โครงสร้างพื้นฐานและการจำแนกประเภทของระบบสื่อสารใยแก้วนำแสง

ส่วนประกอบพื้นฐานของ oการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติกระบบดังแสดงในรูปที่ 1-1 ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสามส่วน: การส่งสัญญาณ การรับสัญญาณ และระบบการส่งผ่านใยแก้วนำแสงพื้นฐานที่ทำหน้าที่เป็นช่องทางทั่วไป

(ภาพที่ 1-1 ส่วนประกอบพื้นฐานของระบบสื่อสารใยแก้วนำแสง)

ส่วนประกอบพื้นฐานของระบบสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง

△การจำแนกประเภทของระบบสื่อสารใยแก้วนำแสง

(1) ส่วนการส่งสัญญาณ: ในส่วนนี้ แหล่งข้อมูลจะแปลงข้อมูลผู้ใช้ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าดิบที่เรียกว่าสัญญาณเบสแบนด์ ตัวส่งสัญญาณแบบออปติคัลจะแปลงสัญญาณเบสแบนด์ให้เป็นสัญญาณที่เหมาะสมสำหรับการส่งผ่านช่องสัญญาณ หากจำเป็นต้องมีการมอดูเลต สัญญาณเอาท์พุตจะเรียกว่าสัญญาณมอดูเลต เพื่อปรับปรุงคุณภาพการส่งสัญญาณ สัญญาณเบสแบนด์แอนะล็อกนี้มักจะถูกแปลงเป็นสัญญาณความถี่-มอดูเลต (FM), พัลส์-ความถี่มอดูเลต (PFM) หรือพัลส์-สัญญาณมอดูเลตความกว้าง (PWM) และสุดท้าย สัญญาณมอดูเลตนี้จะถูกป้อนเข้าสู่เครื่องส่งสัญญาณแบบออปติก

ไม่ว่าจะเป็นระบบดิจิทัลหรือแอนะล็อก สัญญาณไฟฟ้าที่ส่งข้อมูลอินพุตไปยังเครื่องส่งสัญญาณแบบออปติคอลจะถูกแปลงเป็นสัญญาณออปติคอลผ่านการมอดูเลต

(2) คลื่นพาหะนำแสงจะถูกส่งไปยังปลายรับผ่านเส้นใยแก้วนำแสง โดยที่ตัวรับแสงจะแปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า เครื่องรับไฟฟ้าทำงานผกผันกับเครื่องส่งไฟฟ้า มันจะแปลงสัญญาณไฟฟ้าที่ได้รับให้เป็นสัญญาณเบสแบนด์ ซึ่งจากนั้นจะถูกใช้โดยหน่วยข้อมูลเพื่อกู้คืนข้อมูลผู้ใช้

ในระบบสื่อสารทั้งหมด เทคโนโลยีและอุปกรณ์ที่ใช้ในการสื่อสารใยแก้วนำแสงจะเหมือนกับการสื่อสารผ่านสายเคเบิลสำหรับส่วนสัญญาณไฟฟ้าก่อนเครื่องส่งแสงและหลังเครื่องรับแสง ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือระบบส่งผ่านใยแก้วนำแสงพื้นฐาน ซึ่งประกอบด้วยตัวส่งสัญญาณแสง เส้นใยแก้วนำแสง และตัวรับแสง จะมาแทนที่การส่งผ่านสายเคเบิล

