انتقال داده های نوری چگونه کار می کند؟

 

 

یک رشته شیشه نازکتر از موی انسان 43 تراهرتز پهنای باند دارد. کل ترافیک اینترنت محله شما-هر جریان Netflix، تماس زوم، و آپلود TikTok-از طریق چیزی جریان می‌یابد که به‌طور تصادفی می‌توانید آن را جاروبرقی بکشید. این ظرفیت نظری نیست سیستم‌های فیبری که در سال 2024 نشان داده شدند، ده‌ها ترابیت در ثانیه را از طریق یک کابل عبور می‌دهند و انتقال داده‌های نوری را به ستون فقرات شبکه‌های مدرن تبدیل می‌کنند.

فیزیک در ابتدا معکوس به نظر می رسد. شیشه نور را بهتر از مس هدایت می کند که الکتریسیته را برای داده ها هدایت می کند. خیلی بهتره پس از یک کیلومتر فیبر، سیگنال کمتری نسبت به بازتاب نور از یک آینه از دست می دهید.

بیشتر توضیح ها با «نور از شیشه عبور می کند» شروع می شود. درسته ولی بی فایده بخش جالب این است که در مرز شیشه ای-که در آن فیزیک یک آینه کامل ایجاد می کند که فقط زمانی وجود دارد که شما به آن نیاز دارید، اتفاق می افتد. بدون پوشش. بدون پشتوانه نقره ای فقط دو نوع شیشه لمس می شود و ناگهان نور حتی زمانی که بخواهد نمی تواند فرار کند.

 

 

چگونه انتقال داده های نوری از بازتاب داخلی کل استفاده می کند

 

انعکاس کلی داخلی مانند آینه های معمولی رفتار نمی کند. نور را در یک آینه معمولی در هر زاویه ای بتابانید، بازتاب خواهید داشت. در فیبر نوری، انعکاس تنها زمانی اتفاق می‌افتد که نور به مرز بالاتر از 42 درجه برخورد کند (برای شیشه‌های معمولی-به-هوا). زیر آن زاویه؟ نور مثل اینکه مرزی وجود ندارد عبور می کند.

این بازتاب انتخابی یک تله نور ایجاد می کند. هنگامی که فوتون ها با زاویه مناسب وارد هسته فیبر می شوند، از نظر هندسی قفل می شوند. هر جهش آنها را بالاتر از زاویه بحرانی نگه می دارد. نور با سرعت 186000 مایل در ثانیه کابل را زیگزاگ پایین می‌آورد (تقریباً دو-سوم سرعت آن در خلاء، که توسط ضریب شکست شیشه در حدود 1.5 کاهش یافته است).

رابط روکش اصلی-این کار را انجام می دهد. هسته دارای ضریب شکست تقریباً 1.48 است، در حالی که روکش فلزی در 1.46 قرار دارد. این تفاوت 0.02-تنها یک تغییر 1.3٪-کافی است. نوری که تلاش می کند از هسته متراکم تر به داخل روکش کم متراکم فرار کند، به آن مرز برخورد می کند و کاملاً منعکس می شود و اساساً انرژی صفر را به روکش از دست می دهد.

فیبرهای تک حالته{0}}این را بیشتر می‌کنند. با قطر هسته فقط 8-10 میکرون (یک گلبول قرمز حدود 7 میکرون است)، آنها فقط یک مسیر نوری را مجاز می‌کنند. این مشکل پراکندگی مودال{7}}را از بین می‌برد که در آن مسیرهای نوری مختلف از طریق فیبر در زمان‌های مختلف می‌رسند و سیگنال شما را لکه دار می‌کنند. فیبرهای تک حالته می توانند اطلاعات بیش از 40 کیلومتر را بدون تقویت حمل کنند.

 

تبدیل الکترون به فوتون

 

در انتهای انتقال یک دیود لیزری یا LED قرار دارد. داده ها به صورت پالس های الکتریکی می رسند: ولتاژ بالا برابر با دودویی 1، ولتاژ پایین برابر با دودویی 0. لیزر این پالس ها را به پالس های نوری در طول موج های 850 نانومتر، 1310 نانومتر، یا 1550 نانومتر تبدیل می کند{6}}که همه مادون قرمز هستند که برای چشم انسان نامرئی هستند.

چرا مادون قرمز؟ دو دلیل اولاً، شیشه در این طول موج ها با میرایی زیر 0.2 دسی بل در هر کیلومتر در 1550 نانومتر شفاف ترین است. دوم، آشکارسازهای نوری سیلیکونی در این محدوده حساس‌ترین هستند. "پنجره" 1550 نانومتری بسیار ارزشمند است زیرا به نقطه شیرینی برخورد می کند که در آن جذب، پراکندگی و پراکندگی شیشه به حداقل می رسد.

