Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

  • Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

optisk kommunikation

Oprindelig forfatter PJ Seneste forfatter Redaktionen

Optisk kommunikation. En halvlederlaser sender information i form af optiske pulser gennem en optisk fiber (lysleder) til modtagerens fotodiode. Under udbredelsen gennem fiberen dæmpes pulsernes lysstyrke, samtidig med at de bliver bredere. Inden pulserne når en bredde, så de overlapper væsentligt, må der indsættes regeneratorer eller dispersionskompenserende komponenter.

Optisk kommunikation. En halvlederlaser sender information i form af optiske pulser gennem en optisk fiber (lysleder) til modtagerens fotodiode. Under udbredelsen gennem fiberen dæmpes pulsernes lysstyrke, samtidig med at de bliver bredere. Inden pulserne når en bredde, så de overlapper væsentligt, må der indsættes regeneratorer eller dispersionskompenserende komponenter.

optisk kommunikation, overførsel af information vha. lys transmitteret gennem lysledere; anvendes til telekommunikation, kabel-tv, computernetværk, datakommunikation i forbindelse med jernbaner og højspændingsnet samt i skibe, fly og biler. Sammenlignet med kommunikation vha. elektriske signaler over kobberkabler kan optisk kommunikation overføre mindst hundrede gange mere information på samme tid, og denne transmissionskapacitet er i stadig vækst. Desuden er dæmpning i lysledere meget mindre end i elektriske ledere, hvilket tillader mindst ti gange større afstand mellem sender og modtager.

Optisk kommunikation er en af de vigtigste udviklinger på teleområdet i nyere tid og har været afgørende for den hastige vækst i international telefoni og datakommunikation, herunder etableringen af Internettet. Andre anvendelser er inden for fx elforsyningens højspændingsnet og elektrificerede jernbanestrækninger, hvor man udnytter, at optisk kommunikation er immunt over for udefrakommende elektromagnetisk støj, hvilket ikke er tilfældet for elektriske ledere.

I langt de fleste optiske kommunikationssystemer overføres informationen digitalt. Et digitalt, elektrisk signal påtrykkes en sender, der i takt med signalet udsender optiske pulser. Disse kobles ind i en lysleder, der overfører dem til en optisk modtager, hvor de omsættes tilbage til elektrisk form. Undervejs i lyslederen dæmpes pulserne, samtidig med at de gradvis bliver bredere, så de begynder at overlappe hinanden. Dæmpning og overlap gør det vanskeligere for modtageren at skelne de optiske pulser, hvilket sætter grænsen for den mulige transmissionsafstand.

Annonce

I det følgende nævnes eksempler på optiske kommunikationssystemer fra de simple til de avancerede og kostbare med stor ydeevne.

Milepæle i udviklingen af optisk kommunikation
1842vandstråle og bøjet glasstang som lysledere
1880transmission af tale over lysstråle
1910teori for elektromagnetisk bølgeudbredelse i cirkulær dielektrisk stav
1954billedoverførende bundt af fibre uden kappe
1954bundt af fibre med kappe
1958laserprincippet
1960rubinlaseren
1962halvlederlaseren
1966glasfibre foreslås til langdistancekommunikation
1970fibre med dæmpning under 100 gange pr. km
1975forsøg under praktiske forhold med fiber-optisk transmission af telefoni
1977offentlig fiber-optisk transmission (45 Mbit/s) af telefoni
1987praktisk erbium-doteret optisk forstærker
1988optisk kabel over Atlanterhavet
1989optisk kabel over Stillehavet
1996kommercielle WDM-systemer med kapacitet over 40 Gbit/s
1996WDM-laboratoriesystemer med kapacitet over 1 Tbit/s

Systemer med lysdioder og multimode-fibre

Ved moderate datahastigheder, op til ca. 100 Mbit/s, og transmissionsafstande op til nogle få kilometer kan som sender anvendes en GaAlAs-lysdiode. Den udsender lys med lille udgangseffekt (ca. 1 mW) i et bredt bølgelængdeområde af størrelsesordenen 50 nm (0,05 μm) beliggende ved 0,85 μm. Lysdioden udsender lys i mange retninger, og det er derfor nødvendigt at anvende en linse til at koble lyset ind i fiberen. Ved 0,85 μm dæmper fiberen lyset ca. 60 % pr. km.

I forbindelse med en lysdiode anvendes normalt en fiber med en kernediameter på ca. 50 μm, hvilket er mange gange større end lysets bølgelængde. Det indebærer, at lyset i fiberen kan udbrede sig i mange forskellige svingningsmønstre (bølgetyper, eng. modes), hvorfor fiberen betegnes som en multimode-fiber. Bølgetyperne har noget forskellige hastigheder, hvilket medfører, at de optiske pulser undervejs gennem fiberen bliver bredere. Dette forhold sammen med lysdiodens brede bølgelængdeområde og lille effekt begrænser transmissionsafstand og datahastighed betydeligt.

