisji miedzianej lub radiowej, jakość komunikacji światłowodowej zależy od dopasowania sygnału wyjściowego nadajnika do stopnia wejściowego odbiornika. Nieprawidłowa specyfikacja mocy sygnału powoduje zwiększoną liczbę błędów bitowych transmisji; za dużo mocy i wzmacniacz odbiornika się „przesyca”, za mało i pojawia się problem z szumami, bo zaczyna zakłócać sygnał użyteczny. Oto dwa najważniejsze parametry linii światłowodowej: moc wyjściowa nadajnika oraz straty transmisyjne – tłumienie w kablu optycznym łączącym nadajnik i odbiornik.
* kabel wielomodowy lub wielomodowy, tańszy, ale gorszej jakości;
* kabel jednomodowy, droższy, ale ma lepsze parametry w porównaniu do pierwszego.
Typ kabla określi liczbę trybów propagacji, czyli „ścieżek”, którymi światło przemieszcza się w kablu.
Kabel wielomodowy, najczęściej stosowany w małych projektach przemysłowych, mieszkaniowych i komercyjnych, ma najwyższy współczynnik tłumienia i działa tylko na krótkich dystansach. Starszy typ kabla, 62,5/125 (te liczby charakteryzują średnicę wewnętrzną/zewnętrzną światłowodu w mikronach), często nazywany „OM1”, ma ograniczoną przepustowość i służy do przesyłania danych z szybkością do 200 Mbps.
Niedawno wprowadzone zostały kable 50/125 „OM2” i „OM3”, oferujące prędkości 1 Gbit/s na dystansie do 500 m i 10 Gbit/s na dystansie do 300 m.
Kabel jednomodowy stosowany w połączeniach szybkich (powyżej 10 Gbit/s) lub na duże odległości (do 30 km). Do transmisji audio i wideo najwłaściwsze jest użycie kabli „OM2”.
Rainer Steil, wiceprezes ds. marketingu w Extron Europe, zauważa, że linie światłowodowe stały się tańsze i coraz częściej są wykorzystywane do tworzenia sieci wewnątrz budynków, co prowadzi do wzrostu wykorzystania systemów AV opartych na technologiach optycznych. Steil mówi: „Jeśli chodzi o integrację, linie światłowodowe oferują już dziś kilka kluczowych zalet.
W porównaniu z podobną infrastrukturą miedzianą, optyka umożliwia jednoczesne wykorzystanie zarówno analogowych, jak i cyfrowych sygnałów wideo, zapewniając jedno rozwiązanie systemowe do pracy z istniejącymi i przyszłymi formatami wideo.
Ponadto, ponieważ Optyka oferuje bardzo wysoką przepustowość, ten sam kabel będzie w przyszłości współpracował z wyższymi rozdzielczościami. FOCL z łatwością dostosowuje się do nowych standardów i formatów pojawiających się w procesie rozwoju technologii AV.”
Innym uznanym ekspertem w tej dziedzinie jest Jim Hayes, prezes Fibre Optic Association of America, założonego w 1995 roku i promującego profesjonalizm w dziedzinie światłowodów, zatrudniającego ponad 27 000 wykwalifikowanych specjalistów w dziedzinie instalacji optycznych. O rosnącej popularności łączy światłowodowych tak mówi: „Zaletą jest szybkość montażu i niski koszt komponentów. Rośnie zastosowanie optyki w telekomunikacji, szczególnie w systemach Fiber-To-The-Home* (FTTH). funkcja bezprzewodowa włączona, I w zakresie bezpieczeństwa (kamery monitoringu).
Segment FTTH wydaje się rosnąć szybciej niż inne rynki we wszystkich krajach rozwiniętych. Tutaj, w USA, na światłowodzie budowane są sieci kontroli ruchu, służb komunalnych (administracja, straż pożarna, policja) i instytucji edukacyjnych (szkoły, biblioteki).
Rośnie liczba użytkowników Internetu – a my szybko budujemy nowe centra przetwarzania danych (DPC), do połączenia których wykorzystuje się światłowód. Rzeczywiście, przy transmisji sygnału z szybkością 10 Gbit/s koszty są porównywalne z liniami „miedzianymi”, jednak optyka zużywa znacznie mniej energii. Od wielu lat zwolennicy światłowodów i miedzi walczą między sobą o pierwszeństwo w sieciach korporacyjnych. Strata czasu!
Obecnie łączność Wi-Fi stała się tak dobra, że użytkownicy netbooków, laptopów i iPhone'ów preferują mobilność. Obecnie w korporacyjnych sieciach lokalnych do przełączania z bezprzewodowymi punktami dostępowymi wykorzystuje się optykę.
