Kuidas optiline andmeedastus töötab?

 

 

Üks inimese juustest õhem klaasikiht kannab 43 terahertsi ribalaiust. Kogu teie naabruskonna Interneti-liiklus-iga Netflixi voog, suumikõne ja TikToki üleslaadimine-voogub läbi millegi, mille võiksite kogemata tolmuimejaga kokku tõmmata. See ei ole teoreetiline võime. 2024. aastal demonstreeritud kiudsüsteemid surusid ühe kaabli kaudu kümneid terabitti sekundis, muutes optilise andmeedastuse kaasaegsete võrkude selgrooks.

Füüsika tundub alguses tagurlik. Klaas juhib valgust paremini kui vask andmete jaoks elektrit. Palju parem. Pärast ühe kilomeetri pikkust kiudu kaotate signaali vähem kui korra peeglilt valgust põrgatades.

Enamik selgitusi algab sõnadega "valgus liigub läbi klaasi". Tõsi, aga kasutu. Huvitav osa on see, mis juhtub klaasi piiril,-kus füüsika loob täiusliku peegli, mis eksisteerib ainult siis, kui seda vajate. Katteta. Ei mingit hõbedast alust. Vaid kahte tüüpi klaas puudutab ja järsku ei pääse valgus isegi siis, kui ta seda tahab.

 

 

Kuidas optiline andmeedastus kasutab täielikku sisemist peegeldust

 

Täielik sisepeegeldus ei käitu nagu tavalised peeglid. Pane valgust tavalisele peeglile mis tahes nurga all, saad peegelduse. Fiiberoptika puhul toimub peegeldumine ainult siis, kui valguse temperatuur ületab 42 kraadi (tavalise klaas -õhk{4}}). Sellest nurgast madalamal? Valgus läbib nagu piiri polekski.

See selektiivne peegeldus loob valguslõksu. Kui footonid sisenevad kiu südamikusse õige nurga all, lukustuvad nad geomeetriliselt. Iga põrge hoiab neid kriitilisest nurgast kõrgemal. Valgus liigub mööda kaablit siksakiliselt alla kiirusega 186 000 miili sekundis (umbes kaks-kolmandiku kiirusest vaakumis, mida aeglustab klaasi murdumisnäitaja umbes 1,5).

Põhiline-katte liides teeb selle toimivaks. Südamiku murdumisnäitaja on ligikaudu 1,48, samas kui kattekihil on 1,46. Sellest 0,02 erinevusest-ainult 1,3% erinevusest-piisab. Valgus, mis üritab põgeneda tihedamast südamikust vähem tihedasse kattekihti, tabab seda piiri ja peegeldub ideaalselt, kaotades kattekihile sisuliselt nullenergia.

Ühemoodilised{0}}kiud viivad seda veelgi kaugemale. Vaid 8-10 mikroni suuruse südamiku läbimõõduga (punased verelibled on umbes 7 mikronit) võimaldavad neil ainult ühte valgusteed. See välistab modaalse hajumise-probleemi, kus erinevad valgusteed läbi kiudude jõuavad erinevatel aegadel, määrides teie signaali. Ühemoodilised kiud võivad ilma võimenduseta edastada andmeid üle 40 kilomeetri.

 

Elektronide teisendamine footoniteks

 

Edastamise otsas on laserdiood või LED. Andmed saabuvad elektriimpulssidena: kõrge pinge võrdub kahendarvuga 1, madal pinge on binaarne 0. Laser teisendab need 850 nm, 1310 nm või 1550 nm lainepikkusega -infrapuna valgusimpulssideks, mis on inimsilmale nähtamatud.

Miks infrapuna? Kaks põhjust. Esiteks on klaas nendel lainepikkustel kõige läbipaistvam, sumbumine on alla 0,2 dB kilomeetri kohta 1550 nm juures. Teiseks on ränifotodetektorid selles vahemikus kõige tundlikumad. 1550 nm "aken" on eriti väärtuslik, kuna see tabab magusat kohta, kus klaasi neeldumine, hajumine ja hajumine on minimeeritud.

