12.1: Введення в оптичні лінії зв'язку

Вступ до оптичних комунікацій та фотоніки

Оптичні комунікації такі ж давні, як сигнальні пожежі та дзеркала, що відбивають сонячне світло, але вона швидко модернізується фотонікою, яка інтегрує оптику та електроніку в окремі пристрої. Фотонні системи зазвичай аналізуються з точки зору окремих фотонів, хоча хвильові методи все ще характеризують наведення хвиль через оптичні волокна, простір або інші середовища. У цьому розділі представлені оптичні зв'язки та застосування фотоніки в розділі 12.1. Потім обговорюються прості оптичні хвилеводи в розділі 12.2, лазери в розділі 12.3 та репрезентативні компоненти оптичних систем зв'язку в розділах 12.4, включаючи фотоприймачі в 12.4.1-2, мультиплексори в 12.4.3, інтерферометри в 12.4.4 та оптичні перемикачі в 12.4.5.

Застосування фотоніки

Мабуть, єдиним найважливішим застосуванням фотоніки сьогодні є оптичний зв'язок через скляні волокна з низькими втратами. З 1980 року цей розвиток кардинально змінив глобальні комунікації. Перевага оптичного волокна для зв'язку полягає в тому, що воно має пропускну здатність приблизно в один терагерц і може поширювати сигнали на континентальних і навіть глобальних відстанях при допомозі оптичних підсилювачів. Ці підсилювачі в даний час відокремлені більше ~ 80 км, і це поділ неухильно зростає в міру вдосконалення технології. На відміну від цього, коаксіальний кабель, дротова пара та бездротові лінії на радіочастотах все ще домінують у більшості шляхів зв'язку з пропускною здатністю < ~ 2 МГц, за умови, що довжина менше ~ 1—50 км.

Однією широкосмуговою глобальною бездротовою альтернативою оптиці є мікрохвильові супутники зв'язку на геосинхронній орбіті ⁶⁶, які можуть обслуговувати кораблі в морі та забезпечувати рухому потужність, вирішуючи перехідні недоліки зв'язку або збої по всьому світу; супутники просто вказують свою антену. промені у нових користувачів, які можуть перебувати на відстані понад 10 000 км один від одного. Найбільше використання супутників, однак, для трансляції розваг через континентальні райони, або кінцевим користувачам, або на головні кінці кабельних систем розподілу. Загалом, обмежений наземний радіоспектр більш ефективно використовується для мовлення, ніж для зв'язку один до одного, якщо не існує повторного використання спектра, як описано в розділі 10.4.6. Оптичні методи є незручними для супутникових наземних зв'язків або наземних зв'язків через повітря через хмари та туман, які обмежують такі посилання на дуже короткі відстані або у випадках, коли просторова різноманітність ⁶⁷ пропонує альтернативи чистому повітрю.

⁶⁶ Геосинхронні супутники на висоті 22,753-милі орбіти Землі один раз на 24 години і тому можуть парити нерухомо в небі, якщо вони знаходяться на екваторіальній орбіті.

⁶⁷ Просторова різноманітність передбачає використання просторово різних комунікаційних зв'язків, які зазнають будь-яких втрат незалежно; об'єднання цих сигналів нелінійними способами покращує загальну надійність повідомлення.Оптичні зв'язки також мають великий потенціал для дуже широкосмугового міжсупутникового або різноманітності, захищеного супутниково-земний зв'язок, оскільки невеликі телескопи легко забезпечують високосфокусовані антенні промені. Наприклад, ширина променя телескопів з 5-дюймовими отворами, як правило, одна дуга секунди ⁶⁸, що відповідає посиленню антени ~ 4\(\pi\) × (57 × 3600) ² 5 × 10 ¹¹, приблизно в 5000 разів більше, ніж це досяжно всіма, крім найкращих радіотелескопів. Такі оптичні зв'язки розглянуті в розділі 12.1.4.

⁶⁸ Одна дуга секунди становить 1/60 дугових хвилин, 1/60 ² градуси, 1/ (57,3 × 3600) радіани або 1/60 найбільших видимих діаметрів Венери або Юпітера в нічному небі.