Rzeczywiście, liczba zastosowań optyki rośnie, głównie ze względu na wyżej wymienione zalety w stosunku do miedzi.
Optyka przeniknęła do wszystkich kluczowych obszarów – systemów nadzoru, sterowni i centrów sytuacyjnych, obiektów wojskowych i medycznych oraz obszarów o ekstremalnych warunkach pracy. Obniżone koszty sprzętu umożliwiły zastosowanie technologii optycznej w obszarach tradycyjnie opartych na miedzi – salach konferencyjnych i stadionach, centrach handlowych i komunikacyjnych.
Rainer Steil z Extron komentuje: „Sprzęt światłowodowy jest szeroko stosowany w placówkach opieki zdrowotnej, na przykład do przełączania lokalnych sygnałów wideo na salach operacyjnych. Sygnały optyczne nie mają nic wspólnego z energią elektryczną, co jest idealne dla bezpieczeństwa pacjenta. FOCL doskonale sprawdzają się także w szkołach medycznych, gdzie konieczne jest rozprowadzenie sygnału wideo z kilku sal operacyjnych do kilku sal lekcyjnych, aby studenci mogli obserwować przebieg operacji „na żywo”.
Technologie światłowodowe preferowane są także przez wojsko, gdyż przesyłane dane są trudne lub wręcz niemożliwe do „odczytania” z zewnątrz.
Linie światłowodowe zapewniają wysoki stopień ochrony poufnych informacji i umożliwiają przesyłanie nieskompresowanych danych, takich jak grafika i wideo o wysokiej rozdzielczości, z dokładnością do jednego piksela.
Możliwość transmisji na duże odległości sprawia, że optyka idealnie nadaje się do systemów Digital Signage w dużych centrach handlowych, gdzie długość linii kablowych może sięgać kilku kilometrów. Jeśli dla skrętki odległość jest ograniczona do 450 metrów, to dla optyki 30 km nie jest limitem.
Jeśli chodzi o zastosowanie światłowodów w branży audiowizualnej, postęp napędzają dwa główne czynniki. Po pierwsze, jest to intensywny rozwój systemów transmisji audio i wideo w oparciu o protokół IP, które opierają się na sieciach szerokopasmowych – łącza światłowodowe są dla nich idealnym rozwiązaniem.
Po drugie, istnieje powszechny wymóg przesyłania wideo HD i obrazów komputerowych HR na odległości większe niż 15 metrów - i taki jest limit dla transmisji HDMI po miedzi.
Zdarzają się przypadki, gdy sygnału wideo po prostu nie da się „rozprowadzić” kablem miedzianym i konieczne jest zastosowanie światłowodu – takie sytuacje stymulują rozwój nowych produktów. Byung Ho Park, wiceprezes ds. marketingu w Opticis, wyjaśnia: „Przepustowość danych UXGA 60 Hz i 24-bitowy kolor wymagają łącznej szybkości 5 Gb/s, czyli 1,65 Gb/s na kanał koloru. HDTV ma nieco niższą przepustowość. Producenci naciskają na rynek, ale rynek również naciska na graczy, aby używali obrazów o wyższej jakości. Istnieją pewne aplikacje, które wymagają wyświetlaczy zdolnych do wyświetlania 3-5 milionów pikseli lub 30-36-bitowej głębi kolorów. To z kolei będzie wymagało prędkości transmisji około 10 Gbit/s.”
Obecnie wielu producentów sprzętu przełączającego oferuje wersje przedłużaczy wideo (przedłużaczy) do pracy z liniami optycznymi. Międzynarodowy ATEN, TRENDnet, Rextron, Gefen a inni produkują różne modele dla różnych formatów wideo i komputerowych.
W tym przypadku dane serwisowe - HDCP** i EDID*** - mogą być przesyłane dodatkową linią optyczną, a w niektórych przypadkach - osobnym kablem miedzianym łączącym nadajnik i odbiornik.
Ponieważ HD stał się standardem na rynku nadawczym,„Inne rynki – na przykład rynki instalacyjne – również zaczęły stosować zabezpieczenie przed kopiowaniem treści w formatach DVI i HDMI” – mówi Jim Giachetta, starszy wiceprezes ds. inżynierii w Multidyne. „Dzięki naszemu urządzeniu HDMI-ONE użytkownicy mogą przesyłać sygnał wideo z odtwarzacza DVD lub Blu-ray do monitora lub wyświetlacza znajdującego się w odległości do 1000 metrów. „Wcześniej żadne urządzenie wielomodowe nie obsługiwało ochrony przed kopiowaniem HDCP”.
