Sistema de comunicação de fibra óptica que equipamentos compõem o desenvolvimento da tecnologia de comunicação de fibra óptica introdução

Sistema de comunicação por fibra óptica, o que significa sistema de comunicação por fibra óptica

　　sistema de comunicação de fibra óptica

　　O sistema de comunicação de fibra óptica de fibra óptica é um sistema de comunicação que usa luz como portadora, usa fibra óptica ultrafina extraída de vidro de pureza extremamente alta como meio de transmissão e usa luz para transmitir informações por meio de conversão fotoelétrica. Com o rápido desenvolvimento dos negócios internacionais da Internet e da indústria de comunicação, a informatização trouxe um grande impulso para o desenvolvimento da produtividade mundial e da sociedade humana. Como um dos principais pilares técnicos da informatização, a comunicação por fibra ótica certamente se tornará a indústria estratégica mais importante do século XXI. A tecnologia de comunicação por fibra ótica e a informática são os dois pilares centrais da informatização: o computador é responsável por digitalizar a informação e inseri-la na rede, a fibra ótica é responsável pela transmissão da informação. No desenvolvimento da sociedade e economia contemporâneas, a capacidade de informação está aumentando a cada dia. A fim de melhorar a velocidade de transmissão e capacidade de informação, a comunicação por fibra óptica é amplamente utilizada no desenvolvimento da informatização e tornou-se uma importante tecnologia no campo de informação após a tecnologia microeletrônica.

　　Sistema Básico de Comunicação de Fibra Óptica

　　O sistema de comunicação de fibra óptica mais básico consiste em fonte de dados, transmissor óptico, canal óptico e receptor óptico. A fonte de dados inclui todas as fontes de sinal, que são sinais obtidos pela codificação dos serviços de voz, imagem e dados através da fonte, cabendo ao transmissor óptico e ao modulador converter o sinal em um sinal óptico adequado para transmissão na fibra óptica. as janelas de onda usadas sucessivamente são 0,85, 1,31 e 1,55. O canal óptico inclui a fibra óptica mais básica, bem como o amplificador de relé EDFA, etc.; o receptor óptico recebe o sinal óptico, extrai informações dele e depois o converte em sinal elétrico e, finalmente, obtém a voz correspondente, imagem, dados e outras informações.

　　Sistema de Comunicação Óptica Digital

　　Os sistemas de transmissão por fibra óptica são canais ideais para comunicações digitais. Comparada com a comunicação analógica, a comunicação digital tem muitas vantagens, como alta sensibilidade e boa qualidade de transmissão. Portanto, a maioria dos sistemas de comunicação de fibra óptica de alta capacidade e longa distância adotam métodos de transmissão digital.

　　No sistema de comunicação por fibra óptica, os pulsos de luz binários código "0" e código "1" são transmitidos na fibra óptica, os quais são gerados pela modulação on-off da fonte de luz pelo sinal digital binário. O sinal digital é gerado pela amostragem, quantização e codificação do sinal analógico em constante mudança, que é chamado de PCM (modulação por código de pulso), ou seja, modulação por código de pulso. Este sinal digital elétrico é chamado de sinal de banda base digital, que é gerado pelo terminal elétrico PCM.

　　Composição básica do sistema de comunicação de fibra óptica

　　(1) Transmissor óptico

　　O transmissor óptico é um transceptor óptico que realiza a conversão elétrica/óptica. Consiste em fonte de luz, driver e modulador. Sua função é modular a onda de luz emitida pela fonte de luz pelo sinal elétrico do terminal elétrico para se tornar uma onda de luz modulada, e então acoplar o sinal de luz modulado à fibra óptica ou cabo para transmissão. A máquina terminal elétrica é o equipamento de comunicação eletrônica convencional.

　　(2) Receptor óptico

　　O receptor óptico é um transceptor óptico que realiza a conversão óptica/elétrica. Consiste em um fotodetector e um amplificador óptico. Sua função é converter o sinal óptico transmitido pela fibra óptica ou cabo óptico em um sinal elétrico através do fotodetector e, em seguida, amplificar o sinal elétrico fraco a um nível suficiente através do circuito amplificador e enviá-lo ao terminal elétrico no receptor final para drenar.