Laserdioodid võivad moduleerida erakordse kiirusega. Kaasaegsed süsteemid kasutavad otsemodulatsiooni kuni 25 Gbps, kus laser ise lülitub sisse ja välja miljardeid kordi sekundis. Üle 25 Gbps lülituvad süsteemid välisele modulatsioonile,{4}}laser töötab pidevalt samal ajal kui eraldi modulaator

(tavaliselt elektro{0}}optiliste efektide põhjal) muudab valguse amplituudi, faasi või mõlemat.

Koherentsed ülekandesüsteemid moduleerivad nii amplituudi kui ka faasi, kasutades selliseid tehnikaid nagu 16-QAM (kvadratuurne amplituudmodulatsioon) või 64-QAM. See võimaldab neil kodeerida 1 biti asemel 4 või 6 bitti sümboli kohta. Lisage polarisatsiooni-jaotusmultipleksimine - kahe sõltumatu andmevoo saatmine ortogonaalsetel valguspolarisatsioonidel - ja kahekordistate taas võimsust. Tulemus: spektraalne efektiivsus läheneb 10 bitile sekundis ribalaiuse hertsi kohta.

Kodeerimine toimub nanosekundites. Sissetulev elektrisignaal kiirusega 100 Gbps tähendab, et modulaator peab iga 10 pikosekundi (10^-11 sekundi) olekut muutma. Sellistel kiirustel saavutavad elektroonilised komponendid oma füüsilised piirid. Seetõttu kasutavad 400G ja 800G süsteemid järjest enam koherentset tuvastamist digitaalse signaalitöötluse (DSP) kiipidega, mis teevad signaali dekodeerimiseks reaalajas arvutusi.

 

Mis juhtub kiu sees

 

Valgus ei liigu läbi kiudude sirgjooneliselt. See põrkab tuhandeid kordi meetri kohta mitme-moodilise kiu puhul või järgib peaaegu-sirget rada ühe-moodilise kiu puhul. Mõlemal juhul üritavad kolm nähtust teie signaali hävitada.

Sumbuminetekib imendumisest ja hajumisest. Puhas ränidioksiidklaas neelab valgust, sest ükski materjal pole täiesti läbipaistev. Tootmine toob kaasa mikrolisandite (eriti problemaatilised on hüdroksüülioonid). Klaasi mikroskoopilised tiheduse kõikumised hajutavad valgust (Rayleighi hajumine). Kaasaegsed kiud saavutavad 1550 nm juures nii madala sumbumise kui 0,15 dB/km, mis tähendab, et pärast 60 kilomeetrit on teil endiselt 25% algsest optilisest võimsusest.

Kromaatiline dispersioonsee juhtub, kuna murdumisnäitaja varieerub veidi sõltuvalt lainepikkusest. Laser ei kiirga kunagi täiuslikult monokromaatilist valgust{1}}alati on teatud spektraalne laius. Erinevad lainepikkusega komponendid liiguvad läbi klaasi veidi erineva kiirusega. Pikkadel vahemaadel levib see iga valgusimpulss laiali, põhjustades külgnevate impulsside kattumist. 1310 nm juures on kromaatiline dispersioon standardkiu puhul nullilähedane. Lainepikkusel 1550 nm on see umbes 17 ps/(nm·km), kuid dispersiooni{9}}kompenseeriv kiud suudab sellele vastu seista.

Polarisatsioonirežiimi dispersioon (PMD)mõjutab isegi ühemoodi{0}}kiudu. Täiuslik silindriline kiud säilitaks polarisatsiooni, kuid mikroskoopilised puudused ja pinge muudavad kiu kergelt kaksikmurdvaks. Erinevates polarisatsiooniseisundites valgus liigub erineva kiirusega, saabudes erinevatel aegadel. PMD on juhuslik ja muutub temperatuuri ja mehaanilise pingega, mistõttu on seda raskem kompenseerida kui kromaatilise dispersiooni korral.