Osoby pracujące z liniami światłowodowymi nie powinny zapominać o specyficznych problemach instalacyjnych - zakańczaniu kabli. 
W związku z tym wielu producentów produkuje zarówno same złącza, jak i zestawy instalacyjne, które obejmują specjalistyczne narzędzia, a także środki chemiczne.
Tymczasem każdy element linii światłowodowej, czy to przedłużacz, wtyk, czy złączka kablowa, należy sprawdzić za pomocą miernika optycznego pod kątem tłumienia sygnału – jest to niezbędne do oceny całkowitego budżetu mocy (budżetu mocy, głównego obliczony wskaźnik linii światłowodowej). Oczywiście złącza światłowodowe można zmontować ręcznie, „na kolanach”, ale naprawdę wysoką jakość i niezawodność gwarantuje się jedynie w przypadku użycia gotowych, fabrycznie wyprodukowanych „przyciętych” kabli, które zostały poddane dokładnym, wieloetapowym testom.
Pomimo ogromnej przepustowości światłowodowych linii komunikacyjnych, wiele osób nadal pragnie „upchnąć” więcej informacji w jednym kablu.
Tutaj rozwój przebiega w dwóch kierunkach - multipleksowanie widmowe (optyczne WDM), gdy do jednego światłowodu przesyłanych jest kilka promieni świetlnych o różnych długościach fal, oraz drugi - serializacja/deserializacja danych (ang. SerDes), gdy kod równoległy jest konwertowany na serial i odwrotnie.
Jednakże sprzęt do multipleksowania widma jest kosztowny ze względu na złożoną konstrukcję i zastosowanie miniaturowych elementów optycznych, ale nie zwiększa prędkości transmisji. Szybkie urządzenia logiczne stosowane w sprzęcie SerDes również zwiększają koszt projektu.
Ponadto obecnie produkowane są urządzenia umożliwiające multipleksowanie i demultipleksowanie danych sterujących - USB lub RS232/485 - z całkowitego strumienia świetlnego. W takim przypadku strumienie światła można przesyłać jednym kablem w przeciwnych kierunkach, chociaż cena urządzeń wykonujących te „sztuczki” zwykle przewyższa koszt dodatkowego światłowodu do zwracania danych.
Optyka otwiera ogromne możliwości tam, gdzie wymagana jest szybka komunikacja z dużą przepustowością. To sprawdzona, zrozumiała i wygodna technologia. W obszarze audiowizualnym otwiera nowe perspektywy i dostarcza rozwiązań niedostępnych innymi metodami. Przynajmniej bez znacznego wysiłku i kosztów finansowych.
Kabel wewnętrzny:
Podczas instalowania linii światłowodowych w pomieszczeniach zamkniętych zwykle stosuje się kabel światłowodowy z gęstym buforem (w celu ochrony przed gryzoniami). Stosowany do budowy SCS jako kabel magistralny lub poziomy. Obsługuje transmisję danych na krótkie i średnie odległości. Idealny do okablowania poziomego.
Kabel zewnętrzny:
Kabel światłowodowy z gęstym buforem, opancerzony taśmą stalową, odporny na wilgoć. Służy do układania zewnętrznego przy tworzeniu podsystemu autostrad zewnętrznych i łączeniu poszczególnych budynków. Możliwość montażu w kanałach kablowych. Nadaje się do bezpośredniego montażu w gruncie.
Zewnętrzny samonośny kabel światłowodowy:
Kabel światłowodowy jest samonośny, z kablem stalowym. Stosowany do instalacji zewnętrznych na duże odległości w sieciach telefonicznych. Obsługuje transmisję sygnału telewizji kablowej oraz transmisję danych. Nadaje się do montażu w kanałach kablowych i instalacjach napowietrznych.
W ostatnich latach na rynku pojawiło się kilka technologii i produktów, dzięki którym znacznie łatwiej i taniej jest zastosować światłowód w systemie okablowania poziomego i podłączyć go do stacji roboczych użytkowników.
Wśród tych nowych rozwiązań chciałbym przede wszystkim wyróżnić złącza optyczne o małym formacie – SFFC (złącza small-form-factor), planarne diody laserowe z wnęką pionową – VCSEL (lasery emitujące powierzchnię z wnęką pionową) oraz światłowody wielomodowe nowej generacji.
