광섬유 통신 시스템 개요

광섬유(Optical Fiber)는 광섬유(Optical Fiber)의 약자이다. 광섬유 통신은 광파를 정보 매체로, 광섬유를 전송 매체로 사용하는 통신 방법입니다. 원칙적으로 광섬유 통신을 구성하는 기본 재료 요소는 광섬유, 광원 및 광 검출기입니다. 광섬유는 제조공정, 재료구성, 광학특성에 따라 분류되는 것 외에도 응용분야에 따라 분류되는 경우가 많으며 통신용 광섬유와 감지용 광섬유로 나눌 수 있습니다. 전송 매체 광섬유는 범용 및 특수 목적의 두 가지 유형으로 구분됩니다. 기능 장치 광섬유는 광파의 증폭, 성형, 주파수 분할, 주파수 배가, 변조 및 광 발진 기능을 완성하는 데 사용되는 광섬유를 말합니다. 특정 기능적 장치로 사용되는 경우가 많습니다.

광섬유 통신은 광파를 캐리어로, 광섬유를 전송 매체로 사용하여 한 곳에서 다른 곳으로 정보를 전송하는 통신 방식을 '유선' 광통신이라고 합니다. 오늘날 광섬유는 전송 대역폭, 높은 간섭 방지 성능 및 작은 신호 감쇠로 인해 케이블 및 마이크로파 통신 전송보다 훨씬 우수하여 세계 통신의 ​​주요 전송 방법이 되었습니다.

1966년 영국계 찰스 카오(Charles Kao)는 석영을 이용해 최대 20dB/km의 손실을 갖는 유리 필라멘트(광섬유)를 만들어 대용량 광섬유 통신을 구현할 수 있다는 논문을 발표했다. . 당시에는 영국표준통신연구소(STL), 미국 코닝유리회사, 벨연구소 등 세계에서 소수의 사람들만이 이를 믿었다. 2009년 가오쿤은 광섬유 발명으로 노벨상을 수상했다. 1970년 코닝사는 손실이 20dB/km에 달하는 30m 길이의 석영 섬유를 개발했는데, 그 비용은 3천만 달러에 달했다고 합니다. 1976년에 벨 연구소는 워싱턴 주 애틀랜타에 실험적인 회선을 구축했습니다. 전송 속도는 45Mb/s에 불과했고 수백 건의 전화 통화만 전송할 수 있었던 반면, 동축 케이블은 1,800개의 전화 회선을 전송할 수 있었습니다. 당시에는 통신용 레이저가 없었기 때문에 광섬유 통신의 광원으로 발광다이오드(LED)를 사용했기 때문에 속도가 매우 느렸다. 1984년경에는 통신용 반도체 레이저 개발에 성공했다. 광섬유 통신 속도는 144Mb/s에 달했고 1,920건의 통화를 전송할 수 있었다. 1992년에는 광섬유 1개의 전송 속도가 2.5Gb/s에 도달했는데, 이는 전화 통화 30,000건 이상에 해당합니다. 1996년에는 다파장, 다채널 광섬유 통신을 구현할 수 있는 다양한 파장의 레이저 개발에 성공했는데, 이는 서로 다른 파장의 다중 광신호를 전송하는 것을 의미하는 이른바 '파장분할다중화(WDM)' 기술이다. 하나의 광섬유 내에서. 그 결과 광섬유 통신의 전송 용량이 두 배로 늘어났다. 2000년에는 WDM 기술을 사용하여 광섬유의 전송 속도가 640Gb/s에 이르렀습니다. 일부 사람들은 가오쿤이 1976년에 광섬유를 발명했지만 2010년에야 노벨상을 수상했다는 사실에 큰 의구심을 갖고 있습니다. 실제로 위의 광섬유 개발 이력을 보면 광섬유의 용량은 크지만 초고속 레이저와 마이크로 전자공학이 없으면 광섬유의 초대용량을 구현할 수 없다는 것을 알 수 있다. 전자기기의 속도는 이제 기가비트/초 수준에 이르렀다. 다양한 파장의 고속 레이저가 등장하면서 광섬유 전송이 테라비트/초 수준(1Tb/s=1000Gb/s)에 도달하게 됐다. 사람들은 "광섬유의 발명"이 통신 기술의 혁명을 촉발했다는 사실을 깨달았습니다!" 기존 광섬유 통신 시스템의 주요 구성 요소는 광섬유, 광원 및 광 감지기입니다. 광섬유에는 단일모드 광섬유와 다중모드 광섬유가 있으며, 광원에는 반도체 레이저와 발광다이오드가 포함된다. 중장거리 시스템은 단일모드 광섬유와 반도체 레이저를 사용하고, 새로 개발된 고속 시스템은 분산 피드백(DFB) 레이저를 사용하며, 단거리 시스템은 다중모드 광섬유와 발광다이오드를 사용할 수 있다.