Normalt anvendes glasfibre, men til kortere afstande og lokalnet kan der også anvendes plastfibre. I modtageren bruges en Si-fotodiode.

Systemer med direkte moduleret halvlederlaser og singlemode-fiber

Til højere datahastigheder, op til ca. 2,5 Gbit/s, og til længere afstande, op til fx 30 km, anvendes som sender en GaInAsP-halvlederlaser, der udsender lys ved bølgelængder omkring 1,3 μm eller 1,55 μm. Sammenlignet med lysdioden har halvlederlaseren højere udgangseffekt, fx 10 mW, og lyset udsendes i et smallere bølgelængdeområde på ca. 1 nm for lasere af simpel opbygning og mindre for mere avancerede lasere. Laserlyset moduleres (se modulation) digitalt ved at tænde og slukke strømmen til laseren. Dette betegnes direkte modulation. Der anvendes ofte en singlemode-fiber, hvis dæmpning næsten har nået den teoretisk nedre grænse svarende til et tab på 4% pr. km ved 1,55 μm. Kernediameteren er kun ca. 9 μm og dermed så lille, at der kun optræder én bølgetype i fiberen. Derfor vil pulsernes bredde ikke øges så meget under udbredelsen i fiberen som i tilfældet med mange bølgetyper. Forøgelsen fjernes dog ikke helt, da de optiske pulser fra laseren er sammensat af lys med lidt forskellige bølgelængder med tilsvarende lidt forskellige hastigheder (se dispersion).

Koblingen af lys ind i en singlemode-fiber vanskeliggøres af den lille kernediameter, men problemet mindskes af, at halvlederlaserens udstråling er mere koncentreret i én bestemt retning end lysdiodens. I modtageren bruges en GaInAs-pin-fotodiode eller en GaInAsP-avalanche-fotodiode (se APD), som gennem indre forstærkning giver bedre modtagerfølsomhed og dermed tillader større transmissionsafstand. Singlemode-fiberen er den mest udbredte i telenettet.

Systemer med ekstern modulator

Ovennævnte direkte modulation er enkel og fungerer godt op til de nævnte datahastigheder og afstande. Ved højere datahastigheder (fx 10 Gbit/s) og længere afstande kan det blive et problem, at de hurtige strømændringer gennem laseren medfører, at bølgelængden af det udsendte lys ændrer sig i løbet af den tid, som en puls varer. Det forøger den hastighed, hvormed pulsernes bredde vokser under udbredelsen gennem singlemode-fiberen. Problemet kan reduceres ved brug af en ekstern modulator. Laserens forsyningsstrøm holdes da konstant, og laserlyset kobles gennem modulatoren, som påtrykkes modulationen i form af en elektrisk spænding, hvorved lyset på udgangen tændes og slukkes. For at mindske koblingsproblemer mellem laser og modulator er de to komponenter ofte integreret til én halvlederkomponent.

Systemer med optiske forstærkere

For at øge transmissionsafstanden kan der på vejen fra sender til modtager indskydes regeneratorer. De modtager de optiske pulser, omdanner dem til elektriske, der forstærkes, genoprettes og omsættes tilbage til optiske pulser, som så sendes videre. Regeneratorer giver næsten ideel genopretning af senderens oprindelige pulser, men de er komplicerede og dyre.

Fra midten af 1990'erne er man i stedet begyndt at anvende en enklere løsning, hvor de optiske signaler forstærkes direkte uden at blive omdannet til elektriske signaler. Men i modsætning til regeneratorer er optiske forstærkere ikke i stand til at genoprette de optiske pulsers form. Det overvindes dog delvis ved at indskyde særlige fibre, som gør pulserne smallere.

Den mest almindelige optiske forstærker er EDFA (Erbium Doped Fibre Amplifier). Den består af en erbium-doteret fiber med en længde på fx 10 m; erbiumionerne bringes i en højere energitilstand vha. energirigt lys fra en laser med bølgelængden 0,98 μm eller 1,48 μm. Herved bliver fiberen i stand til at forstærke optiske signaler omkring 1,55 μm 10-1000 gange. Den kan indskydes i fiberstrækningen, men kan også bruges som effektforstærker lige efter senderen eller som støjsvag forforstærker umiddelbart foran fotodioden. Den har fået stor betydning for nye højkapacitetssystemer til undersøisk og landbaseret kommunikation.

