Översikt över optiskt nätverk

Ett optiskt nätverk är ett kommunikationssystem som använder ljussignaler, istället för elektroniska, för att skicka information mellan två eller flera punkter. Punkterna kan vara datorer på ett kontor, stora stadskärnor eller till och med nationer i det globala telekommunikationssystemet. Optiska nätverk omfattar optiska sändare och mottagare, fiberoptiska kablar, optiska omkopplare och andra optiska komponenter. Optiska och elektroniska nätverk kan ha flera olika former. Punkt-till-punkt-nätverk gör permanenta anslutningar mellan två eller flera punkter så att vilket par av noder som helst kan kommunicera med varandra; peka till flerpunktsnätverk sänder samma signaler samtidigt till många olika noder; kopplade nätverk som telefonsystemet inkluderar switchar som gör tillfälliga anslutningar mellan par av noder. De grundläggande byggstenarna i dessa nätverk är fiberoptiska kablar - de så kallade rören - som transporterar signaler från nod till nod, med switchar som leder dem till deras destination.

Signalen

En optisk signal består av en serie pulser som produceras genom att en laserstråle slås av och på. Dess hastighet beror på hur snabbt strålen kan slås på och av, och hur mycket pulserna sprids i längd under överföringen, en effekt som kallas dispersion. Mängden spridning beror på typen av fiber, fiberlängden och typen av den optiska signalen. Ju mer spridning, desto svårare är det att skilja mellan intilliggande pulser. Med dagens teknik kan olika typer av fiber kombineras för att minska spridningseffekter, vilket möjliggör överföring med 10 gigabit per sekund under några tusen kilometer. För att uppnå snabbare överföringshastigheter undersöker forskare sätt att aktivt kompensera för spridning.

En enda fiber kan sända många separata signaler samtidigt vid olika våglängder av ljus, en teknik som kallas våglängdsmultiplexering. Detta är analogt med att sända många radio- och tv-signaler genom luften vid olika frekvenser.

Precis som antalet radiostationer begränsas det maximala antalet optiska kanaler av den del av spektrum som används för varje kanal och den totala mängden tillgängligt spektrum. Enheter som kallas demultiplexer separerar de optiska kanalerna och distribuerar dem till separata optiska mottagare. Demultiplexorer delar upp spektrumet i mycket smala bitar, och isolerar varje optisk kanal från intilliggande.

Att multiplicera antalet optiska kanaler med datahastigheten på varje optisk kanal ger en fibers totala överföringskapacitet. Laboratorieexperiment har överfört mer än 10 biljoner bitar (10 terabit) per sekund genom mer än 100 kilometer fiber. Kommersiella överföringshastigheter överstiger dock vanligtvis inte några hundra gigabit per sekund.

För att uppnå dessa höga datahastigheter och flera kanaler krävs sofistikerade komponenter. Halvledarlasrar - som genererar de ljuspulser som används i nästan alla fiberoptiska kommunikationssystem - måste bara avge ett mycket smalt våglängdsområde för att begränsa spridningen. Fibrer är också utformade för att begränsa spridning.

Förstärkare

De tydligaste optiska fibrerna kan överföra signaler mer än 100 kilometer utan förstärkning - mycket längre än koppartrådar. När signalen måste sträcka sig över en längre sträcka leds den genom en optisk förstärkare, vilket multiplicerar styrkan på den optiska signalen. De mest använda optiska förstärkarna är fibrer dopade med atomer av erbium, ett sällsynt jordartselement som absorberar ljusenergi från en extern pumplaser. Erbiumatomerna frigör sedan den energin för att förstärka svaga optiska signaler över hela bandet av våglängder som lasern sänder. Med noggrann kontroll kan en rad dussintals optiska fiberförstärkare sända signaler tusentals kilometer över havet.

Optiska omkopplare

En utmaning för optiska nätverk är hur man växlar ljussignaler. När en signal anländer till sin destination måste den separeras från resten av kanalerna. För att tappa en signal vid en mellanliggande punkt, separerar ett optiskt filter den korrekta våglängden från resten. Utrustning vid den punkten kan också lägga till en ny signal till den nu lediga våglängden.

Optiska omkopplare kan fungera på en enda våglängd eller på alla våglängder som sänds genom en fiber. Ett fast filter, som det som beskrivs ovan, skulle kunna ersättas av en omkopplare som väljer ett av flera filter för att avleda den önskade våglängden till den mellanliggande punkten. En tredje sorts omkopplare separerar våglängderna i separata strålar, och en rörlig spegel riktar en eller flera av våglängderna i en annan riktning. Andra optiska omkopplare kopplar samtidigt om alla våglängder som passerar genom en fiber; ett exempel är en spegel vid fiberutgången som kan luta mellan två olika positioner för att omdirigera alla optiska kanaler i händelse av fiberbrott.

De föregående exemplen kallas helt optiska omkopplare eftersom de arbetar på ljussignaler. En annan klass av switchar omvandlar optiska signaler till en elektronisk form som kan omkopplas elektroniskt; den resulterande elektroniska signalen matas sedan in i en optisk sändare för att generera en ny optisk signal. Dessa kallas opto-elektroptiska omkopplare.

När tekniken fortsätter att utvecklas kommer optiska nätverk att behöva omvandla signaler från en våglängd till en annan. Detta kan göras nu med opto-elektro-optiska våglängdsomvandlare som omvandlar den optiska insignalen till elektronisk form för att driva en sändare vid den andra våglängden. Heloptiska våglängdsomvandlare har demonstrerats i laboratoriet, men används ännu inte i praktiska system. Laserkällor som kan ställas in på många olika våglängder kommer också att behövas; flera typer har visats, och några är i kommersiell produktion.

Dölj