Należy zauważyć, że niedawno zatwierdzony typ światłowodu wielomodowego OM-3 ma szerokość pasma przekraczającą 2000 MHz/km przy długości fali lasera 850 nm. Ten typ światłowodu zapewnia szeregową transmisję strumieni danych protokołu 10 Gigabit Ethernet na odległość 300 m. Zastosowanie nowych typów światłowodów wielomodowych oraz 850-nanometrowych laserów VCSEL zapewnia najniższy koszt wdrożenia rozwiązań 10 Gigabit Ethernet.
Rozwój nowych standardów złączy światłowodowych sprawił, że systemy światłowodowe stały się poważną konkurencją dla rozwiązań miedzianych. Tradycyjnie systemy światłowodowe wymagały dwukrotnie większej liczby złączy i kabli krosowych niż systemy miedziane – lokalizacje telekomunikacyjne wymagały znacznie większej powierzchni, aby pomieścić sprzęt optyczny, zarówno pasywny, jak i aktywny.
Złącza optyczne typu Small Form Factor, wprowadzone niedawno przez wielu producentów, zapewniają dwukrotnie większą gęstość portów w porównaniu z poprzednimi rozwiązaniami, ponieważ każde złącze Small Form Factor zawiera dwa włókna optyczne zamiast tylko jednego.
Jednocześnie zmniejszono rozmiary zarówno pasywnych elementów optycznych – krosownic itp., jak i aktywnego sprzętu sieciowego, co pozwala czterokrotnie obniżyć koszty instalacji (w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami optycznymi).
Należy zaznaczyć, że amerykańskie organy normalizacyjne EIA i TIA w 1998 roku zdecydowały się nie regulować stosowania żadnego konkretnego typu złącz optycznych typu small form Factor, co doprowadziło do pojawienia się na rynku sześciu typów konkurencyjnych rozwiązań w tym obszarze: MT -RJ, LC, VF-45, Opti-Jack, LX.5 i SCDC. Dziś pojawiły się także nowe rozwiązania.
Najpopularniejszym złączem miniaturowym jest złącze typu MT-RJ, które posiada pojedynczą polimerową końcówkę, w której znajdują się dwa włókna światłowodowe. Jego projekt został zaprojektowany przez konsorcjum firm pod przewodnictwem AMP Netconnect w oparciu o opracowane w Japonii wielowłóknowe złącze MT. Firma AMP Netconnect udzieliła dzisiaj ponad 30 licencji na produkcję tego typu złącza MT-RJ.
Złącze MT-RJ w dużej mierze zawdzięcza swój sukces swojej konstrukcji zewnętrznej, która jest podobna do 8-pinowego modułowego miedzianego złącza RJ-45. W ostatnich latach wydajność złącza MT-RJ uległa znacznej poprawie – AMP Netconnect oferuje złącza MT-RJ z kluczami, które zapobiegają błędnemu lub nieautoryzowanemu podłączeniu do systemu kablowego. Ponadto wiele firm opracowuje jednomodowe wersje złącza MT-RJ.
Złącza LC tej firmy cieszą się dość dużym zainteresowaniem na rynku rozwiązań w zakresie kabli optycznych Avaya(http://www.avaya.com). Konstrukcja tego złącza opiera się na zastosowaniu ceramicznej końcówki o średnicy zmniejszonej do 1,25 mm oraz plastikowej obudowy wyposażonej w zewnętrzny zatrzask typu dźwigniowego umożliwiający mocowanie w gnieździe gniazda przyłączeniowego.
Złącze dostępne jest w wersji simplex i duplex. Główną zaletą złącza LC jest niska średnia strata i jej odchylenie standardowe, które wynosi zaledwie 0,1 dB. Wartość ta zapewnia stabilną pracę systemu kablowego jako całości. Montaż widelca LC odbywa się zgodnie ze standardową procedurą klejenia i polerowania żywicą epoksydową. Dziś złącza znalazły zastosowanie wśród producentów transceiverów 10 Gbit/s.
Corning Cable Systems (http://www.corning.com/cablesystems) produkuje złącza LC i MT-RJ. Jej zdaniem branża SCS dokonała wyboru na korzyść złączy MT-RJ i LC. Niedawno firma wypuściła na rynek pierwsze jednomodowe złącze MT-RJ oraz wersje UniCam złączy MT-RJ i LC, które charakteryzują się krótkim czasem instalacji. Jednocześnie do montażu złączy typu UniCam nie ma potrzeby stosowania kleju epoksydowego i polietylenu
Kabel światłowodowy lub po prostu kabel optyczny to jeden z najpopularniejszych przewodników. Wykorzystuje się go wszędzie zarówno do tworzenia nowych systemów kablowych, jak i do aktualizacji starych. Dzieje się tak dlatego, że kabel światłowodowy ma wiele zalet w porównaniu z kablem miedzianym. To właśnie im przyjrzymy się w tym artykule.