دیودهای لیزری می توانند با سرعت های فوق العاده ای مدوله شوند. سیستم های مدرن از مدولاسیون مستقیم تا 25 گیگابیت بر ثانیه استفاده می کنند که در آن لیزر خود میلیاردها بار در ثانیه روشن و خاموش می شود. فراتر از 25 گیگابیت بر ثانیه، سیستم ها به مدولاسیون خارجی می روند{4}}لیزر به طور مداوم در حالی که یک مدولاتور جداگانه کار می کند

(معمولاً بر اساس جلوه های الکترو-نوری) دامنه، فاز یا هر دو نور را تغییر می دهد.

سیستم های انتقال منسجم، هم دامنه و هم فاز را با استفاده از تکنیک هایی مانند 16-QAM (مدولاسیون دامنه چهارگانه) یا 64-QAM تعدیل می کنند. این به آن‌ها اجازه می‌دهد به جای تنها یک بیت، ۴ یا ۶ بیت در هر نماد رمزگذاری کنند. پلاریزاسیون{9}}مولتی پلکسی تقسیمی را اضافه کنید - ارسال دو جریان داده مستقل در قطبش نور متعامد - و دوباره ظرفیت را دو برابر کنید. نتیجه: بازده طیفی نزدیک به 10 بیت در ثانیه در هر هرتز پهنای باند.

رمزگذاری در نانوثانیه اتفاق می افتد. یک سیگنال الکتریکی ورودی با سرعت 100 گیگابیت در ثانیه به این معنی است که مدولاتور باید هر 10 پیکوثانیه (10^{9}}11 ثانیه) وضعیت را تغییر دهد. در این سرعت ها، قطعات الکترونیکی به محدودیت های فیزیکی خود می رسند. به همین دلیل است که سیستم های 400G و 800G به طور فزاینده ای از تشخیص منسجم با تراشه های پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) استفاده می کنند که محاسبات بلادرنگ را برای رمزگشایی سیگنال انجام می دهند.

 

چه اتفاقی در داخل فیبر می افتد

 

نور در یک خط مستقیم از فیبر عبور نمی کند. در فیبر چند حالته هزاران بار در هر متر می‌چرخد، یا یک مسیر مستقیم را در فیبر تک حالته دنبال می‌کند. در هر صورت، سه پدیده سعی می کنند سیگنال شما را از بین ببرند.

تضعیفاز جذب و پراکندگی ایجاد می شود. شیشه سیلیکا خالص نور را جذب می کند زیرا هیچ ماده ای کاملا شفاف نیست. تولید ناخالصی های کمیاب را معرفی می کند (یون های هیدروکسیل به ویژه مشکل ساز هستند). تغییرات چگالی میکروسکوپی در نور پراکنده شیشه (پراکندگی رایلی). فیبرهای مدرن در 1550 نانومتر به تضعیف 0.15 دسی بل در کیلومتر دست می یابند، به این معنی که پس از 60 کیلومتر، شما همچنان 25 درصد از قدرت نوری اصلی را دارید.

پراکندگی کروماتیکاین اتفاق می افتد زیرا ضریب شکست کمی با طول موج تغییر می کند. لیزر هرگز نور کاملاً تک رنگ ساطع نمی کند-همیشه مقداری عرض طیفی وجود دارد. اجزای طول موج مختلف با سرعت های کمی متفاوت در شیشه حرکت می کنند. در فواصل طولانی، هر پالس نور را پخش می کند و باعث همپوشانی پالس های مجاور می شود. در 1310 نانومتر، پراکندگی رنگی برای فیبر استاندارد نزدیک به صفر است. در 1550 نانومتر، حدود 17 ps/(nm·km) است، اما فیبر جبران کننده پراکندگی-می تواند با این مشکل مقابله کند.

پراکندگی حالت قطبی (PMD)حتی بر روی فیبر یک حالت-تأثیر می گذارد. فیبر استوانه‌ای عالی قطبش را حفظ می‌کند، اما عیوب میکروسکوپی و تنش باعث می‌شود فیبر کمی دوشکس شود. نور در حالت های قطبش مختلف با سرعت های متفاوتی حرکت می کند و در زمان های متفاوتی می رسد. PMD تصادفی است و با دما و تنش مکانیکی تغییر می کند و جبران آن را سخت تر از پراکندگی رنگی می کند.

سیستم‌های{0}قدرت بالا با چالش دیگری روبرو هستند:اثرات غیر خطی. در توان های نوری بالاتر از حدود 1 میلی وات، ضریب شکست شیشه با شدت شروع به تغییر می کند. این باعث ایجاد چهار پدیده-اختلاط موج، مدولاسیون خود-مدولاسیون فاز، و مدولاسیون متقاطع-مدولاسیون فاز-می شود که در آن کانال های طول موج مختلف با یکدیگر تداخل دارند. مهندسان با پایین نگه داشتن توان هر کانال و فاصله مناسب کانال های طول موج، این کار را مدیریت می کنند.