(3) ระบบส่งสัญญาณไฟเบอร์ออปติกพื้นฐาน ตามรูปที่ 1-1 ระบบส่งสัญญาณไฟเบอร์ออปติกพื้นฐานสามารถแบ่งย่อยออกเป็นสามส่วน: ตัวส่งสัญญาณแสง สายไฟเบอร์ออปติก และตัวรับแสง หน้าที่ของเครื่องส่งสัญญาณแบบออปติกคือการแปลงสัญญาณไฟฟ้าเข้าจากส่วนส่งสัญญาณให้เป็นสัญญาณแสงและใช้เทคโนโลยีผสมผสานเพื่อฉีดสัญญาณแสงเข้าไปในสายไฟเบอร์ออปติกในระดับสูงสุด อุปกรณ์หลักของเครื่องส่งสัญญาณแบบออปติกคือแหล่งกำเนิดแสง พร้อมด้วยไดรเวอร์และโมดูเลเตอร์ ประสิทธิภาพของเครื่องส่งสัญญาณแสงโดยพื้นฐานแล้วขึ้นอยู่กับลักษณะของแหล่งกำเนิดแสง ข้อกำหนดสำหรับแหล่งกำเนิดแสงคือ: กำลังแสงเอาท์พุตสูงเพียงพอ, ความถี่มอดูเลชั่นสูงเพียงพอ, ความกว้างของเส้นสเปกตรัมและมุมความแตกต่างของลำแสงน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้, กำลังเอาท์พุตและความยาวคลื่นที่เสถียร และอายุการใช้งานของอุปกรณ์ที่ยาวนาน ในปัจจุบัน แหล่งกำเนิดแสงที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ได้แก่ ไฟเซมิคอนดักเตอร์-ไดโอดเปล่งแสง (LED) และไดโอดเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ (หรือเลเซอร์, LD) เช่นเดียวกับเลเซอร์ไดนามิกแบบ single-mode Distributed Feedback (DFB) ที่มีความกว้างเส้นสเปกตรัมเล็กมาก เลเซอร์โซลิดสเตต-ก็ใช้ในบางกรณีเช่นกัน หน้าที่ของสายไฟเบอร์ออปติกคือการส่งสัญญาณแสงจากตัวส่งสัญญาณแสงไปยังตัวรับแสงโดยมีการบิดเบือนและการลดทอนน้อยที่สุด สายไฟเบอร์ออปติกประกอบด้วยเส้นใยนำแสง ขั้วต่อไฟเบอร์ออปติก และปลั๊กไฟเบอร์ออปติก ใยแก้วนำแสงเป็นส่วนหลักของสายไฟเบอร์ออปติก และตัวเชื่อมต่อและปลั๊กเป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ ในทางวิศวกรรมภาคปฏิบัติ มีการใช้สายเคเบิลแสงที่ยึดเส้นใยแสงหลายเส้นไว้ ระบบการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงทำงานที่ความยาวคลื่นอินฟราเรดใกล้- และตัวกลางในการส่งผ่านสำหรับการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงคือควอตซ์ ซึ่งเป็นท่อนำคลื่นไดอิเล็กทริก มีลักษณะเป็นทรงกระบอก โดยมีดัชนีการหักเหของแกนและชั้นหุ้มอยู่ที่ n₁ และดัชนีการหักเหของชั้นหุ้มที่ n₂ และ n₁ > n₂ เมื่อสภาพการสะท้อนสมบูรณ์ครบถ้วน แสงจะถูกจำกัดและส่งผ่านภายในแกนกลางได้ ลักษณะสำคัญของใยแก้วนำแสงคือการลดทอนและการกระจายสี การลดทอนจะแสดงในหน่วย dB/km และเส้นใยนำแสงมีหน้าต่างที่มีการสูญเสียต่ำสามหน้าต่าง โดยมีความยาวคลื่นเป็น:

แล₀=0.85 μm (แถบความยาวคลื่นสั้น) แล₀=1.31 μm (แถบความยาวคลื่นยาว)
แล₀=1.55 μm (แถบความยาวคลื่นยาว)

การกระจายสีของใยแก้วนำแสงเกิดจากการที่ส่วนประกอบที่มีความถี่ต่างกันในใยแก้วนำแสงไม่แพร่กระจายด้วยความเร็วเท่ากัน ส่งผลให้พัลส์กว้างขึ้นในระหว่างการส่งสัญญาณ การกระจายตัวของสีแสดงเป็นหน่วย ps/(km · nm) ส่วนกลับของหมายเลขสัญญาณ เช่น อัตราบิตสูงสุด-ผลคูณระยะทางที่การกระจายสีสามารถทนได้

หน้าที่ของตัวรับแสงคือการแปลงสัญญาณใยแก้วนำแสงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่มีอัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-สัญญาณรบกวนสูงเพียงพอ ส่วนประกอบหลักของเครื่องรับคือตัวตรวจจับแสง และยังมีเครื่องขยายสัญญาณ ฟิลเตอร์ และวงจรที่เกี่ยวข้องอีกด้วย แกนกลางของเครื่องตรวจจับแสงคือองค์ประกอบ-รับแสง ข้อกำหนดสำหรับเครื่องตรวจจับแสงคืออัตราการตอบสนองสูง กระแสมืดต่ำ และความเร็วการตอบสนองสูง ในปัจจุบัน เครื่องตรวจจับแสงที่ใช้กันทั่วไปในการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง ได้แก่ โฟโตไดโอด PIN ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์ PN - (PIN-PD) และโฟโตไดโอดหิมะถล่ม (APD)

พารามิเตอร์คุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของตัวรับแสงคือความไว ความไวเป็นตัวบ่งชี้คุณภาพของตัวรับแสงอย่างครอบคลุม มันสะท้อนถึงความสามารถของเครื่องรับในการรับสัญญาณแสงที่อ่อนแอเมื่อปรับให้อยู่ในสถานะที่เหมาะสมที่สุด ความไวส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับสัญญาณรบกวนของโฟโตไดโอดและแอมพลิฟายเออร์ที่ประกอบเป็นตัวรับสัญญาณออปติคอล และยังได้รับผลกระทบจากอัตราการส่งผ่าน พารามิเตอร์ของเครื่องส่งสัญญาณแบบออปติคอล และการกระจายตัวของสายไฟเบอร์ออปติก นอกจากนี้ยังเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับอัตราข้อผิดพลาดบิตหรืออัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-สัญญาณรบกวนของระบบ ดังนั้นความไวจึงเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของคุณภาพของระบบสื่อสารใยแก้วนำแสง