Descripción general de los sistemas de comunicación de fibra óptica
Fibra óptica es la abreviatura de fibra óptica. La comunicación por fibra óptica es un método de comunicación que utiliza ondas de luz como portador de información y fibra óptica como medio de transmisión. En principio, los elementos materiales básicos que constituyen la comunicación por fibra óptica son fibras ópticas, fuentes de luz y detectores de luz. Además de clasificarse según el proceso de fabricación, la composición del material y las propiedades ópticas, las fibras ópticas a menudo se clasifican según sus usos en las aplicaciones y se pueden dividir en fibras ópticas de comunicación y fibras ópticas de detección. La fibra óptica del medio de transmisión se divide en dos tipos: fibra óptica de propósito general y de propósito especial se refiere a la fibra óptica utilizada para completar las funciones de amplificación, conformación, división de frecuencia, duplicación de frecuencia, modulación y oscilación óptica de ondas de luz. y a menudo se utiliza como aparece una determinada forma de dispositivo funcional.
La comunicación por fibra óptica es un método de comunicación que utiliza ondas de luz como portadoras y fibras ópticas como medio de transmisión para transmitir información de un lugar a otro. Se denomina comunicación óptica "por cable". Hoy en día, la fibra óptica se ha convertido en el principal método de transmisión en las comunicaciones mundiales debido a su ancho de banda de transmisión, alto rendimiento antiinterferencias y pequeña atenuación de la señal, que es muy superior a la transmisión de comunicaciones por cable y microondas.
En 1966, el británico-chino Charles Kao publicó un artículo proponiendo utilizar cuarzo para fabricar filamentos de vidrio (fibras ópticas) con una pérdida de hasta 20 dB/km, permitiendo comunicaciones de fibra óptica de gran capacidad. En aquel momento, sólo unas pocas personas en el mundo lo creían, como líderes como el British Standard Telecommunications Laboratory (STL), la American Corning Glass Company y los Bell Laboratories. En 2009, Kao Kun ganó el Premio Nobel por la invención de la fibra óptica. En 1970, Corning Company desarrolló una fibra de cuarzo de 30 m de longitud con una pérdida tan baja como 20 dB/km. Se dice que costó 30 millones de dólares. En 1976, Bell Labs estableció una línea experimental en Atlanta, Washington. La velocidad de transmisión era de sólo 45 Mb/s y sólo podía transmitir cientos de llamadas telefónicas, mientras que el cable coaxial en uso podía transmitir 1.800 líneas telefónicas. Como en aquella época no había láseres para la comunicación, se utilizaban diodos emisores de luz (LED) como fuente de luz para la comunicación por fibra óptica, por lo que la velocidad era muy baja. Alrededor de 1984, se desarrollaron con éxito láseres semiconductores para comunicaciones. La velocidad de comunicación por fibra óptica alcanzó los 144 Mb/s y podía transmitir 1.920 llamadas telefónicas. En 1992, la velocidad de transmisión de una fibra óptica alcanzaba los 2,5 Gb/s, equivalente a más de 30.000 llamadas telefónicas. En 1996, se desarrollaron con éxito láseres de varias longitudes de onda, que pueden realizar comunicaciones de fibra óptica de múltiples longitudes de onda y múltiples canales, la llamada tecnología de "multiplexación por división de longitud de onda" (WDM), que significa que se transmiten múltiples señales ópticas de diferentes longitudes de onda. dentro de una fibra óptica. Como resultado, la capacidad de transmisión de las comunicaciones por fibra óptica se ha duplicado. En el año 2000, utilizando la tecnología WDM, la velocidad de transmisión de una fibra óptica alcanzó los 640 Gb/s. Algunas personas tienen grandes dudas de que Kao Kun inventara la fibra óptica en 1976 pero recién ganara el Premio Nobel en 2010. De hecho, se puede ver en la historia de desarrollo de la fibra óptica anterior que, aunque la capacidad de la fibra óptica es grande, la capacidad ultragrande de la fibra óptica no se puede aprovechar sin láseres y microelectrónica de alta velocidad. La velocidad de los dispositivos electrónicos sólo ha alcanzado el nivel de Gigabit/segundo. La aparición de láseres de alta velocidad de varias longitudes de onda ha permitido que la transmisión por fibra óptica alcance el nivel de Terabit/segundo (1 Tb/s = 1000 Gb/s). La gente se da cuenta de que "la invención de la fibra óptica" ¡desencadenó una revolución en la tecnología de las comunicaciones! Los componentes principales de un sistema de comunicación de fibra óptica convencional son las fibras ópticas, las fuentes de luz y los detectores de luz. Las fibras ópticas incluyen fibras ópticas monomodo y multimodo, y las fuentes de luz incluyen láseres semiconductores y diodos emisores de luz. Los sistemas de media y larga distancia utilizan láseres semiconductores y de fibra monomodo, los sistemas de alta velocidad recientemente desarrollados utilizan láseres de retroalimentación distribuida (DFB) y los sistemas de corta distancia pueden utilizar fibra multimodo y diodos emisores de luz.