Suure võimsusega{0}}süsteemide ees on täiendav väljakutse:mittelineaarsed efektid. Kui optiline võimsus on üle 1 millivatti, hakkab klaasi murdumisnäitaja intensiivsusega muutuma. See põhjustab nelja-lainete segunemist, ise-faasimodulatsiooni ja rist-faasimodulatsiooni-nähtusi, kus erineva lainepikkusega kanalid häirivad üksteist. Insenerid juhivad seda, hoides -kanalipõhise võimsuse madalal ja paigutades lainepikkusega kanaleid õigesti.

 

Valguse muutmine andmeteks tagasi

 

Vastuvõtvas otsas olev fotodetektor muudab footonid tagasi elektronideks. Enamik süsteeme kasutab PIN-i (positiivseid-sisemisi-negatiivseid) fotodioode või APD-sid (laviini fotodioode). Kui footon tabab fotodioodi, ergastab see elektroni, luues optilise võimsusega võrdelise voolu.

PIN-fotodioodid on lihtsamad ja lineaarsemad, kuid nõuavad tugevamaid signaale. APD-d pakuvad sisemist võimendust (nagu fotokordisti toru) laviinikorrutamise kaudu{1}}üks footon võib genereerida kümneid elektrone. See muudab APD-d 10-20 korda tundlikumaks kui PIN-fotodioodid, mis on väga olulised pikamaasüsteemide jaoks, kus signaali võimsus on nõrk.

Kuid fototuvastus tekitab müra. Võimendi elektroonikast tulev soojusmüra lisab juhuslikke voolukõikumisi. Laskemüra tuleneb valguse enda kvantloomusest-fotonid saabuvad juhuslikult, mitte täiesti korrapäraste voogudena, põhjustades fotovoolu statistilisi erinevusi. Ja APD-des lisab laviiniprotsess liigset müra.

Vastuvõtja peab otsustama, kas iga sümbol tähistab 0 või 1 (või mitmetasandilise modulatsiooni puhul kumba mitmest võimalikust väärtusest). See otsustuslävi muutub kriitiliseks, kui müra ja signaali halvenemine muudavad eristuse häguseks. Täiustatud vastuvõtjad kasutavad edastatavatele andmetele liiasuse lisamist (FEC){5}}, mis võimaldab vastuvõtjal tuvastada ja parandada bitivigu ilma uuesti edastamata.

Kaasaegsed 100G ja 400G süsteemid kasutavad lokaalse ostsillaatorlaseriga koherentseid vastuvõtjaid. Segades sissetuleva optilise signaali selle kohaliku ostsillaatoriga, suudavad nad tuvastada mitte ainult intensiivsust, vaid ka faasi ja polarisatsiooni. See taastab kogu koherentsete saatjate poolt kodeeritud teabe ja võimaldab kasutada keerulisi DSP-tehnikaid, mis kompenseerivad kiu kahjustusi reaalajas.{4}}

Kogu edastus{0}}vastuvõtutsükkel sisaldab latentsust. Ühemoodi{2}}kiudude puhul liigub valgus umbes 200 000 km/s (arvestades klaasi murdumisnäitaja). New Yorgist Londonisse Atlandi-ülese kaabli kaudu (umbes 5500 km) tähendab levimisviivitust ligikaudu 28 millisekundit. Lisage transiiveri töötlemine, ümberlülitamine ja protokolli lisakulud ning saate kokku 60{11}}70 millisekundit – siiski muljetavaldavalt kiiresti.

 

Lainepikkus{0}}jagamine: optilise andmeedastuse skaleerimine

 

Ühe lainepikkusega süsteemid võimaldavad praeguse tehnoloogiaga maksimaalselt umbes 400 Gbps kiu kohta. Lainepikkuse-jaotusega multipleksimine (WDM) ületab selle piiri, saates ühe kiu kaudu korraga mitu lainepikkust. Iga lainepikkus kannab sõltumatut andmevoogu.

DWDM-süsteemid (tihedad WDM-süsteemid) koondavad lainepikkusi tihedalt, tavaliselt 50 GHz või 100 GHz vahega C--ribas (1530–1565 nm). Kaasaegsed süsteemid kasutavad 80–96 kanalit, millest igaüks kannab kiirust 100–400 Gbps, kiu koguvõimsuseks 8–38 terabitti sekundis. Sellest piisab kogu Netflixi teegi allalaadimiseks umbes 20 sekundiga.

