תקשורת מבוססת סיב אופטי

אופֶן (Single mode); הכבלים הכתומים והכחולים הם סיבי רב-אופֶן (Dual mode) - OM2 ו-OM3 בהתאמה]]
צוות של חברת Stealth Communications האמריקנית מתקין כבלי סיבים מתחת לרחובות [[מידטאון מנהטן, ניו יורק]]
תקשורת מבוססת סיב אופטי היא שיטה להעברת מידע ממקום אחד לאחר על ידי שליחת פולסים של אור אינפרא אדום<ref></ref> דרך סיב אופטי. האור שנשלח בסיב הוא למעשה צורה של גל נושא המכיל מידע באמצעות אפנון.<ref></ref> סיבים אופטיים מועדפים בדרך כלל על פני כבלים חשמליים כאשר נדרש רוחב פס גבוה, העברה למרחק רב או חסינות בפני הפרעות אלקטרומגנטיות.<ref></ref> סוג זה של תקשורת יכול לשדר קול, וידאו, ונתונים ברשתות מקומיות או למרחקים ארוכים.<ref></ref>

סיבים אופטיים משמשים חברות תקשורת רבות ברחבי העולם להעברת אותות טלפון, תקשורת אינטרנט ואותות טלוויזיה בכבלים. חוקרים במעבדות Bell השיגו אף שיא מהירות של כ-100 פטה-ביט לקילומטר בשנייה בעזרת סיבים אופטיים.<ref></ref>

== רקע ==
סיבים אופטיים פותחו לראשונה בשנות ה-70 וחוללו מהפכה בתעשיית הטלקומוניקציה העולמית. בגלל היתרונות שלהם על פני שידור חשמלי, סיבים אופטיים החליפו במידה רבה תקשורת בעזרת חוטי נחושת בעולם המפותח.<ref></ref>

באופן כללי, תקשורת באמצעות סיבים אופטיים כוללת את השלבים הבסיסיים הבאים:
# יצירת האות האופטי בעזרת משדר,<ref></ref> בדרך כלל כתוצאה מאות חשמלי
# העברת האות לאורך הסיב, מה שמבטיח שהאות לא יהפוך למעוות או חלש מדי
# קבלה של האות האופטי
# המרה של האות האופטי לאות חשמלי

== שימושים ==
סיבים אופטיים משמשים חברות תקשורת להעברת אותות טלפון, תקשורת אינטרנט ואותות טלוויזיה בכבלים. הם משמשים גם בתעשיות אחרות, כולל רפואה, ביטחון, ומסחר. בנוסף למטרות התקשורת, סיבים אופטיים משמשים גם כמדריכי אור עבור התקני דימות, לייזרים, סונאר, וכחיישנים למדידת לחץ וטמפרטורה.

בזכות תכונות כמו ניחות נמוך של האות ומיעוט הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), לסיבים אופטיים יש יתרונות על פני חוטי נחושת בהעברת מידע למרחקים ארוכים ברוחב פס גבוה. עם זאת, פיתוח תשתיות בתוך ערים הוא קשה יחסית ודורש זמן, ומערכות סיבים אופטיות עשויות להיות מורכבות ויקרות להתקנה ולתפעול. בשל קשיים אלו, מערכות תקשורת סיבים אופטיות מוקדמות הותקנו בעיקר ביישומים למרחקים ארוכים, שם ניתן להשתמש בהן במלוא יכולת השידור שלהן, תוך קיזוז העלות המוגברת.

המחירים של תקשורת סיבים אופטיים ירדו במידה ניכרת מאז שנת 2000.<ref></ref>

המחיר עבור פריסת סיבים לבתים הפך כיום לחסכוני יותר מזה של פריסת רשת מבוססת נחושת. המחירים ירדו ל-850 דולר למנוי בארצות הברית ונמוכים יותר במדינות כמו הולנד, שבהן עלויות החפירה נמוכות וצפיפות הדיור גבוהה.