기존의 광섬유 통신 시스템은 송신단에서 광원에 대한 세기 변조를 수행하고, 수신단에서는 광검출기를 사용하여 수신된 광신호(IM/DD)를 직접 검출하는 시스템을 말한다. 강도 변조 직접 Shuanbo 광섬유 통신 시스템으로 알려져 있으며 실제로 1990년대 초반에 주로 사용되었습니다. 기본 구조는 그림 2와 같이 2.488Gbit/s 시스템을 예로 들어 설명합니다.

그림의 왼쪽은 송신단의 시분할 멀티플렉서로, 입력된 155Mbit/s 디지털 신호를 2.488Gbit/s 신호로 합성합니다. 이 신호는 분산 피드백 레이저의 강도를 직접 변조한 다음 변조된 출력을 단일 모드 광섬유로 전송합니다.

그림의 오른쪽에서는 희미한 빛을 광전 검출기에 의해 직접 감지하여 2.488Gbit/S 디지털 신호를 얻은 다음 시간 분해 및 다중화를 통해 155Mbit/s 디지털 신호 세트를 얻습니다.

기존 광섬유 통신 시스템의 중계장비는 그림 3과 같다.

2.2 적용 범위

광섬유 통신은 먼저 전화국 간 광섬유 로컬 네트워크를 구성하기 위해 사용되었으며, 이후 장거리 통신으로 국가 광섬유 네트워크를 구성했으며, 이는 광대역 통신 네트워크 뼈대가 될 것입니다. 해저 광케이블 시스템은 대서양과 태평양을 횡단하는 유명한 해저 광케이블 통신 시스템으로, 대양 횡단 통신이나 단거리 섬 간 및 해안 통신을 위해 개발되었습니다. 예를 들어 1988년 12월 상용화된 최초의 대서양 횡단 시스템인 TAT-8은 광케이블에 3쌍의 광섬유가 있는데 2쌍은 사용 중이고 1쌍은 예비로 남아 있다. 각 쌍의 정보 속도는 280Mbit/s입니다. 총 길이는 6,700km, 평균 중계국 간격은 67knu, 파장은 1.3μm이며 기존의 단일모드 광섬유를 사용한다.

선진국에서는 광섬유 사용자 네트워크, 즉 FTTH(Fiber to the Home) 또는 FTTC(Fiber to Roadside)를 계획, 설계 및 구축하고 있습니다. 다양한 상황에서의 다양한 크기 및 애플리케이션의 광섬유 근거리 통신망과 같은 기타 애플리케이션. (1) 통신 용량이 크고 전송 거리가 길며, 광섬유의 잠재적 대역폭은 20THz에 달할 수 있습니다. 이러한 대역폭을 이용하면 고대부터 현대까지 모든 인적 텍스트 데이터를 국내외에서 전송하는 데 약 1초밖에 걸리지 않는다. 400Gbit/s 시스템이 상업적으로 사용되었습니다. 광섬유의 손실은 극히 낮습니다. 광파장이 약 1.55μm일 때 석영 광섬유의 손실은 0.2dB/km 미만이 될 수 있으며 이는 모든 전송 매체의 손실보다 낮습니다. 따라서 무릴레이 전송 거리는 수십 또는 수백 킬로미터에 달할 수 있습니다.

(2) 낮은 신호 간섭 및 우수한 기밀 성능

(3) 전자기 간섭 방지 및 우수한 전송 품질은 광섬유 통신만으로는 다양한 전자기 간섭 문제를 해결할 수 없습니다. 모든 종류의 전자기 간섭이 없습니다.

(4) 광섬유는 크기가 작고 무게가 가벼워 설치 및 운반이 용이하다.

(5) 재료원이 풍부하고 환경이 좋다. 잘 보호되어 비철금속 구리 절약에 도움이 됩니다.

(6) 방사선이 없고 광섬유에서 전달되는 광파가 광섬유 외부로 빠져나가지 못하기 때문에 도청이 어렵다.