Оптичні волокна все частіше використовуються для набагато коротших посилань, просто тому, що їх корисна пропускна здатність може бути легко розширена після установки і тому, що вони дешевші для більшої пропускної здатності. Відстань між послідовними підсилювачами також може бути на порядки більше (порівняйте втрати волокон на малюнку 12.2.6 з втратами проводів, як розглянуто в розділі 7.1.4 та розділі 8.3.1). Пропускна здатність на провід, як правило, менше ~ 0,1 ГГц для відстаней між підсилювачами 1 км, тоді як одне оптичне волокно може передавати ~ 1 ТГц протягом 100 км або більше. Екстремальні швидкості передачі даних тепер також передаються оптично між комп'ютерами та навіть мікросхемами та всередині них, хоча дроти все ще мають переваги вартості та простоти для більшості надкоротких та потужних додатків.

Однак оптичний зв'язок - не єдине застосування для фотоніки. Малопотужні лазери використовуються в повсякденних пристроях, починаючи від класних покажчиків та рівнів столярів до зчитувачів штрих-кодів, лазерних копіювальних апаратів та принтерів, хірургічних інструментів, медичних та екологічних інструментів, а також DVD-програвачів та рекордерів. Лазерні імпульси тривалістю всього 10 ^-15 секунд (довжина 0,3 мкм) використовуються для біологічних та інших досліджень. Лазери високої потужності з десятками кіловат середньої потужності використовуються для різання та інших виробничих цілей, а лазери, які виділяють свою накопичену енергію в субпікосекундних інтервалах, можуть фокусувати і стискати свою енергію для досягнення інтенсивності ~ 10 ²³ Вт/м2 для дослідження або, наприклад, для приводу невеликі термоядерні реакції в спресованих гранулах. Більш того, нові додатки постійно розробляються без кінця в поле зору.

Рівняння посилань

Рівняння зв'язку, що регулюють оптичний зв'язок через повітря, по суті такі ж, як ті, що керують радіо, як описано в розділі 10.3. Тобто отримана потужність P _r просто пов'язана з передається потужністю P _t коефіцієнтом посилення і ефективною площею передавальної і приймальної антен, G _t і A _e:

\[\mathrm{P_{r}=\left(G_{t} P_{t} / 4 \pi r^{2}\right) A_{e}} \ [\mathrm{W}] \qquad\qquad\qquad \text{(optical link equation) } \label{12.1.1}\]

Коефіцієнт посилення та ефективна площа одномодових оптичних антен пов'язані одним і тим же рівнянням, що регулює радіохвилі, (10.3.23):

\[\mathrm{G}=4 \pi \mathrm{A} / \lambda^{2} \label{12.1.2}\]

Деякі оптичні детектори перехоплюють кілька незалежних хвиль або режимів, і їх потужності додають. У цьому випадку коефіцієнт посилення та ефективна площа будь-якого одиночного режиму тоді менш актуальні, як обговорюється в розділі 12.1.4.

Максимальний бітрейт, який може передаватися через оптичний зв'язок, не регулюється E _b > ~ 10 ^-20 Джоулів на біт граничною характеристикою радіосистем, однак, а скоріше кількістю фотонів, які приймач вимагає на біт інформації, можливо, ~ 10 для типової хорошої системи. Кожен фотон має енергію E = hf джоулів. Таким чином, для отримання R бітів в секунду може знадобитися отримана потужність:

\[\mathrm{P}_{\mathrm{r}}=\mathrm{E}_{\mathrm{b}} \mathrm{R} \cong 10 \mathrm{hfR} \ [\mathrm{W}] \qquad \qquad \qquad \text{(optical rate approximation)} \label{12.1.3}\]

де h - константа Планка (6,624×10 ^-34), а f - частота фотонів [Гц]. Розумний дизайн може дозволити передавати багато бітів на фотон, як обговорюється в наступному розділі.

Приклади оптичних систем зв'язку

Три приклади ілюструють кілька проблем, властивих оптичним системам зв'язку: транс-океанічний волоконно-оптичний кабель, оптичний зв'язок з Марсом та некогерентна внутрішньоофісна ланка, що несе комп'ютерну інформацію.