מאז 1990, כאשר מערכות הגברה אופטית הפכו לזמינות מסחרית, תעשיית הטלקומוניקציה הקימה רשת עצומה של קווי תקשורת בין-עירוניים וסיבים תת-ימיים. לדוגמה, בשנת 2002 הושלמה רשת בין יבשתית של כבלי תקשורת תת-ימיים באורך של כ-250,000 ק"מ ובקיבולת של 2.56 Tb /s. דוחות השקעות בטלקומוניקציה מצביעים על כך שקיבולת הרשת גדלה באופן דרמטי מאז 2004.<ref></ref> נכון לשנת 2020, למעלה מ-5 מיליארד קילומטרים של כבל סיבים אופטיים נפרסו ברחבי העולם.<ref></ref>

== היסטוריה ==
בשנת 1880 אלכסנדר גרהם בל ועוזרו צ'ארלס סאמנר טיינטר יצרו גרסה מוקדמת של תקשורת באמצעות אור, הפוטופון, במעבדת וולטה שהוקמה באותם זמנים בוושינגטון די. סי. בל ראה את הפוטופון כהמצאה החשובה ביותר שלו. המכשיר איפשר העברת קול על גבי אלומת אור. ב-3 ביוני 1880, ביצע בל את שידור הטלפון האלחוטי הראשון בעולם בין שני בניינים, במרחק של כ-213 מטרים זה מזה.<ref>
 </ref><ref>
 also published as "Selenium and the Photophone" in Nature, September 1880.
</ref> בשל השימוש שלו בתווך אטמוספירי, הפוטופון לא יתברר כמעשי עד שההתקדמות בטכנולוגיות לייזר וסיבים אופטיים תאפשר העברה מאובטחת של אור. השימוש המעשי הראשון של הפוטופון הגיע במערכות תקשורת צבאיות עשורים רבים לאחר מכן.<ref></ref>

בשנת 1954 הפיזיקאים הרולד הופקינס ונרינדר סינג קאפאני הראו שסיבי זכוכית מגולגלים מאפשרים העברת אור.<ref></ref> כעשור לאחר מכן, בשנת 1963, Jun-ichi Nishizawa, מדען יפני מאוניברסיטת טוהוקו, הציע שימוש בסיבים אופטיים לתקשורת.<ref name="Bhat"></ref> נישיזאווה המציא את דיודת ה-PIN ואת טרנזיסטור האינדוקציה הסטטי (Static induction transistor), שניהם תרמו לפיתוח תקשורת סיבים אופטיים.<ref name="Sendai New"></ref><ref name="IEEE"></ref>

בשנת 1966 צ'ארלס ק. קאו וג'ורג' הוקהאם במעבדות הטלקומוניקציה הסטנדרטיות הראו שההפסדים (כלומר הניחות באות) של 1,000&nbsp;dB/km בזכוכית (לעומת 5–10&nbsp;dB/km בכבל קואקסיאלי) נבעו ממזהמים שניתן להסירם.

סיב אופטי עם ניחות נמוך מספיק למטרות תקשורת (כ-20&nbsp;dB /km) פותח בשנת 1970 על ידי חברת "קורינג" (Corning Glass Works). באותה שנה פותחו גם לייזרים מוליכים למחצה מסוג GaAs שהיו קומפקטיים ולכן מתאימים להעברת אור דרך כבלי סיבים אופטיים למרחקים ארוכים.

לאחר תקופת מחקר שהחלה ב-1975, פותחה מערכת הטלקומוניקציה המסחרית הראשונה בסיבים אופטיים שפעלה באורך גל בסביבות 0.8&nbsp;מיקרומטר והשתמשה בלייזרי מוליכים למחצה מסוג GaAs. מערכת הדור הראשון הזו פעלה בקצב סיביות של 45&nbsp;Mbit/s. ב-22 באפריל 1977, חברת "General Telephone and Electronics" שלחה את תעבורת הטלפון החיה הראשונה דרך סיבים אופטיים בקצב של כ-6&nbsp;Mbit/s בלונג ביץ', קליפורניה.