Iga lainepikkus vajab oma laserit, mis on täpselt häälestatud ja temperatuur{0}}stabiliseeritud. Isegi väikesed lainepikkuste triivid põhjustavad kanalite kattumist. Optilised multiplekserid ühendavad need lainepikkused üheks kiuks ja demultiplekserid eraldavad need vastuvõtuotsas. Need seadmed kasutavad interferentsfiltreid, difraktsioonivõre või massiivi lainejuhivõre, et eristada lainepikkusi, mille vahe on vaid 0,4 nanomeetrit.

Erbium{0}}leegitud kiudvõimendid (EDFA-d) võimendavad kõiki WDM-kanaleid samaaegselt. Kui pumbatakse 980 nm või 1480 nm laseriga, toimivad kiudude südamikus olevad erbiumiioonid võimenduskeskkonnana, võimendades signaale vahemikus 1530-1565 nm. EDFA-d võimaldavad täisoptilist võimendust ilma elektroonikaks muutmata, võimaldades veealuste kaablite üle ookeanide koos võimenditega iga 40–80 kilomeetri järel.

Praktilised WDM-süsteemid seisavad silmitsi tehniliste väljakutsetega. Mittelineaarsete efektide skaala kanalite arvu ja koguvõimsusega. Kanalite läbirääkimine koguneb pikkade vahemaade tagant. Ja 96 täpselt-häälestatud laseri haldamine temperatuurimuutuste ja vananemise korral nõuab keerukaid juhtimissüsteeme. Kuid ribalaiuse suurenemine muudab selle kasulikuks,{6}}2024. aastal paigaldatud merealused kaablid suruvad 24 terabitti kiupaari kohta.

 

Kui optiline ülekanne ebaõnnestub

 

Saastumine tapab optilised signaalid.Kiudpistikul olev sõrmejälg võib 1550 nm juures põhjustada 1-2 dB sisestuskadu-, mis tähendab 20–37% signaali kadumist ainuüksi nahaõli tõttu. Tolmuosakesed hajutavad valgust. Korralikuks puhastamiseks on vaja isopropüülalkoholi ja ebemevabad salvrätikud ning mikroskoobiga ülevaatus (400x suurendus paljastab pinnadefektid). Andmekeskused teatavad, et 80% ühendusprobleemidest tulenevad määrdunud pistikutest.

Füüsiline kahjutoimub kergemini, kui ootate. Fiberi kriitiline painderaadius on paigaldamisel tavaliselt 30 mm ja pikaajalisel kasutamisel 15 mm. Tugevamad painutused põhjustavad mikropainutuskadu,{5}}valgus "lekib" kurvis välja. Makropainutamine toimub siis, kui kiud on liiga tihedalt ümber kaablipoolide. Ja närilistele meeldib kiudkaablitest läbi närida (ilmselt maitsevad tugevuselemendid hästi). Soomustatud kaabel aitab, kuid lisab kulusid.

Pistiku rikkedvaldkonna tippküsimuseks. Mehaaniline splaissimine viib kiudude südamikud valesti. Kehv fusioonpleiss jätab õhuvahed või saastumise. Isegi headel pistikutel on sisestuskadu 0,2-0,5 dB paari kohta. 10 pistikuga ühenduses kaotate 2–5 dB, enne kui arvestate kiudude nõrgenemist. Eelotsaga kaablid vähendavad seda, kuid vähendavad paindlikkust.

Keskkonnateguridpinge optilised süsteemid. Temperatuuri kõikumised muudavad kiu pikkust (soojuspaisumise koefitsient on umbes 0,5 ppm/kraadi), põhjustades WDM-süsteemides lainepikkuse triivi. Niiskus ei mõjuta otseselt klaasi, kuid korrodeerib pistikud ja ühenduskarbid. Tööstuslikes seadetes esinev vibratsioon võib liitmikud lahti lüüa. Ja välgu või elektririkete elektromagnetimpulsid ei kahjusta otseselt kiudaineid, kuid võivad hävitada transiiverid.

