Transmisja optyczna
Komunikacja optyczna wykorzystuje wiązkę modulowanego światła monochromatycznego do przenoszenia informacji z nadajnika do odbiornika. Widmo światła obejmuje ogromną zakres w widmie elektromagnetycznym, rozciągające się od obszaru 10 teraherców (10 4 GHz) do 1 miliona teraherców (10 9gigaherc). Ten zakres częstotliwości zasadniczo obejmuje widmo od dalekiej podczerwieni (długość fali 0,3 mm) przez całe światło widzialne do bliskiego ultrafioletu (długość fali 0,0003 mikrometra). Propagowane przy tak wysokich częstotliwościach długości fal optycznych są naturalnie odpowiednie dla szerokopasmowej telekomunikacji o wysokiej prędkości. Na przykład modulacja amplitudy nośnika optycznego przy częstotliwości bliskiej podczerwieni wynoszącej 300 teraherców o zaledwie 1 procent daje szerokość pasma transmisji, która przekracza najwyższą dostępną szerokość pasma kabla koncentrycznego o współczynnik 1000 lub więcej.
Praktyczne wykorzystanie mediów optycznych do szybkiej telekomunikacji na duże odległości wymaga silnej wiązki światła, która jest prawie monochromatyczna, a jej moc jest ściśle skoncentrowana wokół pożądanej długości fali optycznej. Taki nośnik nie byłby możliwy bez wynalezienia lasera rubinowego, po raz pierwszy zademonstrowanego w 1960 r., Który wytwarza intensywne światło o bardzo wąskiej linii widmowej dzięki procesowi koherentnej stymulacji emisji. Obecnie półprzewodnikowe diody laserowe wstrzykujące są używane do szybkiej i dalekosiężnej komunikacji optycznej.
Istnieją dwa rodzaje kanałów optycznych: niekierowany kanał w wolnej przestrzeni, w którym światło swobodnie rozchodzi się w atmosferze, oraz kanał z przewodem światłowodowym, w którym światło rozchodzi się przez falowód optyczny.
Kanał wolnej przestrzeni
Mechanizmy strat w kanale optycznym w wolnej przestrzeni są praktycznie identyczne z mechanizmami w mikrofalowym kanale radiowym w linii wzroku. Sygnały są degradowane przez rozbieżność wiązki, pochłanianie atmosferyczne i rozpraszanie atmosferyczne. Rozbieżność wiązki można zminimalizować poprzez kolimację (równoległe) transmitowanego światła w spójną wąską wiązkę za pomocą laserowego źródła światła dla nadajnika. Straty absorpcji w atmosferze można zminimalizować, wybierając długości fal transmisyjnych, które znajdują się w jednym z „okien” o niskich stratach w obszarze podczerwieni, widzialnym lub ultrafioletowym. Atmosfera narzuca wysokie straty absorpcji, gdy długość fali optycznej zbliża się do długości fali rezonansowej składników gazowych, takich jak tlen (O 2), para wodna (H 2 O), dwutlenek węgla (CO 2) i ozon (O 3). W pogodny dzień tłumienie światła widzialnego może wynosić jeden decybel na kilometr lub mniej, ale znaczne straty rozproszenia mogą być spowodowane dowolną zmiennością warunków atmosferycznych, takich jak mgła, mgła, deszcz lub unoszący się w powietrzu pył.
Wysoka wrażliwość sygnałów optycznych na warunki atmosferyczne utrudniła rozwój połączeń optycznych w wolnej przestrzeni dla środowisk zewnętrznych. Prostym i znanym przykładem wewnętrznego nadajnika optycznego w wolnej przestrzeni jest ręczny pilot na podczerwień do telewizora i systemów audio o wysokiej wierności. Układy optyczne w wolnej przestrzeni są również dość powszechne w aplikacjach pomiarowych i teledetekcji, takich jak optyczny pomiar zasięgu i określanie prędkości, przemysłowa kontrola jakości oraz laserowy radar altimetrii (znany jako LIDAR).
