13.04.23 1

Evolutia sistemelor optice

Comunicarea cu ajutorul luminii este un concept foarte vechi ( termenul “lumină” apare in Biblie de 232 de ori).

Sistemele de comunicaţie pe cale optică sunt folosite de secole întregi, sub forma unor binecunoscute metode: semnale fumigene, focuri, semafoare. (Referiri scrise cu privire la focurile de semnalizare apar încă din secolul V î.e.n. în piesa “Agamemnon” a lui Eschil.)

13.04.23 2

Un an important în istoria sistemelor optice este 1790 când francezul Claude Chappe (1763-1805) a inventat „telegraful optic” cu viteza de transmisie de aproximativ 1bps (experimentul a fost facut pe distanţa Lille-Paris, ~230 km; durata transmiterii unui text cu 120 de caractere fiind de cca 30 de minute).Sistemul era constituit din semafoare montate pe turnuri cu vizibilitate directa prin binoclu distantate la 10-20 km si actionate de operatori in mod secvential

13.04.23 3

În 1888 Dr.Roth şi Dr.Reuss din Viena iluminează cu „sticlă îndoită” cavităţi ale corpului uman.

Pe acelaşi principiu, Henry C. Saint Rene foloseşte bare de sticlă îndoită pentru a ghida lumina în aplicaţii de transmitere a unor imagini.

În 1926, John Logie Baird (în Anglia) şi Clarence W Hanssel (în Statele Unite) patentează o matrice de tuburi de sticlă pentru a „transporta” o astfel de imagine

13.04.23 4

În 1955 se realizează primul endoscop cu fibre optice care este testat în 1957 de Hirschowitz

1958 este un an important: Alec Reeves (cu contribuţii importante în modulaţia în cod a impulsurilor) face primele investigaţii privind comunicaţiile optice la Standard Telecommunication Laboratories.

Un an mai târziu, Hicks de la „American Optical” realizează fibre optice cu miez foarte subţire care transmit un „singur mod” pe care Elias Snitzer le consideră „ghiduri de undă” monomod. El publică teoria acestor fibre în luna mai 1961.

13.04.23 6

Townes şi Şavlov au construit un dispozitiv: LASER (pentru emisie optică) în 1958, ideia fiind apoi reutilizată de Theodore Maiman în 1960.

Pe data de 16 mai 1960, Theodore Maiman demonstrează funcţionarea primului LASER cu rubin la Hughes Research Laboratories în Malibu, iar în decembrie (acelaşi an) , Ali Javan realizează efectiv primul LASER cu undă continuă pe bază de Heliu-Neon

Se constituie între 1962-1963 un grup (de la Standard Telecom.Lab, STL) pentru studiul teoretic al propagării ghidate prin fibre optice pentru comunicaţii sub conducerea lui Antoni E. Karbowiak . Cam în acelaşi timp un alt grup de cercetători de la General Electric (sub conducerea lui Robert Hall) realizează primul laser cu semiconductori care lucrează în impuls, fiind racit în azot lichid.

13.04.23 7

                                      

În 1966, Charles Kao şi George Hockham afirmă că, teoretic este posibil a reduce atenuarea intrinsecă a unei fibre optice la valori sub 20 dB/km (prin utilizarea unor materiale de foarte mare puritate ) fiind astfel posibilă utilizarea acestora în comunicaţii „interoffice”, prefigurând folosirea fibrelor optice în comunicaţii de mare distanţă. Cu toate acestea, “performanţele tehnologice” ale timpului permiteau o atenuare de aproximativ 1000dB/km.

13.04.23 8

Primele realizări practice vor apare în 1968 (Nippon Sheet Glass Co.), atenuarea , în condiţii de laborator, ajungând la 100 dB/km.

Corning Glass (Statele Unite) anunţă realizarea în 1970 a unei fibre cu atenuări de cca 20dB/km. Aprilie 70, înseamnă o primă demonstraţie de functionare a sistemelor de transmisie a informaţiei pe fibra optică pentru ca o lună mai târziu să apară primul laser nerăcit cu emisie continuă (Zhores Alferov de la Phisical Inst. Leningrad şi Mort Panish şi Izuo Hayasahi de la Bell Labs.).

În vara anului 70, la Corning glass se realizează o fibră monomod cu pierderi de 17 dB/km la lungimea de undă de 633 nm realizată prin doparea miezului fibrei cu titaniu.

13.04.23 9

La sfârşitul anului 1972, Robert Maurer, Donald Keck şi Peter Schultz

(Corning glass) realizeză prima fibră optică multimod cu o atenuare de 4

dB/km prin dopare cu germaniu a miezului

În aceeaşi perioadă se obţine o modulaţie a fascicolului laser cu o

frecvenţă de cca.1Gbps şi apare propunerea de a „transporta” prin fibre,

semnale video (şi nu numai) la domiciliul abonaţilor.

