Ретрансляторы
Как уже упоминалось ранее, даже несмотря на то, что современные оптические волокна являются чрезвычайно прозрачными, ослабление интенсивности света, проходящего вдоль волокна, все еще происходит, и на большие расстояния световой сигнал должен быть увеличен обратно на большее значение. Этот процесс традиционно осуществляется ретранслятором. Это устройство включает в себя детектор света, электронику для обработки сигнала, а также еще один лазер. Входящий поток световых импульсов, соответствующее представление передаваемой информации в двоичном коде, обнаруживается, и становится эквивалентным потоком электрических импульсов. Эти электрические импульсы усиливаются, чтобы восстановить свою первоначальную форму, а затем используется новый лазер, чтобы повторно передать информацию вдоль следующего отрезка волокна. Таким образом, поток оптических импульсов может передаваться на большие расстояния, например, под Атлантическим океаном, поместив ряд усилителей вдоль волоконно-оптического кабеля. Обычно повторители устанавливаются через каждые 45-70 км. Следовательно, длинный кабель волокна должны включать в себя обычные электрические провода, чтобы обеспечить подачу электроэнергии на усилители.
Одно большое преимущество системы с усилителями является то, что он обладает способностью восстанавливать свою первоначальную форму для размножения световых импульсов. Существует естественная тенденция для оптического импульса, распространяющегося вдоль оптического волокна, изменять во время пути свою форму. Это объясняется явлением называемым дисперсией. Дисперсия является изменением скорости света с длиной волны света.
Как правило, более короткие длины волн распространяются медленнее, чем более длинных волн, так как, например, в очень длинном волокне красный импульс света будет добираться до дальнего конца волокна гораздо быстрее, чем это сделает синий импульс. Короткий оптический импульс всегда содержит в себе диапазон длин волн. Хотя это не может быть очевидным, но аналогия все же может быть сделана. Чистый музыкальный тон, в своей идеальной форме дает звуковую волну, которая колышется на отдельной частоте, например, средний составляет 523,25 Гц. Импульс звука, который может быть сделан, например, трещины кнута не имеет такой чистоты и фактически содержит диапазон звуковых частот волн, называемых спектром импульса. Световой импульс ничем не отличается. Эффект дисперсии делает узкий оптический импульс шире, в зависимости от того, как далеко он проходит вдоль волокна. Если не учитывать это явление, то это может обернуться серьезными ограничениями скорости, с которой информация может быть передана на большие расстояния.
Предположим, что желательно передавать двоичные данные, закодированные со скоростью 1 Гбит / с (один миллиард бит в секунду). Должно быть совершенно очевидно, что если эти оптические импульсы должны оставаться различными, то они должны быть отделены друг от друга во времени примерно на одну половину миллиардной доли секунды — 0,5 наносекунд (нс). Таким образом, импульсы не должны быть больше, чем около 0.5ns. Если импульсы могли бы распространиться на ширине 1ns, то они бы перекрывали друг друга, и их самобытность в потоке импульсов была бы потеряна. Если эти импульсы обнаруживаются на ретрансляторе, прежде чем они распространились слишком далеко, то их первоначальная ширина 0.5ns может быть восстановлена, а импульсы не будут продолжать расширяться в путешествии на большие расстояния вдоль волокна. Это явное преимущество волоконно-оптической системы с усилителями.
Тем не менее, существует недостаток в использовании ретрансляторов: они не могут различать импульсы на одной длине волны от импульсов на другой длине волны. Это предотвращает увеличение информации и несущей способности волокна путем одновременной передачи различных потоков данных, каждый из которых соответствует излучению импульсов света от лазера, работающего на другой длине волны. Например, если красный и синий лазер одновременно несут два сообщения вдоль волокна, то в конце эти два сообщения могут быть разделены и прочитаны, просто используя синий фильтр для сбора синего света и красный фильтр для сбора красного света. Эта схема является мультиплексированным разделением света по длине волны. К сожалению, если включен ретранслятор, то он должен иметь достаточно сложную конструкцию для разделения двух длин волн, он должен обрабатывать два электрических сигнала независимо друг от друга, а затем воспроизводить их с помощью двух лазеров для повторной передачи сообщения. Эта сложность устраняется за счет использования легированных эрбием волоконных усилителей.
В 1987 году Дэвид Пейн и его коллеги сообщили о работе первого практического оптического усилителя, пригодного для световых систем связи. Для этого используется оптическое волокно с добавлением ионов эрбия в качестве примеси. Если оптическая энергия подается в секцию такого волокна, в котором используется вспомогательный лазер (так называемый лазер накачки), то поток оптических импульсов будет проходить через усилитель и каждый импульс в потоке будет усиливаться.
Процесс амплификации происходит в относительно широком диапазоне длин волн вблизи 1,55 м, соответственно одновременно может усиливаться передача различных сообщений, исходящих от лазерных лучей с различных длин волны. Современные разработки в этой схеме используют до 40 различных лазерных длин волн (которые имеют разные частоты), разнесенных по частоте 100 ГГц. Каждая длина волны может переносить данные на 10 Гбит / с, так что суммарная мощность волокна была увеличена до 400 Гбит / с. Вероятно очень скоро этот показатель будет увеличен до 80 каналов.
Схема EDFA только усиливает световые импульсы, но она не влияет на проблемы с шириной распространяющегося импульса, которая являются результатом дисперсии. На первый взгляд может показаться, что если импульсы преодолевают большие расстояния и проходят через несколько EDFAs, то они прибудут к месту назначения с разумной амплитудой, но что происходит с накопленным рассеянным импульсом вдоль всей длины волокна. Эта проблема решается с помощью процесса, называемого управлением дисперсией. Путем включения дополнительных дисперсионных элементов в оптической цепи, которая проходит от передатчика к приемнику, можно стравливать положительные и отрицательные эффекты дисперсии друг против друга и предотвращать распространение общего импульса на большие расстояния.
Развитие низких потерь, низкой общей дисперсии, одномодовых волокон, с EDFAs позволяет передавать данные на большие расстояние, что служит удовлетворению ненасытного аппетита в возрастающей скорости передачи данных.
Во всем мире интернет — трафик составляет около 1 Терабит в секунду, и, следовательно, он должен находиться на одном оптическом волокне. Типичный волоконно-оптический кабель, содержащий 8 различных волокон, может нести 8 Терабит информации в секунду, или 20 миллионов терабит в месяц. Текущий уровень интернет-трафика в Северной Америке составляет около 3000 терабит в месяц. Ежегодно информационная пропускная способность оптического волокна на самом деле растет очень быстро. Пропускная способность оптических волокон увеличилось в 100 раз за последние десять лет, в то время как скорость интегральных схем (которые находятся во всей современной электронике, такой как компьютеры, проигрыватели компакт-дисков и сотовые телефоны) увеличилась лишь в 60 раз за тот же период.