Transiiveri ühilduvusteeb võrguinseneridele meelehärmi. Tarnija A SFP+ moodul ei pruugi tarnija B lülitis töötada, isegi kui mõlemad väidavad vastavust standarditele. Digital Optical Monitoring (DOM) andmevormingud on erinevad. Energiaeelarved ei kattu alati. Ja kui kasutate kaugtransiiverit (40 km pikkuseks 40 km), võib see vastuvõtjat üle koormata (300 m), mistõttu on vaja optilisi atenuaatoreid.

Biti veamäära (BER) mõõdik kvantifitseerib need tõrked. "Puhas" kiudühendus saavutab BER-i alla 10^-12 (vähem kui üks viga triljoni biti kohta). Saastumise või kahjustuste korral langeb see 10^-6-ni või veelgi hullemini, kus FEC ei suuda sammu pidada. Sel hetkel muutub pakettide kadu nähtavaks – video voogesitus kogeb, allalaadimine ebaõnnestub, võrgurakenduste aeg möödub.

 

Kulude ja kasutuselevõtu tegelikkus

 

Mitmemoodiline kiud{0}} maksab 0,50-2 dollarit meetri kohta, ühemoodiline umbes 0,30–1 dollar meeter. Kiud ise on odav. Domineerivad paigalduskulud: maakaabli kaevamine maksab olenevalt maastikust 50–200 dollarit meetri kohta. Olemasolevatel postidel õhust kasutuselevõtt langetab selle 10–30 dollarini meetri kohta, kuid see seisab silmitsi lubavate väljakutsetega ja tormihaavatavusega.

Transiiverid ulatuvad 20 dollarist 1G SFP moodulite puhul 500 dollarini 10G SFP+ puhul, 2000 dollarini 100G QSFP28 puhul ja 8000 dollarini 400G QSFP-DD puhul. Pikamaa{14}}koherentsed transiiverid 100 km+ linkide jaoks maksavad 15 000–30 000 dollarit. Need hinnad langevad aja jooksul, kuid domineerivad siiski andmekeskuste ühenduste ja metroovõrkude majanduses.

Veealused kaablid esindavad optilise ülekande investeeringu äärmist lõppu. Atlandi-ülene kaabel maksab 300–500 miljonit dollarit ja selle paigaldamine võtab aega kaks aastat. Kuid see pakub 10–50 aastat teenust, edastades terabitti sekundis, pannes majanduse suuremate Interneti-põhivõrgu pakkujate jaoks tööle. Hiljutised kaablid, nagu Grace Hopper (2024), läbivad 4100 miili 17 kiupaariga, millest igaüks kannab 24 terabitti sekundis.

Hoolduskulud on väga erinevad. Kontrollitud keskkondadega andmekeskused näevad vähe probleeme, kui kaablid on korralikult paigaldatud. Välijaam vajab pidevat hooldust: vesi liitmikusulgurites, kiudude lõiked ehitusest, pistikute korrosioon, kaabli rike jääkoormusest. Telekommunikatsiooni pakkujad eelarvestavad hoolduseks igal aastal 2–5% kapitalikuludest.

Kogu omamiskulu soosib kiudaineid üle 100 meetri vahemaade puhul. Sellest madalamal töötab vask hästi 1–10 G kiirusel. Üle 10G muutub kiudaine kasutamine kohustuslikuks isegi lühikeste jooksude puhul. Üleminekupunkt nihkub pidevalt, kui transiiveri kulud langevad ja vask võitleb suurema kiirusega.

 

 

Tasuta-Space Optical vs Fiber

 

Mitte kõik optilised edastused ei kasuta kiudaineid. Vaba-kosmoseoptilised (FSO) süsteemid edastavad laserkiiri läbi õhu või kosmose, saavutades kiiruse 10 Gbps 1–2 kilomeetri kaugusel linnakeskkonnas või kuni 40 Gbit/s madala orbiidiga satelliitide vahel.

