Zasada przetwarzania i transmisji informacji w światłowodach

Nowoczesne łącza komunikacyjne przeznaczone do przesyłania informacji na duże odległości to często po prostu łącza optyczne, ze względu na dość dużą wydajność tej technologii, którą z powodzeniem od wielu lat wykazuje ona np. jako środek zapewniający szerokopasmowy dostęp do Internetu .

Samo włókno składa się ze szklanego rdzenia otoczonego osłoną o współczynniku załamania światła niższym niż rdzeń. Wiązka światła odpowiedzialna za transmisję informacji wzdłuż linii rozchodzi się wzdłuż rdzenia światłowodu, odbija się na swojej drodze od płaszcza i tym samym nie wychodzi poza linię transmisyjną.

Źródłem światła kształtującym wiązkę jest zwykle laser diodowy lub półprzewodnikowy, podczas gdy samo włókno, w zależności od średnicy rdzenia i rozkładu współczynnika załamania światła, może być jednomodowe lub wielomodowe.

Światłowody w liniach komunikacyjnych przewyższają elektroniczne środki komunikacji, umożliwiając szybką i bezstratną transmisję danych cyfrowych na duże odległości.

Linie światłowodowe w zasadzie mogą tworzyć samodzielną sieć lub służyć do scalania już istniejących sieci — odcinków autostrad światłowodowych połączonych fizycznie na poziomie światłowodu lub logicznie — na poziomie protokołów transmisji danych.

Szybkość transmisji danych po łączach optycznych można mierzyć w setkach gigabitów na sekundę, na przykład standard 10 Gbit Ethernet, który od wielu lat jest stosowany w nowoczesnych strukturach telekomunikacyjnych.

Za rok wynalezienia światłowodów uważa się rok 1970, kiedy to Peter Schultz, Donald Keck i Robert Maurer – naukowcy z Corning – wynaleźli światłowód o niskiej stratności, który otworzył możliwości zduplikowania systemu kablowego do przesyłania sygnału telefonicznego bez repeaterów są używane. Twórcy stworzyli przewód, który pozwala zaoszczędzić 1% mocy sygnału optycznego w odległości 1 kilometra od źródła.

To był punkt zwrotny dla technologii. Linie zostały pierwotnie zaprojektowane do przesyłania setek faz światła jednocześnie, później opracowano światłowód jednofazowy o wyższej wydajności, zdolnej do utrzymania integralności sygnału na większe odległości. Światłowód jednofazowy o zerowym przesunięciu jest najbardziej poszukiwanym typem światłowodu od 1983 roku do dziś.

Aby przesłać dane przez światłowód, sygnał musi najpierw zostać przekształcony z elektrycznego na optyczny, następnie przesłany w dół linii, a następnie z powrotem przekształcony w elektryczny w odbiorniku.Całe urządzenie nazywa się transceiverem i zawiera nie tylko elementy optyczne, ale także elektroniczne.

Tak więc pierwszym elementem linii optycznej jest nadajnik optyczny. Konwertuje serię danych elektrycznych na strumień optyczny. W skład nadajnika wchodzą: konwerter szeregowo-równoległy z syntezatorem impulsów synchronizacji, sterownik oraz optyczne źródło sygnału.

Źródłem sygnału optycznego może być dioda laserowa lub dioda LED. Konwencjonalne diody LED nie są stosowane w systemach telekomunikacyjnych. Prąd polaryzacji i prąd modulacji do bezpośredniej modulacji diody laserowej jest dostarczany przez sterownik lasera, następnie światło jest dostarczane przez złącze optyczne – do światłowodu kabel światłowodowy.

Po drugiej stronie linii sygnał i sygnał taktujący są wykrywane przez odbiornik optyczny (najczęściej czujnik fotodiodowy), gdzie są przetwarzane na sygnał elektryczny, który jest wzmacniany, a następnie rekonstruowany przesyłany sygnał. W szczególności strumień danych szeregowych można przekształcić w strumień równoległy.

Przedwzmacniacz odpowiada za zamianę asymetrycznego prądu z czujnika fotodiody na napięcie, jego późniejsze wzmocnienie i konwersję na sygnał różnicowy. Układ synchronizacji i odzyskiwania danych odzyskuje sygnały zegara i ich synchronizację z odebranego strumienia danych.

Multiplekser z podziałem czasu osiąga prędkość przesyłu danych do 10 Gb/s. Tak więc dzisiaj istnieją następujące standardy szybkości transmisji danych przez systemy optyczne:

Multipleksowanie z podziałem długości fali i multipleksowanie z podziałem długości fali umożliwiają dalsze zwiększenie gęstości transmisji danych, gdy kilka zmultipleksowanych strumieni danych jest wysyłanych tym samym kanałem, ale każdy strumień ma własną długość fali.

Światłowód jednomodowy ma stosunkowo małą zewnętrzną średnicę rdzenia wynoszącą około 8 mikronów. Włókno takie pozwala na propagację w nim wiązki o określonej częstotliwości, odpowiadającej charakterystyce danego włókna. Kiedy wiązka porusza się sama, problem dyspersji międzymodowej znika, co skutkuje zwiększoną wydajnością linii.

Rozkład gęstości materiału może być gradientowy lub schodkowy. Dystrybucja gradientu umożliwia wyższą przepustowość. Technologia jednomodowa jest cieńsza i droższa niż wielomodowa, ale jest to technologia jednomodowa stosowana obecnie w telekomunikacji.

Światłowód wielomodowy umożliwia jednoczesną propagację wielu wiązek transmisyjnych pod różnymi kątami. Średnica rdzenia wynosi zwykle 50 lub 62,5 µm, co ułatwia wprowadzenie promieniowania optycznego. Cena transceiverów jest niższa niż jednomodowych.

Jest to światłowód wielomodowy, który doskonale nadaje się do małych sieci domowych i lokalnych. Zjawisko dyspersji międzymodowej jest uważane za główną wadę światłowodu wielomodowego, dlatego też, aby ograniczyć to szkodliwe zjawisko, specjalnie opracowano włókna o gradientowym współczynniku załamania światła, dzięki czemu promienie rozchodzą się po parabolicznych drogach, a różnica ich dróg optycznych jest mniejsza .Tak czy inaczej, wydajność technologii jednomodowej wciąż pozostaje wyższa.