Спочатку розглянемо транс-океанічне оптичне волокно. У розділі 12.2.2 розглядаються втрати оптичних волокон, які можуть бути настільки низькими, як ~ 0,2 дБ/км поблизу довжини хвилі 1,5 мкм (f 2 × 10 ¹⁴ Гц). ^{Щоб гарантувати, що сигнал (нулі та одиниці) залишається однозначним, кожна ланка R = 1-Гбіт/с волоконного зв'язку повинна доставляти до свого приймача або підсилювача більше ~ 10hFR ват, або ~ 10 × 6 × 10 × 10 14 × 10 9 × 1,2 × 10 -9 Вт; більш типова конструкція може забезпечити ~ 10 -6} ват, тому що помилки накопичуються і обладнання може погіршуватися. Якщо передається один ват і приймається 10 ^-6 Вт, то пов'язані з цим втрати 60 дБ відповідають 300 км поширення волокна між оптичними підсилювачами і, можливо, ~ 20 підсилювачів через Атлантичний океан на волокно. На практиці волоконні підсилювачі, леговані ербієм, розглянуті в розділі 12.3.1, тепер розташовані приблизно на відстані 80 км один від одного.

Далі розглянемо оптичний зв'язок, що спілкується між Землею і космонавтами на Марсі. Атмосферна дифракція або «бачення» обмежує здатність фокусування наземних телескопів розміром більше ~ 10 см, але Марс має мало атмосфери. Тому марсіанський оптичний зв'язок може використовувати еквівалент оптичного телескопа площею один квадратний метр на Марсі та еквівалент 10-см-квадратної оптики на Землі. Він також може використовувати одноватний лазерний передавач на Землі, що працює на довжині хвилі 0,5 мкм, у видимій області. Номінальні рівняння зв'язку та швидкості (\ ref {12.1.1}) та (\ ref {12.1.3}) дають максимальну швидкість передачі даних R, можливу в діапазоні ~1011 метрів (приблизне найближче наближення Марса до Землі):

\[\mathrm{R}=\mathrm{P}_{\mathrm{r}} / \mathrm{E}_{\mathrm{b}} \cong\left(\mathrm{G}_{\mathrm{t}} \mathrm{P}_{\mathrm{t}} / 4 \pi \mathrm{r}^{2}\right) \mathrm{A}_{\mathrm{e}} / 10 \mathrm{hf} \ \left[\text { bits } \mathrm{s}^{-1}\right] \label{12.1.4}\]

Коефіцієнт посилення G _t передавача, заданий (\ ref {12.1.2})\(\mathrm{G}_{\mathrm{t}} \cong 4 \pi \mathrm{A} / \lambda^{2} \cong 5 \times 10^{11} \), є, де A (0.1) ² і λ 5 × 10 ^-7 [m]. Частота f = с/λ = 3×10 ⁸/[5×10 ^-7] = 6×1014. Тому (\ ref {12.1.4}) стає:

\[\mathrm{R} \cong\left\{\left[5 \times 10^{11} \times 1\right] \Big/\left[4 \pi\left(10^{11}\right)^{2}\right]\right\}\left\{1 \big/\left[10 \times 6.624 \times 10^{-34} \times 6 \times 10^{14}\right]\right\} \cong 1 \ \mathrm{Mbps} \label{12.1.5}\]

Таблиця 11.4.1 говорить про те, що ця швидкість передачі даних є достатньою для повноцінного відео скромної якості. Затримка сигналу в кожну сторону становить\(\tau=\mathrm{r} / \mathrm{c}=10^{11} \big/\left[3 \times 10^{8}\right] \) секунди, 5.6 хвилин, що перешкоджає розмові. Ця затримка стає в кілька разів більшою, коли Марс знаходиться на дальній стороні Сонця від Землі, і швидкість передачі даних R потім знизиться більш ніж в десять разів.

