Comunicarea prin fibra optica este o metoda de transmitere a informatiilor dintr-un loc in altul prin trimiterea impulsurilor de lumina infrarosie printr-o fibra optica. Lumina este o forma de unda purtatoare care este modulata pentru a transporta informatii.
Fibra este preferata in fata cablarii electrice atunci cand este necesara o latime de banda mare, distanta mare sau imunitate la interferente electromagnetice. Acest tip de comunicatie poate transmite voce, video si telemetrie prin retele locale sau pe distante mari.
Fibra optica este utilizata de multe companii de telecomunicatii pentru a transmite semnale telefonice, comunicatii prin Internet si semnale de televiziune prin cablu. Cercetatorii de la Bell Labs au atins un record al latimii de banda la distanta, de peste 100 petabit pe secunda utilizand comunicatia cu fibra optica.
Dezvoltare
Dezvoltata pentru prima data in anii 1970, fibra optica a revolutionat industria telecomunicatiilor si a jucat un rol major in aparitia erei informatiei. Datorita avantajelor sale fata de transmisia electrica, fibrele optice au inlocuit in mare masura comunicatiile cu fir de cupru in retelele din lumea dezvoltata.
Procesul de comunicare utilizand fibra optica implica urmatorii pasi de baza:
- crearea semnalului optic implicand utilizarea unui emitator, de obicei dintr-un semnal electric
- retransmiterea semnalului de-a lungul fibrei, asigurandu-se ca semnalul nu devine prea distorsionat sau slab
- primirea semnalului optic
- transformarea semnalului optic intr-un semnal electric
Aplicatii
Fibra optica este utilizata de companiile de telecomunicatii pentru a transmite semnale telefonice, comunicatii prin Internet si semnale de televiziune prin cablu. Este, de asemenea, utilizata in alte industrii, inclusiv medicale, de aparare, guvernamentale, industriale si comerciale. Pe langa faptul ca serveste scopurilor de telecomunicatii, este folosita ca ghidaj de lumina, pentru instrumente de imagistica, lasere, hidrofoane pentru unde seismice, SONAR si ca senzor pentru masurarea presiunii si temperaturii.
Datorita atenuarii si interferentelor mai mici, fibra optica are avantaje fata de firul de cupru in aplicatii pe distante mari, cu latime de banda mare. Cu toate acestea, dezvoltarea infrastructurii in orase este relativ dificila si consuma mult timp, iar sistemele cu fibra optica pot fi complexe si costisitoare de instalat si operat. Din cauza acestor dificultati, sistemele timpurii de comunicatii cu fibra optica au fost instalate in principal in aplicatii pe distante lungi, unde pot fi utilizate la capacitatea lor completa de transmisie, compensand costul crescut. Preturile comunicatiilor cu fibra optica au scazut considerabil din 2000.
Pretul pentru instalarea fibrei la case a devenit in prezent mai rentabil decat cel al desfasurarii unei retele pe baza de cupru. Preturile au scazut la 850 USD per abonat in SUA si mai mici in tari precum Tarile de Jos, unde costurile de instalare sunt scazute si densitatea locuintelor este ridicata.
Din 1990, cand sistemele de amplificare optica au devenit disponibile comercial, industria telecomunicatiilor a stabilit o vasta retea de linii de comunicatii interurbane si de fibre transoceanice. Pana in 2002, o retea intercontinentala de 250.000 km cablu de comunicatii submarine cu o capacitate de 2,56 Tb / s a fost finalizata si, desi capacitatile specifice retelei sunt informatii privilegiate, rapoartele de investitii in telecomunicatii indica faptul ca aceasta retea si-a crescut capacitatea dramatic din 2004.
Tehnologie
Sistemele moderne de comunicatii cu fibra optica includ, in general, un transmitator optic pentru a converti un semnal electric intr-un semnal optic – pentru a-l trimite prin fibra optica (intr-un cablu care contine pachete de fibre optice multiple si care este dirijat prin conducte si cladiri subterane), mai multe tipuri de amplificatoare si un receptor optic pentru recuperarea semnalului ca semnal electric. Informatiile transmise sunt de obicei informatii digitale generate de computere, sisteme de telefonie si companii de televiziune prin cablu.
Transmitatoare
Cele mai utilizate transmitatoare optice sunt dispozitivele semiconductoare, cum ar fi diodele emitatoare de lumina (LED-uri) si diodele laser. Diferenta dintre LED-uri si diode laser este ca LED-urile produc lumina incoerenta, in timp ce diodele laser produc lumina coerenta. Pentru utilizarea in comunicatii optice, emitatoarele optice semiconductoare trebuie sa fie proiectate astfel incat sa fie compacte, eficiente si fiabile, in timp ce functioneaza intr-un interval optim de lungimi de unda si modulate direct la frecvente inalte.
In forma sa cea mai simpla, un LED este o jonctiune p-n polarizata inainte, care emite lumina prin emisie spontana, fenomen denumit electroluminiscenta. Lumina emisa este incoerenta, cu o latime spectrala relativ larga de 30-60 nm. Transmiterea luminii cu LED este, de asemenea, ineficienta, cu doar aproximativ 1% din puterea de intrare, sau aproximativ 100 de microwati, transformata in cele din urma in putere cuplata in fibra optica. Cu toate acestea, datorita designului lor relativ simplu, LED-urile sunt foarte utile pentru aplicatii cu costuri reduse.
