Respuesta corta: Un buen orden de magnitud de la regla de oro para el máximo ancho de banda de la fibra óptica del canal es de aproximadamente 1 petabit por segundo y por el modo óptico. Así, un "único" modo de la fibra (fibra con un salto eigenfield), en realidad, en teoría tiene dos canales, uno para cada polarización estado de la envolvente del eigenfield.
Voy a concentrarse en la capacidad teórica de una sola, de larga distancia de la fibra; ver roadrunner66 la respuesta para la discusión de la ramificación de una red óptica. Los límites fundamentales de obtener siempre una pregunta de señal a ruido en la medición (es decir, la demodulación por el circuito del receptor). El uno, fundamentalmente anavoidable, la fuente de ruido en un enlace de fibra es quantum ruido de disparo, así que voy a concentrarme en eso. Por lo tanto, lo que sigue se aplica a una fibra corta: otras fuentes de ruido (como Raman, la emisión espontánea amplificada en la línea de amplificadores ópticos, dispersión de Rayleigh, la dispersión de Brillouin) tienden a ser importante más o menos en proporción a la longitud de las fibras y algunos de potencia (exponente) de la potencia transmitida por la fibra.
Si detectamos N fotones de un estado coherente de la luz para una medición, a continuación, el undertainty en que la medición es $\sqrt{N}$ en un lugar libre de ruido ambiente. (véase la nota de pie de página en la apretó los estados). Así que supongamos primero que:
- El ancho de banda de nuestra fibra es $B$ hertz (normalmente 50THz máximo, voy a hablar de lo que los límites de $B$ a continuación)
- La potencia transmitida por la fibra es $P$ watts (normalmente 100W máximo; de nuevo, voy a hablar de límites más tarde)
- De la fibra del solo modo (esto en teoría permite superar la dispersión de los límites discutidos en roadrunner66 la respuesta, a expensas de poner más difícil de límite superior en $P$)
- La fibra de frecuencia central del es $\nu_0$ (normalmente 193THz, correspondiente a 1550 nm longitud de onda de espacio libre)
- En lo que sigue, voy a tomar la palabra "símbolo" para referirse a una teoría de precisión infinita número real, pero cuya precisión está limitada por el ruido (el propósito de esta respuesta no sea para discutir el último!).
Por lo tanto, vamos a empezar por explorar la mejor manera de utilizar nuestro poder. Si nos dedicamos a $M$ símbolos por segundo, cada una de nuestras mediciones comprenden la detección de $N = \frac{P}{M\, h\, \nu_0}$ de los fotones, por lo tanto nuestra relación señal a ruido es $SNR = \frac{N}{\sqrt{N}} = \sqrt{\frac{P}{M\, h\, \nu_0}}$. Por el de Shannon-Hartley forma de la Ruidosa teorema de codificación de canal (ver también aquí), por lo tanto, podemos código a nuestro canal para obtener $\log_2\left(1 + \sqrt{\frac{P}{M\, h\, \nu_0}}\right)$ bits de información por símbolo, es decir, $M \log_2\left(1 + \sqrt{\frac{P}{M\, h\, \nu_0}}\right)$ bits por segundo a través de nuestra fibra óptica. Este es un monótonamente creciente de la función de $M$, por lo que un límite en $P$ sí no límite de la capacidad.
Sin embargo, por un converso de la de Nyquist-Shannon teorema de muestreo nos puede enviar un máximo de $B$ símbolos por el canal por segundo. Este es nuestro mayor velocidad de símbolo. Por lo tanto, nuestra expresión general para la fibra de capacidad en bits es:
$\mathcal C = B \, \log_2\left(1 + \sqrt{\frac{P}{B\, h\, \nu_0}}\right)$ bits por segundo
Si conectamos nuestro $B = 50\mathrm{THz}$$P = 100W$, obtenemos la estupenda capacidad de 1,2 petabits por segundo para cada uno de fibra óptica de modo de núcleo.
Mirando la forma básica de la de Shannon-Hartlee expresión $\log_2(1+SNR)$ bits por símbolo, uno puede ver que la mejora en la relación señal a ruido más allá de cualquier "buena" la relación señal a ruido sólo puede conducir a incrementos mínimos de capacidad. Por mucho, el más fuerte límite es el teorema de muestreo de Shannon conversar. Por lo que el uso de exprimido de la luz no va a cambiar el orden de magnitud de este resultado.
Ahora, para algunos de los materiales física de la procreación de los límites que se discutieron anteriormente. Nuestra óptica poder está limitado por dos cosas:
- La tasa de disipación de calor de la fibra es el principal. En algún momento, las pérdidas en la fibra suma de hasta más energía de la que se puede volcar a su entorno y papas a la misma. Lo que sucede en la práctica es que el poder tiende a disiparse alrededor de las inclusiones y otras imperfecciones y, a continuación, se derrite en ese punto, más energía se disipa en el fundido blob y la destrucción se propaga lentamente lejos de la falla: la fibra se "derrite" a sí mismo como un iluminado de fusible.
- Procesos no lineales como estimulado de Brillouin y de dispersión Raman estimulado rápidamente superan el quantum de ruido. Estos varían como $P^2$.