 

تبدیل نور به داده

 

آشکارساز نوری در انتهای گیرنده فوتون ها را به الکترون تبدیل می کند. اکثر سیستم ها از PIN (فتودیودهای مثبت-ذاتی-منفی) یا APD (فتودیودهای بهمنی) استفاده می کنند. هنگامی که یک فوتون به دیود نوری برخورد می کند، یک الکترون را تحریک می کند و جریانی متناسب با توان نوری ایجاد می کند.

فتودیودهای پین ساده تر و خطی تر هستند اما به سیگنال های قوی تری نیاز دارند. APDها از طریق ضرب بهمن بهره داخلی (مانند یک لوله فتو ضرب) می‌دهند-یک فوتون می‌تواند ده‌ها الکترون تولید کند. این باعث می‌شود APD‌ها 10{4}}20 برابر فتودیودهای PIN حساس‌تر باشند، که برای سیستم‌های مسافت طولانی که قدرت سیگنال ضعیف است، بسیار مهم است.

اما تشخیص نور باعث ایجاد نویز می شود. نویز حرارتی از لوازم الکترونیکی تقویت کننده نوسانات جریان تصادفی را اضافه می کند. نویز شات از ماهیت کوانتومی خود نور ناشی می‌شود-فوتون‌ها به‌طور تصادفی می‌رسند، نه در جریان‌های کاملاً منظم، و باعث تغییرات آماری در جریان عکس می‌شوند. و در APD ها، فرآیند بهمن نویز اضافی را اضافه می کند.

گیرنده باید تصمیم بگیرد که آیا هر نماد یک 0 یا 1 را نشان می دهد (یا برای مدولاسیون چند سطحی، کدام یک از چندین مقدار ممکن). این آستانه تصمیم زمانی حیاتی می شود که نویز و تخریب سیگنال تمایز را محو کنند. گیرنده های پیشرفته از تصحیح خطای رو به جلو (FEC) استفاده می کنند-با افزودن افزونگی به داده های ارسالی که به گیرنده اجازه می دهد تا خطاهای بیت را بدون ارسال مجدد شناسایی و تصحیح کند.

سیستم های مدرن 100G و 400G از گیرنده های منسجم با لیزر نوسان ساز محلی استفاده می کنند. با مخلوط کردن سیگنال نوری ورودی با این نوسان ساز محلی، آنها می توانند نه تنها شدت، بلکه فاز و قطبش را نیز تشخیص دهند. این همه اطلاعات رمزگذاری شده توسط فرستنده های منسجم را بازیابی می کند و تکنیک های پیچیده DSP را فعال می کند که آسیب های فیبر را در زمان واقعی جبران می کند.

کل چرخه دریافت-انتقال تأخیر ایجاد می کند. برای فیبر یک حالته، نور با سرعتی در حدود 200000 کیلومتر بر ثانیه حرکت می کند (که ضریب شکست شیشه را در نظر می گیرد). نیویورک تا لندن از طریق کابل فراآتلانتیک (حدود 5500 کیلومتر) به معنای تقریباً 28 میلی ثانیه تاخیر انتشار است. پردازش فرستنده گیرنده، سوئیچینگ و سربار پروتکل را اضافه کنید و 60{11}}70 میلی ثانیه در مجموع و با این حال بسیار سریع دریافت خواهید کرد.

 

طول موج{0}}تقسیم چندگانه: مقیاس‌گذاری انتقال داده‌های نوری

 

حداکثر سرعت سیستم های تک طول موج در هر فیبر 400 گیگابیت بر ثانیه با فناوری فعلی است. طول موج-تقسیم چندگانه (WDM) با ارسال چندین طول موج به طور همزمان از طریق یک فیبر، از این حد می‌گذرد. هر طول موج یک جریان داده مستقل را حمل می کند.

سیستم‌های DWDM (WDM متراکم) طول موج‌ها را محکم بسته‌بندی می‌کنند، معمولاً با فاصله 50 گیگاهرتز یا 100 گیگاهرتز در باند C (1530-1565 نانومتر) از هم فاصله دارند. سیستم های مدرن 80 تا 96 کانال را مستقر می کنند که هر کدام 100-400 گیگابیت بر ثانیه را حمل می کنند و مجموع ظرفیت فیبر بین 8 تا 38 ترابیت در ثانیه است. این برای دانلود کل کتابخانه نتفلیکس در حدود 20 ثانیه کافی است.

