Kā darbojas optiskā datu pārraide?

 

 

Viena stikla šķipsna, kas ir plānāka par cilvēka matiem, nodrošina 43 terahercu joslas platumu. Visa jūsu apkārtnes interneta trafika -katra Netflix straume, Zoom zvans un TikTok augšupielāde-plūst caur kaut ko tādu, ko jūs varētu nejauši izsūknēt. Tā nav teorētiska spēja. 2024. gadā demonstrētās optiskās šķiedras sistēmas caur vienu kabeli virzīja desmitiem terabitu sekundē, padarot optisko datu pārraidi par mūsdienu tīklu mugurkaulu.

Fizika sākumā šķiet ačgārns. Stikls vada gaismu labāk nekā varš vada elektrību datiem. Daudz labāk. Pēc viena kilometra šķiedras jūs zaudējat mazāk signāla, nekā vienu reizi izsitot gaismu no spoguļa.

Lielākā daļa skaidrojumu sākas ar "gaisma ceļo caur stiklu". Taisnība, bet bezjēdzīgi. Interesantā daļa ir tas, kas notiek pie stikla robežas,-kur fizika rada perfektu spoguli, kas pastāv tikai tad, kad tas ir nepieciešams. Nav pārklājuma. Nav sudraba pamatnes. Tikai divu veidu stikli pieskaras, un pēkšņi gaisma nevar izkļūt pat tad, kad tā vēlas.

 

 

Kā optiskā datu pārraide izmanto kopējo iekšējo atspulgu

 

Kopējais iekšējais atspīdums nedarbojas kā parastie spoguļi. Apgaismojiet gaismu pie parastā spoguļa jebkurā leņķī, jūs iegūstat atspulgu. Izmantojot optisko šķiedru, atstarošana notiek tikai tad, kad gaisma sasniedz robežu virs 42 grādiem (parastam stiklam -uz-gaisam). Zem šī leņķa? Gaisma iet cauri tā, it kā robeža nepastāvētu.

Šis selektīvais atstarojums rada gaismas slazdu. Kad fotoni nonāk šķiedras kodolā pareizā leņķī, tie tiek ģeometriski fiksēti. Katrs atsitiens saglabā tos virs kritiskā leņķa. Gaisma zigzagā virzās pa kabeli ar ātrumu 186 000 jūdžu sekundē (aptuveni divas trešdaļas no tā ātruma vakuumā, ko palēnina stikla laušanas koeficients, kas ir aptuveni 1,5).

Pamata-apšuvuma saskarne nodrošina šo darbību. Kodolam ir aptuveni 1,48 refrakcijas koeficients, savukārt apšuvumam ir 1,46. Ar šo 0,02 atšķirību-pietiek ar 1,3% variāciju-. Gaisma, kas mēģina izkļūt no blīvāka kodola uz mazāk blīvu apšuvumu, trāpa šo robežu un perfekti atstaro, zaudējot apšuvumam būtībā nulles enerģiju.

Vienmoda{0}}šķiedras nodrošina to tālāk. Tā kā serdes diametrs ir tikai 8-10 mikroni (sarkano asins šūnu izmērs ir aptuveni 7 mikroni), tie pieļauj tikai vienu gaismas ceļu. Tas novērš modālo izkliedi-problēmu, kad dažādi gaismas ceļi cauri šķiedrai nonāk dažādos laikos, izsmērējot jūsu signālu. Viena režīma šķiedras var pārsūtīt datus vairāk nekā 40 kilometru attālumā bez pastiprināšanas.

 

Elektronu pārvēršana fotonos

 

Transmisijas galā atrodas lāzera diode vai LED. Dati tiek saņemti kā elektriskie impulsi: augstais spriegums ir vienāds ar bināro 1, zemais spriegums ir vienāds ar bināro 0. Lāzers tos pārveido gaismas impulsos 850 nm, 1310 nm vai 1550 nm viļņu garumā -visos infrasarkanajos staros, kas nav redzami cilvēka acīm.

Kāpēc infrasarkanais? Divi iemesli. Pirmkārt, stikls ir viscaurspīdīgākais šajos viļņu garumos, ar vājinājumu zem 0,2 dB uz kilometru pie 1550 nm. Otrkārt, silīcija fotodetektori šajā diapazonā ir visjutīgākie. 1550 nm "logs" ir īpaši vērtīgs, jo tas sasniedz saldo vietu, kur tiek samazināta stikla absorbcija, izkliede un izkliede.

