광통신
광신호는 송신기에 의해 생성됩니다.
광섬유는 신호를 전송하는 데 사용되며 광섬유에서 광신호가 감쇠되거나 심하게 변형되지 않도록 해야 합니다.
광 신호는 수신기에 의해 수신되어 전기 신호로 변환됩니다. 광섬유는 일반적으로 전화 회사에서 전화, 인터넷 또는 케이블 TV 신호를 전송하는 데 사용됩니다. 때로는 광섬유가 위의 모든 신호를 동시에 전송할 수 있습니다. 광섬유의 신호 감쇠와 간섭은 기존의 구리선에 비해 많이 향상되었으며, 특히 장거리 및 대규모 전송 응용 프로그램에서는 광섬유의 장점이 더욱 두드러졌습니다. 그러나, 도시 간에 광섬유를 사용하는 통신 인프라의 건설 난이도와 재료 비용은 일반적으로 통제하기 어렵고, 건설된 후 시스템 유지 관리의 복잡성과 비용도 높다. 따라서 초기 광섬유 통신 시스템은 대부분 장거리 통신 수요에 사용되어 광섬유의 장점을 최대한 발휘하고 증가하는 비용을 억제하는 데 사용되었습니다.
2000 년 광통신 시장이 붕괴된 이후 광통신 비용은 계속 하락하여 이미 구리를 골간으로 하는 통신 시스템과 견줄 만하다.
광섬유 통신 산업의 경우, 1990 년 광증폭기가 정식으로 상업시장에 진출한 후에야 해저 광섬유 케이블과 같은 많은 장거리 광섬유 통신이 실제로 실현되었다. 2002 년까지 해저 광섬유 케이블의 총 길이는 25 만 킬로미터를 넘었고, 초당 2.56Tb 를 넘었으며, 통신 사업자에 따르면 이 수치는 2002 년부터 크게 증가하고 있습니다. 예로부터 지금까지 장거리 통신에 대한 수요가 약간 줄어든 적이 없다. 시간이 지남에 따라 봉화에서 전보, 1940 년 첫 동축 케이블의 정식 복무에 이르기까지 이러한 통신 시스템의 복잡성과 정교함도 높아지고 있다. 그러나 이러한 소통 방식에는 모두 한계가 있다. 전기 신호를 이용하여 정보를 전송하는 것은 빠르지만, 전송 거리는 많은 중계기가 필요하다.) 전기 신호가 쉽게 감쇠되기 때문이다. 마이크로웨이브 통신은 공기를 매체로 사용할 수 있지만 캐리어 주파수에 의해 제한된다. 20 세기 중엽에 이르러서야 사람들은 빛을 이용하여 정보를 전달하는 것이 과거에 없던 많은 큰 이익을 가져올 수 있다는 것을 깨달았다.
하지만 당시에는 고상관관계가 있는 광원도 없었고, 광신호를 제대로 전송하는 매체도 없었기 때문에 광통신은 항상 개념일 뿐이었다. 기원 1960 년이 되어서야 레이저의 발명이 첫 번째 문제를 해결했다. 1970 이후 코닝 유리 공장은 고품질의 저감쇠 광섬유를 개발하여 두 번째 문제를 해결했다. 이 시점에서 광섬유에서 신호가 전송되는 감쇠가 처음으로 광섬유 통신의 상위 고테크네튬이 제시한 20dB/km 감쇠 임계값보다 낮기 때문에 광섬유가 통신 매체로 사용될 가능성이 입증되었습니다. 아울러 비소화 (GaAs) 로 만든 반도체 레이저도 발명되어 그 크기가 작아 광섬유 통신 시스템에 광범위하게 적용되었다. 1976 년, 최초의 44.7Mbit/s 속도의 광섬유 통신 시스템이 미국 애틀랜타의 지하 파이프에서 탄생했다.
5 년간의 연구 개발 끝에 1980 은 최초의 상용 광섬유 통신 시스템을 출시했습니다. 인류 역사상 최초의 광섬유 통신 시스템은 파장이 800nm 인 비소화 레이저를 광원으로 사용하여 데이터 속도가 45Mb/s (초당 비트) 에 달하고10km 당 중계기가 필요합니다.