FSO väldib kiu paigaldamise kulusid, otsides ajutisi linke või kohti, kus kraavi kaevamine on võimatu. Tänavate või parklate vahel-ehitamine-linkide loomine toimib hästi. Kuid FSO seisab silmitsi väljakutsetega, millega kiud ei ole: udu võib suurendada sumbumist 100 dB/km (kiud: 0,2 dB/km), vihm 10 dB/km ja stsintillatsioon (atmosfääri turbulents) põhjustab signaali juhuslikku tuhmumist.

Osutamine ja jälgimine muutub kriitiliseks. 1-milliradiaani kiir, mis levib 1 kilomeetrile, loob 1-meetrise laigu. Tuulest või soojuspaisumisest tingitud õõtsus võib lingi täiesti valesti joondada. Aktiivsed jälgimissüsteemid kompenseerivad, kuid lisavad keerukust. Ja füüsilised takistused - linnud, putukad, ehitus - võivad tala ajutiselt blokeerida.

Satelliidi optilised lingid suruvad FSO äärmustesse. SpaceX Starlinki tähtkuju kasutab satelliitide vahelisi laserristsidemeid, saavutades vaakumi kaudu kiiruse 100 Gbps kuni 5000 kilomeetri kaugusel. Atmosfääri sumbumist ei toimu, kuid tuhandete kilomeetrite täpne näitamine nõuab keerukaid algoritme. Doppleri nihet suhtelisest liikumisest tuleb kompenseerida. Ja kosmosepraht kujutab endast pidevat ohtu.

FSO pigem täiendab kui asendab kiudaineid. Fiber pakub suure-usaldusväärsuse selgroogu, samas kui FSO tegeleb servajuhtumitega, kus kiud pole praktilised. Hübriidsüsteemid kasutavad nii-kiudu kui esmase tee jaoks, FSO-d tõrkesiirde või võimsuse suurendamisena.

 

Arenevad tehnoloogiad ja tulevikusuunad

 

Õõneskiud{0}}juhivad valgust läbi õhu fotoonilise kristallstruktuuri sees, mitte tahke klaasi sees. See vähendab latentsust (valgus liigub õhus kiirusega ligi 300 000 km/s versus 200 000 km/s klaasis) ja välistab mittelineaarsed efektid. Finantskauplemisettevõtted maksavad lisatasu iga säästetud mikrosekundi eest, muutes õõneskiu konkreetsete marsruutide jaoks majanduslikult elujõuliseks. Tehnilised väljakutsed on endiselt-kõrgemad tootmiskulud, suurem haprus ja suurem paindetundlikkus.

Ruumi-jaotusmultipleksimine (SDM) kasutab võimsuse suurendamiseks mitme-tuumalist või väheseid{2}}režiimi kiude. Seitsme-tuumaline kiud annab tõhusalt seitse sõltumatut kiudu ühes kaablis. Demonstratsioonisüsteemid saavutasid üle 100 Tbps, kasutades SDM-i koos WDM-iga. Kuid tuumade vaheline režiimide sidumine põhjustab läbirääkimist ja splaissimine muutub eksponentsiaalselt raskemaks. Kaubanduslik kasutuselevõtt jääb 5–10 aasta kaugusele.

Orbitaalse nurkimpulsi (OAM) multipleksimine keerab valguse spiraalseteks lainefrontideks, luues teise multipleksimise mõõtme. Laboridemonstratsioonid näitavad suutlikkuse suurenemist, kuid praktiline rakendamine seisab silmitsi tõsiste väljakutsetega. OAM-režiimid nõuavad vaba-ruumi või spetsiaalset kiudu, neil on suur kadu ja need on häirete suhtes äärmiselt tundlikud. Enamik teadlasi peab nüüd OAM-i olemasolevaid tehnikaid täiendavaks, mitte revolutsiooniliseks.

Kvantside kiudude kaudu võimaldab teoreetiliselt purunematut krüptimist kvantvõtmejaotuse (QKD) kaudu. Footonid kodeerivad kvantseisundeid, mida ei saa mõõta neid häirimata, paljastades pealtkuulamiskatsed. Hiina võttis 2017. aastal kasutusele 2000{5}}kilomeetrise QKD-võrgu. Kuid QKD-süsteemid on kallid, keerulised ega suurenda otseselt andmemahtu,{7}}nad kaitsevad kanalit, mitte ei laienda seda. Praktiline QKD piirdub kõrge turvalisusega rakendustega.