הדור השני של תקשורת סיבים אופטיים פותח לשימוש מסחרי בתחילת שנות ה-80, פעל באורכי גל של כ-1.3&nbsp;מיקרומטר והשתמש בלייזרי מוליכים למחצה מסוג InGaAsP (אינדיום גליום ארסניד). מערכות מוקדמות אלו הוגבלו בתחילה בשל היותם סיבי multimode, אולם בשנת 1981 התגלה כי הסיב החד-אופני (Single mode fiber) משפר מאוד את ביצועי המערכת. למרות זאת חיבורים מעשיים המסוגלים לעבוד עם סיבים כאלו התגלו כקשים לפיתוח. ספקית השירותים הקנדית SaskTel השלימה את בניית מה שהיה אז רשת הסיבים האופטיים המסחריים הארוכה בעולם, שכיסתה 3,268 ק"מ וקישרו 52 קהילות.<ref></ref> עד 1987, מערכות אלו פעלו בקצבי סיביות של עד 1.7 Gbit/s.

כבל הטלפון הטרנס-אטלנטי הראשון שעשה שימוש בסיבים אופטיים נקרא TAT-8, והיה מבוסס על טכנולוגיה של הגברת לייזר. הוא נכנס לפעולה בשנת 1988.

מערכות סיבים אופטיות מהדור השלישי פעלו באורכי גל של 1.55&nbsp;מיקרומטר והיו להן הפסדים של בערך 0.2&nbsp;dB/km. הן יכלו לפעול באופן מסחרי בקצב של כ-2.5 Gbit/s.

פריצת הדרך הבאה הייתה הדור הרביעי של מערכות תקשורת סיבים אופטיים, שהשתמשה בהגברה אופטית כדי לצמצם את הצורך במשחזרים (repeaters), ובריבוי חלוקת אורך גל (WDM) כדי להגדיל את קיבולת הנתונים. הצגת WDM הייתה ההתחלה של רשתות אופטיות, שכן WDM הפכה לטכנולוגיה המועדפת להרחבת רוחב פס סיבים אופטיים.<ref></ref> החברה הראשונה לשווק מערכת WDM צפופה הייתה Ciena Corp, ביוני 1996.<ref></ref> הכנסתם של מגברים אופטיים ו-WDM גרמה להכפלת קיבולת המערכת כל שישה חודשים משנת 1992 עד לקצב סיביות של 10 Tb/s שהושגה בשנת 2001. ב-2006 קצב סיביות של 14 Tb/s הושג בקו באורך של למעלה מ-160 ק"מ באמצעות מגברים אופטיים.<ref name="ntt14"></ref>

בשנת 2021, מדענים יפנים הצליחו אף לשדר בקצב של 319 טרה-ביט לשנייה לאורך 3,000 קילומטרים עם כבלי סיבים בקוטר כבל סטנדרטי.<ref></ref>

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&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 ===
מודול [[GBIC הוא מקלט משדר אופטי וחשמלי. המחבר החשמלי נמצא בצד ימין למעלה והמחברים האופטיים נמצאים בצד שמאל למטה]]
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.<ref></ref> 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 ===
גרר עם צינור שיכול לשאת סיבים אופטיים
אופֶן (multi-mode) בבור שירות תת-קרקעי]]
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.<ref></ref>

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 (<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:
{| class="wikitable"
|+השוואה של סוגי סיבים רבי-אופן (multimode)
!סוג/מאפיין
!MMF FDDI
!MMF OM1
!MMF OM2
!MMF OM3
!MMF OM4
!MMF OM5
|-
|אורך גל לדוגמה (ננומטר)
|850
|850
|850
|850
|850
|950 & 850
|-
|רוחב פס
(MHz * km)
|160
|200
|500
|1500
|3500
|3500 & 1850
|-
|שנה
|1987
|1989
|1998
|2003
|2008
|2016
|-
|קוטר ליבה/מעטפת (מיקרון)
|62.5/125
|62.5/125
|50/125
|50/125
|50/125
|50/125
|-
|צבע אופייני
|כתום
|כתום
|כתום
|תכלת
|ורוד
|ירוק
|}
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.