2 세대 상용 광섬유 통신 시스템도 1980 이후 개발되었으며 파장이 1300 nm 인 InGaAsP 레이저를 사용합니다. 초기 광섬유 통신 시스템은 분산의 영향을 받았지만 신호 품질에 영향을 받았습니다. 그러나 198 1 년 단일 모드 광섬유의 발명은 이 문제를 극복했다. 1987 까지 상용 광섬유 통신 시스템의 전송 속도는 이미 1.7Gb/s 에 달하여 첫 번째 광섬유 통신 시스템보다 거의 40 배 빠릅니다. 동시에 송신 전력과 신호 감쇄 문제도 눈에 띄게 개선되었으며, 50km 마다 중계기가 필요합니다. 1980 년 말, EDFA 가 탄생했습니다. 이것은 광통신사의 이정표입니다. 광섬유 통신을 직접 중계할 수 있게 해 장거리 고속 전송을 가능하게 해 DWDM 의 탄생을 촉진한다.
3 세대 광섬유 통신 시스템은 파장이 1550 nm 인 레이저를 광원으로 사용하며 신호 감쇠는 이미 0.2dB/km 으로 낮아졌다. 과거에는 인듐 갈륨 비소 인산염 레이저를 사용하는 광섬유 통신 시스템이 펄스 확장 문제를 자주 겪었지만 과학자들은 이러한 문제를 해결하기 위해 분산 변위 광섬유를 설계했습니다. 이 광섬유가 1550 nm 의 광파를 전송할 때 분산은 레이저의 스펙트럼을 단일 종형으로 제한할 수 있기 때문에 거의 0 입니다. 이러한 기술 발전으로 3 세대 광섬유 통신 시스템의 전송 속도는 2.5Gb/s 에 달하고 중계기 간격은100km 에 달할 수 있습니다.
4 세대 광섬유 통신 시스템은 중계기에 대한 수요를 더욱 줄이기 위해 광 증폭기를 도입했다. 또한 WDM (Wave Division Multiplexing) 기술은 전송 속도를 크게 향상시킵니다. 이 두 기술이 발전함에 따라 광섬유 통신 시스템의 용량은 6 개월마다 두 배로 크게 증가했습니다. 200 1 까지 10Tb/s 의 놀라운 속도에 도달했으며 80 년대 광통신 시스템의 200 배에 달했다. 최근 몇 년 동안 전송 속도는 14Tb/s 로 더욱 높아졌으며 160 km 당 단 하나의 중계소가 필요합니다.
5 세대 광섬유 통신 시스템 개발의 중점은 파장 분할 멀티플렉서의 파장 작업 범위를 확대하는 것이다. 일반적으로 "C 밴드" 로 알려진 전통적인 파장 범위는 약 1530 nm 에서 1570 nm 까지이며, 새로운 건식 광섬유의 저손실 밴드는 1300 nm 에서/KLOC 까지 확장됩니다. 또 다른 발전 기술은 광고아의 개념을 도입하여 광섬유의 비선형 효과를 이용하여 펄스파를 분산에 저항하고 원래의 파형을 유지하는 것이다.
1990-2000 년, 광통신업계는 인터넷 거품의 영향으로 크게 성장했다. 또한 주문형 비디오와 같은 새로운 네트워크 어플리케이션으로 인해 인터넷 대역폭이 무어의 법칙에 따라 예상되는 집적 회로 칩에서 트랜지스터의 성장 속도보다 훨씬 빠르게 증가하고 있습니다. 인터넷 거품이 터지면서 2006 년까지 광섬유 통신업계는 기업 규모를 공고히 하고 확장함으로써 아웃소싱 생산을 통해 비용을 절감하고 자신의 생명을 이어갔다.
현재 발전의 최전선은 전광 네트워크이므로 광통신이 전기 신호 통신 시스템을 완전히 대체할 수 있다. 물론 아직 갈 길이 멀다. 광섬유 통신 시스템에서 광원으로 일반적으로 사용되는 반도체 컴포넌트는 발광 다이오드 (LED) 또는 레이저 다이오드입니다. LED 와 레이저 다이오드의 주요 차이점은 전자가 방출하는 빛은 관련이 없고 후자는 관련이 있다는 것이다. 반도체를 광원으로 사용하면 부피가 작고, 발광 효율이 높으며, 안정성이 우수하며 파장 최적화라는 장점이 있다. 더 중요한 것은 반도체 광원이 고주파 작업 하에서 직접 변조될 수 있어 광섬유 통신 시스템의 요구에 매우 적합하다는 것이다.
