ساختار پایه و طبقه بندی سیستم های ارتباطی فیبر نوری

اجزای اساسی یک oارتباط فیبر نوریسیستم در شکل 1-1 نشان داده شده است. عمدتاً از سه بخش تشکیل شده است: انتقال، دریافت و سیستم انتقال فیبر نوری اصلی که به عنوان یک کانال تعمیم یافته عمل می کند.

(شکل 1-1 اجزای اساسی یک سیستم ارتباطی فیبر نوری)

اجزای اساسی یک سیستم ارتباطی فیبر نوری

△طبقه بندی سیستم های ارتباطی فیبر نوری

(1) بخش انتقال: در این بخش منبع اطلاعات اطلاعات کاربر را به یک سیگنال الکتریکی خام تبدیل می کند که سیگنال باند پایه نامیده می شود. فرستنده نوری سیگنال باند پایه را به سیگنال مناسب برای انتقال کانال تبدیل می کند. اگر مدولاسیون مورد نیاز باشد، سیگنال خروجی سیگنال مدوله شده نامیده می شود. برای بهبود کیفیت انتقال، این سیگنال باند پایه آنالوگ معمولاً به سیگنال مدوله‌شده فرکانس (FM)، مدوله‌شده پالس-فرکانس مدوله‌شده (PFM) یا پالس{6}}مدوله‌شده با عرض (PWM) تبدیل می‌شود و در نهایت، این سیگنال مدوله‌شده به فرستنده نوری ورودی می‌شود.

چه یک سیستم دیجیتال یا آنالوگ باشد، سیگنال الکتریکی حامل اطلاعات ورودی به فرستنده نوری از طریق مدولاسیون به سیگنال نوری تبدیل می شود.

(2) موج حامل نوری از طریق خطوط فیبر نوری به انتهای گیرنده منتقل می شود، جایی که گیرنده نوری سیگنال نوری را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. گیرنده الکتریکی برعکس فرستنده الکتریکی عمل می کند. سیگنال الکتریکی دریافتی را به سیگنال باند پایه تبدیل می کند، که سپس توسط سینک اطلاعات برای بازیابی اطلاعات کاربر استفاده می شود.

در کل سیستم ارتباطی، فناوری و تجهیزات مورد استفاده در ارتباطات فیبر نوری مانند ارتباطات کابلی برای بخش های سیگنال الکتریکی قبل از فرستنده نوری و بعد از گیرنده نوری است. تنها تفاوت این است که سیستم اصلی انتقال فیبر نوری، متشکل از یک فرستنده نوری، خطوط فیبر نوری و یک گیرنده نوری، جایگزین انتقال کابلی می شود.

(3) سیستم انتقال فیبر نوری پایه مطابق شکل 1-1، سیستم انتقال فیبر نوری اصلی را می توان به سه بخش تقسیم کرد: فرستنده نوری، خط فیبر نوری و گیرنده نوری. وظیفه فرستنده نوری تبدیل سیگنال الکتریکی ورودی از بخش فرستنده به سیگنال نوری و استفاده از فناوری ترکیبی برای تزریق سیگنال نوری به خط فیبر نوری به حداکثر میزان است. تجهیزات اصلی فرستنده نوری منبع نور به همراه درایور و مدولاتور است. عملکرد فرستنده نوری اساساً به ویژگی های منبع نور بستگی دارد. الزامات منبع نور عبارتند از: توان نوری با خروجی کافی، فرکانس مدولاسیون به اندازه کافی بالا، پهنای خط طیفی و زاویه واگرایی پرتو تا حد ممکن، توان خروجی و طول موج پایدار، و عمر طولانی دستگاه. در حال حاضر، منابع نوری پرکاربرد شامل دیودهای نور نیمه هادی (LED) و دیودهای لیزر نیمه هادی (یا لیزرها، LD) و همچنین لیزرهای بازخورد توزیع شده تک حالته پویا (DFB) با پهنای خط طیفی بسیار کوچک است. در برخی موارد از لیزرهای حالت جامد{16}} نیز استفاده می شود. وظیفه خط فیبر نوری انتقال سیگنال نوری از فرستنده نوری به گیرنده نوری با کمترین اعوجاج و تضعیف ممکن است. خط فیبر نوری از فیبرهای نوری، کانکتورهای فیبر نوری و شاخه های فیبر نوری تشکیل شده است. فیبر نوری بدنه اصلی خط فیبر نوری است و کانکتورها و شاخه ها اجزای ضروری هستند. در مهندسی عملی، از کابل های نوری که چندین فیبر نوری را در خود جای می دهند، استفاده می شود. سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری در طول‌موج‌های نزدیک{20}مادون قرمز کار می‌کنند، و رسانه انتقال برای ارتباطات فیبر نوری کوارتز است، که نوعی موجبر موج دی الکتریک است، یک بدنه استوانه‌ای است، با ضریب شکست هسته و روکش n1 و ضریب شکست روکشی n1 و 11. هنگامی که شرایط انعکاس کامل برآورده شد، نور را می توان محدود کرد و در هسته منتقل کرد. ویژگی های اصلی فیبر نوری تضعیف و پراکندگی رنگ است. میرایی با واحد دسی بل در کیلومتر بیان می شود و فیبرهای نوری دارای سه پنجره کم تلفات با طول موج های زیر هستند:

λ₀=0.85 میکرومتر (باند طول موج کوتاه) λ0=1.31 میکرومتر (باند طول موج بلند)
λ₀=1.55 میکرومتر (باند طول موج بلند)

پراکندگی رنگ فیبر نوری به دلیل این واقعیت است که اجزای با فرکانس های مختلف در فیبر نوری با سرعت یکسان منتشر نمی شوند و در نتیجه پالس در طول انتقال گسترش می یابد. پراکندگی رنگ در واحد ps/(km · nm) بیان می شود. متقابل عدد سیگنال، یعنی حداکثر نرخ بیت{4}}محصول فاصله ای که پراکندگی رنگ می تواند تحمل کند.

وظیفه گیرنده نوری تبدیل سیگنال های فیبر نوری به سیگنال های الکتریکی با نسبت سیگنال به اندازه کافی بالا به-نویز است. جزء اصلی گیرنده ردیاب نوری است و همچنین تقویت کننده ها، فیلترها و مدارهای مربوطه نیز وجود دارد. هسته ردیاب نور، عنصر دریافت کننده نور است. لازمه ردیاب نوری نرخ پاسخ بالا، جریان تاریک کم و سرعت پاسخ بالا است. در حال حاضر، ردیاب‌های نوری که معمولاً در ارتباطات فیبر نوری استفاده می‌شوند عبارتند از دیودهای فوتودیود PIN مبتنی بر PIN نیمه هادی-(PIN-PD) و فتودیودهای بهمنی (APD).

مهمترین پارامتر مشخصه گیرنده نوری حساسیت آن است. حساسیت یک شاخص جامع از کیفیت یک گیرنده نوری است. این نشان دهنده توانایی گیرنده برای دریافت سیگنال های نوری ضعیف در صورت تنظیم به حالت بهینه آن است. حساسیت در درجه اول به نویز فتودیودها و تقویت کننده هایی که گیرنده نوری را تشکیل می دهند بستگی دارد و همچنین تحت تأثیر نرخ انتقال، پارامترهای فرستنده نوری و پراکندگی خط فیبر نوری قرار می گیرد. همچنین ارتباط نزدیکی با نرخ خطای بیت مورد نیاز سیستم یا نسبت سیگنال به-نیز دارد. بنابراین، حساسیت نیز یک شاخص مهم برای کیفیت یک سیستم ارتباطی فیبر نوری است.