{| class="wikitable"
|+השוואה של סוגי סיבים חדי-אופן (single mode)
!סוג/מאפיין
!SMF OS1
!SMF OS2
|-
|אורך גל לדוגמה (ננומטר)
|1550/1300
|1550/1300
|-
|ניחות (dB/km)
|1
|0.4
|-
|קוטר ליבה/מעטפת (מיקרון)
|9/125
|9/125
|-
|שנה
|1998
|2000
|-
|צבע אופייני
|צהוב
|צהוב
|}

=== 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.

=== WDM ===

ריבוב בעזרת אורך גל (WDM) היא הטכניקה של העברת ערוצי מידע מרובים על גבי סיב אופטי בודד, על ידי שליחת אלומות אור מרובות באורכי גל שונים דרך הסיב, כאשר כל אחת מאופננת עם ערוץ מידע נפרד. טכניקה זו מאפשרת להכפיל את הקיבולת הזמינה של סיבים אופטיים. השימוש בטכניקה מצריך מרבב WDM בציוד המשדר ומפצל (למעשה ספקטרומטר) בציוד המקבל. מערכי הולכת גל (AWG) משמשים בדרך כלל לריבוי ופירוק ב-WDM. הצגת ה-WDM הייתה ההתחלה של תקשורת אופטית.<ref></ref>

באמצעות טכנולוגיית WDM הזמינה כעת באופן מסחרי, ניתן לחלק את רוחב הפס של סיב לעד 160 ערוצים<ref></ref> כדי לתמוך בקצב סיביות משולב בטווח של 1.6 Tbit/s.

== מאפיינים ==
=== מכפלת קצב שידור/מרחק ===
מכיוון שהשפעת הפיזור האופטי של האור גדלה ככל שהסיב ארוך יותר, מערכת תקשורת סיבים מאופיינת לרוב על ידי מכפלת רוחב הפס-מרחק שלה, המתבטאת בדרך כלל ביחידות של MHz ·km. ערך זה הוא מכפלה של רוחב-פס במרחק, מכיוון שישנה פשרה בין רוחב הפס של האות למרחק עליו ניתן לשאת אותו. לדוגמה, סיב multi-mode נפוץ עם מכפלת רוחב פס-מרחק של 500 MHz·km יכול לשאת אות בקצב 500 מגה-הרץ למרחק של 1 ק"מ או אות של 1000 מגה-הרץ למרחק של 0.5 ק"מ.

=== שיא מהירות ===
כל סיב יכול לשאת ערוצים עצמאיים רבים, כאשר כל ערוץ משתמש באורך גל שונה של אור (ריבוי חלוקת אורך גל - WDM). קצב הנתונים נטו (קצב נתונים ללא בתים של תקורה) עבור סיב הוא קצב הנתונים לכל ערוץ פחות קוד תיקון שגיאות (FEC), מוכפל במספר הערוצים (בדרך כלל עד שמונים במערכות WDM, נכון ל-2008).

==== כבלי סיבים סטנדרטיים ====
להלן השוואה של כבלי סיבים אופטיים סטנדרטיים חדי-אופן (single mode) מיצרנים שונים.
{| class="wikitable"
!שנה
! ארגון
! מהירות אפקטיבית
! מספר ערוצי WDM
! מהירות לכל ערוץ
! מרחק מקסימלי
|-
| 2009
| אלקטל-לוסנט<ref></ref>
| 15.5 Tbit/s
| 155
| 100 Gbit/s
| 7000 ק"מ
|-
| 2010
| NTT<ref></ref>
| 69.1 Tbit/s
| 432
| 171 Gbit/s
| 240 ק"מ
|-
| 2011
| NEC<ref name="auto"></ref>
| 101.7 Tbit/s
| 370
| 273 Gbit/s
| 165 ק"מ
|-
| 2011
| KIT<ref></ref><ref></ref>
| 26 Tbit/s
| 336
| 77 Gbit/s
| 50 ק"מ
|-
| 2016
| BT ו-Huawei<ref></ref>
| 5.6 Tbit/s
| 28
| 200 Gbit/s
| בערך 140 ק"מ ?
|-
| 2016
| מעבדות נוקיה בל, דויטשה טלקום וההאוניברסיטה הטכנית של מינכן<ref></ref>
| 1 Tbit/s
| 1
| 1 Tbit/s
|
|-
| 2016
| נוקיה-אלקטל-לוסנט<ref></ref>
| 65 Tbit/s
|
|
| 6600 ק"מ
|-
| 2017
| BT ו-Huawei<ref></ref>
| 11.2 Tbit/s
| 28
| 400 Gbit/s
| 250 ק"מ
|-
| 2020
| אוניברסיטאות RMIT, מונש וסווינבורן<ref></ref><ref></ref>
| 39.0 Tbit/s
| 160
| 244 Gbit/s
| 76.6 ק"מ
|-
| 2020
| UCL<ref></ref>
| 178.08 Tbit/s
| 660
| 25 Gbit/s
| 40 ק"מ
|}
הנתונים של דויטשה טלקום, נוקיה, והאוניברסיטה הטכנית של מינכן לשנת 2016 בולטים מכיוון שהם הנתונים הראשונים שמתקרבים לגבול התאורטי של שאנון.