Lāzera diodes var modulēt ar neparastu ātrumu. Mūsdienu sistēmās tiek izmantota tiešā modulācija līdz 25 Gbps, kur pats lāzers ieslēdzas un izslēdzas miljardiem reižu sekundē. Pārsniedzot 25 Gb/s, sistēmas pārslēdzas uz ārējo modulāciju,{4}}lāzers darbojas nepārtraukti, kamēr atsevišķs modulators

(parasti pamatojoties uz elektro-optiskajiem efektiem) maina gaismas amplitūdu, fāzi vai abus.

Koherentās pārraides sistēmas modulē gan amplitūdu, gan fāzi, izmantojot tādas metodes kā 16-QAM (kvadratūras amplitūdas modulācija) vai 64-QAM. Tas ļauj kodēt 4 vai 6 bitus uz vienu simbolu, nevis tikai 1 bitu. Pievienojiet polarizācijas-dalīšanas multipleksēšanu — divu neatkarīgu datu straumju nosūtīšanu uz ortogonālām gaismas polarizācijām — un jūs atkal dubultojat jaudu. Rezultāts: spektrālā efektivitāte tuvojas 10 bitiem sekundē uz vienu joslas platuma hercu.

Kodēšana notiek nanosekundēs. Ienākošais elektriskais signāls ar ātrumu 100 Gb/s nozīmē, ka modulatoram ir jāmaina stāvoklis ik pēc 10 pikosekundēm (10^-11 sekundēm). Šādā ātrumā elektroniskie komponenti sasniedz savas fiziskās robežas. Tāpēc 400G un 800G sistēmas arvien vairāk izmanto saskaņotu noteikšanu ar digitālās signālu apstrādes (DSP) mikroshēmām, kas veic reāllaika aprēķinus, lai atšifrētu signālu.

 

Kas notiek šķiedras iekšpusē

 

Gaisma nepārvietojas taisnā līnijā caur šķiedru. Tas atlec tūkstošiem reižu uz metru daudzrežīmu šķiedrā vai iet gandrīz-taisnu ceļu viena-režīmu šķiedrā. Katrā ziņā trīs parādības mēģina iznīcināt jūsu signālu.

Vājināšanāsrodas no absorbcijas un izkliedes. Tīrs silīcija stikls absorbē gaismu, jo neviens materiāls nav pilnīgi caurspīdīgs. Ražošana rada nelielu piemaisījumu daudzumu (hidroksiljoni ir īpaši problemātiski). Mikroskopiskās blīvuma svārstības stikla izkliedē gaismu (Rayleigh izkliede). Mūsdienu šķiedras sasniedz 0,15 dB/km vājinājumu pie 1550 nm, kas nozīmē, ka pēc 60 kilometriem jums joprojām ir 25% no sākotnējās optiskās jaudas.

Hromatiskā dispersijaTas notiek tāpēc, ka refrakcijas indekss nedaudz mainās atkarībā no viļņa garuma. Lāzers nekad neizstaro perfekti monohromatisku gaismu,{1}}vienmēr pastāv zināms spektrālais platums. Dažādi viļņa garuma komponenti caur stiklu pārvietojas ar nedaudz atšķirīgu ātrumu. Lielos attālumos tas izkliedē katru gaismas impulsu, izraisot blakus esošo impulsu pārklāšanos. Pie 1310 nm standarta šķiedras hromatiskā dispersija ir tuvu nullei. Pie 1550 nm tas ir aptuveni 17 ps/(nm·km), taču dispersiju{9}}kompensējošā šķiedra var to novērst.

Polarizācijas režīma dispersija (PMD)ietekmē pat vienmoda{0}}šķiedru. Perfekta cilindriska šķiedra saglabātu polarizāciju, bet mikroskopiskās nepilnības un spriegums padara šķiedru nedaudz divkāršu laušanu. Gaisma dažādos polarizācijas stāvokļos pārvietojas ar dažādu ātrumu, ierodas dažādos laikos. PMD ir nejaušs un mainās atkarībā no temperatūras un mehāniskās slodzes, padarot to grūtāk kompensējamu nekā hromatisko dispersiju.