În 1973 John MacChesney dezvoltă metoda de depunere chimică din

fază de vapori modificând-o pentru a fabrica fibre optice

13.04.23 10

La începutul anului 1980, AT&T primeşte aprobarea de a “acoperi coridorul Boston Washington” cu un sistem optic WDM folosind 3 (canale) lungimi de undă diferite pe o fibră optică gradată la un debit de 45 Mbps pentru fiecare canal.

Pentru Olimpiada de iarnă de la Lake Placid se foloseşte deasemenea o fibră gradată pentru semnale video folosind 850nm. STL şi British Post Office realizează o legătură submarină de 9,5 km folosind fibră gradată şi monomod.

În 1981 apar sistemele optice comerciale din “generaţia a II-a care folosesc 1310 nm., pe fibre gradate. British Telecom părăseşte fibrele gradate în favoarea celor monomod. Astfel, este realizată o transmisie de 140 Mbps pe o fibră monomod folosind 1,3 micrometri pe o distanţă de 49 km.

1982 se sfârşeste prin realizarea de catre MCI a unui sistem optic de 400 Mbps care lucrează pe fibră monomod folosind lungimea de undă de 1310 nm.

13.04.23 11

GeneraTii de sisteme optice

13.04.23 12

În figura se prezintă evoluţia sistemelor de comunicaţii între anii 1950 şi 2000.

Se poate observa că un produs DL> 100 Mbps/km a fost obţinut cu FOTS (Fiber Optic Transmission System) evoluate construite după anii 1970 când a fost posibilă (tehnologic) realizarea unor fibre cu atenuare mai redusă ( 20 dB/Km)

Aproximativ în acelaşi timp au fost realizate şi diode laser cu GaAs ce puteau emite în fereastra I-a. Progresul enorm a fost făcut în ultimii 25 de ani (1975-2000).

Generaţia I-a A fost dezvoltată începând din 1974; aceste sisteme erau

echipate cu laseri semiconductori realizate din GaAs şi funcţionau pe o lungime de undă din fereastra a I-a, = 0,85 m. Fibrele optice folosite

erau multimod (MMF).Distanţa dintre regeneratoare de ordinul a 10 Km

13.04.23 13

Generaţia a II-a Sistemele din generaţia a II-a devin disponibile după

1980. Schimbarea majoră a fost utilizarea surselor optice realizate cu InGaAsP care lucrează in fereastra a II-a pe lungimea de undă = 1,3 m. Atenţia a fost atunci îndreptată asupra fibrelor monomod. Pierderile prin fibrele acestor sisteme se situează în jurul valorii de 0,5 dB/km.

13.04.23 14

Generaţia a III-a Trecând la 1,55m se poate conta pe o atenuare de ordinul a

0,2 dB/km dar folosirea diodelor laser InGaAsP (multimod) împiedică creşterea spectaculoasă a performanţelor datorită dispersiei intramodale

a fibrei în această fereastră a lungimii de undă. Aceste sisteme devin comerciale în 1989. Se disting realizările

coerente cu modulaţie optica având salt de fază /frecvenţă de tip (D)PSK (differential) phase shift keying ,(CP)FSK (continous phase) frequency

shift keying, etc. S-a ajuns la debite D=10 Gbit/s pe lungimi ale fibrei L=1000km sau D=20Gbit/s pe 350km. Un alt experiment a arătat că este posibilă şi

varianta D=2.5Gbit/s cu L=12000km.

13.04.23 15

Generaţia a IV-aSistemele din această generaţie folosesc deja amplificarea

optică pentru a creşte distanţa dintre regeneratoare şi diviziunea în lungime de undă pentru a creste debitul transmis. Utilizarea multiplexării in lungime de undă (WDM) a condus

la dublarea capacităţii unui sistem optic la fiecare 6 luni. Astfel, a fost posibil ca în anul 2001 să se ajungă la 10Tbps. În aceste sisteme pierderile sunt compensate periodic folosind amplificatoare cu

erbium la fiecare 60-80 km.Astfel de amplicatoare au fost dezvoltate după 1985 şi au devenit disponibile după 1990.

13.04.23 16

Generaţia a V-aAceastă generaţie se caracterizează prin eforturile de a

extinde domeniul lungimilor de undă în care se poate face transmisie multiplă cu diviziune în lungime de undă. Au fost explorate benzile C (1,53-1,57m), L şi S. În aceste benzi se

foloseste amplificarea Raman. În plus, a fost dezvoltat un nou tip de fibră “dry fiber” cu atenuări reduse pe un domeniu larg al

lungimilor de undă (1,3-1,65m). Se urmăreşte deasemenea creşterea debitului per canal

în interiorul WDM.

13.04.23 17