El sistema de comunicación por fibra óptica convencional se refiere a un sistema en el que el extremo transmisor realiza una modulación de intensidad en la fuente de luz, y el extremo receptor utiliza un fotodetector para detectar directamente la señal óptica recibida (IM/DD), también conocido como sistema de comunicación de fibra óptica Shuanbo directa con modulación de intensidad, que en realidad se utilizó principalmente a principios de la década de 1990. Su estructura básica toma como ejemplo el sistema de 2,488 Gbit/s, como se muestra en la Figura 2.
El lado izquierdo de la figura es el multiplexor por división de tiempo en el extremo emisor, que compone la señal digital de entrada de 155 Mbit/s en una señal de 2,488 Gbit/s. La intensidad de esta señal modula directamente un láser de retroalimentación distribuida, que luego transmite la salida modulada a una fibra monomodo.
En el lado derecho de la figura, la luz atenuada es detectada directamente por un detector fotoeléctrico para obtener una señal digital de 2,488 Gbit/S, y luego se obtiene un conjunto de señales digitales de 155 Mbit/s mediante descomposición y multiplexación del tiempo.
El equipo de retransmisión de un sistema de comunicación por fibra óptica convencional se muestra en la Figura 3.
2.2 Ámbito de aplicación
La comunicación por fibra óptica se utilizó por primera vez entre oficinas telefónicas para formar una red local de fibra óptica y luego como comunicación de larga distancia para formar una red nacional de fibra óptica. que se convertirá en el esqueleto de una red de comunicación de banda ancha. También se han desarrollado sistemas de cables ópticos submarinos para comunicaciones transoceánicas o comunicaciones costeras y entre islas de corta distancia. Los famosos sistemas de comunicaciones por cables ópticos submarinos a través de los océanos Atlántico y Pacífico. Por ejemplo, el primer sistema transatlántico TAT-8, que se comercializó en diciembre de 1988, tiene tres pares de fibras ópticas en el cable óptico, dos pares están en uso y un par está en reserva. La velocidad de información de cada par es de 280Mbit/s. La longitud total es de 6.700 km, la separación media entre estaciones repetidoras es de 67 knu, la longitud de onda es de 1,3 μm y se utiliza fibra óptica monomodo convencional.
Los países desarrollados están planificando, diseñando y construyendo redes de usuarios de fibra óptica, concretamente fibra hasta el hogar (FTTH) o fibra hasta la carretera (FTTC). Otras aplicaciones, como redes de área local de fibra óptica de diversos tamaños y aplicaciones en diversas situaciones. (1) Gran capacidad de comunicación y larga distancia de transmisión; el ancho de banda potencial de una fibra óptica puede alcanzar los 20 THz. Con este ancho de banda, sólo se necesita aproximadamente un segundo para transmitir todos los datos de texto humanos desde la antigüedad hasta los tiempos modernos, tanto en el país como en el extranjero. Se han puesto en uso comercial sistemas de 400 Gbit/s. La pérdida de fibra óptica es extremadamente baja cuando la longitud de onda óptica es de alrededor de 1,55 μm, la pérdida de fibra óptica de cuarzo puede ser inferior a 0,2 dB/km, que es menor que la pérdida de cualquier medio de transmisión. Por lo tanto, la distancia de transmisión sin relés puede alcanzar decenas o incluso cientos de kilómetros.
(2) Baja interferencia de señal y buen rendimiento de confidencialidad;
(3) La interferencia antielectromagnética y la buena calidad de transmisión no pueden resolver varios problemas de interferencia electromagnética. Libre de todo tipo de interferencias electromagnéticas.
(4) La fibra óptica es de tamaño pequeño y liviana, lo que facilita su instalación y transporte.
