Optisk transmission
Optisk kommunikation använder en stråle av modulerat monokromatiskt ljus för att transportera information från sändare till mottagare. Ljusspektret sträcker sig över ett enormt intervall i det elektromagnetiska spektrumet och sträcker sig från området 10 terahertz (10 4 gigahertz) till 1 miljon terahertz (10 9gigahertz). Detta frekvensområde täcker väsentligen spektrumet från långt infrarött (0,3 mm våglängd) genom allt synligt ljus till nära ultraviolett (0,0003 mikrometer våglängd). Förökning vid så höga frekvenser är optiska våglängder naturligtvis lämpliga för höghastighets bredbands telekommunikation. Exempelvis ger amplitudmodulering av en optisk bärare med den nästan infraröda frekvensen 300 terahertz med så lite som 1 procent en transmissionsbandbredd som överstiger den högsta tillgängliga koaxialkabelbandbredden med en faktor 1 000 eller mer.
Praktiskt utnyttjande av optiska medier för höghastighets telekommunikation över stora avstånd kräver en stark ljusstråle som är nästan monokromatisk, dess kraft snävt koncentrerad kring en önskad optisk våglängd. En sådan bärare skulle inte ha varit möjlig utan uppfinningen av rubinlaser, som först demonstrerades 1960, vilket producerar intensivt ljus med mycket smal spektrallinjebredd genom processen för koherent stimulerad emission. Idag används halvledarinjektionslaser-dioder för optisk kommunikation med snabb hastighet och långväga.
Det finns två typer av optiska kanaler: den styrda kanalen med fritt utrymme, där ljus fritt sprider sig genom atmosfären, och den styrda optiska fiberkanalen, där ljuset sprider sig genom en optisk vågledare.
Friutrymme-kanalen
Förlustmekanismerna i en optisk kanal med fritt utrymme är praktiskt taget identiska med de i en siktlinje för mikrovågsradiokanaler. Signaler försämras av stråldivergens, atmosfärisk absorption och atmosfärisk spridning. Stråldivergens kan minimeras genom att kollimera (göra parallell) det överförda ljuset till en sammanhängande smal stråle genom att använda en laserljuskälla för en sändare. Atmosfäriska absorptionsförluster kan minimeras genom att välja transmissionsvåglängder som ligger i ett av lågförlustfönstren i det infraröda, synliga eller ultravioletta området. Atmosfären ställer höga absorptionsförluster som den optiska våglängden närmar resonansvåglängderna av gasformiga beståndsdelar såsom syre (O 2), vattenånga (H 2 O), koldioxid (CO 2), och ozon (O 3). På en klar dag kan dämpningen av synligt ljus vara en decibel per kilometer eller mindre, men betydande spridningsförluster kan orsakas av någon variation i atmosfäriska förhållanden, såsom dis, dimma, regn eller luftburen damm.
Den höga känsligheten för optiska signaler för atmosfäriska förhållanden har hindrat utvecklingen av optiska länkar med fritt utrymme för utomhusmiljöer. Ett enkelt och bekant exempel på en inomhus optisk sändare med fritt utrymme är den handhållna infraröda fjärrkontrollen för TV och högkvalitativa ljudsystem. Optiska system med fritt utrymme är också ganska vanliga vid mätning och fjärravkänningstillämpningar, såsom optisk räckviddsbestämning och hastighetsbestämning, industriell kvalitetskontroll och laser altimetraradar (känd som LIDAR).
Optiska fiberkanaler
I motsats till trådöverföring, i vilken en elektrisk ström flyter genom en kopparledare, i optisk fiberöverföring sprids ett elektromagnetiskt (optiskt) fält genom en fiber tillverkad av ett icke-ledande dielektrikum. På grund av sin höga bandbredd, låga dämpning, störningsimmunitet, låga kostnader och lätta vikt, blir optisk fiber det valda mediet för fasta, snabba digitala telekommunikationslänkar. Optiska fiberkablar ersätter kopparkabelkablar i både långa distansapplikationer, såsom matare- och bagageutrymmet för telefon- och kabel-tv-slingor, och kortdistansapplikationer, såsom lokala nätverk (LAN) för datorer och hemdistribution av telefon, tv- och datatjänster. Till exempel fungerar den vanliga Bellcore OC-48-optiska kabeln, som används för avkoppling av digitaliserade data-, röst- och videosignaler, med en överföringshastighet på upp till 2,4 gigabit (2,4 miljarder binära siffror) per sekund per fiber. Detta är en hastighet som är tillräcklig för att överföra texten i alla volymer på den tryckta Encyclopædia (2 gigabit binära data) på mindre än en sekund.
En kommunikationslänk av optisk fiber består av följande element: en elektrooptisk sändare, som omvandlar analog eller digital information till en modulerad ljusstråle; en lättbärande fiber, som sträcker sig överföringsvägen; och en optoelektronisk mottagare, som omvandlar detekterat ljus till en elektrisk ström. För långväga länkar (större än 30 km eller 20 miles) krävs vanligtvis regenererande repeatrar för att kompensera dämpningen av signaleffekten. Tidigare användes ofta hybridoptisk-elektroniska repeatrar; dessa innehöll en optoelektronisk mottagare, elektronisk signalbehandling och en elektrooptisk sändare för regenerering av signalen. Idag används erbium-dopade optiska förstärkare som effektiva alla optiska repeatrar.
Elektrooptiska sändare
Effektiviteten hos en elektrooptisk sändare bestäms av många faktorer, men de viktigaste är följande: spektral linje bredd, som är bredden på bärarspektrumet och är noll för en ideal monokromatisk ljuskälla; införingsförlust, som är mängden överförd energi som inte kopplas i fibern; sändarens livslängd; och maximal driftsbithastighet.
Två typer av elektrooptiska sändare används vanligtvis i optiska fiberlänkar - den ljusemitterande dioden (LED) och halvledarlasern. Lysdioden är en ljuskälla med bred linje som används för medelhastighetslänkar med kort varv, där spridning av ljusstrålen över avstånd inte är ett stort problem. Lysdioden är lägre i kostnaden och har en längre livslängd än halvledarlaser. Halvledarlaser kopplar emellertid sin ljusutgång till den optiska fibern mycket effektivare än lysdioden, vilket gör den mer lämplig för längre spann, och den har också en snabbare "stigning" -tid, vilket möjliggör högre dataöverföringshastigheter. Laserdioder finns tillgängliga som arbetar med våglängder i närheten av 0,85, 1,3 och 1,5 mikrometer och har spektrallinjebredder på mindre än 0,003 mikrometer. De kan överföra med över 10 gigabit per sekund. Lysdioder som kan arbeta över ett bredare intervall av bärvåglängder finns, men de har i allmänhet högre införingsförluster och linjebredder som överstiger 0,035 mikrometer.
Optoelektroniska mottagare
De två vanligaste typerna av optoelektroniska mottagare för optiska länkar är den positiv-inneboende-negativa (PIN) fotodioden och lavinfotodioden (APD). Dessa optiska mottagare extraherar basbandssignalen från en modulerad optisk bärarsignal genom att konvertera infallande optisk kraft till elektrisk ström. PIN-fotodioden har låg förstärkning men mycket snabbt svar; APD har hög förstärkning men långsammare respons.
