בשנת 2021, מדענים יפנים הצליחו אף לשדר בקצב של 319 טרה-ביט לשנייה לאורך 3,000 קילומטרים עם כבלי סיבים בקוטר כבל סטנדרטי.
עיקר המיקוד בפיתוח של הדור החמישי של תקשורת סיבים אופטיים הוא בהרחבת טווח אורכי הגל שבו מערכת WDM יכולה לפעול. טווח אורכי הגל ה"רגיל", המכונה פס C, מכסה את טווח אורכי הגל באורך 1525–1565 ננומטר, אבל ל"סיבים יבשים" יש טווח עם אובדן אות נמוך המבטיח הרחבה של טווח זה ל-1300–1650 ננומטר. פיתוחים נוספים כוללים את הרעיון של סוליטונים אופטיים, פולסים המשמרים את צורתם למרות השפעות הפיזור וההשפעות הלא ליניאריות של הסיב על ידי שימוש בפולסים של צורה ספציפית.
בסוף שנות ה-90 ועד שנת 2000, חברות מחקר חזו עלייה מסיבית בביקוש לרוחב פס עקב שימוש מוגבר באינטרנט ומסחור של שירותים שונים לצרכנים עתירי רוחב פס, כגון וידאו על פי דרישה (VOD). תעבורת הנתונים של פרוטוקול האינטרנט גדלה באופן אקספוננציאלי, בקצב מהיר יותר מאשר עלתה מורכבות המעגלים המשולבים במסגרת חוק מור. עם זאת, מאז התפוצצות בועת הדוט-קום ועד 2006, המגמה העיקרית בתעשייה הייתה איחוד של חברות ו-offshoring של ייצור כדי להפחית עלויות. חברות כמו Verizon ו-AT&amp;T ניצלו את היתרונות של תקשורת סיבים אופטיים כדי לספק מגוון של נתונים בתפוקה גבוהה ושירותי פס רחב לבתי הצרכנים.
טכנולוגיה.
מערכות תקשורת סיבים אופטיים מודרניות כוללות בדרך כלל משדרים אופטיים הממירים אותות חשמליים לאותות אופטיים, כבלי סיבים אופטיים שנושאים את האות, מגברים אופטיים, ומקלטים אופטיים להמרת האות בחזרה לאות חשמלי. המידע המועבר הוא בדרך כלל מידע דיגיטלי שנוצר על ידי מחשבים או מערכות טלפון.
משדרים.
המשדרים האופטיים הנפוצים ביותר הם מכשירים מוליכים למחצה כגון דיודות פולטות אור (LED) ודיודות לייזר. ההבדל בין נוריות לד לדיודות לייזר הוא שנורות לד מייצרות אור לא קוהרנטי, בעוד שדיודות לייזר מייצרות אור קוהרנטי. לשימוש בתקשורת אופטית, משדרים אופטיים מוליכים למחצה חייבים להיות מתוכננים להיות קומפקטיים, יעילים ואמינים, תוך שהם פועלים בטווח אורכי גל אופטימלי ומאופננים ישירות בתדרים גבוהים.
בצורתה הפשוטה ביותר, נורית LED פולטת אור באמצעות פליטה ספונטנית, תופעה המכונה אלקטרולומינציה. האור הנפלט אינו קוהרנטי עם רוחב ספקטרלי רחב יחסית של 30–60 נ"מ. העברת אור LED גם לא יעילה, כאשר רק כ-1% מההספק ההתחלתי, או כ-100 מיקרו-וואט, מומרים בסופו של דבר להספק היעד המצורף לסיב האופטי. עם זאת, בשל העיצוב הפשוט יחסית שלהם, נוריות LED שימושיות מאוד עבור יישומים בעלות נמוכה.
כיום, נוריות LED הוחלפו במידה רבה על ידי מכשירי לייזר מוליך-למחצה, כגון VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), המציעים מהירות משופרת, כוח ותכונות ספקטרליות, בעלות דומה. התקני VCSEL נפוצים מתחברים היטב לסיבי Multi-mode.