Im większa szerokość pasma, tym więcej informacji można przesłać. Kabel światłowodowy zapewnia wysoką przepustowość: do 10 Gbit/s i więcej. Zapewniają lepszą wydajność niż kabel miedziany. Warto również wziąć pod uwagę, że prędkość transmisji będzie różna dla różnych typów kabli. Na przykład kabel światłowodowy jednomodowy zapewnia większą przepustowość niż światłowód wielomodowy.
Podczas korzystania z kabla światłowodowego informacje są przesyłane z większą szybkością i na większe odległości, praktycznie bez utraty sygnału. Zdolność tę osiąga się dzięki temu, że sygnał przesyłany jest przez optykę w postaci promieni świetlnych. Światłowód nie ma ograniczenia odległości do 100 metrów, które można zaobserwować w przypadku nieekranowanego kabla miedzianego bez wzmacniacza. Odległość, na jaką sygnał może zostać przesłany, zależy również od rodzaju użytego kabla, długości fali i samej sieci. Odległości wahają się od 550 metrów w przypadku kabla wielomodowego do 40 kilometrów w przypadku kabla jednomodowego.
Dzięki kablowi światłowodowemu wszystkie Twoje informacje są bezpieczne. Sygnał przesyłany przez optykę nie jest emitowany i jest bardzo trudny do przechwycenia. Jeśli kabel został uszkodzony, łatwo go namierzyć, ponieważ przepuszcza światło, co ostatecznie doprowadzi do zatrzymania całej transmisji. Dzięki temu, jeśli nastąpi próba fizycznego włamania się do Twojego systemu światłowodowego, na pewno się o tym dowiesz.
Warto dodać, że sieci światłowodowe pozwalają na umieszczenie całej elektroniki i sprzętu w jednym, scentralizowanym miejscu.
Światłowód zapewnia najbardziej niezawodną transmisję danych. Kabel optyczny jest odporny na wiele czynników, które mogą łatwo wpłynąć na działanie kabla miedzianego. Środek rdzenia wykonany jest ze szkła, które izoluje od prądu elektrycznego. Optyka jest całkowicie odporna na promieniowanie radiowe i elektromagnetyczne, wzajemne zakłócenia, problemy z impedancją i wiele innych czynników. Kabel światłowodowy można bez obaw układać w pobliżu urządzeń przemysłowych. Dodatkowo kabel światłowodowy nie jest tak wrażliwy na temperaturę jak kabel miedziany i można go łatwo zanurzyć w wodzie.
Kabel światłowodowy jest lżejszy, cieńszy i trwalszy w porównaniu do miedzi. Osiągnięcie wyższych prędkości transmisji za pomocą kabla miedzianego będzie wymagało zastosowania lepszego rodzaju kabla, który jest zwykle cięższy, ma większą średnicę i zajmuje więcej miejsca. Niewielki rozmiar kabla optycznego sprawia, że jest on wygodniejszy. Warto również zaznaczyć, że testowanie kabla światłowodowego jest znacznie łatwiejsze niż kabla miedzianego.
Szeroka dystrybucja i niski koszt konwerterów mediów znacznie upraszczają transmisję danych z kabla miedzianego na światłowód. Konwertery zapewniają nieprzerwane połączenie z możliwością wykorzystania istniejącego sprzętu.
Chociaż spawanie kabla światłowodowego jest dziś bardziej pracochłonne niż zaciskanie kabla miedzianego, zastosowanie specjalnych narzędzi spawalniczych znacznie ułatwia ten proces.
Koszt kabla światłowodowego, komponentów i sprzętu do niego stopniowo maleje. W tej chwili kabel światłowodowy jest droższy od kabla miedzianego tylko w krótkim czasie. Ale przy długotrwałym użytkowaniu kabel światłowodowy będzie tańszy niż kabel miedziany. Światłowód jest łatwiejszy w utrzymaniu i wymaga mniej sprzętu sieciowego. Ponadto dostępnych jest obecnie coraz więcej rozwiązań światłowodowych, od aktywnych optycznych kabli HDMI po profesjonalne rozwiązania Digital Signage, takie jak ZyPer4K firmy ZeeVee, który został niedawno zaprezentowany na targach NEC Solutions Showcase 2015 i umożliwia łatwe rozbudowy oraz przełączanie nieskompresowanego wideo 4K. sygnały audio i sterujące przy użyciu standardowej technologii 10 Gb Ethernet przez kabel światłowodowy.
W czasopiśmie Nature Photonics opublikowano opis nowej technologii przesyłania danych światłowodem z prędkością do 26 Tbit/s zamiast dotychczasowego maksimum 1,6 Tbit/s.