هر طول موج به لیزر مخصوص به خود نیاز دارد که دقیقا تنظیم شده و دما{0}}تثبیت شده است. حتی رانش های کوچک طول موج باعث همپوشانی کانال ها می شود. مالتی پلکسرهای نوری این طول موج ها را در یک فیبر واحد ترکیب می کنند و مالتی پلکسرها آنها را در انتهای گیرنده جدا می کنند. این دستگاه‌ها از فیلترهای تداخلی، توری‌های پراش یا شبکه‌های هدایت موج آرایه‌ای برای تمایز بین طول موج‌هایی که تنها با 0.4 نانومتر از هم جدا شده‌اند، استفاده می‌کنند.

تقویت‌کننده‌های فیبر دوپ شده از اربیوم (EDFA) همه کانال‌های WDM را به طور همزمان تقویت می‌کنند. هنگامی که توسط یک لیزر 980 نانومتری یا 1480 نانومتری پمپ می شود، یون های اربیوم در هسته فیبر به عنوان یک واسطه عمل می کنند و سیگنال ها را در محدوده 1530-1565 نانومتر تقویت می کنند. EDFA ها تقویت تمام نوری را بدون تبدیل به الکترونیک امکان پذیر می کنند و به کابل های زیردریایی این امکان را می دهند که هر 40 تا 80 کیلومتر از اقیانوس ها با تقویت کننده ها عبور کنند.

سیستم های WDM عملی با چالش های مهندسی روبرو هستند. مقیاس اثرات غیرخطی با تعداد کانال ها و توان کل. تداخل کانال در فواصل طولانی انباشته می شود. و مدیریت 96 دقیقاً{4}}لیزرهای تنظیم شده در تغییرات دما و پیری به سیستم های کنترل پیچیده ای نیاز دارد. اما افزایش پهنای باند آن را ارزشمند می کند-کابل های زیردریایی نصب شده در سال 2024، 24 ترابیت در هر جفت فیبر را فشار می دهند.

 

جایی که انتقال نوری از کار می افتد

 

آلودگی سیگنال های نوری را از بین می برد.اثر انگشت روی اتصال فیبر می‌تواند باعث از دست رفتن 1-2 دسی‌بل در 1550 نانومتر شود، که 20 تا 37 درصد سیگنال شما را فقط از طریق چربی پوست از دست می‌دهد. ذرات غبار نور را پراکنده می کنند. تمیز کردن مناسب به ایزوپروپیل الکل و دستمال مرطوب بدون پرز، به علاوه بازرسی با میکروسکوپ نیاز دارد (بزرگنمایی 400 برابر عیوب سطح را نشان می دهد). مراکز داده گزارش می دهند که 80 درصد مشکلات اتصال به کانکتورهای کثیف مربوط می شود.

آسیب فیزیکیراحت تر از آنچه انتظار دارید رخ می دهد. شعاع خمش بحرانی فیبر معمولاً 30 میلی‌متر برای نصب و 15 میلی‌متر برای عملکرد طولانی‌مدت- است. خم‌های محکم‌تر باعث از بین رفتن خمش می‌شود-نور در خم "نشت" می‌کند. ماکرو خم شدن زمانی اتفاق می‌افتد که فیبر در اطراف قرقره‌های کابل خیلی محکم بپیچد. و جوندگان عاشق جویدن کابل های فیبر هستند (ظاهراً طعم اعضای قدرت خوب است). کابل زره پوش کمک می کند اما هزینه را اضافه می کند.

خرابی کانکتوررتبه به عنوان موضوع زمینه برتر. اتصال مکانیکی هسته‌های فیبر را نادرست می‌کند. اتصال ضعیف فیوژن باعث ایجاد شکاف یا آلودگی در هوا می شود. حتی کانکتورهای خوب هم 0.2-0.5 دسی بل افت درج در هر جفت دارند. در پیوندی با 10 کانکتور، قبل از محاسبه میرایی فیبر، 2-5 دسی بل از دست می دهید. کابل های از قبل پایانه این را به حداقل می رساند اما انعطاف پذیری را کاهش می دهد.

عوامل محیطیسیستم های نوری تنش نوسانات دما باعث تغییر طول فیبر می شود (ضریب انبساط حرارتی حدود 0.5 پی پی ام در درجه است)، که باعث رانش طول موج در سیستم های WDM می شود. رطوبت مستقیماً روی شیشه تأثیر نمی گذارد، اما اتصالات و جعبه های اتصال را خورده می کند. لرزش در تنظیمات صنعتی می تواند اتصال دهنده ها را شل کند. و پالس های الکترومغناطیسی ناشی از رعد و برق یا خطاهای الکتریکی مستقیماً به فیبر آسیب نمی رسانند اما می توانند فرستنده گیرنده را از بین ببرند.