לייזר מוליך למחצה פולט אור באמצעות פליטה מאולצת ולא פליטה ספונטנית, מה שמביא להספק פלט גבוה (~100 mW) וכן יתרונות אחרים הקשורים לאופי האור הקוהרנטי. הפלט של לייזר הוא כיווני יחסית, מה שמאפשר יעילות צימוד גבוהה (~50 %) לסיבים חד-אופֶניים (single mode). הרוחב הספקטרלי הצר מאפשר גם קצבי סיביות גבוהים מכיוון שהוא מפחית את ההשפעה של פיזור כרומטי. יתר על כן, לייזרים מוליכים למחצה יכולים להיות מאופננים ישירות בתדרים גבוהים.
סוגים נפוצים של משדרי לייזר מוליכים למחצה המשמשים בסיבים אופטיים כוללים את VCSEL, אינטרפרומטר פברי-פרו ואת DFB (Distributued Feed Back).
דיודות לייזר לרוב מאופננות ישירות, כלומר פלט האור נשלט על ידי זרם המופעל ישירות על המכשיר. לעומת זאת, עבור קצבי נתונים גבוהים מאוד או עבור סיבים למרחקים ארוכים מאוד, מקור לייזר עשוי להיות מופעל בגל רציף, והאור יהיה מאופנן על ידי מכשיר חיצוני - מאפנן אופטי. אפנון חיצוני מגדיל את מרחק הקישור על ידי ביטול ה-chrip של הלייזר (כלומר השינוי בתדירות), ומגדיל את הפיזור הכרומטי בסיב. בנוסף לכך, עבור סיבים הדורשים יעילות רוחב פס גבוהה מאוד, ניתן להשתמש באפנון קוהרנטי כדי לשנות את פאזת האור בנוסף למשרעת, מה שמאפשר שימוש בשיטות האפנון QPSK, QAM ו-OFDM.
מקלט משדר הוא מכשיר המשלב משדר ומקלט ביחידה אחת (ראה תמונה משמאל).
מקלטים.
המרכיב העיקרי של מקלט אופטי הוא גלאי אופטי הממיר אור לחשמל באמצעות האפקט הפוטואלקטרי. הגלאי האופטי הוא בדרך כלל פוטודיודה מבוססת מוליכים למחצה. מספר סוגים של פוטודיודות שבשימוש כוללים פוטודיודות PN, ופוטודיודות PIN.
מקלטים קוהרנטיים משתמשים במתנד (oscilator) לייזר מקומי בשילוב עם זוג "מצמדים" (couplers) וארבעה גלאים אופטיים לכל קיטוב. לאחר מכן משתמשים בממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) במהירות גבוהה ועיבוד אותות דיגיטלי (DSP) כדי לשחזר נתונים המאופננים עם QPSK, QAM או OFDM.
סוגי כבלי סיבים.
כבל סיב אופטי מורכב מליבה (core), מעטפת (cladding) וציפוי חיצוני מגן (coating), שבו המעטפת מנחה את האור לאורך הליבה בשיטת ההחזרה גמורה. הליבה והמעטפת (בעלת מקדם השבירה הנמוך יותר) עשויים בדרך כלל מזכוכית סיליקה איכותית, אם כי שניהם יכולים להיות עשויים גם מפלסטיק. חיבור שני סיבים אופטיים נעשה על ידי תהליכים הנקראים שחבור היתוך או שחבור מכני, ודורש מיומנויות מיוחדות וטכנולוגיית חיבור הדדית בשל הדיוק המיקרוסקופי הנדרש ליישור ליבות הסיבים.
שני סוגים עיקריים של סיבים אופטיים המשמשים בתקשורת אופטית הם סיבים רבי-אופֶן (multimode fiber) וסיבים חדי-אופֶן (singlemode fiber). הכוונה באופֶן היא לאופן התנודה של האור; כלומר, בעוד שבסיבי multimode מועברות אלומות אור בכמה אופנים שונים, בסיב singlemode מועבר אור באופן אחד בלבד - בשל קוטר הליבה (core) הקטן שלו.
לסיב אופטי מסוג multimode ישנה ליבה גדולה יותר (≥ 50 מיקרומטר), המאפשרת למשדרים ומקלטים פחות מדויקים וזולים יותר להתחבר אליו, כמו גם למחברים זולים יותר. עם זאת, סיב multimode סובל מעיוות, אשר לרוב מגביל את רוחב הפס ואת אורך הקישור (עד כ-2 ק"מ). יתרה מזאת, סיבים כאלו הם בדרך כלל יקרים ומפגינים ניחות גבוה יותר.