=== פיזור של האור ===
בסיבים אופטיים מודרניים, מרחק השידור המרבי מוגבל לא על ידי בליעה של קרינה אלא על ידי מספר סוגים של פיזור - או ההתפשטות של הפולסים האופטיים בזמן שהם נעים לאורך הסיב. פיזור בסיבים אופטיים נגרם ממגוון גורמים:
* פיזור מודאלי (Intermodal dispersion, נקרא גם עיוות צורני), נגרם על ידי מהירויות שונות של אופני התנודה השונים, וכך מגביל את הביצועים של סיבי multimode. מכיוון שסיבי single mode תומכים רק באופן תנודה אחד, פיזור כזה מתבטל בהם.
* בסיבי single mode, ביצועי סיבים מוגבלים בעיקר על ידי פיזור כרומטי, המתרחש מפני שמקדם השבירה של הזכוכית משתנה מעט בהתאם לאורך הגל של האור, ולאור ממשדרים אופטיים אמיתיים יש בהכרח רוחב ספקטרלי שאינו אפס (בגלל האפנון).
* פיזור קיטובי (polarization mode disperstion), מקור נוסף להגבלה, מתרחש מכיוון שאף על פי שסיב single mode יכול לשאת רק אופן תנודה אחד, הוא יכול לשאת מצב זה עם שני קיטובים שונים, ופגמים או עיוותים קלים בסיב יכולים לשנות את מהירויות ההתפשטות של השניים. תופעה זו נקראת שבירה כפולה של סיבים וניתן לנטרל אותה על ידי סיב אופטי השומר על קיטוב.

פיזור מגביל את רוחב הפס של הסיב מכיוון שהפולס האופטי המתפשט מגביל את קצב הפולסים השונים שיכולים לעקוב זה אחר זה על ועדיין ניתן יהיה להפריד בניהם במקלט.

=== איבוד בעוצמת האות ===
תופעת הניחות (attenuation) בעוצמת האות לאורך המרחק המשודר, המחייבת שימוש במערכות הגברה, נגרמת ממספר סיבות.

בדרך כלל מדובר על שילוב של:
* בליעת קרינה על ידי החומר. אף על פי ששיעור הספיגה עבור סיליקה טהורה (ממנה סיבים עשויים) הוא רק סביב 0.03 dB/km (לסיבים מודרניים יש ניחות בסביבות 0.3&nbsp;dB/km), זיהומים בסיבים האופטיים המקוריים גרמו לניחות של כ-1000 dB/km.
* פיזור ריילי של האור העובר בסיב
* פיזור מיי של האור העובר בסיב
* הפסדי חיבור כלליים

צורות אחרות של ניחות נגרמות על ידי לחצים פיזיים על הסיבים, תנודות מיקרוסקופיות בצפיפות ושחבורים (פעולת חיבור של שני סיבים אופטיים) שבוצעו בצורה לא מושלמת.<ref></ref>