　　(3) Fibra óptica ou cabo óptico

　　Uma fibra óptica ou um cabo óptico constitui um caminho de transmissão de luz. Sua função é acoplar o sinal de atenuação de luz enviado pela extremidade emissora ao detector óptico na extremidade receptora após a transmissão de longa distância por fibra óptica ou cabo óptico, de modo a concluir a tarefa de transmissão de informações.

　　(4) Repetidor

　　O repetidor é composto por fotodetector, fonte de luz e circuito de regeneração de decisão. Tem duas funções: uma é compensar a atenuação do sinal óptico quando este é transmitido na fibra óptica; a outra é fechar o pulso de distorção da forma de onda.

　　(5) Componentes passivos, como conectores e acopladores de fibra óptica

　　Uma vez que o comprimento da fibra óptica ou do cabo óptico é limitado pelo processo de desenho da fibra óptica e pelas condições de construção do cabo de fibra óptica, o comprimento do desenho da fibra óptica também é limitado (como 1 km). Portanto, pode haver um problema de conectar várias fibras ópticas em uma linha de fibra óptica. Portanto, a conexão entre fibras ópticas, a conexão e o acoplamento entre fibras ópticas e transceptores ópticos são indispensáveis ​​para o uso de dispositivos passivos como conectores e acopladores de fibra óptica.

　　Sistemas de Backup e Equipamentos Auxiliares

　　Para garantir o bom fluxo do sistema, geralmente é configurado um sistema de backup, assim como o backup do disco. Em circunstâncias normais, apenas o sistema principal funciona. Uma vez que o sistema principal falha, ele pode ser alternado para o sistema de backup imediatamente, para garantir que a comunicação seja suave e correta.

　　O equipamento auxiliar é a perfeição do sistema, que inclui sistema de monitoramento e gerenciamento, sistema de comunicação oficial, sistema de comutação automática, sistema de processamento de alarme, sistema de fornecimento de energia, etc.

　　Entre eles, o sistema de monitoramento e gerenciamento pode monitorar automaticamente o desempenho e o status de trabalho de vários equipamentos que compõem o sistema de transmissão de fibra óptica, e automaticamente alarmar e lidar com isso quando ocorrer uma falha e implementar o controle automático do sistema de comutação de proteção. Para linhas de comunicação de longa distância com várias estações de retransmissão e centrais de manutenção de linha com acesso multidirecional e multisistema, o monitoramento centralizado é um método de manutenção necessário.

　　O desenvolvimento real da comunicação óptica moderna ocorreu apenas nos últimos 30 a 40 anos, e o nascimento de lasers e fibras ópticas desempenhou um papel importante. Primeiro, Maiman inventou o laser de rubi em 1960. A forte luz coerente gerada pelo laser forneceu uma fonte de luz confiável para comunicações ópticas modernas. Esse laser de comprimento de onda único tem as mesmas propriedades das ondas de rádio comuns, que podem ser moduladas para transportar informações. As primeiras comunicações ópticas usando lasers também viajaram pela atmosfera. Mas logo se descobriu que muitos fatores como neblina, chuva, nuvens e até mesmo um grupo de pássaros voando ocasionalmente interferiam na propagação das ondas de luz, então elas só poderiam ser usadas para comunicação de curta distância. Obviamente, um cabo como radiofrequência ou comunicação de micro-ondas era necessária. Ou uma linha de transmissão de comunicação de onda de luz como um guia de onda para superar esses efeitos e realizar a transmissão estável de informações de longa distância.