Ränifotoonika integreerib optilisi komponente räni kiipidele, kasutades CMOS-i tootmist. See lubab transiiverite, lülitite ja multiplekserite kulude tohutut vähendamist. Intel, Cisco ja teised tarnisid ränist fotoontooteid 2024. aastal. Kuid räni neelab valgust tavalistel telekommunikatsiooni lainepikkustel, mis nõuab laserite jaoks hübriidintegreerimist III-V materjalidega. Tehnoloogia täiustub pidevalt, kuid pole veel saavutanud lubatud-suuruses-kulude vähenemist.

 

Korduma kippuvad küsimused

 

Mis on optilise kiu kaudu andmeedastuse tegelik kiirus?

Valguse füüsiline levimiskiirus läbi klaaskiu on ligikaudu 200 000 kilomeetrit sekundis -umbes 67% valguse kiirusest vaakumis, mida aeglustab klaasi murdumisnäitaja 1,5. Andmeedastusvõimsuse jaoks saavutavad kaasaegsed ühe-lainepikkusega süsteemid kiiruse 100–400 Gbps, samal ajal mitut lainepikkust edastavad WDM-süsteemid 8–38 terabitti sekundis kiu kohta. Tüüpiliste vahemaade latentsusaeg on umbes 5 mikrosekundit kilomeetri kohta.

Kas optilised kiud saavad koos andmetega toidet kanda?

Standardsed optilised kiud edastavad ainult valgussignaale ega saa edastada elektrienergiat. Hübriidkaablid ühendavad aga optilisi kiude vaskjuhtidega, et pakkuda nii andmeid kui ka toidet{1}}, mis on levinud tööstuslikes rakendustes ja telekommunikatsiooniseadmetes. Mõned uuringud uurivad optiliste signaalide jõuülekande kodeerimist, kuid praktilised võimsustasemed jäävad enamiku rakenduste jaoks ebapiisavaks, mida piiravad fotoelektrilise muundamise efektiivsus ja kiukahjustuste läved.

Miks on fiibersüsteemidel ikka veel võimendeid vaja, kui kiu kadu on nii väike?

Isegi kui sumbumine on 0,2 dB kilomeetri kohta, nõrgenevad signaalid pikkadel vahemaadel märkimisväärselt. Pärast 100 kilomeetri läbimist langeb signaali tugevus 1/100 000-ni algsest võimsusest. Fotodetektorid nõuavad vastuvõetavate bitiveamäärade säilitamiseks minimaalset võimsustaset. Võimendid (tavaliselt EDFA-d iga 40-80 km järel kaugliinide süsteemides) taastavad signaali tugevust ilma elektroonikaks muutmata, võimaldades tuhandete kilomeetrite pikkuseid ookeaniüleseid kaableid.

Mis määrab, kas kasutada ühe--- või mitmemoodi{1}}kiudu?

Vahemaa ja ribalaiuse nõuded määravad valiku. Mitmerežiimiline kiud (50-62,5 mikroni südamik) töötab hästi 10 Gbps-ga alla 550 meetri kaugusel, kasutab odavamaid LED-transiivereid ning seda on lihtsam ühendada ja ühendada. Ühemoodiline kiud (8-10 mikronit südamikuga) on vajalik kauguste jaoks üle 550 meetri ja andmeedastuskiirusega üle 10 Gbps, see nõuab kallimaid lasertransiivereid ja vajab täpset joondust, kuid toetab koos võimendusega praktiliselt piiramatut kaugust.

Kuidas mõjutab ilm maetud või õhust kiudoptilisi kaableid?

Ilmastikuolud ei mõjuta klaaskiudu,{0}}ta on immuunne elektromagnetiliste häirete, temperatuurimuutuste ja niiskuse suhtes. Jääkoormusest, soojuspaisumise/kokkutõmbumise tsüklitest ja üleujutusest tulenev mehaaniline pinge võib aga kaableid kahjustada. Õhukaablite rikete määr on suurem tormide ja langevate okste tõttu. Maa-alused kaablid on paremini kaitstud, kuid haavatavad maapinna liikumise ja niiskuse sissetungimise suhtes ühendussulgurites. Õige kaabli projekteerimine ja paigaldamine vähendavad neid riske.