=== תחומי אורכי גל לשידור ===
כל אפקט שתורם לתופעות הניחות והפיזור של הגל (ראו למעלה), תלוי באורך של הגל האופטי. ישנם אורכי גל שבהם ההשפעות הללו הן החלשות ביותר ("חלונות"), ואלה הן הטובות ביותר לשידור. חלונות אלה עברו סטנדרטיזציה, והרצועות המוגדרות כעת הן הבאות:<ref></ref>
{| class="wikitable"
!תחום התדרים
! תיאור
! טווח אורכי גל
|-
! O band
| מקורי
| 1260 עד 1360 נ"מ
|-
! E band
| מורחב
| 1360 עד 1460 נ"מ
|-
! S band
| אורכי גל קצרים
| 1460 עד 1530 נ"מ
|-
! C band
| קונבנציונלי
| 1530 עד 1565 נ"מ
|-
! L band
| אורכי גל ארוכים
| 1565 עד 1625 נ"מ
|-
! U band
| אורכי גל ארוכים במיוחד
| 1625 עד 1675 נ"מ
|}
מבחינה היסטורית, הייתה גם רצועה בשימוש מתחת ל-O band, שנקראה "החלון הראשון", באורכי גל של 800–900 ננומטר; עם זאת, ההפסדים די גבוהים באזור זה ולכן התחום משמש כיום בעיקר לתקשורת למרחקים קצרים.

לעומת החלון הראשון המקורי, לתחומים התחתונים הנוכחיים (O ו-E) באורכים של כ-1300 ננומטר ישנם הפסדים נמוכים בהרבה. באזורים אלו יש גם אפס פיזור.

החלונות האמצעיים (S ו-C) באורכים של כ-1500 ננומטר הם הנפוצים ביותר. באזורים אלה יש הפסדי ניחות נמוכים ביותר והם משיגים את טווח השידור הארוך ביותר. למרות זאת יש בהם פיזור מסוים, ולכן משתמשים בהתקני פיצוי פיזור כדי להסיר זאת.

=== שחזור של האות ===
כאשר רוצים להעביר אות למרחק גדול יותר ממה שמסוגלת להעביר טכנולוגיית סיבים אופטיים קיימת, האות חייב להיות משוחזר בנקודות ביניים בקישור על ידי מגבר אופטי. מגברים כאלו מוסיפים עלות משמעותית למערכת תקשורת, ולכן מתכנני מערכות מנסים למזער את השימוש בהם.

התפתחויות אחרונות בטכנולוגיית התקשורת האופטית הפחיתו את תופעת ניחות האות במידה רבה כל כך, עד כי הגברה של האות האופטי נדרשת רק על פני מרחקים של מאות קילומטרים. עובדה זו הפחיתה במידה ניכרת את העלות של רשת אופטית, במיוחד על פני טווחים תת-ימיים, שבהם העלות והאמינות של משחזרים הם אחד מגורמי המפתח הקובעים את הביצועים של מערכת הכבלים כולה.

הטכנולוגיות העיקריות שתרמו לשיפורי הביצועים הללו הן טכניקות של ניהול פיזור, השואפות לאזן את השפעות הפיזור מול אי-ליניאריות, וסוליטונים, המשתמשים באפקטים לא-ליניאריים בסיבים כדי לאפשר התפשטות ללא פיזור למרחקים ארוכים.

=== סיב אופטי עד לבית הצרכן ===

אף על פי שמערכות סיבים אופטיות מצטיינות ביישומים ברוחב פס גבוה ויש להן שימוש רב ברשתות של ספקיות תקשורת, תהליך ההגעה שלהן עד לבית הצרכן (the "last mile") היה איטי לאורך השנים. עם זאת, פריסות של FTTH (Fiber To The Home) גדלה משמעותית בעשור האחרון והיא צפויה לשרת עוד מיליוני מנויים בעתיד הקרוב. ביפן, למשל, מערכת EPON החליפה במידה רבה את DSL כמקור אינטרנט בפס רחב. חברת KT מדרום קוריאה מספקת גם שירות בשם FTTH, המספק חיבורי סיבים אופטיים לבית המנוי. פריסות ה-FTTH הגדולות ביותר הן ביפן, דרום קוריאה וסין. סינגפור גם החלה ליישם את רשת ה-Next Generation National Broadband Broadband Network (Next Gen NBN) הבנויה מסיבים אופטיים בלבד. מאז שהחלו להשיק שירותים בספטמבר 2010, כיסוי הרשת בסינגפור הגיע ל-85% בפריסה ארצית.

