Principios y sistemas de comunicación por fibra óptica

La comunicación por fibra óptica es un método de comunicación que utiliza ondas de luz para transmitir información en fibras ópticas (definición). Debido a que el láser tiene importantes ventajas, como alta directividad, alta coherencia y alta monocromaticidad, la onda de luz en la comunicación por fibra óptica es principalmente láser, por lo que también se la denomina comunicación láser-fibra.

La comunicación por fibra óptica, también conocida como comunicación por fibra óptica, se refiere a una forma de transmitir información utilizando luz y fibra óptica. Es un tipo de comunicación por cable. La luz puede transportar información después de ser modulada. Desde los años 80, los sistemas de comunicación por fibra óptica han revolucionado la industria de las telecomunicaciones y también juegan un papel muy importante en la era digital. La comunicación por fibra óptica tiene muchas ventajas, como una gran capacidad de transmisión y una buena confidencialidad. La comunicación por fibra óptica se ha convertido en la actualidad en el método de comunicación por cable más importante. La información a transmitir se ingresa al transmisor en el extremo transmisor, la información se superpone o modula sobre la onda portadora como portadora de señal de información, y luego la onda portadora modulada se transmite al extremo receptor remoto a través del medio de transmisión, y El receptor demodula la información original.

Según los diferentes métodos de modulación de señal, la comunicación por fibra óptica se puede dividir en comunicación por fibra óptica digital y comunicación por fibra óptica analógica. La industria de las comunicaciones por fibra óptica incluye cables de fibra óptica, dispositivos ópticos, equipos ópticos, instrumentos de comunicación óptica, circuitos integrados de comunicación óptica y otros campos.

El uso de fibra óptica para la comunicación suele requerir los siguientes pasos:

Utilizar un transmisor para generar una señal óptica.

Al transmitir señales a través de fibras ópticas, se debe garantizar que las señales ópticas no se atenúen ni se deformen gravemente en las fibras ópticas.

La señal óptica es recibida por el receptor y convertida en señal eléctrica.

El principio de la comunicación por fibra óptica es: en el extremo emisor, la información transmitida (como la voz) primero debe convertirse en una señal eléctrica y luego modularse en el rayo láser emitido por el láser, de modo que que la intensidad de la luz cambia con la amplitud de la señal eléctrica (frecuencia) y se envía a través de la fibra óptica en el extremo receptor, el detector convierte la señal óptica en una señal eléctrica después de recibirla y restaura la señal; información original después de la demodulación.

La mayoría de los sistemas de comunicación por fibra óptica modernos incluyen un transmisor que convierte señales eléctricas en señales ópticas y luego transmite las señales ópticas a través de fibras ópticas. La mayoría de las fibras ópticas están enterradas bajo tierra y conectan diferentes edificios. El sistema también incluye varios amplificadores ópticos y un receptor óptico para convertir la señal óptica nuevamente en una señal eléctrica. La mayoría de las señales transmitidas en los sistemas de comunicación de fibra óptica son señales digitales y sus fuentes incluyen computadoras, sistemas telefónicos o sistemas de televisión por cable.

Transmisor

El componente semiconductor que suele utilizarse como fuente de luz en un sistema de comunicación por fibra óptica es un diodo emisor de luz (LED) o un diodo láser (diodo láser). La principal diferencia entre los LED y los diodos láser es que la luz emitida por los primeros no es coherente, mientras que los segundos son luz coherente. Las ventajas de utilizar semiconductores como fuentes de luz son el tamaño pequeño, la alta eficiencia luminosa, la buena confiabilidad y la capacidad de optimizar la longitud de onda. Más importante aún, las fuentes de luz semiconductoras se pueden modular directamente en operación de alta frecuencia, lo cual es muy adecuado para las necesidades. de sistemas de comunicación por fibra óptica.

El LED emite luz no coherente basada en el principio de electroluminiscencia, y el espectro suele estar disperso entre 30 nanómetros y 60 nanómetros. Otra desventaja de los LED es su baja eficiencia luminosa. Normalmente sólo el 1% de la potencia de entrada se puede convertir en potencia óptica, que es de unos 100 milivatios (microvatios). Sin embargo, debido a que los LED son relativamente baratos, a menudo se utilizan en aplicaciones de bajo costo. Los principales materiales LED comúnmente utilizados en las comunicaciones ópticas son el arseniuro de galio o el arseniuro de galio fósforo (GaAsP). La longitud de onda luminosa de este último es de aproximadamente 1300 nanómetros, que es más adecuado para su uso en comunicaciones de fibra óptica que los 810 nanómetros a 870 nanómetros del arseniuro de galio. Debido a la amplia gama de espectro de los LED, la dispersión es más grave, lo que también limita el producto de su velocidad de transmisión y la distancia de transmisión. Los LED se utilizan generalmente en redes de área local (LAN) con velocidades de transmisión de 10 Mb/s a 100 Mb/s, y la distancia de transmisión también es de varios kilómetros.

También hay LED que contienen varias estructuras de pozos cuánticos, que permiten que el LED emita luz de diferentes longitudes de onda y cubra un amplio espectro. Este tipo de LED se usa ampliamente en redes regionales de multiplexación por división de longitud de onda.

La potencia de salida de los láseres semiconductores suele ser de unos 100 microvatios (mW) y es una fuente de luz coherente con una directividad relativamente fuerte. Normalmente, la eficiencia de acoplamiento con fibra óptica monomodo puede alcanzar el 50 %. . El estrecho espectro de salida del láser también ayuda a aumentar la velocidad de transmisión y reducir la dispersión modal (dispersión del modelo). Los láseres semiconductores también pueden modularse a frecuencias operativas relativamente altas porque su tiempo de recombinación es muy corto.

