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Glasfaserkommunikation: Telekommunikation

Glasfaserkommunikation: Telekommunikation

Die Glasfaserkommunikation hat die Telekommunikationsbranche revolutioniert. Es ist auch in der Community der Datennetzwerke weit verbreitet. Durch die Verwendung von Glasfaserkabeln konnten durch optische Kommunikation Telekommunikationsverbindungen über viel größere Entfernungen und mit viel geringeren Verlusten im Übertragungsmedium hergestellt werden, und möglicherweise am wichtigsten ist, dass durch Glasfaserkommunikation viel höhere Datenraten möglich wurden.

Aufgrund dieser Vorteile werden Glasfaserkommunikationssysteme häufig für Anwendungen eingesetzt, die von der großen Telekommunikations-Backbone-Infrastruktur über Ethernet-Systeme bis hin zur Breitbandverteilung und allgemeinen Datennetzwerken reichen.

Entwicklung von Glasfasern

Seit den frühesten Tagen der Telekommunikation besteht ein immer größerer Bedarf, mehr Daten noch schneller zu übertragen. Anfangs wurden Einleitungsdrähte verwendet. Diese machten Koaxialkabeln Platz, mit denen mehrere Kanäle über dasselbe Kabel übertragen werden konnten. Diese Systeme waren jedoch in ihrer Bandbreite begrenzt und optische Systeme wurden untersucht.

Optische Kommunikation wurde eine Möglichkeit, nachdem die ersten Laser in den 1960er Jahren entwickelt wurden. Das nächste Puzzleteil wurde eingesetzt, als in den 1970er Jahren die ersten optischen Fasern mit einem für Kommunikationszwecke ausreichend geringen Verlust entwickelt wurden. In den späten 1970er Jahren wurde dann eine beträchtliche Menge an Forschung betrieben. Dies führte zur Installation des ersten Glasfasertelekommunikationssystems. Es lief über eine Distanz von 45 km und verwendete eine Wellenlänge von 0,5 mm und hatte eine Datenrate von nur 45 Mbit / s - ein Bruchteil dessen, was heute möglich ist.

Seitdem wurden erhebliche Verbesserungen in der Technologie vorgenommen. Die Datenraten haben sich verbessert, und zusätzlich wurde die Leistung der optischen Faser verbessert, um viel größere Abstände zwischen Repeatern zu ermöglichen. Als Hinweis darauf überschreiten die Geschwindigkeiten, die jetzt entlang eines Glasfasersystems erreicht werden können, 10 Tbit / s.

Als die ersten Glasfaserübertragungssysteme entwickelt wurden, wurde angenommen, dass die Glasfaserverkabelung und -technologie unerschwinglich teuer sein würden. Dies war jedoch nicht der Fall und die Kosten sind in dem Maße gesunken, dass Glasfaser jetzt die einzig praktikable Option für viele Telekommunikationsanwendungen darstellt. Darüber hinaus wird es auch in vielen lokalen Netzwerken verwendet, in denen Geschwindigkeit eine Hauptanforderung ist.

Vorteile der Glasfaser für die Kommunikation

Es gibt eine Reihe zwingender Gründe, die zur weit verbreiteten Einführung von Glasfaserkabeln für Telekommunikationsanwendungen führen:

  • Viel geringere Signaldämpfung
  • Glasfaserkabel bieten eine viel höhere Bandbreite, sodass mehr Daten geliefert werden können
  • Glasfaserkabel sind viel leichter als die Koaxialkabel, die sonst verwendet werden könnten.
  • Glasfasern leiden nicht unter Streuinterferenzaufnahmen, die bei Koaxialkabeln auftreten

Glasfaserübertragungssystem

Jedes Glasfaser-Datenübertragungssystem umfasst eine Anzahl verschiedener Elemente. Es gibt drei Hauptelemente (fett markiert) und ein weiteres, das für praktische Systeme von entscheidender Bedeutung ist:

  • Sender (Lichtquelle)
  • Glasfaserkabel
  • Optischer Repeater
  • Empfänger (Detektor)

Die verschiedenen Elemente des Systems variieren je nach Anwendung. Systeme, die für Verbindungen mit geringerer Kapazität, möglicherweise für lokale Netzwerke, verwendet werden, verwenden etwas andere Techniken und Komponenten als diejenigen, die von Netzwerkanbietern verwendet werden, die über große Entfernungen extrem hohe Datenraten bereitstellen. Trotzdem sind die Grundprinzipien unabhängig vom System gleich.