בישראל, מוצעים שירותי FTTH על ידי מספר חברות, ביניהן:
* Bfiber של בזק
* HOT fiber של חברת HOT
* Unlimited של חברת IBC
* סלקום פייבר של חברת סלקום
* פרייבט פייבר של חברת פרטנר תקשורת

בארצות הברית, Verizon מספקת שירות FTTH בשם FiOS עבור שווקים בעלי פוטנציאל הכנסות גבוה למשתמש. AT&T, לעומת זאת, משתמשת בשירות FTTN (Fiber To The Node) שנקרא U-verse עם כבלי זוג שזור עד לבית.

טכנולוגיית רשת הגישה הדומיננטית בעולם היא EPON (Ethernet Passive Optical Network).

== השוואה לתמסורת חשמלית ==
מעבדת חיבור סיבים אופטיים ניידת המשמשת לגישה ולחיבור של כבלים תת-קרקעיים
מכשיר שחבור סיבים תת-קרקעיים של חברת Fujikura בעת פעולה
הבחירה בין סיבים אופטיים לתמסורת חשמלית (או נחושת) עבור מערכת מסוימת נעשית על סמך מספר פשרות. סיבים אופטיים נבחרים בדרך כלל בשביל מערכות הדורשות רוחב פס גבוה יותר או העברה למרחקים ארוכים יותר ממה שהכבלים החשמליים יכולים לשאת.

היתרונות העיקריים של סיבים הם האובדן הנמוך במיוחד שלהם (המאפשר מרחקים ארוכים בין מגברים), היעדר זרמים קרקעיים ובעיות אלקטרומגנטיות אחרות הנפוצות אצל מוליכים חשמליים מקבילים ארוכים, ויכולת נשיאת הנתונים הגבוהה מטבעה. אלפי קישורים חשמליים יידרשו כדי להחליף כבל סיב יחיד ברוחב פס גבוה. יתרון נוסף של סיבים הוא שגם כאשר הם פועלים זה לצד זה למרחקים ארוכים, כבלי סיבים אינם מפריעים אחד לשני (crosstalking), בניגוד לסוגים מסוימים של קווי תמסורת חשמליים. ניתן להתקין סיבים באזורים עם הפרעות אלקטרומגנטיות גבוהות (EMI), כמו לצד קווי שירות, קווי חשמל ופסי רכבת. כבלים לא-מתכתיים דיאלקטריים לגמרי הם גם אידיאליים בשביל אזורים עם שכיחות גבוהה של פגיעת ברק.

לשם השוואה, בעוד שמערכות נחושת בעלות קו יחיד, ארוכות יותר מכמה קילומטרים, דורשות משחזים כדי להשיג ביצועים משביעי רצון, אין זה יוצא דופן שמערכות אופטיות עוברות יותר מ-100 קילומטרים ללא עיבוד אקטיבי או פסיבי כלל. מה גם שכבלי סיבים single mode בדרך כלל זמינים באורך 12 ק"מ, מה שממזער את מספר החבורים הנדרשים לאורך הכבל. סיבי multi-mode זמינים באורכים של עד 4 ק"מ (אף על פי שתקנים תעשייתיים מחייבים רק 2 ק"מ).

לעומת זאת, ביישומים למרחקים קצרים ורוחב פס נמוך יחסית, תמסורת חשמלית מועדפת לרוב בגלל:
* עלות חומר נמוכה יותר, כאשר אין צורך בכמויות גדולות
* עלות נמוכה יותר של משדרים ומקלטים
* יכולת לשאת הספק חשמלי בנוסף לאותות (בכבלים שתוכננו כראוי)
* קלות הפעלת מתמרים במצב ליניארי

סיבים אופטיים קשים ויקרים יותר לחיבור מאשר מוליכים חשמליים. נוסף לכך, בהספקים גבוהים יותר, סיבים אופטיים רגישים להיתוך סיבים (fiber fuze), תופעה היוצרת הרס קטסטרופלי של ליבת הסיבים ונזק לרכיבי השידור.<ref></ref>

בגלל היתרונות הללו של שידור חשמלי, תקשורת אופטית אינה נפוצה ביישומים למרחקים קצרים ("קופסה לקופסה" או שבב-לשבב); עם זאת, מערכות אופטיות בקנה מידה זה הוכחו במעבדה.