　　Em 1965, E. Miller relatou um guia de onda óptico composto por uma série de lentes em um tubo oco de metal. Ele pode evitar as deficiências da transmissão atmosférica, mas sua estrutura é muito complicada e os requisitos de precisão são muito altos para serem práticos. Por outro lado, as pesquisas com fibras ópticas estão bem encaminhadas. Já em 1951, a fibra de vidro medicinal foi inventada, mas a perda dessa fibra óptica inicial era muito grande (maior que 1000 dB/km) e não podia ser usada como meio de transmissão para comunicação óptica. Em 1966, CK Kao e GA Hockman publicou um artigo sobre o desenvolvimento da comunicação por fibra óptica, artigos famosos de importância histórica. Depois de analisar os principais motivos da alta perda de transmissão da fibra óptica, eles apontaram que se as impurezas no vidro puderem ser completamente removidas, a perda pode ser reduzida para 20dB/km - equivalente ao nível dos cabos coaxiais, então o óptico fibra pode ser usada para transmissão óptica.comunicação. Encorajada por essa expectativa, a Corning finalmente produziu uma fibra ótica com perda de 20dB/km em 1970, abrindo caminho para o desenvolvimento da comunicação por fibra ótica. O estudo das características espectrais da fibra constatou que ela possui três janelas de transmissão de baixa perda, a saber, a janela de comprimento de onda curto de 850nm e a janela de comprimento de onda longo de 1300nm e 1500nm. Então, com o surgimento de novos métodos de fabricação e a melhoria contínua dos níveis tecnológicos, a perda de fibras ópticas foi continuamente reduzida. Em 1979, a perda da fibra monomodo no comprimento de onda de 1550 nm havia caído para 0,2 dB/km, próximo ao limite de perda teórica da fibra de sílica.

　　Além disso, a frequência das ondas de luz é alta e os recursos de largura de banda das fibras ópticas também são consideráveis, o que é incomparável com qualquer outro meio de transmissão. Pode-se dizer que a fibra óptica é um meio de transmissão ideal com o qual os profissionais de comunicação sonham e possui qualidades quase perfeitas:

　　largura de banda virtualmente ilimitada;

　　Perda quase zero:

　　Distorção de sinal quase zero

　　Consumo de energia quase zero

　　consumo de material quase zero

　　pegada quase zero

　　Preço quase zero.

　　Portanto, a fibra ótica é a base da superestrada da informação, criando uma nova era da atual revolução da informação.

　　Enquanto a perda de fibras ópticas é continuamente reduzida, a pesquisa sobre fontes de luz também está progredindo muito rapidamente. Em 1962, o diodo laser semicondutor GaAs (LD) foi lançado, o que significava que as comunicações ópticas modernas tinham uma fonte de luz de pequeno volume e alta velocidade. O comprimento de onda de emissão do GaAs-LD é de 870 nm, que é deslocado para a janela de baixa perda de comprimento de onda curto da fibra óptica após a dopagem do alumínio. Mais tarde, o GaAs-LD realizou um trabalho de temperatura ambiente por um longo tempo. Fontes de luz LD de 1300nm e 1550nm foram fabricadas usando a liga quaternária InGaAsP. Como o LD é caro, LEDs de alto brilho adequados para comunicação por fibra óptica também foram desenvolvidos. Desta forma, com o desenvolvimento bem-sucedido de vários comprimentos de onda, alta eficiência, longa vida útil e fontes de luz semicondutoras de alta velocidade que atendem aos requisitos de transmissão de fibra óptica, a praticidade e o grande desenvolvimento da comunicação por fibra óptica surgiram naturalmente. A potência de saída do LD para a fibra monomodo é de cerca de 1 mW. Na comunicação por fibra óptica, o dBm é frequentemente usado como unidade de potência, que é a potência relativa expressa em dB com base em 1mW.

　　Além disso, na pesquisa de receptores ópticos, dispositivos de conversão fotoelétrica de semicondutores de alta eficiência e alta velocidade (como APD e PIN) em várias faixas de comprimento de onda também surgiram um após o outro. Em 1973, SDPersonick publicou um artigo sobre a análise de receptores ópticos digitais PCM, que resolveu os problemas de design de receptores ópticos em sistemas modernos de comunicação por fibra óptica. A sensibilidade do receptor digital é muito alta, como o sinal de 2,5 Gb/s pode chegar a -30 dBm (1 microwatt) no estágio inicial. Isso não é para a aparentemente pequena potência de transmissão de 1mW, quando a perda de fibra é de 0,2dB/km, a distância de transmissão em termos de perda sozinha pode chegar a mais de 100km.

　　Além disso, a fim de atender às necessidades de aplicações do sistema, vários dispositivos passivos ópticos (como dados de conexão ativa de fibra óptica, atenuadores ópticos, multiplexadores de divisão de comprimento de onda ópticos, isoladores e divisores, etc.) e equipamentos especiais (como enxerto de fibra óptica máquinas, refletômetro de domínio de tempo, medidor de potência óptica, etc.) também suportam uso comercial um após o outro.