In dem System erzeugt der Sender der Lichtquelle einen Lichtstrom, der so moduliert ist, dass er die Daten übertragen kann. Herkömmlicherweise zeigt ein Lichtimpuls eine "1" an und die Abwesenheit von Licht zeigt "0" an. Dieses Licht wird durch eine sehr dünne Glasfaser oder ein anderes geeignetes Material übertragen, das am Empfänger oder Detektor präsentiert wird. Der Detektor wandelt die Lichtimpulse in äquivalente elektrische Impulse um. Auf diese Weise können die Daten über große Entfernungen als Licht übertragen werden.

Glasfasersender

Obwohl die ursprünglichen Telekommunikations-Glasfasersysteme große Laser verwendet hätten, kann heute eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen verwendet werden. Die am häufigsten verwendeten Geräte sind Leuchtdioden, LEDs und Halbleiterlaserdioden.

Das einfachste Sendegerät ist die LED. Sein Hauptvorteil ist, dass es billig ist, und dies macht es ideal für kostengünstige Anwendungen, bei denen nur kurze Auflagen erforderlich sind. Sie haben jedoch eine Reihe von Nachteilen. Das erste ist, dass sie einen sehr geringen Wirkungsgrad bieten. Nur etwa 1% der Eingangsleistung tritt in die optische Faser ein, und dies bedeutet, dass Hochleistungstreiber erforderlich wären, um ausreichend Licht bereitzustellen, um Fernübertragungen zu ermöglichen. Der andere Nachteil von LEDs besteht darin, dass sie sogenanntes inkohärentes Licht erzeugen, das ein relativ breites Spektrum abdeckt. Typischerweise liegt die spektrale Breite zwischen 30 und 60 nm. Dies bedeutet, dass jede chromatische Dispersion in der Faser die Bandbreite des Systems begrenzt.

Aufgrund ihrer Leistung werden LEDs hauptsächlich in lokalen Netzwerkanwendungen verwendet, bei denen die Datenraten typischerweise im Bereich von 10 bis 100 Mbit / s liegen und die Übertragungsentfernungen einige Kilometer betragen.

Wenn höhere Leistungsniveaus erforderlich sind, d. H. Es erforderlich ist, dass die Glasfaserverbindung über größere Entfernungen und mit höheren Datenraten arbeiten kann, werden Laser verwendet. Obwohl sie teurer sind, bieten sie einige bedeutende Vorteile. In erster Linie sind sie in der Lage, einen höheren Ausgangspegel bereitzustellen, und zusätzlich ist die Lichtleistung gerichtet und dies ermöglicht einen viel höheren Wirkungsgrad bei der Übertragung des Lichts in das Glasfaserkabel. Typischerweise kann die Kopplungseffizienz in eine Einmodenfaser bis zu 50% betragen. Ein weiterer Vorteil ist, dass Laser aufgrund der Tatsache, dass sie kohärentes Licht erzeugen, eine sehr enge spektrale Bandbreite haben. Diese enge spektrale Breite ermöglicht es den Lasern, Daten mit viel höheren Raten zu übertragen, da die Modendispersion weniger offensichtlich ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Halbleiterlaser aufgrund der kurzen Rekombinationszeit für die Träger innerhalb des Halbleitermaterials direkt bei hohen Frequenzen moduliert werden können.

Laserdioden werden oft direkt moduliert. Dies bietet eine sehr einfache und effektive Methode zum Übertragen der Daten auf das optische Signal. Dies wird erreicht, indem der direkt an das Gerät angelegte Strom gesteuert wird. Dies variiert wiederum die Lichtleistung des Lasers. Bei sehr hohen Datenraten oder sehr weit entfernten Verbindungen ist es jedoch effektiver, den Laser mit einem konstanten Ausgangspegel (kontinuierliche Welle) zu betreiben. Das Licht wird dann mit einem externen Gerät moduliert. Der Vorteil der Verwendung eines externen Modulationsmittels besteht darin, dass der maximale Verbindungsabstand vergrößert wird, da ein als Laser-Chirp bekannter Effekt eliminiert wird. Dieses Zwitschern erweitert das Spektrum des Lichtsignals und erhöht die chromatische Dispersion im Glasfaserkabel.