LED 는 일반적으로 30nm-60nm 사이에 분산되는 비간섭 빛을 방출하기 위해 전기 발광 원리를 사용합니다. LED 의 또 다른 단점은 발광 효율이 낮다는 것이다. 보통 1% 의 입력 전력만 광전력으로 변환할 수 있습니다. 대략 100 MW[ 미크론 (μ) 와트 (μW)] 입니다. 하지만 LED 는 비용이 낮기 때문에 저비용 어플리케이션에 자주 쓰인다. 광통신에 일반적으로 사용되는 LED 주요 소재는 비소화 또는 비소인 (GaAsP) 으로, 발광 파장은 약 1300 nm 으로 비소화 갈륨의 8 10 nm ~ 870 nm 보다 광섬유 통신에 더 적합합니다. LED 스펙트럼 범위가 넓고 분산이 심하기 때문에 전송 속도와 전송 거리의 곱도 제한됩니다. LAN 은 일반적으로 LED 를 사용하며 100Mb/s 에서 100 MB/s 로 전송 속도도 몇 킬로미터 이내입니다. 현재 LED 에는 다양한 파장의 빛을 방출하여 넓은 스펙트럼을 덮을 수 있는 양자 우물이 몇 개 있다. 이 LED 는 지역 파장 분할 다중화 네트워크에 널리 사용됩니다.
반도체 레이저의 출력 전력은 일반적으로 100 마이크로와트 (μW) 정도이며, 방향성이 비교적 강한 일관된 광원으로, 단일 모드 광섬유와의 결합 효율은 보통 50% 에 달할 수 있다. 레이저의 좁은 출력 스펙트럼도 전송 속도를 높이고 모델 분산을 줄이는 데 도움이 됩니다. 반도체 레이저는 복합 시간이 매우 짧기 때문에 상당히 높은 작동 주파수에서도 변조할 수 있습니다.
반도체 레이저는 일반적으로 입력 전류에 따라 스위치 상태와 출력 신호를 직접 조정할 수 있지만, 전송 속도가 매우 높거나 전송 거리가 긴 일부 응용 프로그램의 경우 레이저 광원은 외부 전기 흡수 변조기 또는 마하 젠더 간섭계를 사용하여 광신호를 조절하는 것과 같은 연속파 형식으로 제어할 수 있습니다. 외부 변조 요소는 레이저의' 펄스' 를 크게 줄일 수 있다. 펄스는 레이저의 스펙트럼 폭을 넓히고 광섬유의 분산을 심각하게 만듭니다. 과거 광섬유 통신의 거리 제한은 주로 광섬유에서의 신호 감쇠와 신호 변형에서 비롯되었으며, 해결책은 광전 변환 중계기를 사용하는 것이다. 이 중계기는 먼저 광신호를 전보 신호로 변환하여 확대한 다음, 더 강한 광신호로 변환하여 다음 중계기로 전송한다. 그러나 이 시스템 아키텍처는 의심할 여지 없이 더욱 복잡하여 차세대 파장 분할 멀티플렉싱 기술에 적합하지 않다. 동시에, 20 킬로미터마다 중계기가 필요하기 때문에 전체 시스템의 비용을 절감하기가 매우 어렵다.
광증폭기의 목적은 광전기와 전광 변환이 필요 없이 직접 광신호를 증폭시키는 것이다. 광증폭기의 원리는 광섬유에 에르븀 등 희토원소를 섞은 다음 단파장 레이저로 펌프하는 것이다. 이렇게 하면 라이트 신호가 확대되어 중계기를 대체할 수 있다. 광 수신기의 주요 구성 요소는 광전 효과를 통해 들어오는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 광 검출기입니다. 광 검출기는 일반적으로 pn 접합 다이오드, p-i-n 다이오드 또는 애벌란시 다이오드와 같은 반도체 기반 광 다이오드입니다. 또한 금속-반도체-금속 (MSM) 광 탐지기는 회로와의 통합성으로 인해 광 재생기 또는 파장 분할 멀티플렉서에도 사용됩니다.