Los láseres semiconductores generalmente pueden modular directamente su estado de conmutación y señal de salida de acuerdo con la corriente de entrada. Sin embargo, para algunas aplicaciones con velocidades de transmisión muy altas o largas distancias de transmisión, la fuente de luz láser puede controlarse en forma de. onda continua, como el uso de un modulador de electroabsorción externo o un interferómetro Mach-Zehnder para modular la señal óptica. Los componentes de modulación externos pueden reducir significativamente el "pulso chirrido" del láser. Los pulsos chirriados ampliarán el ancho de la línea espectral del láser, provocando que la dispersión en la fibra se vuelva grave.

Fibra óptica

El cable de fibra óptica contiene un núcleo, un revestimiento y una capa protectora exterior. El núcleo y la cubierta de fibra con un alto índice de refracción suelen estar hechos de vidrio de sílice de alta calidad, pero ahora también hay fibras ópticas de plástico. Y debido a que la capa exterior de la fibra óptica está cubierta con acrilato curado con rayos ultravioleta, se puede enterrar bajo tierra como cables de cobre sin mucho costo de mantenimiento. Sin embargo, si la fibra se dobla demasiado, todavía existe el riesgo de romperse. Y debido a que la conexión entre los dos extremos de la fibra óptica requiere una alineación muy precisa, es difícil volver a unir una fibra óptica rota.

Amplificador óptico

En el pasado, la limitación de distancia de la comunicación por fibra óptica se debía principalmente a la atenuación y deformación de la señal en la fibra óptica. La solución era utilizar fotoeléctrica. repetidores de conversión. Este tipo de repetidor primero convierte la señal óptica nuevamente en una señal eléctrica, la amplifica y luego la convierte en una señal óptica más fuerte y la transmite al siguiente repetidor. Sin embargo, esta arquitectura del sistema es indudablemente más compleja y no es adecuada para este tipo de repetidor. Nueva generación de tecnología de multiplexación por división de longitud de onda y requiere un repetidor cada 20 kilómetros, lo que dificulta la reducción del coste de todo el sistema.

El propósito de un amplificador óptico es amplificar directamente señales ópticas sin ser utilizado para conversión fotoeléctrica y electroóptica. El principio de un amplificador óptico es dopar una sección de fibra óptica con elementos de tierras raras como el erbio y luego bombearla con un láser de longitud de onda corta. Esto puede amplificar señales ópticas y reemplazar repetidores.

Receptor

El componente principal del receptor óptico es el fotodetector, que utiliza el efecto fotoeléctrico para convertir la señal óptica incidente en una señal eléctrica. Los fotodetectores suelen ser fotodiodos basados ​​en semiconductores, como diodos de unión p-n, diodos p-i-n o diodos de avalancha. Además, los fotodetectores de "Metal-Semiconductor-Metal" (MSM) también se utilizan en regeneradores ópticos o demultiplexores de longitud de onda debido a su buena integración con los circuitos.

Los circuitos receptores ópticos suelen utilizar amplificadores de transimpedancia (TIA) y amplificadores limitadores (amplificadores limitadores) para procesar la fotocorriente convertida por el fotodetector. Los amplificadores de transimpedancia y los amplificadores limitadores pueden convertir la fotocorriente en una señal de voltaje con una menor. amplitud y luego se convierte en una señal digital a través del circuito comparador de fondo.

Para los sistemas de comunicación de fibra óptica de alta velocidad, la señal suele estar relativamente atenuada. Para evitar que la salida de la señal digital del circuito receptor se deforme más allá de las especificaciones, generalmente se agrega un circuito de recuperación de reloj (recuperación de reloj, CDR). la etapa descendente del circuito receptor) y el bucle de bloqueo de fase (PLL) procesan la señal de forma adecuada antes de emitirla.

Desmultiplexación de longitud de onda

El método real de demultiplexación de longitud de onda es dividir la longitud de onda de trabajo de la fibra óptica en múltiples canales (canales) para que se puedan transmitir más datos dentro de la misma fibra óptica. Mucha información. Un sistema completo de multiplexación por división de longitud de onda se divide en un multiplexor por división de longitud de onda en el extremo transmisor y un demultiplexor por división de longitud de onda en el extremo receptor. Los componentes más comúnmente utilizados en los sistemas de multiplexación por división de longitud de onda son las rejillas de guía de onda en matriz (AWG). Actualmente, existen en el mercado demultiplexores/demultiplexores de longitud de onda comerciales, que pueden dividir el sistema de comunicación de fibra óptica en hasta 80 canales, permitiendo que la velocidad de transmisión de datos supere repentinamente el nivel de Tb/s.

Producto ancho de banda-distancia

A medida que la distancia de transmisión es mayor, el fenómeno de dispersión en la fibra óptica se vuelve más grave, afectando a la calidad de la señal. Por lo tanto, un indicador comúnmente utilizado para evaluar sistemas de comunicación por fibra óptica es el producto ancho de banda-distancia, cuya unidad es megahercios × kilómetro (MHz × km). La razón para utilizar el producto de estos dos valores como indicador es que, por lo general, los dos valores no mejorarán al mismo tiempo, sino que deben compensarse. Por ejemplo, el producto ancho de banda-distancia de un sistema de fibra multimodo común es de aproximadamente 500 MHz × km, lo que significa que el ancho de banda de la señal de este sistema puede alcanzar los 500 MHz en un kilómetro. Si la distancia se reduce a 0,5 kilómetros, el ancho de banda puede alcanzar los 500 MHz. duplicarse a 1000MHz. -Tecnología de comunicación de fibra óptica Yadu