سازگاری با فرستنده گیرندهمهندسان شبکه را ناامید می کند. یک ماژول SFP+ از فروشنده A ممکن است در سوییچ فروشنده B کار نکند، حتی زمانی که هر دو ادعای مطابقت با استانداردها را دارند. فرمت های داده مانیتورینگ نوری دیجیتال (DOM) متفاوت است. بودجه های قدرت همیشه با هم مطابقت ندارند. و استفاده از یک-فرستنده گیرنده مسافت طولانی (طراحی شده برای 40 کیلومتر) در یک برنامه کاربردی مسافت کوتاه- (300 متر) می تواند گیرنده را بیش از حد بارگذاری کند و به تضعیف کننده های نوری نیاز دارد.

متریک نرخ خطای بیت (BER) این خرابی ها را کمیت می کند. یک پیوند فیبر "تمیز" به BER کمتر از 10^-12 (کمتر از یک خطا در هر تریلیون بیت) می رسد. با آلودگی یا آسیب، این میزان به 10^-6 یا بدتر کاهش می‌یابد، جایی که FEC نمی‌تواند به آن ادامه دهد. در آن مرحله، از دست دادن بسته قابل مشاهده می شود - لکنت جریان ویدئو، دانلودها با شکست مواجه می شوند، برنامه های شبکه به پایان می رسند.

 

واقعیت های هزینه و استقرار

 

فیبر چند حالته 0.50 دلار-2 در هر متر، تک حالت حدود 0.30-1 دلار در هر متر هزینه دارد. فیبر خود ارزان است. هزینه های نصب غالب است: ترانشه برای کابل زیرزمینی 50-200 دلار در هر متر بسته به زمین اجرا می شود. استقرار هوایی در قطب های موجود این مقدار را به 10 تا 30 دلار در هر متر کاهش می دهد، اما با چالش های مجاز و آسیب پذیری طوفان مواجه است.

فرستنده گیرنده ها از 20 دلار برای ماژول های 1G SFP تا 500 دلار برای 10G SFP+، 2000 دلار برای 100G QSFP28 و 8000 دلار برای 400G QSFP{12}}DD متغیر هستند. فرستنده و گیرنده های منسجم طولانی برای پیوندهای 100 کیلومتری 15000-30000 دلار قیمت دارند. این قیمت‌ها در طول زمان کاهش می‌یابند، اما همچنان بر اقتصاد اتصالات مرکز داده و شبکه‌های مترو حاکم هستند.

کابل های زیردریایی نشان دهنده پایان شدید سرمایه گذاری در انتقال نوری است. هزینه کابل ترانس آتلانتیک 300 تا 500 میلیون دلار است و نصب آن دو سال طول می کشد. اما 10 تا 50 سال خدماتی را با ترابیت در ثانیه ارائه می دهد که باعث می شود اقتصاد برای ارائه دهندگان اصلی اینترنت مفید باشد. کابل های اخیر مانند گریس هاپر (2024) 4100 مایل با 17 جفت فیبر، هر کدام 24 ترابیت در ثانیه را در بر می گیرند.

هزینه های تعمیر و نگهداری بسیار متفاوت است. مراکز داده با محیط های کنترل شده پس از نصب صحیح کابل ها، مشکلات کمی را مشاهده می کنند. کارخانه در فضای باز نیاز به تعمیر و نگهداری مداوم دارد: آب در بسته شدن اتصالات، برش فیبر از ساخت و ساز، خوردگی رابط، خرابی کابل در اثر بارگذاری یخ. ارائه دهندگان مخابرات سالانه 2 تا 5 درصد از هزینه های سرمایه ای را برای تعمیر و نگهداری اختصاص می دهند.

هزینه کل مالکیت به نفع فیبر برای فواصل بالای 100 متر است. در زیر آن، مس در سرعت های 1-10G به خوبی کار می کند. بالای 10G، فیبر حتی برای دوره های کوتاه اجباری می شود. با کاهش هزینه های فرستنده گیرنده و کاهش مس با سرعت های بالاتر، نقطه متقاطع تغییر می کند.

 

 

رایگان-فضای نوری در مقابل فیبر

 

همه انتقال نوری از فیبر استفاده نمی کنند. سیستم‌های نوری فضایی آزاد (FSO) پرتوهای لیزر را از طریق هوا یا فضا ارسال می‌کنند و به سرعت 10 گیگابیت در ثانیه در 1 تا 2 کیلومتر در محیط‌های شهری یا حداکثر 40 گیگابیت در ثانیه بین ماهواره‌های مدار پایین زمین می‌رسند.

FSO از هزینه‌های نصب فیبر اجتناب می‌کند و برای پیوندهای موقت یا مکان‌هایی که ترانشه‌برداری غیرممکن است، جذاب است. ساخت و ساز-به-پیوندهای بین خیابان‌ها یا پارکینگ‌ها به خوبی کار می‌کند. اما FSO با چالش‌هایی مواجه است که فیبر ندارد: مه می‌تواند تضعیف را تا 100 دسی‌بل در هر کیلومتر افزایش دهد (فیبر: 0.2 دسی‌بل در کیلومتر)، باران 10 دسی‌بل در کیلومتر، و سوسوزن (تلاطم جوی) باعث محو شدن سیگنال تصادفی می‌شود.