Grupa niemieckich inżynierów pod przewodnictwem profesora Wolfganga Freude z Uniwersytetu w Karlsruhe zastosowała technikę OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), która jest szeroko stosowana w komunikacji bezprzewodowej (802.11 i LTE), telewizji cyfrowej (DVB-T) i ADSL, do światłowód..
Trudniej jest zastosować OFDM w światłowodzie, ponieważ tutaj trzeba podzielić strumień świetlny na podnośne. Wcześniej jedynym sposobem na osiągnięcie tego było użycie oddzielnego lasera dla każdej podnośnej.
Porównanie różnych typów multipleksowania
Do nadawania na każdej częstotliwości wykorzystywany jest oddzielny laser i oddzielny odbiornik, dzięki czemu setki laserów mogą jednocześnie transmitować sygnał w jednym kanale światłowodowym. Według profesora Freude'a całkowita pojemność kanału jest ograniczona jedynie liczbą laserów. „Przeprowadzono już eksperyment i wykazano prędkość 100 terabitów/s” – powiedział w wywiadzie dla BBC. Ale do tego musieliśmy użyć około 500 laserów, co samo w sobie jest bardzo drogie.
Freude i jego współpracownicy opracowali technologię przesyłania ponad 300 podnośnych o różnych kolorach przez światłowód za pomocą pojedynczego lasera działającego w krótkich impulsach. W grę wchodzi tu interesujące zjawisko zwane optycznym czesaniem częstotliwości. Każdy mały impuls jest „rozmazany” na częstotliwościach i w czasie, dzięki czemu odbiornik sygnału przy pomocy dobrego taktowania może teoretycznie przetworzyć każdą częstotliwość osobno.
Po kilku latach pracy niemieckim badaczom w końcu udało się znaleźć właściwy moment, wybrać odpowiednie materiały i praktycznie przetworzyć każdą podnośną za pomocą szybkiej transformaty Fouriera (FFT). Transformata Fouriera to operacja, która wiąże funkcję zmiennej rzeczywistej z inną funkcją zmiennej rzeczywistej. Ta nowa funkcja opisuje współczynniki przy rozkładzie pierwotnej funkcji na składowe elementarne - drgania harmoniczne o różnych częstotliwościach.
FFT idealnie nadaje się do rozkładania światła na podnośne. Okazało się, że z typowego impulsu można wydobyć łącznie około 350 kolorów (częstotliwości), a każdy z nich wykorzystywany jest jako osobna podnośna, jak w tradycyjnej technice OFDM. W zeszłym roku Freude i jego koledzy przeprowadzili eksperyment i pokazali w praktyce prędkość 10,8 terabita/s, a teraz jeszcze bardziej poprawili dokładność rozpoznawania częstotliwości.
Według Freude'a opracowana przez niego technologia pomiaru czasu i FFT mogłaby zostać zaimplementowana na chipie i znaleźć zastosowanie komercyjne.
Światłowód składa się z centralnego przewodnika świetlnego (rdzenia) – włókna szklanego, otoczonego kolejną warstwą szkła – płaszczem, który ma niższy współczynnik załamania światła niż rdzeń. Rozchodzące się po jądrze promienie światła nie przekraczają jego granic, odbijając się od pokrywającej warstwy powłoki. W światłowodzie wiązka światła jest zwykle generowana przez laser półprzewodnikowy lub diodowy. W zależności od rozkładu współczynnika załamania światła i średnicy rdzenia światłowód dzieli się na jednomodowy i wielomodowy.
Chociaż światłowód jest szeroko stosowanym i popularnym środkiem komunikacji, sama technologia jest prosta i opracowana dawno temu. Eksperyment polegający na zmianie kierunku wiązki światła poprzez załamanie przeprowadzili Daniel Colladon i Jacques Babinet już w 1840 roku. Kilka lat później John Tyndall wykorzystał to doświadczenie w swoich publicznych wykładach w Londynie, a już w 1870 roku opublikował pracę na temat natury światła. Praktyczne zastosowanie tej technologii znaleziono dopiero w XX wieku. W latach dwudziestych XX wieku eksperymentatorzy Clarence Hasnell i John Berd wykazali możliwość przesyłania obrazów przez lampy optyczne. Zasadę tę zastosował Heinrich Lamm przy badaniu lekarskim pacjentów. Dopiero w 1952 roku indyjski fizyk Narinder Singh Kapany przeprowadził serię własnych eksperymentów, które doprowadziły do wynalezienia światłowodu. Tak naprawdę stworzył tę samą wiązkę szklanych nici, a otoczkę i rdzeń wykonano z włókien o różnych współczynnikach załamania światła. Powłoka faktycznie służyła za lustro, a rdzeń był bardziej przezroczysty - to rozwiązało problem szybkiej dyspersji. Jeśli wcześniej wiązka nie docierała do końca światłowodu i nie było możliwości zastosowania takiego środka transmisji na duże odległości, teraz problem został rozwiązany. Narinder Kapani ulepszył technologię do 1956 roku. Kilka elastycznych szklanych prętów przesyłało obraz praktycznie bez strat i zniekształceń.