(7) 광케이블은 적응성이 뛰어나고 수명이 길다.

(8) 질감이 부서지기 쉽고 기계적 강도도 좋지 않습니다.

(9) 광섬유 절단 및 접합에는 특정 도구, 장비 및 기술이 필요합니다.

(10) 분기와 결합은 융통성이 없습니다.

(11) 광섬유 케이블의 굽힘 반경은 너무 작을 수 없습니다(gt; 20cm).

(12) 전원 공급이 어려운 문제가 있습니다.

광파를 이용해 광섬유로 정보를 전송하는 통신 방식이다. 레이저는 높은 지향성, 높은 간섭성, 높은 단색성 등 중요한 장점을 갖고 있기 때문에 광섬유 통신의 광파는 주로 레이저이므로 레이저-섬유 통신이라고도 합니다. 광섬유 통신의 원리는 송신단에서 전송된 정보(예: 음성)를 먼저 전기 신호로 변환한 다음 레이저에서 방출되는 레이저 빔으로 변조하여 빛의 강도를 변경해야 한다는 것입니다. 전기 신호의 진폭(주파수)으로 수신단에서 광섬유를 통해 전송되며, 검출기는 이를 수신한 후 광 신호를 전기 신호로 변환하고 복조 후 원래 정보를 복원합니다.

정보 기술 전송 속도가 빨라짐에 따라 광섬유 기술이 광범위한 관심과 응용을 받고 있습니다. 다중 마이크로컴퓨터 엘리베이터 시스템에서 광섬유의 적용은 정확하고 안정적인 고속 전송 및 다수의 데이터 통신 처리에 대한 요구 사항을 완전히 충족합니다. 엘리베이터에 광섬유 기술을 적용하면 전체 제어 시스템의 응답 속도가 크게 향상되고 엘리베이터 시스템의 병렬 그룹 제어 성능이 크게 향상되었습니다. 엘리베이터에 사용되는 광섬유 통신 장치는 주로 광원, 광전 수신기 및 광섬유로 구성됩니다. 마이크로컴퓨터 제어 시스템이 출력하는 신호는 전기 신호인 반면, 광섬유 시스템은 광신호를 전송하므로, 마이크로컴퓨터 시스템에서 생성된 전기 신호를 광섬유로 전송하려면 먼저 전기 신호를 변환해야 합니다. 광신호. 광원은 이러한 전기광학 변환 장치이다.

광원은 먼저 전기 신호를 광 신호로 변환한 다음 광 신호를 광섬유로 보냅니다. 광섬유 시스템에서 광원은 매우 중요한 역할을 합니다.

광섬유 광원에는 백열등, 레이저, 반도체 광원이 포함됩니다. 반도체 광원은 반도체의 PN 접합을 이용해 전기 에너지를 빛 에너지로 변환하는 역할을 하며, 일반적으로 사용되는 반도체 광원으로는 반도체 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD) 등이 있다. 반도체 광원은 소형, 경량, 간단한 구조, 사용 용이성 및 광섬유와의 호환성으로 인해 광섬유 전송 시스템에 널리 사용되었습니다. 광섬유는 광신호를 전달하는 통로이자 광섬유 통신의 핵심 소재이다.

광섬유는 코어, 클래딩, 코팅, 재킷으로 구성되며 다층 유전체 구조를 갖춘 대칭형 원통형입니다. 섬유심의 본체는 실리카이며, 여기에 미량의 다른 물질을 혼합하여 물질의 광굴절률을 높였습니다. 파이버 코어 외부에는 클래딩이 있습니다. 클래딩과 파이버 코어는 광 굴절률이 서로 다르므로 광 신호가 파이버 코어에서 주로 전송됩니다. 클래딩 외부에는 페인트 층이 있는데, 이는 광섬유를 외부 손상으로부터 보호하기 위해 광섬유의 기계적 강도를 높이는 데 주로 사용됩니다. 광섬유의 가장 바깥층은 보호 역할도 하는 재킷입니다.