　　Por volta de 1974, muitos países realizaram vários experimentos de transmissão de comunicação por fibra óptica interna. Depois de 1976, vários sistemas práticos de comunicação por fibra óptica apareceram. Em 1980, o sistema de comunicação por fibra óptica de 45Mb/s FT-3 da American Telegraph and Telephone Company foi comercializado. Desde a década de 1980, entrou em um período de rápido desenvolvimento da comunicação por fibra óptica e experimentou o processo de desenvolvimento de comprimento de onda curto para comprimento de onda longo, de fibra multimodo para fibra monomodo e de baixa velocidade para alta velocidade. Até agora, o desenvolvimento de sistemas de comunicação de fibra óptica comercial passou por quatro gerações, ou seja, o sistema de primeira geração (1980-) de fibra multimodo de comprimento de onda de 850nm, o sistema de segunda geração (1983-) de fibra monomodo de comprimento de onda de 1300nm, fibra monomodo de 1550nm fibra de modo único de frequência única O sistema de terceira geração (199l-) do laser e o sistema de quarta geração (1995-) usando o amplificador óptico. A extensão total de cabos ópticos espalhados por todo o mundo é de dezenas de milhões de quilómetros, e centenas de milhares de quilómetros foram colocados no meu país, formando uma rede de fibra óptica terrestre e submarina que se estende por todo o país e pelo mundo. Os sistemas de 2,5-10 Gb/s foram colocados em prática e têm sido amplamente utilizados, e a tecnologia de comunicação de fibra óptica de velocidade ultra-alta de 40 Gb/s está se desenvolvendo muito rapidamente. A figura mostra o desenvolvimento da capacidade do sistema de comunicação, pode-se observar que o crescimento exponencial só pode ser percebido após a adoção da comunicação por fibra ótica.

　　A fim de aproveitar ao máximo o potencial de largura de banda da fibra óptica, superar a influência da perda e dispersão da fibra óptica, estender a distância do relé, expandir a capacidade de transmissão e reduzir o custo, sempre foi o objetivo de desenvolvimento da comunicação por fibra óptica. Várias novas tecnologias de comunicação de fibra óptica estão surgindo constantemente, e o produto de distância de taxa de código do sistema tem sido continuamente aprimorado, aumentando em uma ordem de grandeza quase a cada 4 anos. Essas novas tecnologias incluem:

　　(1) A integração e modularização de dispositivos ópticos ativos e passivos e terminais de sistema para melhorar a velocidade e o desempenho. Simplificar a estrutura e reduzir os custos são a base técnica mais importante para o desenvolvimento do sistema;

　　(2) A tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM, multiplexação por divisão de comprimento de onda) realiza transmissão de ultra-alta velocidade e ultra-grande capacidade em uma única fibra óptica;

　　(3) Tecnologia de amplificador óptico, especialmente a aplicação de amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier) ​​​​e amplificador óptico em sistema de tronco de longa distância e sistema de distribuição de usuários;

　　(4) tecnologia de comunicação Soliton;

　　(5) Tecnologia de rede de fibra óptica de alta velocidade, tecnologia de rede totalmente óptica, etc.

　　O objetivo do desenvolvimento dessas novas tecnologias é atender melhor à crescente demanda por informações. Entre eles, a combinação perfeita de tecnologia WDM e tecnologia de amplificador óptico melhorou muito o desempenho e a capacidade de comunicação dos sistemas de comunicação de fibra óptica e tornou-se uma pérola brilhante da moderna tecnologia de comunicação óptica e uma ponte que leva a redes de comunicação totalmente ópticas.

　　A estrutura básica do sistema de comunicação por fibra óptica digital é mostrada em 6.1.5, que inclui terminal PCM, interface de entrada, transmissor óptico (Tx), linha de fibra óptica, repetidor óptico, interface de saída e receptor óptico (Rx), etc.