Za punkt zwrotny w historii rozwoju światłowodów uważa się wynalezienie przez specjalistów Corning w 1970 roku światłowodu, który umożliwił zduplikowanie systemu transmisji danych sygnału telefonicznego przewodem miedzianym na tę samą odległość bez konieczności stosowania wzmacniaczy. technologie optyczne. Twórcom udało się stworzyć przewodnik, który jest w stanie utrzymać co najmniej jeden procent mocy sygnału optycznego w odległości jednego kilometra. Jak na dzisiejsze standardy jest to dość skromne osiągnięcie, ale wtedy, prawie 40 lat temu, był to warunek konieczny, aby opracować nowy rodzaj komunikacji przewodowej.
Początkowo światłowód był wielofazowy, to znaczy mógł przesyłać setki faz świetlnych na raz. Ponadto zwiększona średnica rdzenia światłowodu umożliwiła zastosowanie niedrogich nadajników i złączy optycznych. Znacznie później zaczęto stosować światłowód o wyższej wydajności, dzięki któremu możliwe było przesyłanie tylko jednej fazy w środowisku optycznym. Dzięki wprowadzeniu światłowodu jednofazowego udało się zachować integralność sygnału na większe odległości, co ułatwiło przesyłanie znacznych ilości informacji.
Najpopularniejszym obecnie włóknem jest włókno jednofazowe o zerowym przesunięciu długości fali. Od 1983 roku jest to wiodący w branży produkt światłowodowy, którego działanie udowodniono na dziesiątkach milionów kilometrów.
Odbiorniki optyczne wykrywają sygnały przesyłane kablem światłowodowym i przetwarzają je na sygnały elektryczne, które następnie wzmacniają i przywracają ich kształt, a także sygnały zegarowe. W zależności od szybkości transmisji i specyfiki systemu urządzenia, strumień danych można konwertować z portu szeregowego na równoległy.
Nadajnik optyczny w systemie światłowodowym przekształca sekwencję danych elektrycznych dostarczaną przez elementy systemu na strumień danych optycznych. Nadajnik składa się z konwertera równoległo-szeregowego z syntezatorem zegarowym (który zależy od instalacji systemu i przepływności), sterownika i źródła sygnału optycznego. W optycznych systemach transmisji można zastosować różne źródła optyczne. Na przykład diody elektroluminescencyjne są często stosowane w tanich sieciach lokalnych do komunikacji na małe odległości. Jednak szerokie pasmo widmowe i brak możliwości pracy w długościach fal drugiego i trzeciego okna optycznego nie pozwalają na zastosowanie diod LED w systemach telekomunikacyjnych.
Wzmacniacz przekształca asymetryczny prąd z czujnika fotodiodowego na asymetryczne napięcie, które jest wzmacniane i przetwarzane na sygnał różnicowy.
Układ ten musi odtwarzać sygnały zegarowe z odebranego strumienia danych i ich taktowanie. Obwód pętli synchronizacji fazowej wymagany do przywrócenia zegara jest również w pełni zintegrowany z chipem zegara i nie wymaga zewnętrznych impulsów zegara sterującego.
Jego głównym zadaniem jest dostarczanie prądu polaryzacji i prądu modulującego do bezpośredniej modulacji diody laserowej.
Jeśli średnica włókna i długość fali są wystarczająco małe, pojedyncza wiązka będzie propagować przez włókno. Ogólnie rzecz biorąc, sam fakt doboru średnicy rdzenia dla trybu propagacji sygnału jednomodowego mówi o specyfice każdej indywidualnej opcji konstrukcyjnej światłowodu. Oznacza to, że tryb jednomodowy odnosi się do charakterystyki światłowodu w odniesieniu do określonej częstotliwości użytej fali. Propagacja tylko jednej wiązki pozwala pozbyć się dyspersji międzymodowej, dzięki czemu włókna jednomodowe są o rząd wielkości bardziej produktywne. Obecnie stosuje się rdzeń o średnicy zewnętrznej około 8 mikronów. Podobnie jak w przypadku włókien wielomodowych, stosowane są zarówno stopniowe, jak i gradientowe gęstości rozkładu materiału.