Glasfaserkabel

Die vollständigen Details und Beschreibungen der Glasfaserkabel finden Sie in einem separaten Artikel / Tutorial in diesem Bereich der Website. Im Wesentlichen besteht ein Glasfaserkabel aus einem Kern, um den sich eine weitere Schicht befindet, die als Mantel bezeichnet wird. Außerhalb davon befindet sich eine schützende Außenbeschichtung.

Die Glasfaserkabel arbeiten, weil ihre Ummantelung einen Brechungsindex aufweist, der geringfügig niedriger als der des Kerns ist. Dies bedeutet, dass Licht, das durch den Kern fällt, eine interne Totalreflexion erfährt, wenn es die Kern / Mantel-Grenze erreicht, und dadurch im Kern der optischen Faser enthalten ist.

Repeater und Verstärker

Es gibt eine maximale Entfernung, über die Signale über Glasfaserkabel übertragen werden können. Dies wird nicht nur durch die Dämpfung des Kabels begrenzt, sondern auch durch die Verzerrung des Lichtsignals entlang des Kabels. Um diese Effekte zu überwinden und die Signale über größere Entfernungen zu übertragen, werden Repeater und Verstärker verwendet.

Optoelektrische Repeater können verwendet werden. Diese Geräte wandeln das optische Signal in ein elektrisches Format um, in dem es verarbeitet werden kann, um sicherzustellen, dass das Signal nicht verzerrt wird, und wandeln es dann wieder in das optische Format um. Es kann dann entlang des nächsten Zustands des Glasfaserkabels übertragen werden.

Ein alternativer Ansatz ist die Verwendung eines optischen Verstärkers. Diese Verstärker verstärken das optische Signal direkt, ohne dass das Signal wieder in ein elektrisches Format umgewandelt werden muss. Die Verstärker bestehen aus einem Glasfaserkabel, das mit einem Seltenerdmineral namens Erbium dotiert ist. Das behandelte Faserkabel wird dann mit Licht einer kürzeren Wellenlänge von einem anderen Laser beleuchtet oder gepumpt, und dies dient dazu, das übertragene Signal zu verstärken.

Angesichts der stark reduzierten Kosten von Glasfaserverstärkern gegenüber Repeatern werden Verstärker weitaus häufiger eingesetzt. Die meisten Repeater wurden ersetzt, und Verstärker werden heutzutage in praktisch allen Neuinstallationen verwendet.

Empfänger

Licht, das sich entlang eines Glasfaserkabels bewegt, muss in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, damit es verarbeitet und die übertragenen Daten extrahiert werden können. Die Komponente, die das Herzstück des Empfängers bildet, ist ein Fotodetektor. Dies ist normalerweise eine Halbleitervorrichtung und kann ein pn-Übergang, eine pi-n-Fotodiode oder eine Lawinenfotodiode sein. Fototransistoren werden nicht verwendet, da sie keine ausreichende Geschwindigkeit haben.

Sobald das optische Signal vom Glasfaserkabel an den Fotodetektor angelegt und in ein elektrisches Format umgewandelt wurde, kann es verarbeitet werden, um die Daten wiederherzustellen, die dann an ihren endgültigen Bestimmungsort weitergeleitet werden können.

Die Glasfaserübertragung von Daten wird im Allgemeinen für Fernkommunikationsnetzverbindungen und für lokale Hochgeschwindigkeitsnetze verwendet. Derzeit wird Glasfaser nicht für die Erbringung von Dienstleistungen für Privathaushalte verwendet, obwohl dies für viele Telekommunikationsunternehmen ein langfristiges Ziel ist. Durch die Verwendung von Glasfaserkabeln wäre die verfügbare Bandbreite für neue Dienste erheblich höher und die Möglichkeit höherer Einnahmen würde steigen. Derzeit sind seine Kosten nicht tragbar, obwohl dies mittelfristig wahrscheinlich ist.

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