Цей результат 1 Мбіт/с (\ ref {12.1.5}) припускав, що на біт інформації потрібно 10 фотонів. Однак це може бути зменшено нижче одного фотона на біт за допомогою імпульсної позиційної модуляції. Припустимо, що в секунду було отримано 10 ⁶ 1-nsec 10-фотонних імпульсів, де кожен імпульс міг надходити в будь-який з 1024 часових інтервалів, оскільки відношення ширини імпульсу до середнього інтервалу між імпульсами становить 1024. Ця інформація про час передає десять біт інформації на імпульс, тому що журнал ₂ 1024 = 10. Оскільки кожен 10-фотонний імпульс передає 10 біт інформації, то в середньому один біт на один отриманий фотон. З більшою кількістю часових інтервалів все одно буде потрібно менше фотонів на біт. Якщо перебудовуваний лазер може передавати кожен імпульс при будь-якому з 1024 кольорів, наприклад, то можна досягти ще одного коефіцієнта 10. Використання як імпульсного положення, так і частотно-імпульсної модуляції може дозволити повідомляти більше 10 біт на фотон в середньому.

Останнім прикладом є те, що 1-мВт лазерного діода, що передає цифрово модульоване світло при λ = 5 × 10 ^-7 [м] ізотропічно в межах великого офісу в діапазонах r до 10 метрів, де світло може подорожувати безпосередньо до ізотропного приймача або спочатку відскакувати від стін і стелі. Такі оптичні системи зв'язку можуть пов'язувати комп'ютери, принтери, персональні цифрові помічники (КПК) та інші пристрої в приміщенні. В даному випадку G _t = 1 і\(\mathrm{A}_{\mathrm{e}}=\mathrm{G} \lambda^{2} / 4 \pi=\left(5 \times 10^{-7}\right)^{2} / 4 \pi \cong 2 \times 10^{-14} \) [m ²]. Максимальну швидкість передачі даних R знову можна знайти за допомогою (\ ref {12.1.4}):

\[\mathrm{R}=\mathrm{P}_{\mathrm{r}} / \mathrm{E}_{\mathrm{b}} \cong\left(1 \times 10^{-3} / 4 \pi 10^{2}\right)\left(2 \times 10^{-14}\right) /\left(10 \times 6.6 \times 10^{-34} \times 6 \times 10^{14}\right) \cong 0.004 \ \left[\mathrm{bits} \ \mathrm{s}^{-1}\right] \label{12.1.6}\]

Той факт, що ми можемо відправити 10 біт ⁶ в секунду на Марс за допомогою одноватного передавача, але тільки 4 мілібіт в секунду через кімнату з міліват, може конфліктувати з інтуїцією

Дозвіл цього уявного парадоксу полягає в припущенні, що приймач у цьому прикладі є одномодовим пристроєм, подібним до типових радіоприймачів або розглянутого вище марсіанського оптичного приймача. Якби цей приймач room-link був ізотропним і перехопив лише один режим, його ефективна область A _e, задана (\ ref {12.1.2}) була б 2×10 ^-14 [m ²]. Крихітна ефективна площа таких когерентних оптичних антен з низьким коефіцієнтом посилення мотивує використання замість них некогерентних фотоприймачів, які добре реагують на загальний потік фотонів з усіх напрямків прибуття. Наприклад, внутрішньокімнатні оптичні зв'язки цього типу зазвичай використовуються для дистанційного керування багатьма споживчими електронними пристроями, але з набагато більшою багатомодовою антеною (фотодіодом) площі A 2×10 ^-6 [m ²] замість 2×10 ^-14. Ця «антена», як правило, реагує на всі фотони, що впливають на його область, які надходять в межах приблизно одного стероїду. Тобто фотоприймач, як правило, перехоплює всі фотони, що впливають на нього, хоча ці фотони незв'язні один з одним. Таким чином, рішення (\ ref {12.1.6}) збільшується в рази 10 ^{-6 /10 -14}, якщо двоквадратний міліметровий фотоприймач замінює одномодову антену, а R потім стає 0,4 Мбіт/с, що більше ємності, ніж зазвичай потрібно. На практиці такі недорогі детектори площі є більш шумними і вимагають на порядок більше фотонів на біт. Однак кращі напівпровідникові детектори можуть досягати 10 фотонів на біт або краще, особливо на видимих довжині хвиль і якщо відфільтровано бродяче світло на інших довжині хвиль.