Lieljaudas{0}}sistēmas saskaras ar papildu izaicinājumu:nelineārie efekti. Ja optiskā jauda pārsniedz aptuveni 1 milivatu, stikla laušanas koeficients sāk mainīties atkarībā no intensitātes. Tas izraisa četru-viļņu sajaukšanos, paš-fāzu modulāciju un šķērs-fāžu modulāciju-, kur dažādu viļņu garumu kanāli traucē viens otru. Inženieri to pārvalda, saglabājot zemu -kanāla jaudu un atbilstoši sadalot viļņa garuma kanālus.

 

Gaismas pārvēršana datos

 

Fotodetektors uztveršanas galā pārvērš fotonus atpakaļ elektronos. Lielākā daļa sistēmu izmanto PIN (pozitīvās-iekšējās-negatīvās) fotodiodes vai APD (lavīnas fotodiodes). Kad fotons saskaras ar fotodiodu, tas ierosina elektronu, radot strāvu, kas ir proporcionāla optiskajai jaudai.

PIN fotodiodes ir vienkāršākas un lineārākas, taču tām ir nepieciešami spēcīgāki signāli. APD nodrošina iekšējo pastiprinājumu (piemēram, fotopavairotāja caurule), izmantojot lavīnu pavairošanu{1}}viens fotons var ģenerēt desmitiem elektronu. Tādējādi APD ir 10-20 reižu jutīgākas nekā PIN fotodiodes, kas ir ļoti svarīgas tālsatiksmes sistēmām, kur signāla jauda ir vāja.

Taču fotodetekcija rada troksni. Termiskais troksnis no pastiprinātāja elektronikas pievieno nejaušas strāvas svārstības. Šāviena troksnis rodas no pašas gaismas kvantu rakstura-fotoni ierodas nejauši, nevis pilnīgi regulārās plūsmās, izraisot fotostrāvas statistiskas izmaiņas. Un APD lavīnu process rada pārmērīgu troksni.

Uztvērējam ir jāizlemj, vai katrs simbols apzīmē 0 vai 1 (vai vairāku -līmeņu modulācijai, kuru no vairākām iespējamām vērtībām). Šis lēmuma pieņemšanas slieksnis kļūst kritisks, ja troksnis un signāla pasliktināšanās izjauc atšķirību. Uzlabotie uztvērēji izmanto pārsūtīšanas kļūdu labošanu (FEC)-, pievienojot pārsūtītajiem datiem dublēšanos, kas ļauj uztvērējam atklāt un labot bitu kļūdas bez atkārtotas pārraides.

Mūsdienu 100G un 400G sistēmās tiek izmantoti koherenti uztvērēji ar lokālo oscilatoru lāzeru. Sajaucot ienākošo optisko signālu ar šo vietējo oscilatoru, tie var noteikt ne tikai intensitāti, bet arī fāzi un polarizāciju. Tādējādi tiek atgūta visa saskaņoto raidītāju kodētā informācija un tiek iespējotas sarežģītas DSP metodes, kas reāllaikā kompensē šķiedras traucējumus.

Viss pārraides{0}}saņemšanas cikls ievieš latentumu. Viena režīma šķiedrai gaisma pārvietojas ar ātrumu aptuveni 200 000 km/s (ņemot vērā stikla laušanas koeficientu). Ņujorka uz Londonu pa transatlantisko kabeli (apmēram 5500 km) nozīmē aptuveni 28 milisekundes izplatīšanās aizkavi. Pievienojiet raiduztvērēja apstrādi, pārslēgšanu un protokolu, un kopā iegūsit 60-70 milisekundes — joprojām iespaidīgi ātri.

 

Viļņa garums-Dalīšanas multipleksēšana: optiskās datu pārraides mērogošana

 

Viena viļņa garuma sistēmas ar pašreizējo tehnoloģiju nodrošina maksimālo ātrumu aptuveni 400 Gbps uz vienu šķiedru. Viļņa garuma-dalīšanas multipleksēšana (WDM) pārkāpj šo ierobežojumu, nosūtot vairākus viļņu garumus vienlaikus caur vienu šķiedru. Katrs viļņa garums nes neatkarīgu datu plūsmu.

DWDM (blīvās WDM) sistēmas cieši apvieno viļņu garumus, parasti ar 50 GHz vai 100 GHz intervālu C-joslā (1530–1565 nm). Mūsdienu sistēmas izvieto 80 līdz 96 kanālus, no kuriem katrs pārraida 100–400 Gb/s, lai kopējā šķiedras jauda būtu 8–38 terabiti sekundē. Tas ir pietiekami, lai aptuveni 20 sekundēs lejupielādētu visu Netflix bibliotēku.