اشاره و ردیابی حیاتی می شود. یک پرتو 1-میلی رادیانی که در طول 1 کیلومتر پخش شده است، یک نقطه 1- متری ایجاد می‌کند. ایجاد نوسان در اثر باد یا انبساط حرارتی می تواند پیوند را کاملاً نادرست کند. سیستم های ردیابی فعال جبران می کنند اما پیچیدگی را اضافه می کنند. و موانع فیزیکی - پرندگان، حشرات، ساخت و ساز - می توانند به طور موقت پرتو را مسدود کنند.

پیوندهای نوری ماهواره ای FSO را به سمت افراط می کشانند. صورت فلکی استارلینک اسپیس ایکس از پیوندهای لیزری بین ماهواره ها استفاده می کند و سرعت 100 گیگابیت بر ثانیه را در فواصل تا 5000 کیلومتر از طریق خلاء به دست می آورد. هیچ تضعیف جوی وجود ندارد، اما اشاره دقیق در طول هزاران کیلومتر به الگوریتم‌های پیچیده نیاز دارد. جابجایی داپلر از حرکت نسبی باید جبران شود. و زباله های فضایی یک تهدید دائمی هستند.

FSO به جای جایگزینی فیبر مکمل است. فیبر ستون فقرات{1}}قابلیت اطمینان بالایی را فراهم می‌کند، در حالی که FSO موارد لبه‌ای را که فیبر غیرعملی است، کنترل می‌کند. سیستم های هیبریدی از هر دو فیبر برای مسیر اصلی، FSO به عنوان failover یا افزایش ظرفیت استفاده می کنند.

 

فن آوری های نوظهور و جهت گیری های آینده

 

فیبر توخالی-به جای شیشه جامد، نور را از طریق هوا در داخل ساختار بلوری فوتونی هدایت می کند. این امر تأخیر را کاهش می دهد (نور با سرعت نزدیک به 300000 کیلومتر بر ثانیه در هوا در مقابل 200000 کیلومتر بر ثانیه در شیشه حرکت می کند) و اثرات غیرخطی را حذف می کند. شرکت‌های تجاری مالی به ازای هر میکروثانیه ذخیره شده حق بیمه پرداخت می‌کنند و فیبر توخالی-را برای مسیرهای خاص از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه می‌سازد. چالش‌های فنی همچنان{9}}هزینه تولید بالاتر، شکنندگی بیشتر و افزایش حساسیت خمشی باقی می‌ماند.

مالتی پلکسی فضایی{0}}تقسیم (SDM) از فیبرهای چند هسته‌ای یا چند حالته برای چند برابر کردن ظرفیت استفاده می‌کند. یک فیبر هفت-هسته ای به طور موثر هفت فیبر مستقل را در یک کابل به شما می دهد. سیستم های نمایشی با استفاده از SDM همراه با WDM به بیش از 100 ترابیت بر ثانیه دست یافتند. اما جفت شدن حالت بین هسته ها باعث ایجاد تداخل می شود و اتصال به طور تصاعدی دشوارتر می شود. استقرار تجاری 5-10 سال دیگر باقی مانده است.

تکانه زاویه‌ای مداری (OAM) نور را به جبهه‌های موج مارپیچ می‌پیچد و بعد چندگانه‌سازی دیگری ایجاد می‌کند. نمایش‌های آزمایشگاهی افزایش ظرفیت را نشان می‌دهد، اما اجرای عملی با چالش‌های جدی مواجه است. حالت‌های OAM به فضای آزاد یا فیبر تخصصی نیاز دارند، تلفات بالایی دارند و به اغتشاشات بسیار حساس هستند. اکثر محققان اکنون OAM را مکمل تکنیک های موجود می دانند نه انقلابی.

ارتباطات کوانتومی روی فیبر، رمزگذاری تئوری نشکن را از طریق توزیع کلید کوانتومی (QKD) ممکن می‌سازد. فوتون‌ها حالت‌های کوانتومی را رمزگذاری می‌کنند که نمی‌توان آن‌ها را بدون ایجاد مزاحمت اندازه‌گیری کرد و تلاش‌های شنود را آشکار می‌کند. چین در سال 2017 یک شبکه 2000-کیلومتری QKD مستقر کرد. اما سیستم‌های QKD گران، پیچیده هستند و مستقیماً ظرفیت داده را افزایش نمی‌دهند-آنها کانال را ایمن می‌کنند، نه گسترش می‌دهند. QKD عملی به برنامه های کاربردی با امنیت بالا محدود می شود.