El ancho de banda está limitado por las pérdidas en el medio. La "ventana" entre 1300nm y 1600nm espacio libre de la longitud de onda es elegido para las comunicaciones ópticas por su baja pérdida. Dependiendo de la longitud de la fibra, como se intenta aumentar el ancho de banda, cualquier potencia óptica fuera de la banda de baja pérdida, simplemente no va a llegar al otro extremo. Esto es lo que da lugar a la $B=50THz$ figura cito arriba. Esta no es una cifra difícil: es una estimación aproximada y su valor exacto depende de la longitud de la fibra. He mostrado un cálculo donde supongo que la fibra transmite un cierto ancho de banda perfectamente y el envío de "apaga" totalmente fuera de este ancho de banda. Una mejor cálculo cuenta de la forma espectral de las pérdidas y que la imperfectamente enviado componentes de frecuencia también puede llevar información. Esto demostraría que el efectivo equivalente ancho de banda $B$ en mi fórmula sería aproximadamente inversamente proporcional a la longitud de las fibras.
Otro ruido de los límites que rápidamente pantano de el quantum de ruido son las que he mencionado al principio: Raman, la emisión espontánea amplificada en la línea de amplificadores ópticos, dispersión de Rayleigh, la dispersión de Brillouin. De nuevo, el cálculo se necesita ser modificado para aquellos dependiendo del tipo exacto de enlace de parámetros. Estos ruidos tienden a aumentar en proporción a la longitud de vínculo, y por lo tanto, a menudo se ve el ancho de banda de distancia de los productos indicados para los "he-man", los anuncios de capacidad de fibra en experiements (por ejemplo, 1 terrabit por segundo a través de un radio de 100 km de enlace; el mismo enlace debe tomar aproximadamente 2 tbps más de 50 km , 4tBPs a más de 25km y así sucesivamente hasta que la cuantía de los límites de ruido de todo). Como en el anterior, el límite de ancho de banda $B$ también tiene una inversa dependencia de la longitud de las fibras, pero un cero la longitud de la fibra de transmisión todavía será eclipsada por el quantum de ruido del enlace de la fuente. Así que la verdadera dependencia de la longitud de vínculo $L$ de la capacidad de $\mathcal C$, teniendo en cuenta esto, será algo como $\mathcal C = \frac{\mathcal C_1}{L_0 + L}$ donde $L_0$ es algo mucho menos de un kilómetro y las cuentas de la fuente del ruido cuántico.
Las cifras actuales indican son decenas de terrabits por núcleo de fibra - (ver aquí - lo siento, no tengo una mejor referencia para esto, se ha pasado algún tiempo desde la tecnología de las telecomunicaciones fue wonted a mí). Incluso cifras más altas pueden ser obtenidos para las fibras cortas (kilómetros de longitud) con multimoded núcleos de modo que la densidad de potencia en el núcleo no es tan restrictiva. La desventaja es que la dispersión (ahora la diferencia entre las velocidades de transmisión de la fibra del obligado modos propios) es ahora el factor limitante, por lo que solo las fibras cortas se pueden utilizar. Para un solo modo de fibra, sólo la dispersión cromática, como se discutió por roadrunner66, está presente. Esto puede ser efectivamente cancelado cuando la relación de dispersión se conoce (como lo es para enlaces de larga distancia), impartiendo la inversa de la dispersión en el envío o recepción final el uso de una rejilla de Bragg dispositivo.
Ha sido en el pasado un cierto interés en el uso de la apretó los estados de la luz. La cuantía límite de ruido he asumido es el de un Glauber estado coherente, que satura el Heisenberg de la desigualdad de $\sigma_x \sigma_p \geq \frac{\hbar}{2}$ y tiene la misma incertidumbre en el conjugado de "posición" y "momentum" de las variables. En un plano fase, esto se puede traducir en un límite inferior en el producto de la amplitud y la fase de incertidumbres. Uno puede producir apretó los estados con menos de fase de incertidumbre en la costa de la amplitud de la incertidumbre, así que la idea era utilizar una frecuencia o de fase modulada esquema de transmisión y disminuir la incertidumbre en la fase de transmisión sexual. Sin embargo, uno de ellos se presenta un empeoramiento de la amplitud de la SNR (que no puede, en la mecánica cuántica, frustrar el Heisenberg de la desigualdad), de modo que tales esquemas de hacer marginal si alguna diferencia en la general de la SNR. Ciertamente no cambiar las órdenes de magnitudes que mencioné anteriormente.
Aquí es un resumen excelente artículo sobre el tema, descarne mi resumen anterior y discutir cuantitativa modificaciones al modelo anterior por otros ruidos que el de los "fundamentales" quantum ruido (especialmente Raman y la Emisión Espontánea Amplificada): René-Jean Essiambre, Gerhard Kramer, Pedro J. Winzer, Gerard J. Foschini, y Bernhard Goebel, "los Límites de la Capacidad de Redes de Fibra Óptica", J. LIGHTWAVE TECH., VOL. 28, NO. 4, 15 de FEBRERO de 2010.
Hay un trabajo muy reciente en el uso de fibras con pocos (es decir, menos de alrededor de cinco), vinculado eigenfields y la codificación de independiente, potencialmente petabit por segundo cada uno, canales, uno para cada uno de los obligados eigenfield. Ver el trabajo de Amor y Riesen, por ejemplo, la Óptica Cartas 37, 19 (2012) 3990-3992.