LED-urile de comunicatii sunt cel mai frecvent fabricate din fosfura de arsenida de galiu de indiu (InGaAsP) sau arsenura de galiu (GaAs). Latimea spectrului mare al LED-urilor este supusa unei dispersii mai mari a fibrelor, limitand considerabil produsul lor de viteza in biti (o masura obisnuita de utilitate). LED-urile sunt potrivite in principal pentru aplicatii de retea locala, cu rate de biti de 10–100 Mbit / s si distante de transmisie de cativa kilometri. De asemenea, au fost dezvoltate LED-uri care utilizeaza mai multe puturi cuantice pentru a emite lumina la diferite lungimi de unda pe un spectru larg si sunt in prezent utilizate pentru retelele WDM (Wavelength-Division Multiplexing).
Astazi, LED-urile au fost in mare parte inlocuite de dispozitivele VCSEL (Laser Vertical Cavity Surface Emitting Laser), care ofera viteza, putere si proprietati spectrale imbunatatite, la un cost similar. Dispozitivele VCSEL obisnuite se cupleaza bine cu fibra multi-mod.
Un laser semiconductor emite lumina prin emisie stimulata, mai degraba decat emisiune spontana, ceea ce are ca rezultat o putere de iesire mare (~ 100 mW), precum si alte beneficii legate de natura luminii coerente. Iesirea unui laser este relativ directionala, permitand o eficienta ridicata a cuplarii (~ 50%) in fibra monomod. Latimea spectrala ingusta permite, de asemenea, rate mari de biti, deoarece reduce efectul dispersiei cromatice. Mai mult, laserele semiconductoare pot fi modulate direct la frecvente inalte din cauza timpului scurt de recombinare.
Clasele utilizate in mod obisnuit de emitatoare laser cu semiconductori utilizate in fibra optica includ VCSEL (Laser cu emisie de suprafata cu cavitate verticala), Fabry – Pérot si DFB (Distributed Feed Back).
Diodele laser sunt adesea modulate direct, adica iesirea luminii este controlata de un curent aplicat direct dispozitivului. Pentru rate de date foarte mari sau legaturi pe distante foarte mari, o sursa laser poate fi operata cu unda continua, iar lumina modulata de un dispozitiv extern, un modulator optic, cum ar fi un modulator de electroabsorbtie sau un interferometru Mach-Zehnder.
Modulatia externa mareste distanta de legatura realizabila prin eliminarea semnalului cu laser, care extinde latimea de linie a laserelor direct modulate, crescand dispersia cromatica in fibra. Pentru o eficienta foarte mare a latimii de banda, poate fi utilizata o modulatie coerenta pentru a varia faza luminii in plus fata de amplitudine, permitand utilizarea QPSK, QAM si OFDM.
Tipuri de cabluri de fibra
Un cablu din fibra optica consta dintr-un miez, un invelis de protectie si un tampon (un strat exterior de protectie), in care materialul invelisului ghideaza lumina de-a lungul miezului utilizand metoda reflexiei interne totale. Miezul si invelisul (care are un indice de refractie mai scazut) sunt de obicei realizate din sticla de siliciu de inalta calitate, desi ambele pot fi fabricate si din plastic. Conectarea a doua fibre optice se realizeaza prin imbinare prin fuziune sau prin imbinare mecanica si necesita abilitati speciale si tehnologie de interconectare datorita preciziei microscopice necesare alinierii miezurilor fibrelor.
Doua tipuri principale de fibre optice utilizate in comunicatiile optice includ fibrele optice multi-mod si fibrele optice monomod. O fibra optica multi-mod are un miez mai mare (≥ 50 micrometri), permitandu-se conectarea la aceasta a emitatorilor si receptoarelor mai putin precise, mai ieftine, precum si a conectorilor mai ieftini. Cu toate acestea, o fibra multi-mod introduce distorsiuni multimode, care deseori limiteaza latimea de banda si lungimea legaturii.
Mai mult, datorita continutului sau ridicat de dopant, fibrele multi-mod sunt de obicei scumpe si prezinta o atenuare mai mare. Miezul unei fibre monomod este mai mic (<10 micrometri) si necesita componente si metode de interconectare mai scumpe, dar permite legaturi mult mai lungi, cu performante superioare. Atat fibrele single-mode, cat si cele multi-mode sunt oferite in diferite grade.
Pentru a impacheta fibra intr-un produs viabil din punct de vedere comercial, aceasta este de obicei acoperita cu protectie prin utilizarea polimerilor acrilat fotopolimerizati ultraviolete (UV), apoi este prevazuta cu conectori speciali pentru fibra optica si, in final, asamblata intr-un cablu. Acesta poate fi asezat in pamant si apoi rulat prin peretii unei cladiri si desfasurat aerial intr-un mod similar cu cablurile de cupru. Aceste fibre necesita mai putina intretinere odata ce sunt desfasurate.
Cabluri specializate sunt utilizate pentru transmiterea datelor submarine pe distante lungi, de ex. cablul de comunicatii transatlantice. Cablurile noi (2011-2013) operate de intreprinderi comerciale (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic) au de obicei patru fire de fibra si traverseaza Atlanticul. Costul fiecarui astfel de cablu a fost de aproximativ 300 milioane USD in 2011.
O alta practica obisnuita este de a grupa mai multe fire de fibra optica in cabluri de curent electric pe distantei lungi. Acest lucru exploateaza in mod eficient drepturile de transport a energiei electrice, iar o companie de energie electrica poate detine si controla fibra necesara pentru a-si monitoriza propriile dispozitive si linii.