فوتونیک سیلیکون اجزای نوری را با استفاده از ساخت CMOS روی تراشه های سیلیکونی ادغام می کند. این نوید کاهش هزینه عظیم را برای فرستنده‌ها، سوئیچ‌ها و مالتی پلکسرها می‌دهد. اینتل، سیسکو و دیگران محصولات فوتونیک سیلیکونی را در سال 2024 ارسال کردند. اما سیلیکون نور را در طول موج های مخابراتی معمولی جذب می کند و نیاز به ادغام هیبریدی با مواد III{3}}V برای لیزرها دارد. این فناوری همچنان در حال بهبود است، اما هنوز به ترتیب وعده داده شده-از-کاهش هزینه‌های بزرگ دست نیافته است.

 

سوالات متداول

 

سرعت واقعی انتقال اطلاعات از طریق فیبر نوری چقدر است؟

سرعت انتشار فیزیکی نور از طریق فیبر شیشه ای تقریباً 200000 کیلومتر در ثانیه است-حدود 67٪ سرعت نور در خلاء، که توسط ضریب شکست شیشه 1.5 کاهش یافته است. برای ظرفیت انتقال داده، سیستم‌های تک طول موج مدرن به 100-400 گیگابیت بر ثانیه دست می‌یابند، در حالی که سیستم‌های WDM که چندین طول موج را به طور همزمان حمل می‌کنند به 8 تا 38 ترابیت در ثانیه در هر فیبر می‌رسند. تأخیر در فواصل معمولی حدود 5 میکروثانیه در هر کیلومتر است.

آیا فیبرهای نوری می توانند انرژی را همراه با داده ها حمل کنند؟

فیبرهای نوری استاندارد فقط سیگنال های نوری را حمل می کنند و نمی توانند نیروی الکتریکی را منتقل کنند. با این حال، کابل‌های هیبریدی فیبرهای نوری را با رسانای مسی ترکیب می‌کنند تا هم داده‌ها و هم توان را ارائه کنند{1}}که در کاربردهای صنعتی و تجهیزات مخابراتی رایج است. برخی تحقیقات به بررسی رمزگذاری انتقال توان در سیگنال‌های نوری می‌پردازند، اما سطوح توان عملی برای اکثر کاربردها ناکافی باقی می‌ماند، که توسط بازده تبدیل فوتوالکتریک و آستانه آسیب فیبر محدود می‌شود.

چرا سیستم های فیبر هنوز به تقویت کننده نیاز دارند اگر تلفات فیبر بسیار کم باشد؟

حتی با تضعیف کمتر از 0.2 دسی بل در هر کیلومتر، سیگنال ها به طور قابل توجهی در فواصل طولانی ضعیف می شوند. پس از طی 100 کیلومتر، قدرت سیگنال به 1/100000 قدرت اولیه کاهش می یابد. آشکارسازهای نوری به حداقل سطوح توان نیاز دارند تا نرخ خطای بیت قابل قبولی را حفظ کنند. تقویت‌کننده‌ها (معمولاً EDFA هر 40-80 کیلومتر در سیستم‌های مسافت طولانی) قدرت سیگنال را بدون تبدیل به الکترونیک بازیابی می‌کنند و کابل‌های بین اقیانوسی را قادر می‌سازند تا هزاران کیلومتر را در بر گیرند.

چه چیزی تعیین می کند که از فیبر تک حالته یا چند حالته-استفاده شود؟

فاصله و پهنای باند مورد نیاز انتخاب را هدایت می کند. فیبر چند حالته (50-62.5 میکرون هسته) برای فواصل کمتر از 550 متر با سرعت 10 گیگابیت در ثانیه به خوبی کار می کند، از فرستنده های LED ارزان تری استفاده می کند و اتصال و اتصال آسان تر است. فیبر تک حالته (هسته 8 تا 10 میکرون) برای فواصل بالاتر از 550 متر و سرعت داده بالاتر از 10 گیگابیت در ثانیه مورد نیاز است، به فرستنده های لیزری گران تری نیاز دارد و به تراز دقیق نیاز دارد، اما از فاصله تقریبا نامحدود با تقویت پشتیبانی می کند.

آب و هوا چگونه بر کابل های فیبر نوری مدفون یا هوایی تأثیر می گذارد؟

فیبر شیشه به خودی خود تحت تأثیر آب و هوا نیست-در برابر تداخل الکترومغناطیسی، تغییرات دما و رطوبت مصون است. با این حال، تنش مکانیکی ناشی از بارگذاری یخ، چرخه های انبساط/انقباض حرارتی و سیل می تواند به کابل ها آسیب برساند. کابل های هوایی با نرخ خرابی بالاتری از طوفان و سقوط شاخه ها روبرو هستند. کابل های زیرزمینی محافظت بیشتری دارند اما در برابر حرکت زمین و نفوذ رطوبت در بسته های اسپلایس آسیب پذیر هستند. طراحی و نصب مناسب کابل این خطرات را کاهش می دهد.