Kas kiudoptilisi kaableid saab koputada või kinni võtta nagu vaskkaableid?

Kiu pealtkuulamiseks on vaja füüsilist juurdepääsu ja spetsiaalseid seadmeid. Erinevalt vaskkaablitest, mis kiirgavad elektromagnetilisi signaale, mida saab eemalt püüda, piirab kiud valguse südamikus täieliku sisemise peegelduse kaudu. Koputamine nõuab kiu purustamist (põhjustab ilmse signaalikadu) või selle järsu painutamist, et valgus lekiks (tuvastatav võimsuse jälgimise abil). Kvantvõtmejaotussüsteemid suudavad tuvastada isegi mitteinvasiivseid koputuskatseid, muutes kiud oma olemuselt turvalisemaks kui elektriülekanne.

Mis põhjustab erinevate lainepikkuste (850 nm, 1310 nm, 1550 nm) kasutamist?

Erinevad lainepikkused tasakaalustavad mitut tegurit. 850nm töötab hästi odavate mitmemoodiliste kiud- ja VCSEL-laseritega lühikestel vahemaadel, kuid klaasi neeldumine on suurem. 1310nm saavutab "nulldispersiooni" punkti standardses ühe-moodilises kius, kus kromaatiline dispersioon on minimeeritud võrgu minimeerimiseks, sobib kõige vähem. (0,15-0,2 dB/km) ja töötab koos erbium-legeeritud võimenditega, muutes selle optimaalseks pikamaa edastamiseks. Valik sõltub kauguse nõuetest, kiu tüübist ja võimenduse vajadustest.

Kuidas saavutavad kiudühendused väikese kadu, hoolimata sellest, et need on lahtiühendatavad?

Täppisümbrised (keraamilised või metallist) hoiavad kiu otsa, poleeritud sub{0}}mikronilise tasasuseni ja joondatud 1–2 mikroni täpsusega. Hülsised puutuvad paaritumisel füüsiliselt kokku, vedru surve säilitab joonduse. Sellele vaatamata on tüüpiline pistikukadu 0,2-0,5 dB paarituse kohta (umbes 5-11% võimsuskadu). Väiksema kadu korral on vaja sulandusliitmist, mis ühendab kiud püsivalt, sulatades need kokku, saavutades 0,01–0,1 dB kadu, kuid välistades võimaluse lahtiühendamiseks.

 

Alumine rida

 

Optiline andmeedastus toimib, kuna täielik sisepeegeldus püüab valguse klaasi sees juuksekarvast õhemalt kinni ja kaasaegne elektroonika suudab seda valgust moduleerida miljardeid kordi sekundis. Füüsika on lihtne-valgus, mis põrkab läbi klaasi,-kuid selle rakendamine terabiti-sekundis-kiirusega üle ookeani-vahemaad nõuab erakordset inseneritööd.

Tehnoloogia pole täiuslik. Saastumine, füüsilised kahjustused ja komponentide ühilduvus põhjustavad reaalseid-tõrkeid. Kui aga õigesti paigaldatud ja hooldatud, tagab optiline kiud ületamatu ribalaiuse, kaugusvõime ja häiretekindluse. Seetõttu töötab peaaegu iga Interneti-ühendus väljaspool teie maja, kõik andmekeskused ja iga ookeaniülene ühendus kiudoptiliselt.

Järgmine kümnend toob pigem järkjärgulisi täiustusi kui revolutsioonilisi muutusi. Võimsus ulatub läbi tihedama WDM-i ja potentsiaalselt SDM-i. Ränifotoonika võib vähendada transiiveri kulusid. Kuid optiline andmeedastus-moduleeritud valgus, mis levib läbi klaasi täieliku sisemise peegelduse kaudu-, jääb globaalse side selgrooks. Füüsika töötab liiga hästi, et seda asendada.