(5) La fuente de materiales es abundante y el medio ambiente lo es; Bien protegido, lo que favorece el ahorro de cobre metálico no ferroso.
(6) No hay radiación y es difícil escuchar a escondidas porque las ondas de luz transmitidas por la fibra óptica no pueden escapar fuera de la fibra óptica.
(7) El cable óptico tiene una gran adaptabilidad y una larga vida útil.
(8) La textura es quebradiza y la resistencia mecánica es pobre.
(9) Cortar y empalmar fibras ópticas requiere ciertas herramientas, equipos y técnicas.
(10) La ramificación y el acoplamiento son inflexibles.
(11) El radio de curvatura del cable de fibra óptica no puede ser demasiado pequeño (gt; 20 cm)
(12) Existe un problema de dificultad en el suministro de energía.
Método de comunicación que utiliza ondas de luz para transmitir información en fibras ópticas. 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. 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 la intensidad de la luz cambie. con la amplitud (frecuencia) de la señal eléctrica y enviada 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 información original después de la demodulación.
Con la creciente velocidad de transmisión de la tecnología de la información, la tecnología de fibra óptica ha recibido una amplia atención y aplicación. En los sistemas de ascensores con múltiples microcomputadoras, la aplicación de fibras ópticas cumple plenamente con los requisitos para una transmisión y procesamiento correctos, confiables y de alta velocidad de una gran cantidad de comunicaciones de datos. La aplicación de la tecnología de fibra óptica en los ascensores ha mejorado enormemente la velocidad de respuesta de todo el sistema de control y ha mejorado significativamente el rendimiento del control de grupos paralelos del sistema de ascensores. El dispositivo de comunicación por fibra óptica utilizado en los ascensores consta principalmente de fuentes de luz, receptores fotoeléctricos y fibras ópticas. La señal emitida por el sistema de control de microcomputadora es una señal eléctrica, mientras que el sistema de fibra óptica transmite una señal óptica. Por lo tanto, para transmitir la señal eléctrica generada por el sistema de microcomputadora en la fibra óptica, primero se debe convertir la señal eléctrica en. una señal óptica. La fuente de luz es un dispositivo de conversión electroóptica.
La fuente de luz primero convierte la señal eléctrica en una señal óptica y luego envía la señal óptica a la fibra óptica. En los sistemas de fibra óptica las fuentes de luz juegan un papel muy importante.
Las fuentes de luz de fibra óptica incluyen lámparas incandescentes, láseres y fuentes de luz semiconductoras. Las fuentes de luz semiconductoras utilizan la unión PN de los semiconductores para convertir la energía eléctrica en energía luminosa. Las fuentes de luz semiconductoras de uso común incluyen diodos emisores de luz (LED) y diodos láser (LD). Las fuentes de luz semiconductoras se han utilizado ampliamente en sistemas de transmisión de fibra óptica debido a su pequeño tamaño, peso ligero, estructura simple, fácil uso y fácil compatibilidad con fibras ópticas. La fibra óptica es un canal de transmisión de señales ópticas y un material clave para las comunicaciones por fibra óptica.
Una fibra óptica está compuesta por núcleo, revestimiento, capa de revestimiento y camisa. Es un cilindro simétrico con una estructura dieléctrica multicapa. El cuerpo principal del núcleo de fibra es sílice, que se mezcla con trazas de otros materiales para aumentar el índice de refracción de la luz del material. Hay un revestimiento fuera del núcleo de fibra. El revestimiento y el núcleo de fibra tienen diferentes índices de refracción óptica. El índice de refracción óptica del núcleo de fibra es mayor para garantizar que las señales ópticas se transmitan principalmente en el núcleo de fibra. Hay una capa de pintura en el exterior del revestimiento, que se utiliza principalmente para aumentar la resistencia mecánica de la fibra óptica y protegerla de daños externos. La capa más externa de la fibra óptica es la chaqueta, que también desempeña una función protectora.