Katram viļņa garumam ir nepieciešams savs lāzers, kas ir precīzi noregulēts un temperatūra{0}}stabilizēta. Pat neliela viļņa garuma novirze izraisa kanālu pārklāšanos. Optiskie multipleksori apvieno šos viļņu garumus vienā šķiedrā, un demultiplekseri tos atdala uztveršanas galā. Šīs ierīces izmanto traucējumu filtrus, difrakcijas režģus vai sakārtotus viļņvada režģus, lai atšķirtu viļņu garumus, kas atdalīti tikai ar 0,4 nanometriem.

Erbija{0}}leģētie šķiedru pastiprinātāji (EDFA) pastiprina visus WDM kanālus vienlaikus. Sūknējot ar 980 nm vai 1480 nm lāzeru, erbija joni šķiedras kodolā darbojas kā pastiprināšanas vide, pastiprinot signālus 1530-1565 nm diapazonā. EDFA nodrošina visu optisko pastiprināšanu, nepārvēršot to par elektroniku, ļaujot zemūdens kabeļiem stiept okeānus ar pastiprinātājiem ik pēc 40–80 kilometriem.

Praktiskās WDM sistēmas saskaras ar inženiertehniskām problēmām. Nelineāro efektu skala ar kanālu skaitu un kopējo jaudu. Kanālu šķērsruna uzkrājas lielos attālumos. Lai pārvaldītu 96 precīzi-noregulētus lāzerus, ņemot vērā temperatūras izmaiņas un novecošanos, ir nepieciešamas sarežģītas vadības sistēmas. Taču joslas platuma pieauguma dēļ ir vērtīgi-zemūdens kabeļi, kas uzstādīti 2024. gadā, nospiež 24 terabitus uz vienu šķiedru pāri.

 

Kur neizdodas optiskā pārraide

 

Piesārņojums nogalina optiskos signālus.Pirkstu nospiedums uz šķiedras savienotāja var izraisīt 1-2 dB ievietošanas zudumu-pie 1550 nm, kas nozīmē 20–37% signāla zudumu tikai no ādas taukiem. Putekļu daļiņas izkliedē gaismu. Pareizai tīrīšanai nepieciešamas izopropilspirta un bezplūksnu salvetes, kā arī pārbaude ar mikroskopu (400x palielinājums atklāj virsmas defektus). Datu centri ziņo, ka 80% savienojuma problēmu izraisa netīri savienotāji.

Fiziski bojājuminotiek vieglāk, nekā jūs varētu gaidīt. Šķiedras kritiskais lieces rādiuss parasti ir 30 mm uzstādīšanai un 15 mm ilgstošai darbībai. Stingrāki līkumi izraisa mikrolieces zudumu,{5}}gaisma "izplūst" līkumā. Makrolocīšana notiek, ja šķiedra pārāk cieši aptin ap kabeļa spolēm. Un grauzējiem patīk grauzt šķiedru kabeļus (acīmredzot stiprības elementi garšo labi). Bruņu kabelis palīdz, bet palielina izmaksas.

Savienotāju kļūmesierindojas kā galvenā jomas problēma. Mehāniskā savienošana nepareizi izlīdzina šķiedru serdeņus. Slikta saplūšanas savienošana atstāj gaisa spraugas vai piesārņojumu. Pat labiem savienotājiem ir 0,2-0,5 dB ievietošanas zudumi uz vienu pāri. Savienojumā ar 10 savienotājiem jūs zaudējat 2–5 dB, pirms tiek ņemts vērā šķiedras vājinājums. Iepriekš savienoti kabeļi to samazina, bet samazina elastību.

Vides faktoristresa optiskās sistēmas. Temperatūras svārstības maina šķiedras garumu (termiskās izplešanās koeficients ir aptuveni 0,5 ppm/grāds), izraisot viļņa garuma novirzi WDM sistēmās. Mitrums tieši neietekmē stiklu, bet korodē savienotājus un sadales kārbas. Vibrācija rūpnieciskos apstākļos var sabojāt savienotājus. Un elektromagnētiskie impulsi no zibens vai elektriskiem bojājumiem tieši nesabojā šķiedru, bet var iznīcināt raiduztvērējus.

