Überblick über optische Netzwerke

Ein optisches Netzwerk ist ein Kommunikationssystem, das Lichtsignale anstelle von elektronischen verwendet, um Informationen zwischen zwei oder mehr Punkten zu senden. Die Punkte können Computer in einem Büro, große urbane Zentren oder sogar Nationen im globalen Telekommunikationssystem sein. Optische Netze umfassen optische Sender und Empfänger, Glasfaserkabel, optische Schalter und andere optische Komponenten. Optische und elektronische Netze können verschiedene Formen annehmen. Punkt-zu-Punkt-Netzwerke stellen permanente Verbindungen zwischen zwei oder mehr Punkten her, sodass jedes Paar von Knoten miteinander kommunizieren kann; Punkt-zu-Mehrpunkt-Netzwerke senden dieselben Signale gleichzeitig an viele verschiedene Knoten; Vermittlungsnetze wie das Telefonsystem umfassen Vermittlungsstellen, die temporäre Verbindungen zwischen Knotenpaaren herstellen. Die Grundbausteine ​​dieser Netze sind Glasfaserkabel – die sogenannten Pipes –, die Signale von Knoten zu Knoten übertragen und mit Switches an ihr Ziel leiten.

Das Signal

Ein optisches Signal besteht aus einer Reihe von Impulsen, die durch Aus- und Einschalten eines Laserstrahls erzeugt werden. Seine Geschwindigkeit hängt davon ab, wie schnell der Strahl ein- und ausgeschaltet werden kann und wie weit sich die Pulse während der Übertragung in der Länge ausbreiten, ein Effekt, der als Dispersion bezeichnet wird. Das Ausmaß der Dispersion hängt vom Fasertyp, der Faserlänge und der Art des optischen Signals ab. Je mehr Dispersion, desto schwieriger ist es, benachbarte Pulse zu unterscheiden. Mit der aktuellen Technologie können verschiedene Fasertypen kombiniert werden, um Dispersionseffekte zu reduzieren, was eine Übertragung mit 10 Gigabit pro Sekunde über einige tausend Kilometer ermöglicht. Um schnellere Übertragungsgeschwindigkeiten zu erreichen, suchen Forscher nach Wegen, die Dispersion aktiv zu kompensieren.



Methan in der Atmosphäre

Eine einzelne Faser kann viele separate Signale gleichzeitig bei verschiedenen Lichtwellenlängen übertragen, eine Technik, die als Wellenlängenmultiplexing bezeichnet wird. Dies ist analog zum Senden vieler Radio- und Fernsehsignale auf verschiedenen Frequenzen durch die Luft.

Wie die Anzahl der Funkstationen ist auch die maximale Anzahl optischer Kanäle durch den für jeden Kanal verwendeten Anteil des Spektrums und die Gesamtmenge des verfügbaren Spektrums begrenzt. Als Demultiplexer bezeichnete Geräte trennen die optischen Kanäle und verteilen sie auf separate optische Empfänger. Demultiplexer schneiden das Spektrum in sehr schmale Abschnitte und isolieren jeden optischen Kanal von benachbarten.

Die Multiplikation der Anzahl optischer Kanäle mit der Datenrate auf jedem optischen Kanal ergibt die Gesamtübertragungskapazität einer Faser. Laborexperimente haben mehr als 10 Billionen Bit (10 Terabit) pro Sekunde durch mehr als 100 Kilometer Glasfaser übertragen. Kommerzielle Übertragungsraten überschreiten jedoch typischerweise nicht einige hundert Gigabit pro Sekunde.

Um diese hohen Datenraten und mehrere Kanäle zu erreichen, sind ausgeklügelte Komponenten erforderlich. Halbleiterlaser – die die in fast allen faseroptischen Kommunikationssystemen verwendeten Lichtpulse erzeugen – dürfen nur einen sehr engen Wellenlängenbereich emittieren, um die Dispersion zu begrenzen. Fasern sollen auch die Dispersion begrenzen.

Verstärker

Die klarsten Glasfasern können Signale über 100 Kilometer ohne Verstärkung übertragen – viel weiter als Kupferdrähte. Wenn das Signal eine längere Strecke zurücklegen muss, wird es durch einen optischen Verstärker geleitet, der die Stärke des optischen Signals vervielfacht. Die am häufigsten verwendeten optischen Verstärker sind Fasern, die mit Erbiumatomen dotiert sind, einem Seltenerdelement, das Lichtenergie von einem externen Pumplaser absorbiert. Die Erbiumatome geben diese Energie dann frei, um schwache optische Signale über das gesamte Wellenlängenband, das der Laser überträgt, zu verstärken. Bei sorgfältiger Kontrolle kann eine Reihe von Dutzenden von Glasfaserverstärkern Signale Tausende von Kilometern über den Ozean übertragen.

Optische Schalter

Eine Herausforderung bei der optischen Vernetzung besteht darin, Lichtsignale zu schalten. Wenn ein Signal an seinem Ziel ankommt, muss es von den restlichen Kanälen getrennt werden. Um ein Signal an einem Zwischenpunkt fallen zu lassen, trennt ein optischer Filter die richtige Wellenlänge vom Rest. Die Ausrüstung an diesem Punkt kann auch ein neues Signal zu der jetzt unbesetzten Wellenlänge hinzufügen.

Optische Schalter können auf einer einzigen Wellenlänge oder auf allen Wellenlängen arbeiten, die durch eine Faser übertragen werden. Ein fester Filter, wie der oben beschriebene, könnte durch einen Schalter ersetzt werden, der einen von mehreren Filtern auswählt, um die gewünschte Wellenlänge zum Zwischenpunkt umzuleiten. Eine dritte Art von Schalter trennt die Wellenlängen in separate Strahlen, und ein beweglicher Spiegel lenkt eine oder mehrere der Wellenlängen in eine andere Richtung. Andere optische Schalter schalten gleichzeitig alle Wellenlängen, die eine Faser passieren; Ein Beispiel ist ein Spiegel am Faserausgang, der sich zwischen zwei verschiedenen Positionen neigen könnte, um bei einem Faserbruch alle optischen Kanäle umzuleiten.

Die vorhergehenden Beispiele werden als rein optische Schalter bezeichnet, da sie mit Lichtsignalen arbeiten. Eine andere Klasse von Schaltern wandelt optische Signale in eine elektronische Form um, die elektronisch geschaltet werden kann; das resultierende elektronische Signal wird dann in einen optischen Sender eingespeist, um ein neues optisches Signal zu erzeugen. Diese werden opto-elektro-optische Schalter genannt.

Da die Technologie weiter voranschreitet, müssen optische Netzwerke Signale von einer Wellenlänge in eine andere umwandeln. Dies kann jetzt mit opto-elektro-optischen Wellenlängenumsetzern erfolgen, die das optische Eingangssignal in elektronische Form umwandeln, um einen Sender bei der zweiten Wellenlänge anzusteuern. Rein optische Wellenlängenumsetzer wurden im Labor demonstriert, werden aber noch nicht in praktischen Systemen eingesetzt. Außerdem werden Laserquellen benötigt, die auf viele verschiedene Wellenlängen abgestimmt werden können; mehrere Typen wurden demonstriert, und einige sind in kommerzieller Produktion.

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