במצבים מסוימים אפשר להשתמש בסיבים אפילו ליישומי מרחק קצר או ברוחב פס נמוך, בזכות תכונות חשובות אחרות:
* חסינות בפני הפרעות אלקטרומגנטיות, כולל פולסים אלקטרומגנטיים גרעיניים.
* התנגדות חשמלית גבוהה, מה שהופך אותם בטוחים לשימוש ליד ציוד מתח גבוה או בין אזורים עם פוטנציאל אדמה שונה.
* משקל קל יותר - חשוב, למשל, במטוסים.
* ללא ניצוצות - חשוב בסביבות גז דליקות או נפיץ.<ref></ref>
* ללא קרינה אלקטרומגנטית, וקשה להאזנה מבלי לגרום לשיבוש האות - חשוב בסביבות אבטחה גבוהות.
* גודל כבל קטן בהרבה
* עמידות בפני קורוזיה כתוצאה מאמצעי שידור לא מתכתי

אפשר להתקין כבלי סיבים אופטיים בבניינים בעזרת אותו ציוד המשמש להתקנת כבלי נחושת וכבלים קואקסיאליים, עם שינויים מסוימים (בשל הגודל הקטן, מתח המשיכה ורדיוס העיקול המוגבלים של כבלים אופטיים). כבלים אופטיים יכולים להיות מותקנים בדרך כלל בתעלות באורכים של 6,000 מטר או יותר בהתאם למצב התעלה, פריסת מערכת התעלות וטכניקת ההתקנה. ניתן גם לסלסל כבלים ארוכים יותר בנקודת ביניים ולמשוך אותם רחוק יותר לתוך מערכת התעלות לפי הצורך.

== תקנים ==
על מנת שיצרנים שונים יוכלו לפתח רכיבים המתפקדים באופן זהה במערכות תקשורת סיבים אופטיים, פותחו מספר תקנים. איגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי מפרסם מספר תקנים הקשורים למאפיינים ולביצועים של סיבים עצמם, כולל:
* ITU-T G.651, "מאפיינים של כבלי סיבים multi-mode בקוטר 50/125 מיקרומטר"
* ITU-T G.652, "מאפיינים של כבל סיב אופטי single mode"

תקנים אחרים מציינים קריטריונים לביצועים עבור סיבים, משדרים ומקלטים שישמשו יחד במערכות תואמות. חלק מהסטנדרטים הללו הם:
* 100 Gigabit Ethernet
* 10 Gigabit Ethernet
* Fibre Channel
* Gigabit Ethernet
* HIPPI
* SDH
* SONET
* Optical Transport Network (OTN)

== ראו גם ==
* FTTx
*סיב אופטי
* תורת האינפורמציה
* כבל תקשורת תת-ימי
* WDM

== קישורים חיצוניים ==

* [http://electronics.howstuffworks.com/fiber-optic.htm איך סיבים אופטיים עובדים (Howstuffworks.com)]
* [https://web.archive.org/web/20070206122449/http://www.beyonddiscovery.org/content/view.article.asp?a=438 מהפכת הלייזר והסיבים האופטיים]
* [https://sites.google.com/site/fiberopticsuncovered/ סיבים אופטיים - תקשורת אינטרנט, כבלים וטלפון]
* [http://www.vpiphotonics.com/Applications/TransmissionSystems/HSHC_DRA.php#app הדמיית מערכות שידור אופטיות מבוססות סיבים]

== הערות שוליים ==

קטגוריה:פוטוניקה
קטגוריה:שיטות טלקומוניקציה
קטגוריה:סיבים אופטיים