Saderība ar raiduztvērējusarūgtina tīkla inženierus. SFP+ modulis no piegādātāja A var nedarboties pārdevēja B slēdžā, pat ja abi apgalvo, ka tiek ievēroti standarti. Digitālās optiskās uzraudzības (DOM) datu formāti atšķiras. Jaudas budžeti ne vienmēr sakrīt. Izmantojot tālsatiksmes{5}}uztvērēju (paredzēts 40 km) īsos attālumos (300 m), var pārslogot uztvērēju, tāpēc ir nepieciešami optiskie vājinātāji.

Bitu kļūdu līmeņa (BER) metrika nosaka šīs kļūmes. "Tīra" šķiedras saite sasniedz BER zem 10^-12 (mazāk nekā viena kļūda uz triljonu bitu). Piesārņojuma vai bojājumu gadījumā tas pasliktinās līdz 10^-6 vai vēl sliktāk, kur FEC nevar sekot līdzi. Tajā brīdī pakešu zudums kļūst redzams — video straumēšana stostās, lejupielāde neizdodas, tīkla lietojumprogrammu noildze.

 

Izmaksas un ieviešanas realitāte

 

Daudzrežīmu šķiedra maksā 0,50-2 ASV dolārus par metru, viena režīma – aptuveni 0,30–1 USD par metru. Šķiedra pati par sevi ir lēta. Dominē uzstādīšanas izmaksas: pazemes kabeļa tranšeju rakšana maksā 50-200 USD par metru atkarībā no reljefa. Izvēršana no gaisa uz esošajiem stabiem to samazina līdz 10–30 USD par metru, taču saskaras ar pieļaujamām problēmām un vētras ievainojamību.

Raiduztvērēji svārstās no 20 ASV dolāriem par 1 G SFP moduļiem līdz 500 ASV dolāriem par 10 G SFP+, 2000 ASV dolāriem par 100 G QSFP28 un 8000 ASV dolāriem par 400 G QSFP-DD. Tālsatiksmes{14}}saskaņoti raiduztvērēji 100 km+ saitēm maksā 15 000–30 000 USD. Šīs cenas laika gaitā samazinās, bet joprojām dominē datu centru starpsavienojumu un metro tīklu ekonomikā.

Zemūdens kabeļi ir optiskās pārraides investīciju galējais gals. Transatlantiskais kabelis maksā 300–500 miljonus dolāru, un tā uzstādīšana prasa divus gadus. Taču tas nodrošina 10–50 gadu pakalpojumu, pārvadājot terabitus sekundē, liekot ekonomikai darboties lielākajiem interneta mugurkaula pakalpojumu sniedzējiem. Jaunākie kabeļi, piemēram, Grace Hopper (2024), stiepjas 4100 jūdzes ar 17 šķiedru pāriem, katrs pārvadā 24 terabitus sekundē.

Uzturēšanas izmaksas ir ļoti dažādas. Datu centros ar kontrolētu vidi rodas dažas problēmas, kad kabeļi ir pareizi uzstādīti. Āra iekārtai ir nepieciešama pastāvīga apkope: ūdens savienojuma slēgumos, šķiedru griezumi no konstrukcijas, savienotāju korozija, kabeļa bojājums ledus noslogojuma dēļ. Telekomunikāciju pakalpojumu sniedzēji ik gadu uzturēšanai paredz 2-5% no kapitālizdevumiem.

Kopējās īpašumtiesību izmaksas dod priekšroku šķiedrai attālumos, kas pārsniedz 100 metrus. Zem tā varš darbojas labi ar ātrumu 1–10 G. Virs 10 G šķiedra kļūst obligāta pat īsiem braucieniem. Šķērsošanas punkts turpina mainīties, jo raiduztvērēja izmaksas samazinās un vara cīnās ar lielāku ātrumu.

 

 

Bezmaksas{0}}kosmiskā optiskā pret šķiedru

 

Ne visās optiskajās pārraidēs tiek izmantota šķiedra. Brīvās-kosmosa optiskās (FSO) sistēmas pārraida lāzera starus pa gaisu vai kosmosu, sasniedzot 10 Gb/s 1–2 kilometros pilsētas apstākļos vai līdz 40 Gb/s starp zemas Zemes orbītas satelītiem.