광섬유의 두 가지 주요 특성은 손실과 분산입니다. 손실은 단위 길이당 광 신호의 감쇠 또는 손실로, db/km로 표시됩니다. 이 매개변수는 광 신호의 전송 거리와 관련이 있으며, 손실이 클수록 전송 거리가 짧아집니다. 멀티 마이크로 컴퓨터 엘리베이터 제어 시스템은 일반적으로 전송 거리가 짧기 때문에 비용 절감을 위해 플라스틱 광섬유가 주로 사용됩니다. 섬유 분산은 주로 펄스 확장과 관련이 있습니다. 미쓰비시 엘리베이터 제어 시스템에서 광섬유 통신은 주로 그룹 제어와 단일 엘리베이터 간의 데이터 전송 및 두 개의 병렬 단일 엘리베이터 간의 데이터 전송에 사용됩니다. 미츠비시 엘리베이터가 사용하는 광섬유 장치는 주로 광원, 광 수신기 및 광섬유로 구성됩니다. 광원과 광 수신기는 광섬유 커넥터의 고정 플러그에 캡슐화되어 있으며 광섬유는 가동 장치에 연결됩니다. 플러그. 보내기: CPU는 전용 IC 칩을 통해 병렬 데이터를 직렬화하고 통신 형식에 따라 해당 비트 코드(시작, 정지, 검사 비트 등)를 삽입하고 출력 단자 TXD는 신호를 광섬유 커넥터로 보냅니다. (즉, 고정 플러그), 광섬유 커넥터의 광원은 전기-광 변환을 수행합니다. 변환된 광 신호는 광섬유 가동 플러그를 통해 광섬유로 전송되고 광 신호는 내부에서 앞으로 전파됩니다. 광섬유.

수신: 광섬유로부터의 광신호는 광섬유 커넥터의 가동 플러그를 통해 고정 플러그의 수신기로 전송되며, 수신기는 수신된 광신호를 광-전기적 감소를 수행하여 획득한다. 해당 전기 신호는 전용 IC 칩의 RXD 입력단으로 전송됩니다. 전용 IC 칩이 직렬 데이터를 병렬 데이터로 변경한 후 CPU로 전송됩니다. 광섬유 통신의 응용 분야는 매우 넓으며 주로 지역 전화 간선에 사용됩니다. 광섬유 통신의 장점은 여기에서 완전히 활용될 수 있으며 점차적으로 케이블을 대체하고 널리 사용되고 있습니다. 장거리 간선통신에도 사용되는데, 과거에는 주로 케이블, 마이크로웨이브, 위성통신에 의존했으나 현재는 점차 광섬유 통신이 활용되면서 세계를 석권하는 비트 전송 방식이 형성됐다. 다양한 국가(예: 중국)의 글로벌 통신 네트워크 및 공공 통신 네트워크에 사용됩니다. 국가 1차 간선, 지방 2차 간선 및 현 수준 이하의 지선에도 사용됩니다. 전송, 산업 생산 현장 모니터링 및 파견, 교통 모니터링 및 제어 명령, 도시 케이블 TV 네트워크 및 광섬유 로컬 영역 네트워크 및 항공기, 우주선, 선박, 지하 광산과 같은 기타 애플리케이션에 사용되는 국가 안테나(CATV) 시스템, 전력 부문, 군대, 부식 및 방사선이 발생하는 지역.

광섬유 전송 시스템은 주로 광 송신기, 광 수신기, 광 케이블 전송선, 광 중계기 및 다양한 수동 광 구성 요소로 구성됩니다. 통신을 수행하려면 베이스밴드 신호를 전기 단말기에서 처리한 다음 광섬유 전송 시스템으로 전송하여 통신 프로세스를 완료해야 합니다.

광섬유 아날로그 통신 시스템에 적합하며, 광섬유 디지털 통신 시스템, 데이터 통신 시스템에도 적합하다. 광섬유 아날로그 통신 시스템에서 전기 신호 처리는 베이스밴드 신호의 증폭, 사전 변조 및 기타 처리를 의미하며, 전기 신호 역처리는 발신 처리, 즉 복조, 증폭 및 기타 처리의 역 과정을 의미합니다. 광섬유 디지털 통신 시스템에서 전기적 신호처리란 기저대역 신호의 증폭, 샘플링, 양자화, 즉 PCM(Pulse Code Modulation), 라인 패턴 인코딩(Line Pattern Encoding) 처리 등을 말하며, 전기신호 역처리 역시 기저대역 신호의 역과정이다. 원산지.

데이터 광섬유 통신의 경우 전기 신호 처리에는 주로 신호 ​​증폭이 포함됩니다. 디지털 통신 시스템과 달리 코드 변환이 필요하지 않습니다.