آیا می توان مانند کابل های مسی کابل های فیبر نوری را شنود یا قطع کرد؟

رهگیری فیبر نیاز به دسترسی فیزیکی و تجهیزات تخصصی دارد. بر خلاف کابل‌های مسی که سیگنال‌های الکترومغناطیسی را منتشر می‌کنند که می‌توان از راه دور آن را گرفت، فیبر نور را از طریق بازتاب داخلی کامل در هسته محدود می‌کند. ضربه زدن نیاز به شکستن فیبر (باعث از دست دادن سیگنال آشکار) یا خم کردن شدید آن برای نشت نور (قابل تشخیص از طریق نظارت بر قدرت) است. سیستم‌های توزیع کلید کوانتومی می‌توانند حتی تلاش‌های ضربه زدن غیرتهاجمی-را شناسایی کنند و فیبر را ذاتاً ایمن‌تر از انتقال الکتریکی می‌کنند.

چه چیزی باعث می شود از طول موج های مختلف (850 نانومتر، 1310 نانومتر، 1550 نانومتر) استفاده شود؟

طول موج‌های مختلف چندین عامل را متعادل می‌کنند. 850nm با فیبرهای چند حالته ارزان قیمت و لیزرهای VCSEL برای فواصل کوتاه به خوبی کار می‌کند، اما جذب شیشه بالاتر است. 1310nm به نقطه "صفر پراکندگی" در فیبر استاندارد تک حالته{3}}که در آن پراکندگی رنگی مناسب برای metro کمینه می‌شود، به خوبی کار می‌کند. تضعیف (0.15-0.2 dB/km) و با تقویت‌کننده‌های دوپ‌شده اربیوم-کار می‌کند و برای انتقال در مسافت‌های طولانی بهینه است. انتخاب بستگی به نیازهای فاصله، نوع فیبر و نیازهای تقویتی دارد.

چگونه کانکتورهای فیبر با وجود جدا شدن، تلفات پایینی دارند؟

فرول‌های دقیق (سرامیکی یا فلزی) انتهای فیبر را نگه می‌دارند، تا سطح مسطح زیر{0}میکرون جلا داده شده و در عرض 1-2 میکرون تراز شده‌اند. فرول ها هنگام جفت شدن از نظر فیزیکی با هم تماس می گیرند و فشار فنر هم تراز را حفظ می کند. با وجود این، تلفات کانکتور معمولی 0.2-0.5 دسی بل در هر جفت گیری است (حدود 5-11٪ تلفات برق). تلفات کمتر نیاز به اتصال همجوشی دارد که به طور دائم فیبرها را با ذوب آنها به یکدیگر متصل می کند و اتلاف 0.01-0.1 دسی بل را به دست می آورد اما توانایی قطع اتصال را از بین می برد.

 

خط پایین

 

انتقال داده های نوری کار می کند زیرا بازتاب داخلی کل نور را در داخل شیشه نازک تر از یک مو به دام می اندازد و الکترونیک مدرن می تواند آن نور را میلیاردها بار در ثانیه تعدیل کند. فیزیک ساده است-نور از شیشه می‌گذرد-اما پیاده‌سازی آن با سرعت ترابیت-در{4}}ثانیه در فاصله‌های گستره اقیانوس-به مهندسی فوق‌العاده‌ای نیاز دارد.

تکنولوژی کامل نیست آلودگی، آسیب فیزیکی، و سازگاری اجزاء باعث خرابی‌های واقعی-جهانی می‌شود. اما زمانی که فیبر نوری به درستی نصب و نگهداری شود، پهنای باند، قابلیت فاصله و مصونیت در برابر تداخل بی‌نظیر را فراهم می‌کند. به همین دلیل است که تقریباً هر اتصال اینترنتی فراتر از خانه شما، هر اتصال مرکز داده و هر پیوند بین اقیانوسی روی فیبر اجرا می شود.

دهه آینده به جای تغییرات انقلابی، بهبودهای تدریجی را به همراه خواهد داشت. ظرفیت از طریق WDM متراکم تر و SDM بالقوه مقیاس خواهد شد. فوتونیک سیلیکونی ممکن است هزینه های فرستنده و گیرنده را کاهش دهد. اما انتقال داده‌های نوری-نور تعدیل‌شده که از طریق شیشه از طریق بازتاب کامل داخلی منتشر می‌شود{4}}به عنوان ستون فقرات ارتباطات جهانی باقی خواهد ماند. فیزیک خیلی خوب کار می کند که نمی تواند جایگزین شود.