FSO izvairās no šķiedras uzstādīšanas izmaksām, pievēršoties pagaidu savienojumiem vai vietām, kur tranšeju rakšana nav iespējama. Saikņu veidošana-uz-pāri ielām vai autostāvvietām darbojas labi. Taču FSO saskaras ar izaicinājumiem, ar ko optiskās šķiedras nav: migla var palielināt vājinājumu par 100 dB uz kilometru (šķiedra: 0,2 dB/km), lietus par 10 dB/km, un scintilācija (atmosfēras turbulence) izraisa nejaušu signāla izbalēšanu.

Norādīšana un izsekošana kļūst kritiska. 1-miliradiānu stars, kas izkliedēts 1 kilometrā, rada 1-metra punktu. Vēja vai termiskās izplešanās radītā šūpošanās var pilnībā novirzīt saiti. Aktīvās izsekošanas sistēmas kompensē, bet palielina sarežģītību. Un fiziski šķēršļi - putni, kukaiņi, konstrukcijas - var īslaicīgi bloķēt staru.

Satelītu optiskās saites nospiež FSO līdz galējībām. SpaceX Starlink konstelācija izmanto lāzera šķērssavienojumus starp satelītiem, panākot 100 Gbps attālumos līdz 5000 kilometriem caur vakuumu. Nav atmosfēras vājināšanās, bet precīzai norādīšanai tūkstošiem kilometru ir nepieciešami sarežģīti algoritmi. Doplera nobīde no relatīvās kustības ir jākompensē. Un kosmosa atkritumi rada pastāvīgus draudus.

FSO papildina, nevis aizstāj šķiedru. Fiber nodrošina augstas-uzticamības mugurkaulu, savukārt FSO apstrādā malas gadījumus, kad šķiedra ir nepraktiska. Hibrīdās sistēmas izmanto gan-šķiedru primārajam ceļam, gan FSO kā kļūmjpārlēci vai jaudas palielināšanu.

 

Jaunās tehnoloģijas un nākotnes virzieni

 

Doba{0}}kodolšķiedra vada gaismu caur gaisu fotoniskā kristāla struktūrā, nevis cietā stiklā. Tas samazina latentumu (gaisma pārvietojas ar ātrumu gandrīz 300 000 km/s gaisā, salīdzinot ar 200 000 km/s stiklā) un novērš nelineāros efektus. Finanšu tirdzniecības uzņēmumi maksā prēmijas par katru ietaupīto mikrosekundi, padarot dobo{7}}šķiedru ekonomiski dzīvotspējīgu noteiktiem maršrutiem. Tehniskās problēmas joprojām ir augstākas ražošanas izmaksas, lielāka trauslums un paaugstināta lieces jutība.

Kosmosa-dalīšanas multipleksēšanā (SDM) jaudas pavairošanai tiek izmantotas daudz-kodolu vai dažas{2}}režīmu šķiedras. Septiņu-kodolu šķiedra efektīvi nodrošina septiņas neatkarīgas šķiedras vienā kabelī. Demonstrācijas sistēmas sasniedza vairāk nekā 100 Tbps, izmantojot SDM apvienojumā ar WDM. Bet režīmu savienošana starp kodoliem izraisa šķērsrunu, un savienošana kļūst eksponenciāli grūtāka. Komerciālā izvēršana ir 5–10 gadu attālumā.

Orbitālā leņķiskā impulsa (OAM) multipleksēšana pārvērš gaismu spirālveida viļņu frontēs, radot citu multipleksēšanas dimensiju. Laboratorijas demonstrācijas liecina par jaudas pieaugumu, bet praktiskā īstenošana saskaras ar nopietnām problēmām. OAM režīmiem ir nepieciešama brīva-vieta vai specializēta šķiedra, tiem ir lieli zudumi un tie ir ļoti jutīgi pret traucējumiem. Lielākā daļa pētnieku tagad uzskata, ka OAM papildina esošās metodes, nevis par revolucionāru.

Kvantu komunikācija pa šķiedru nodrošina teorētiski nesalaužamu šifrēšanu, izmantojot kvantu atslēgu sadali (QKD). Fotoni kodē kvantu stāvokļus, kurus nevar izmērīt, tos netraucējot, atklājot noklausīšanās mēģinājumus. 2017. gadā Ķīna izvietoja 2000 kilometru garu QKD tīklu. Taču QKD sistēmas ir dārgas, sarežģītas un tieši nepalielina datu ietilpību,{7}}tās nodrošina kanālu, nevis to paplašina. Praktiskā QKD joprojām ir ierobežota ar augstas drošības lietojumprogrammām.