Druga opcja jest bardziej produktywna. Technologia jednomodowa jest cieńsza, droższa i jest obecnie stosowana w telekomunikacji. Światłowód jest stosowany w światłowodowych liniach komunikacyjnych, które przewyższają komunikację elektroniczną, ponieważ umożliwiają bezstratną, szybką transmisję danych cyfrowych na duże odległości. Linie światłowodowe mogą tworzyć nową sieć lub służyć do łączenia istniejących sieci – odcinków autostrad światłowodowych, połączonych fizycznie na poziomie światłowodu lub logicznie na poziomie protokołów transmisji danych. Prędkości transmisji danych liniami światłowodowymi można mierzyć w setkach gigabitów na sekundę. Standard jest już finalizowany, aby umożliwić transmisję danych z prędkością 100 Gbit/s, a standard 10 Gbit Ethernet jest już od kilku lat stosowany w nowoczesnych strukturach telekomunikacyjnych.
W światłowodzie wielomodowym jednocześnie może rozchodzić się duża liczba modów – promieni wprowadzanych do światłowodu pod różnymi kątami. Wielomodowy OF ma stosunkowo dużą średnicę rdzenia (standardowe wartości 50 i 62,5 μm) i odpowiednio dużą aperturę numeryczną. Większa średnica rdzenia światłowodu wielomodowego upraszcza sprzęganie promieniowania optycznego do światłowodu, a mniej rygorystyczne wymagania dotyczące tolerancji dla światłowodu wielomodowego zmniejszają koszt optycznych transceiverów. Zatem światłowód wielomodowy dominuje w sieciach lokalnych i domowych krótkiego zasięgu.
Główną wadą światłowodu wielomodowego jest występowanie dyspersji międzymodowej, która wynika z tego, że różne mody podążają różnymi drogami optycznymi we włóknie. Aby ograniczyć wpływ tego zjawiska, opracowano włókno wielomodowe o stopniowanym współczynniku załamania światła, dzięki któremu mody we włóknie rozchodzą się po trajektoriach parabolicznych, a różnica w ich drogach optycznych, a co za tym idzie, dyspersja intermodalna jest znacznie zmniejszona. mniej. Jednak niezależnie od tego, jak zrównoważone są światłowody wielomodowe o gradiencie, ich przepustowość nie może być porównywana z technologiami jednomodowymi.
Aby przesyłać dane kanałami optycznymi, sygnały muszą zostać przekształcone z elektrycznego na optyczny, przesłane łączem komunikacyjnym, a następnie ponownie przetworzone na elektryczne w odbiorniku. Transformacje te zachodzą w urządzeniu nadawczo-odbiorczym, które zawiera elementy elektroniczne wraz z elementami optycznymi.
Szeroko stosowany w technologii transmisji multiplekser z podziałem czasu umożliwia zwiększenie prędkości transmisji do 10 Gb/s. Nowoczesne, szybkie systemy światłowodowe oferują następujące standardy prędkości transmisji.
| standard SONET | Standard SDH | Szybkość transmisji |
|---|---|---|
| OC 1 | - | 51,84 Mb/s |
| OC 3 | STM 1 | 155,52 Mb/s |
| OC 12 | STM 4 | 622,08 Mb/s |
| OC 48 | STM 16 | 2,4883 Gb/s |
| OC 192 | STM 64 | 9,9533 Gb/s |
Nowe metody multipleksowania z podziałem długości fali lub multipleksowania z podziałem długości fali umożliwiają zwiększenie gęstości transmisji danych. Aby to osiągnąć, wiele multipleksowanych strumieni informacji jest przesyłanych pojedynczym kanałem światłowodowym, wykorzystując transmisję każdego strumienia na innej długości fali. Elementy elektroniczne odbiornika i nadajnika WDM różnią się od tych stosowanych w systemie podziału czasu.
Światłowód jest aktywnie wykorzystywany do budowy miejskich, regionalnych i federalnych sieci komunikacyjnych, a także do instalowania łączy łączących miejskie centrale telefoniczne. Wynika to z szybkości, niezawodności i dużej przepustowości sieci światłowodowych. Ponadto, dzięki wykorzystaniu kanałów światłowodowych, istnieje telewizja kablowa, zdalny monitoring wideo, wideokonferencje i transmisje wideo, telemetria i inne systemy informacyjne. W przyszłości planuje się wykorzystanie konwersji sygnałów mowy na sygnały optyczne w sieciach światłowodowych.