לעומת זאת, הליבה של סיב singlemode קטנה יותר (&lt;10 מיקרומטר), ודורשת רכיבים ושיטות חיבור יקרות יותר, אך מאפשרת קישורים הרבה יותר ארוכים (יותר מ-100 קילומטר) ובעלי ביצועים גבוהים יותר.
גם סיבי multimode וגם סיבי single mode מוצעים בדרגות שונות.
סיבי multimode מסווגים בתקן ISO 1181 - לדוגמה OM1, OM2, OM3 - על פי רוחב הפס שלהם, כאשר האותיות "OM" הם קיצור ל-"Optical Multi-mode". במשך שנים סיבי ה-OM1 וה-OM2 היו נפוצים ובשל גודלם הגדול היחסית היו אידיאליים עבור משדרי LED. בעקבות הצורך במהירויות גבוהות יותר, גבר השימוש ב-OM3 ומעלה המותאמים למשדרי לייזר. נהוג לסמן חיבור לסיבים multimode באותיות MMF, קיצור ל-Multi Mode Fiber. כבלים המכילים סיבים כאלו בדרך כלל יהיו מסומנים בצבע כתום, תכלת, ורוד, או ירוק, לפי הטבלה הבאה:
לעומת זאת, סיבי single mode, הם, כאמור, בעלי קוטר ליבה קטן יותר, ובדרך כלל יקרים יותר. סיבים אלו לרוב מסומנים באותיות SMF (Single Mode Fiber), ונהוג לסמן את הכבלים שלהם בצבע צהוב או אדום. הסוגים של סיבים אלו מוגדרים בתקנים ISO 11801 (OS1) ו-ISO 24702 (OS2). פירוש ראשי התיבות "OS" הוא "Optical Single-mode".
הגברה של עוצמת האות.
באופן מסורתי, מרחק השידור המקסימלי של מערכת תקשורת סיבים אופטיים היה מוגבל בשל ניחות ובשל עיוות אופטי, אולם על ידי שימוש במשחזרים (repeaters) אופטיים-אלקטרוניים, בעיות אלו נפתרו. המשחזרים ממירים את האות לאות חשמלי, ולאחר מכן משתמשים במשדר אופטי כדי לשלוח את האות שוב בעוצמה גבוהה מזו שהתקבלה. עם זאת, בגלל המורכבות הגבוהה עם אותות מודרניים שמרובבים בחלוקת אורך גל, כולל העובדה שהיה צריך להתקין אותם בערך אחת ל-20 ק"מ, העלות של משחזרים אלה גבוהה מאוד.
גישה חלופית למשחזרים אלקטרוניים היא להשתמש במגברים אופטיים המגבירים את האות האופטי ישירות מבלי להמיר את האות קודם לתחום החשמלי. סוג נפוץ אחד של מגבר אופטי נקרא Erbium-doped fiber amplifier, או EDFA. הגברות אלה מבוצעות על ידי אילוח קטע של סיב אופטי עם המינרל הנדיר ארביום ו"שאיבה" שלו בעזרת אור מלייזר עם אורך גל קצר יותר מאשר אות התקשורת (בדרך כלל 980 ננומטר).
למגברים אופטיים יש מספר יתרונות משמעותיים על פני משחזרים חשמליים. ראשית, מגבר אופטי יכול להגביר פס רחב מאוד בבת-אחת שיכול לכלול מאות ערוצים בודדים, מה שמבטל את הצורך בפענוח (demultiplex) של אותות DWDM בכל מגבר. שנית, מגברים אופטיים פועלים ללא תלות בקצב הנתונים ובפורמט האפנון, מה שמאפשר למספר קצבי נתונים ופורמטים של אפנון להתקיים במקביל ומאפשר שדרוג של קצב הנתונים של מערכת ללא צורך בהחלפת כל המשחזרים. שלישית, מגברים אופטיים הם הרבה יותר פשוטים ממשחזר עם אותן יכולות ולכן הם אמינים משמעותית. מגברים אופטיים החליפו במידה רבה את המשחזרים בהתקנות חדשות, אם כי מגברים אלקטרוניים עדיין נמצאים בשימוש נרחב כמשדרים להמרת אורך גל.