Silīcija fotonika integrē optiskos komponentus silīcija mikroshēmās, izmantojot CMOS izgatavošanu. Tas sola ievērojamu izmaksu samazinājumu raiduztvērējiem, slēdžiem un multipleksoriem. Intel, Cisco un citi 2024. gadā piegādāja silīcija fotoniskos izstrādājumus. Taču silīcijs absorbē gaismu parastos telekomunikāciju viļņu garumos, tāpēc lāzeriem ir nepieciešama hibrīda integrācija ar III-V materiāliem. Tehnoloģija turpina uzlaboties, bet vēl nav sasniegusi solīto-no-izmaksu samazinājuma apjomu.

 

Bieži uzdotie jautājumi

 

Kāds ir faktiskais datu pārraides ātrums caur optisko šķiedru?

Gaismas fiziskais izplatīšanās ātrums caur stikla šķiedru ir aptuveni 200 000 kilometru sekundē -apmēram 67% no gaismas ātruma vakuumā, ko palēnina stikla laušanas koeficients 1,5. Attiecībā uz datu pārraides jaudu modernās viena viļņa garuma sistēmas sasniedz 100–400 Gb/s, savukārt WDM sistēmas, kas vienlaikus pārraida vairākus viļņu garumus, sasniedz 8–38 terabitus sekundē uz vienu šķiedru. Latentums parastajos attālumos ir aptuveni 5 mikrosekundes uz kilometru.

Vai optiskās šķiedras var pārvadāt enerģiju kopā ar datiem?

Standarta optiskās šķiedras pārraida tikai gaismas signālus un nevar pārraidīt elektroenerģiju. Tomēr hibrīdkabeļi savieno optiskās šķiedras ar vara vadītājiem, lai nodrošinātu gan datus, gan jaudu,{1}}kas ir izplatīts rūpnieciskos lietojumos un telekomunikāciju iekārtās. Dažos pētījumos tiek pētīta jaudas pārraides kodēšana optiskajos signālos, taču praktiskie jaudas līmeņi lielākajai daļai lietojumu joprojām ir nepietiekami, ko ierobežo fotoelektriskās konversijas efektivitāte un šķiedru bojājumu sliekšņi.

Kāpēc šķiedru sistēmām joprojām ir nepieciešami pastiprinātāji, ja šķiedru zudumi ir tik zemi?

Pat ja vājināšanās ir 0,2 dB uz kilometru, signāli ievērojami vājinās lielos attālumos. Pēc 100 kilometriem signāla stiprums samazinās līdz 1/100 000 no sākotnējās jaudas. Fotodetektoriem ir nepieciešami minimālie jaudas līmeņi, lai uzturētu pieņemamu bitu kļūdu līmeni. Pastiprinātāji (parasti EDFA ik pēc 40-80 km tālsatiksmes sistēmās) atjauno signāla stiprumu, nepārvēršot tos par elektroniku, nodrošinot aizokeāna kabeļus, kas stiepjas tūkstošiem kilometru.

Kas nosaka, vai izmantot vienmodu-vai vairāku{1}}modu šķiedru?

Attāluma un joslas platuma prasības nosaka izvēli. Daudzrežīmu šķiedra (50-62,5 mikronu kodols) labi darbojas attālumos, kas mazāki par 550 metriem ar ātrumu 10 Gb/s, izmanto lētākus LED raiduztvērējus, un to ir vieglāk salabot un savienot. Viena režīma šķiedra (8-10 mikronu kodols) ir nepieciešama attālumam virs 550 metriem un datu pārraides ātrumam virs 10 Gbps, ir nepieciešami dārgāki lāzera raiduztvērēji, un tai ir nepieciešama precīza izlīdzināšana, bet atbalsta praktiski neierobežotu attālumu ar pastiprinājumu.

Kā laikapstākļi ietekmē apraktos vai gaisa optisko šķiedru kabeļus?