Kanały światłowodowe
W przeciwieństwie do transmisji przewodowej, w której prąd elektryczny przepływa przez przewodnik miedziany, w transmisji światłowodowej pole elektromagnetyczne (optyczne) rozchodzi się przez włókno wykonane z nieprzewodzącego dielektryka. Ze względu na wysoką przepustowość, niskie tłumienie, odporność na zakłócenia, niski koszt i niewielką wagę, światłowód staje się środkiem wybieranym przez stałe, szybkie łącza cyfrowe. Kable światłowodowe zastępują kable miedziane w zastosowaniach zarówno na duże odległości, takich jak części zasilające i tułowia pętli telefonicznych i telewizji kablowej, jak i w zastosowaniach na krótkich odległościach, takich jak sieci lokalne (LAN) dla komputerów i domowa dystrybucja telefonu, telewizja i usługi danych. Na przykład standardowy kabel optyczny OC-48 firmy Bellcore, używany do trunkingu cyfrowych danych, głosu i sygnałów wideo, działa z prędkością transmisji do 2,4 gigabita (2,4 miliarda cyfr binarnych) na sekundę na włókno. Jest to szybkość wystarczająca do przesłania tekstu we wszystkich tomach drukowanej Encyklopedii (2 gigabity danych binarnych) w czasie krótszym niż jedna sekunda.
Łącze światłowodowe składa się z następujących elementów: nadajnik elektrooptyczny, który przekształca informację analogową lub cyfrową w modulowaną wiązkę światła; światłowód przenoszący ścieżkę transmisyjną; oraz odbiornik optoelektroniczny, który przekształca wykryte światło w prąd elektryczny. W przypadku połączeń długodystansowych (powyżej 30 km lub 20 mil) regeneratory regeneracyjne są zwykle wymagane w celu zrównoważenia tłumienia mocy sygnału. W przeszłości powszechnie stosowano hybrydowe wzmacniacze optyczno-elektroniczne; były one wyposażone w odbiornik optoelektroniczny, elektroniczne przetwarzanie sygnału i nadajnik elektrooptyczny do regeneracji sygnału. Obecnie wzmacniacze optyczne domieszkowane erbem są stosowane jako wydajne wzmacniacze optyczne.
Nadajniki elektrooptyczne
Wydajność nadajnika elektrooptycznego zależy od wielu czynników, ale najważniejsze z nich to: szerokość linii widmowej, która jest szerokością widma nośnego i wynosi zero dla idealnego monochromatycznego źródła światła; utrata wtrąceniowa, która jest ilością przekazywanej energii, która nie sprzęga się z włóknem; czas życia nadajnika; i maksymalna operacyjna przepływność.
W łączach światłowodowych powszechnie stosuje się dwa rodzaje przekaźników elektrooptycznych - diodę elektroluminescencyjną (LED) i laser półprzewodnikowy. Dioda LED to źródło światła o szerokiej linii, które jest stosowane w łączach o średniej prędkości i krótkiej rozpiętości, w których rozproszenie wiązki światła na odległość nie stanowi poważnego problemu. Dioda LED jest tańsza i ma dłuższą żywotność niż laser półprzewodnikowy. Jednak laser półprzewodnikowy sprzęga swoją moc świetlną z włóknem optycznym znacznie wydajniej niż dioda LED, dzięki czemu jest bardziej odpowiedni do dłuższych rozpiętości, a także ma szybszy czas „wzrostu”, co pozwala na wyższe prędkości transmisji danych. Dostępne są diody laserowe, które działają przy długościach fali w pobliżu 0,85, 1,3 i 1,5 mikrometra i mają szerokość linii widmowej mniejszą niż 0,003 mikrometra. Są w stanie przesyłać z prędkością ponad 10 gigabitów na sekundę. Istnieją diody LED zdolne do działania w szerszym zakresie długości fali nośnej, ale generalnie mają wyższe straty wtrąceniowe i szerokości linii przekraczające 0,035 mikrometra.
Odbiorniki optoelektroniczne
Dwa najczęstsze rodzaje odbiorników optoelektronicznych dla łączy optycznych to fotodioda dodatnio-wewnętrznie ujemna (PIN) i fotodioda lawinowa (APD). Te odbiorniki optyczne pobierają sygnał pasma podstawowego z modulowanego optycznego sygnału nośnego, przekształcając padającą moc optyczną w prąd elektryczny. Fotodioda PIN ma niskie wzmocnienie, ale bardzo szybką odpowiedź; APD ma wysokie wzmocnienie, ale wolniejszą odpowiedź.
