Oversigt over optisk netværk

Et optisk netværk er et kommunikationssystem, der bruger lyssignaler, i stedet for elektroniske, til at sende information mellem to eller flere punkter. Punkterne kunne være computere på et kontor, store bycentre eller endda nationer i det globale telekommunikationssystem. Optiske netværk omfatter optiske sendere og modtagere, fiberoptiske kabler, optiske switches og andre optiske komponenter. Optiske og elektroniske netværk kan antage flere forskellige former. Punkt-til-punkt netværk laver permanente forbindelser mellem to eller flere punkter, så ethvert par af noder kan kommunikere med hinanden; punkt-til-multipunkt-netværk udsender de samme signaler samtidigt til mange forskellige noder; koblede netværk som telefonsystemet inkluderer switches, der laver midlertidige forbindelser mellem par af noder. De grundlæggende byggeklodser i disse netværk er fiberoptiske kabler - de såkaldte rør - som fører signaler fra knude til knude, med switches, der dirigerer dem til deres destination.

Signalet

Et optisk signal består af en række impulser, der frembringes ved at slukke og tænde en laserstråle. Dens hastighed afhænger af, hvor hurtigt strålen kan tændes og slukkes, og hvor meget pulserne spredes i længden under transmissionen, en effekt kaldet spredning. Mængden af ​​spredning afhænger af typen af ​​fiber, fiberlængden og arten af ​​det optiske signal. Jo mere spredning, jo sværere er det at skelne mellem tilstødende impulser. Med den nuværende teknologi kan forskellige typer fiber kombineres for at reducere spredningseffekter, hvilket muliggør transmission med 10 gigabit i sekundet i et par tusinde kilometer. For at opnå hurtigere transmissionshastigheder udforsker forskere måder at aktivt kompensere for spredning.

En enkelt fiber kan transmittere mange separate signaler samtidigt ved forskellige bølgelængder af lys, en teknik kaldet bølgelængdedelingsmultipleksing. Dette er analogt med at udsende mange radio- og tv-signaler gennem luften ved forskellige frekvenser.

Ligesom antallet af radiostationer er det maksimale antal optiske kanaler begrænset af det spektrum, der bruges for hver kanal, og den samlede mængde spektrum, der er tilgængeligt. Enheder kaldet demultipleksere adskiller de optiske kanaler og distribuerer dem til separate optiske modtagere. Demultipleksere opdeler spektret i meget smalle bidder, og isolerer hver optisk kanal fra tilstødende.

Multiplicering af antallet af optiske kanaler med datahastigheden på hver optisk kanal giver en fibers samlede transmissionskapacitet. Laboratorieforsøg har transmitteret mere end 10 billioner bit (10 terabit) i sekundet gennem mere end 100 kilometer fiber. Kommercielle transmissionshastigheder overstiger dog typisk ikke et par hundrede gigabit pr. sekund.

At opnå disse høje datahastigheder og flere kanaler kræver sofistikerede komponenter. Halvlederlasere - som genererer de lysimpulser, der bruges i næsten alle fiberoptiske kommunikationssystemer - skal kun udsende et meget snævert bølgelængdeområde for at begrænse spredning. Fibre er også designet til at begrænse spredning.

Forstærkere

De klareste optiske fibre kan transmittere signaler mere end 100 kilometer uden forstærkning - meget længere end kobbertråde. Når signalet skal spænde over en længere afstand, føres det gennem en optisk forstærker, som multiplicerer styrken af ​​det optiske signal. De mest udbredte optiske forstærkere er fibre doteret med atomer af erbium, et sjældent jordarters element, der absorberer lysenergi fra en ekstern pumpelaser. Erbium-atomerne frigiver derefter denne energi for at forstærke svage optiske signaler over hele bølgelængdebåndet, som laseren transmitterer. Med omhyggelig kontrol kan en række af snesevis af optiske fiberforstærkere sende signaler tusindvis af kilometer over havet.

Optiske kontakter

En udfordring for optisk netværk er, hvordan man skifter lyssignaler. Når et signal ankommer til sin destination, skal det adskilles fra resten af ​​kanalerne. For at slippe et signal ved et mellemliggende punkt adskiller et optisk filter den korrekte bølgelængde fra resten. Udstyr på det tidspunkt kan også tilføje et nyt signal til den nu ubesatte bølgelængde.

Optiske omskiftere kan fungere på en enkelt bølgelængde eller på alle de bølgelængder, der transmitteres gennem en fiber. Et fast filter, som det, der er beskrevet ovenfor, kunne erstattes af en kontakt, der vælger et af flere filtre for at aflede den ønskede bølgelængde til det mellemliggende punkt. En tredje slags switch adskiller bølgelængderne i separate stråler, og et bevægeligt spejl dirigerer en eller flere af bølgelængderne i en anden retning. Andre optiske omskiftere skifter samtidig alle bølgelængder, der passerer gennem en fiber; et eksempel er et spejl ved fiberudgangen, der kan vippe mellem to forskellige positioner for at omdirigere alle optiske kanaler i tilfælde af fiberbrud.

De foregående eksempler kaldes helt optiske kontakter, fordi de fungerer på lyssignaler. En anden klasse af omskiftere konverterer optiske signaler til en elektronisk form, som kan skiftes elektronisk; det resulterende elektroniske signal føres derefter ind i en optisk sender for at generere et nyt optisk signal. Disse kaldes opto-elektro-optiske kontakter.

Efterhånden som teknologien fortsætter med at udvikle sig, bliver optiske netværk nødt til at konvertere signaler fra en bølgelængde til en anden. Dette kan gøres nu med opto-elektro-optiske bølgelængdekonvertere, der konverterer det optiske inputsignal til elektronisk form for at drive en sender ved den anden bølgelængde. Alle optiske bølgelængdekonvertere er blevet demonstreret i laboratoriet, men er endnu ikke brugt i praktiske systemer. Der vil også være behov for laserkilder, der kan indstilles til mange forskellige bølgelængder; flere typer er påvist, og nogle er i kommerciel produktion.

skjule