　　Um sistema típico de comunicação de fibra óptica ponto a ponto inclui principalmente várias partes, como terminais elétricos de envio e recebimento de informações, terminais ópticos de envio e recebimento e fibras ópticas de transmissão. Do transmissor óptico ao receptor óptico está o canal de transmissão de informações ópticas, chamado canal óptico, e sua tarefa é transmitir informações de maneira confiável e eficaz do início ao fim. As funções de cada parte são as seguintes:

　　(1) Os sinais de informação a serem transmitidos pelo terminal elétrico PCM incluem voz, imagem e dados de computador, etc. O terminal elétrico é o equipamento terminal, como a máquina portadora, equipamento de imagem e computador em comunicação elétrica convencional. Para comunicação digital, o sinal precisa passar pela conversão A/D e D/A no terminal elétrico para convertê-lo em um sinal digital.

　　(2) O transmissor óptico inclui uma fonte de luz (LD ou LED) e seu circuito de acionamento. O sinal elétrico do terminal elétrico é codificado e modulado para a fonte de luz para gerar um sinal óptico que transporta informações e completa o elétrico-óptico (E /O) conversão.

　　(3) A fibra óptica de transmissão ou cabo óptico transmite o sinal óptico emitido pela fonte de luz para a extremidade receptora remota, que pode ser uma fibra óptica multimodo ou uma fibra óptica monomodo.

　　(4) O receptor óptico completa a conversão de luz em eletricidade (O/E). O sinal óptico recebido é detectado pelo detector óptico e convertido em sinal elétrico, depois amplificado e demodulado, julgado e regenerado, e enviado ao terminal elétrico para recuperar o sinal original.

　　No sistema de comunicação de fibra óptica de longa distância, os repetidores precisam ser instalados em intervalos para converter os sinais ópticos que se tornaram muito fracos e distorcidos após a transmissão de longa distância em sinais elétricos. O sinal óptico é enviado para a fibra óptica para transmissão, que é o tradicional repetidor óptico-elétrico-óptico (Figura 1.2.2(a)). Agora, no entanto, os amplificadores ópticos, especialmente os EDFAs, amadureceram, com alto ganho, alta potência de saída, baixo ruído, grande largura de banda e penetração de taxa de código. Eles podem substituir completamente os repetidores óptico-elétricos-ópticos e estão impulsionando o desenvolvimento da fibra óptica tecnologia de comunicação Revolution - uma nova geração de tecnologia de comunicação totalmente óptica (Figura 1.2.2(b)). A Figura 1.2.2(c) é um diagrama esquemático de um sistema WDM. Vários - centenas, milhares de comprimentos de onda são transmitidos juntos em uma única fibra, e a amplificação do relé EDPA é usada para aumentar a capacidade de transmissão várias vezes - centenas, milhares de vezes, representando a direção de desenvolvimento e pontos de acesso de pesquisa de uma nova geração de tecnologia de comunicação de fibra óptica de alta velocidade e grande capacidade.

　　Uma combinação de vários sistemas de comunicação ponto a ponto constitui uma rede de comunicação (Figura 1.2.3) para fornecer comunicação entre usuários em locais diferentes. A rede de comunicação pode ser dividida em rede de comunicação pública e rede de comunicação privada. A rede pública de comunicação fornece serviços de comunicação aos usuários em toda a sociedade, como rede telefônica e rede pública de dados. Uma rede de comunicação dedicada é uma rede de comunicação que atende usuários ou unidades específicas, como redes de comunicação, redes de computadores, redes estaduais, etc. de ferrovias, energia elétrica, militares e outros departamentos. Essas redes tradicionalmente usavam cabos ou micro-ondas, mas hoje a quantidade de informações de comunicação aumentou drasticamente e elas não são mais competentes, e o uso da tecnologia de comunicação por fibra óptica tornou-se a tendência geral.

　　Os conteúdos básicos da tecnologia de comunicação por fibra óptica são:

　　(1) Teoria e tecnologia de transmissão de fibra óptica, dispositivos de fibra óptica;

　　(2) Princípios de transmissão de sinal, métodos de modulação e demodulação, codificação de sinal e multiplexação de canal, etc.;

　　(3) fonte de luz e transmissor óptico;

　　(4) Detectores ópticos e receptores ópticos;

　　(5) Projeto, estrutura e aplicação do sistema de comunicação por fibra óptica;

　　(6) Tecnologia de comunicação de fibra óptica, como tecnologia de amplificador óptico, tecnologia WDM, tecnologia de rede totalmente óptica