Pašu stikla šķiedru neietekmē laikapstākļi,{0}}tā ir imūna pret elektromagnētiskiem traucējumiem, temperatūras svārstībām un mitrumu. Tomēr mehāniskais spriegums, ko rada ledus slodze, termiskās izplešanās/saraušanās cikli un applūšana, var sabojāt kabeļus. Gaisa kabeļi saskaras ar lielāku atteices līmeni vētru un krītošu zaru dēļ. Pazemes kabeļi ir vairāk aizsargāti, bet neaizsargāti pret zemes kustību un mitruma iekļūšanu savienojuma slēgšanā. Pareiza kabeļa projektēšana un uzstādīšana samazina šos riskus.

Vai optisko šķiedru kabeļus var pieskarties vai pārtvert tāpat kā vara kabeļus?

Šķiedru pārtveršanai nepieciešama fiziska piekļuve un specializēts aprīkojums. Atšķirībā no vara kabeļiem, kas izstaro elektromagnētiskos signālus, kurus var uztvert attālināti, šķiedra ierobežo gaismu kodolā, izmantojot pilnīgu iekšējo atstarošanos. Pieskaroties, ir nepieciešams vai nu pārraut šķiedru (izraisot acīmredzamu signāla zudumu), vai strauji saliekt, lai noplūstu gaisma (nosakāms, pārraugot jaudu). Kvantu atslēgu sadales sistēmas var atklāt pat ne-invazīvus pieskārienu mēģinājumus, padarot šķiedru pēc savas būtības drošāku nekā elektriskā pārraide.

Kas izraisa dažādu viļņu garumu (850 nm, 1310 nm, 1550 nm) izmantošanu?

Dažādi viļņu garumi līdzsvaro vairākus faktorus. 850nm labi darbojas ar lētiem daudzrežīmu šķiedru un VCSEL lāzeriem nelielos attālumos, taču stikla absorbcija ir lielāka. 1310nm sasniedz "nulles dispersijas" punktu standarta viena-režīma šķiedrā, kur hromatiskā izkliede ir samazināta līdz minimumam{4}. (0,15-0,2 dB/km) un darbojas ar erbija-leģētiem pastiprinātājiem, padarot to par optimālu tālsatiksmes pārraidei. Izvēle ir atkarīga no attāluma prasībām, šķiedras veida un pastiprināšanas vajadzībām.

Kā šķiedru savienotāji panāk zemus zudumus, neskatoties uz to, ka tie ir atvienojami?

Precīzas uzmavas (keramikas vai metāla) notur šķiedras galu, pulētas līdz -mikronu līdzenumam un izlīdzinātas 1–2 mikronu robežās. Savienojuma laikā uzgaļi fiziski saskaras ar atsperes spiedienu, kas uztur izlīdzinājumu. Neskatoties uz to, tipiskais savienotāja zudums ir 0,2–0,5 dB uz vienu pārošanos (apmēram 5–11% jaudas zudumi). Mazākiem zudumiem ir nepieciešama saplūšana, kas pastāvīgi savieno šķiedras, kausējot tās kopā, panākot 0,01–0,1 dB zudumu, bet novēršot spēju atvienoties.

 

Bottom Line

 

Optiskā datu pārraide darbojas, jo kopējais iekšējais atstarojums aiztur gaismu stikla iekšpusē, kas ir plānāka par matu, un mūsdienu elektronika var modulēt šo gaismu miljardiem reižu sekundē. Fizika ir vienkārša-gaisma, kas atlec cauri stiklam,-bet, lai to īstenotu ar terabitu-sekundē-ātrumu pāri okeānam-pārsniedzot attālumus, ir vajadzīgas neparastas inženierijas.

Tehnoloģija nav ideāla. Piesārņojums, fiziski bojājumi un komponentu saderība izraisa reālas kļūmes. Bet, pareizi uzstādot un apkopjot, optiskā šķiedra nodrošina nepārspējamu joslas platumu, attāluma spēju un noturību pret traucējumiem. Tāpēc praktiski katrs interneta pieslēgums ārpus jūsu mājas, katrs datu centra savienojums un ikviena starpokeāna saite darbojas ar šķiedru.

Nākamā desmitgade nesīs pakāpeniskus uzlabojumus, nevis revolucionāras izmaiņas. Jauda tiks mērogota, izmantojot blīvāku WDM un, iespējams, SDM. Silīcija fotonika var samazināt raiduztvērēja izmaksas. Taču optiskā datu pārraide-modulēta gaisma, kas izplatās caur stiklu, izmantojot pilnīgu iekšējo atstarošanos-, paliks globālās komunikācijas mugurkauls. Fizika darbojas pārāk labi, lai to aizstātu.