광 수신기 회로는 일반적으로 TIA (Transfer Amplifier) 및 제한 증폭기를 사용하여 광 탐지기 변환의 광전류를 처리합니다. 크로스 저항 증폭기와 제한 증폭기는 광전류를 소폭 전압 신호로 변환한 다음 백 엔드 비교기 회로를 통해 디지털 신호로 변환할 수 있습니다. 고속 광섬유 통신 시스템의 경우 신호 감쇠는 종종 비교적 심각하다. 수신기 회로 출력의 디지털 신호가 사양을 초과하지 않도록 일반적으로 수신기 회로 뒤에 클럭 복구 회로 (CDR) 및 PLL (PLL) 을 추가하여 신호를 출력하기 전에 적절히 처리합니다. 현대 유리 광섬유의 경우 가장 심각한 문제는 신호 감쇠가 아니라 분산입니다. 즉, 신호가 광섬유에서 일정한 거리를 전송한 후 점차 확산되어 수신측이 신호의 높낮이를 분간하기 어렵게 됩니다. 광섬유의 분산에는 여러 가지 이유가 있다. 모드 분산을 예로 들자면, 신호 가로형의 축 속도 불일치로 인해 분산이 발생하고 다중 모드 광섬유의 적용이 제한됩니다. 단일 모드 광섬유에서는 모드 간의 분산을 매우 낮게 억제할 수 있습니다.
그러나 단일 모드 광섬유에도 동일한 분산 문제가 있습니다. 이를 일반적으로 그룹 속도 분산이라고 합니다. 그 이유는 유리의 굴절률이 파장에 따라 입사광파와는 약간 다르기 때문에 광원에서 방출되는 광파는 스펙트럼 분포가 없을 수 없기 때문에 광파가 광섬유에서 파장의 미묘한 차이로 인해 굴절 동작이 달라지기 때문이다. 단일 모드 광섬유의 또 다른 일반적인 분산을 편광 모드 분산이라고 합니다. 그 이유는 단일 모드 광섬유에서 한 번에 하나의 가로 모드 광파만 수용할 수 있지만, 가로 모드 광파는 두 방향으로 편광될 수 있으며, 광섬유의 구조적 결함과 변형으로 인해 두 편광 방향의 광파가 서로 다른 전송 속도를 가질 수 있기 때문입니다. 이를 광섬유 복굴절이라고도 합니다. 이 현상은 편광 유지 광섬유를 통해 억제 될 수 있습니다. 그러나 단거리 및 저대역폭 통신 애플리케이션의 경우 전기 신호를 사용하는 전송은 다음과 같은 장점이 있습니다.
건설 비용을 낮추다
조립이 간편하다
전력 시스템은 정보를 전송하는 데 사용할 수 있습니다.
이러한 이점 때문에 정보는 일반적으로 호스트 간, 회로 기판 간, 집적 회로 칩 간 등 짧은 거리 내에서 전송됩니다. 그러나 현재 일부 실험 시스템은 정보 전송을 위해 조명을 변경했습니다.
대역폭이 낮은 상황에서도 광섬유 통신은 여전히 고유한 장점을 가지고 있습니다.
그것은 핵으로 인한 전자기 펄스를 포함한 전자기 간섭에 저항할 수 있다. 그러나 광섬유는 알파 또는 베타 광선에 의해 파괴될 수 있습니다. ) 을 참조하십시오
전기 신호에 대한 임피던스는 매우 높기 때문에 고전압이나 각기 다른 전위 조건에서 안전하게 작동할 수 있다.
경량화는 비행기에서 특히 중요하다.
불꽃이 생기지 않는 것은 일부 인화성 환경에서 중요하다. 전자기 방사선이 없으면 도청하기 쉽지 않다. 이는 높은 안전성이 필요한 시스템에 매우 중요하다.
권선 경로가 제한되면 작은 와이어 지름이 중요해집니다. 서로 다른 광섬유 통신 장비 제조업체가 * * * 통신 표준을 가질 수 있도록 ITU (International Telecommunications Association) 는 다음과 같은 광섬유 통신 관련 표준을 개발했습니다.
ITU-T G.65 1, 50/ 125 미크론 다중 모드 그라데이션 굴절률 광 케이블의 특성
ITU-T G.652, 단일 모드 광 케이블의 특징
광섬유 통신에 대한 기타 표준은 다음을 포함하여 송수신 또는 전송 미디어에 대한 사양을 지정합니다.
10G 이더넷 (10 기가비트 이더넷)
광섬유 분산 데이터 인터페이스
파이버 채널 (파이버 채널)
분류: HIPPI
동기식 디지털 시스템 (동기식 디지털 시스템)
동기식 광 네트워크 (동기식 광 네트워크).
또한 디지털 오디오 분야에서는 광섬유를 통해 정보를 전송하는 사양인 일본 도시바사가 제정한 TOSLINK 사양도 있습니다. POF (플라스틱 광섬유) 는 빨간색 LED 가 있는 송신기와 통합 광 탐지기 및 증폭기 회로가 있는 수신기를 포함하는 미디어로 사용됩니다.