Systemer med flere optiske bølgelængder (WDM-systemer)

Indtil midt i 1990'erne var det almindeligt at øge transmissionskapaciteten ved at bygge nye sendere og modtagere til højere datahastighed. Således er udviklingen gået fra 155 Mbit/s over 622 Mbit/s og 2,5 Gbit/s til 10 Gbit/s i slutningen af 1990'erne. Ved datahastigheder på 10 Gbit/s eller højere har det imidlertid vist sig vanskeligt at overføre signalerne, fordi pulserne bliver for brede, når de udbreder sig gennem fiberen. I stedet for at øge datahastigheden på en enkelt optisk bølgelængde kan det derfor være mere praktisk at øge den samlede kapacitet ved et anvende flere bølgelængder i samme fiber (WDM, Wavelength Division Multiplex). Der er i 1998 installeret systemer med 40 bølgelængder på hver 2,5 Gbit/s, og der forventes få år senere kommercielle systemer med 128 bølgelængder. Da optiske forstærkere kan forstærke mange bølgelængder samtidig, kan de bruges i WDM-systemer og dermed muliggøre transmission over flere tusinde kilometer.

Transmissionskapaciteter

På hovedstrækninger i telenet er højeste anvendte datahastighed på en enkelt bølgelængde som nævnt foreløbig 10 Gbit/s. Denne datahastighed kan overføre ca. 128.000 telefonkanaler eller ca. 2000 tv-kanaler. Med indskudte optiske forstærkere og særlige fibre til at modvirke forøgelsen i pulsbredde kan man nå meget store afstande, fx 9000 km over Stillehavet. I forskningslaboratorierne arbejdes med optisk kommunikation helt op til ca. 500 Gbit/s på én bølgelængde. Desuden er der ved brug af fx 132 bølgelængder hver på 20 Gbit/s demonstreret transmission af i alt 2,6 Tbit/s i én fiber over 120 km.

Eksempler på datahastigheder og deres informationsbærende kapacitet. En bit kan opfattes som tilstedeværelsen eller fraværet af en optisk puls.
teknisk betegnelsedatahastighederantal telefonkanaler a 64 kbit/santal datakomprimerede tv-kanaler a 5 Mbit/s
45 Mbit/s45 mio. bit/s7009
155 Mbit/s155 mio. bit/s240030
2,5 Gbit/s2,5 mia. bit/s32.000500
10 Gbit/s10 mia. bit/s128.0002000
1 Tbit/s1000 mia. bit/s12,8 mio.200.000

Solitoner

Solitoner i fibre er optiske pulser, der under særlige betingelser, herunder høj effekt og specielle fiberkombinationer, kan udbrede sig over praktisk talt ubegrænset afstand uden at blive bredere. Solitoner i fibre er demonstreret i mange laboratorier, men da teknologien endnu ikke er færdigudviklet, har man kun set få forsøg under praktiske forhold. Solitonforskningen sigter især mod interkontinental, undersøisk kommunikation.

Optisk switching

De enorme informationsmængder, som optisk kommunikation kan overføre, gør det til et problem at dirigere informationen gennem telefoncentraler og andre knudepunkter i telenettet. Hidtil er denne dirigering (switching) foregået rent elektronisk, hvilket kræver kompliceret og dyr elektronik. Desuden er det nødvendigt, at de optiske signaler omdannes til elektriske og senere tilbage igen. Indførelse af WDM-transmission åbner imidlertid nye muligheder, idet man kan nøjes med at omdanne optiske signaler på udvalgte bølgelængder til elektriske signaler, som dernæst dirigeres elektronisk. De øvrige bølgelængder, som indeholder information, der ikke skal bruges i den pågældende central, dirigeres rent optisk uden elektronisk behandling.

Danske aktiviteter

I 1976 iværksattes et fiberfremstillingsprojekt ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU), som senere førte til fremstilling af fibre, kabler og telesystemer i Danmark. Hybridnettet, som distribuerer tv- og radioprogrammer til fællesantenneanlæg, bruger optiske fibre i nettets mellemste del. Etableringen af hybridnettet blev besluttet i 1985, og det var da et af de første af sin art i verden. Det fremskyndede udbygningen af det danske telenet og gav dansk industri en tidlig start i udviklingen af fibre, sendere og modtagere. Også hurtig elektronik til sendere og modtagere, optiske komponenter, måleudstyr og kabel-tv-systemer produceres i Danmark. På forskningssiden har DTU spillet en fremtrædende rolle både internationalt og i samarbejde med danske industrivirksomheder og teleselskaber.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Palle Jeppesen: optisk kommunikation i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 20. februar 2019 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=135998