Las dos características principales de la fibra óptica son la pérdida y la dispersión. La pérdida es la atenuación o pérdida de una señal óptica por unidad de longitud, expresada en db/km. Este parámetro está relacionado con la distancia de transmisión de la señal óptica. Cuanto mayor es la pérdida, más corta es la distancia de transmisión. Los sistemas de control de ascensores con múltiples microcomputadores generalmente tienen distancias de transmisión cortas, por lo que, para reducir costos, se utilizan principalmente fibras ópticas de plástico. La dispersión de las fibras está relacionada principalmente con el ensanchamiento del pulso. En el sistema de control de ascensores de Mitsubishi, la comunicación por fibra óptica se utiliza principalmente para la transmisión de datos entre el control de grupo y ascensores individuales y la transmisión de datos entre dos ascensores individuales paralelos. El dispositivo de fibra óptica utilizado por Mitsubishi Elevator consta principalmente de una fuente de luz, un receptor óptico y una fibra óptica. La fuente de luz y el receptor óptico están encapsulados en el enchufe fijo del conector de fibra óptica y la fibra óptica está conectada al móvil. enchufar. Enviar: La CPU serializa los datos paralelos a través de un chip IC dedicado e inserta los códigos de bits correspondientes (inicio, parada, bit de verificación, etc.) de acuerdo con el formato de comunicación. El terminal de salida TXD envía la señal al conector de fibra óptica (es decir, , enchufe fijo) y luego la fuente de luz en el conector de fibra óptica realiza una conversión eléctrica a óptica. La señal óptica convertida se envía a la fibra óptica a través del enchufe móvil de fibra óptica y la señal óptica se propaga hacia adelante en la fibra óptica. .
Recepción: La señal óptica procedente de la fibra óptica se envía al receptor del enchufe fijo a través del enchufe móvil del conector de fibra óptica. El receptor realiza una reducción óptico-eléctrica de la señal óptica recibida para obtener la señal óptica recibida. señal eléctrica correspondiente., la señal eléctrica se envía al extremo de entrada RXD del chip IC dedicado. Después de que el chip IC dedicado cambia los datos en serie a datos paralelos, se transmite a la CPU. Los campos de aplicación de la comunicación por fibra óptica son muy amplios y se utilizan principalmente en líneas troncales telefónicas locales. Las ventajas de la comunicación por fibra óptica se pueden aprovechar al máximo aquí, reemplazando gradualmente los cables y siendo ampliamente utilizados. También se utiliza para comunicaciones troncales de larga distancia. En el pasado, se basaba principalmente en cables, microondas y comunicaciones por satélite. Hoy en día, se utilizan gradualmente las comunicaciones por fibra óptica y se ha formado un método de transmisión de bits que domina el mundo. utilizado en redes de comunicaciones globales y redes públicas de telecomunicaciones en varios países (como líneas troncales nacionales de primer nivel, líneas troncales provinciales de segundo nivel y ramales por debajo del nivel de condado) también se utiliza para televisión en color de alta calidad. transmisión, monitoreo y despacho de sitios de producción industrial, comando de control y monitoreo de tráfico, redes urbanas de televisión por cable y sistema de antenas nacionales (CATV), utilizados en redes de área local de fibra óptica y otras aplicaciones como aviones, naves espaciales, barcos, minas subterráneas, sectores energéticos, militares y zonas con corrosión y radiación.
El sistema de transmisión de fibra óptica se compone principalmente de: transmisor óptico, receptor óptico, línea de transmisión de cable óptico, repetidor óptico y diversos componentes ópticos pasivos. Para lograr la comunicación, la señal de banda base también debe ser procesada por el terminal eléctrico y luego enviada al sistema de transmisión de fibra óptica para completar el proceso de comunicación.
Es adecuado para sistemas de comunicación analógicos de fibra óptica, y también es adecuado para sistemas de comunicación digital de fibra óptica y sistemas de comunicación de datos. En los sistemas de comunicación analógica de fibra óptica, el procesamiento de señales eléctricas se refiere a amplificación, premodulación y otros procesamientos de señales de banda base, mientras que el procesamiento inverso de señales eléctricas es el proceso inverso del procesamiento de origen, es decir, demodulación, amplificación y otros procesamientos. En los sistemas de comunicación digital de fibra óptica, el procesamiento de señales eléctricas se refiere a amplificar, muestrear y cuantificar señales de banda base, es decir, modulación de código de pulso (PCM) y procesamiento de codificación de patrones de línea, etc., y el procesamiento inverso de señales eléctricas también es el proceso inverso de el origen.
Para las comunicaciones de datos por fibra óptica, el procesamiento de señales eléctricas incluye principalmente la amplificación de señales. A diferencia de los sistemas de comunicación digitales, no requiere conversión de código.