Optisk overføring
Optisk kommunikasjon bruker en stråle av modulert monokromatisk lys for å frakte informasjon fra sender til mottaker. Lysspekteret spenner over et enormt spekter i det elektromagnetiske spekteret, og strekker seg fra området 10 terahertz (10 4 gigahertz) til 1 million terahertz (10 9gigahertz). Dette frekvensområdet dekker i hovedsak spekteret fra langt infrarød (0,3 mm bølgelengde) gjennom alt synlig lys til nær ultrafiolett (0,0003 mikrometer bølgelengde). Formerende ved så høye frekvenser er optiske bølgelengder naturlig egnet for bredbåndstelekommunikasjon. For eksempel gir amplitudemodulering av en optisk bærer ved den nærinfrarøde frekvensen på 300 terahertz med så lite som 1 prosent en transmisjonsbåndbredde som overskrider den høyest tilgjengelige koaksialkabelbåndbredden med en faktor på 1000 eller mer.
Praktisk utnyttelse av optiske medier for høyhastighets telekommunikasjon over store avstander krever en sterk lysstråle som er nesten monokromatisk, og dens kraft smalt konsentrert rundt en ønsket optisk bølgelengde. En slik bærer ville ikke vært mulig uten oppfinnelsen av rubinelaseren, først demonstrert i 1960, som produserer intenst lys med veldig smal spektralinjebredde ved prosessen med koherent stimulert utslipp. I dag brukes halvlederinjeksjonslaserdioder for optisk kommunikasjon med høy hastighet.
Det finnes to typer optiske kanaler: den ledede friromskanalen, der lys fritt forplanter seg gjennom atmosfæren, og den guidede optiske fiberkanalen, der lys forplanter seg gjennom en optisk bølgeleder.
Gratis-kanal
Tapsmekanismene i en optisk kanal som er ledig plass er praktisk talt identiske med de i en mikrobølgeradiokanal med sikte. Signaler blir degradert av stråledivergens, atmosfærisk absorpsjon og atmosfærisk spredning. Stråleavvik kan minimeres ved å kollimere (parallellføre) det overførte lyset til en sammenhengende smal stråle ved å bruke en laserlyskilde for en sender. Atmosfæriske absorpsjonstap kan minimeres ved å velge transmisjonsbølgelengder som ligger i et av de lavt tapte "vinduene" i det infrarøde, synlige eller ultrafiolette området. Atmosfæren stiller høye absorpsjonstap som den optiske bølgelengde nærmer seg resonansbølgelengder av gassformede bestanddeler, såsom oksygen (O 2), vanndamp (H 2 O), karbondioksyd (CO 2), og ozon (O 3). På en klar dag kan dempningen av synlig lys være en desibel per kilometer eller mindre, men betydelige spredningstap kan være forårsaket av en hvilken som helst variasjon i atmosfæriske forhold, for eksempel dis, tåke, regn eller luftbåret støv.
Den høye følsomheten til optiske signaler for atmosfæriske forhold har hindret utviklingen av frirom-optiske koblinger for utemiljøer. Et enkelt og kjent eksempel på en innendørs frirom optisk sender er den håndholdte infrarøde fjernkontrollen for TV og høykvalitets lydsystemer. Optiske systemer med frirom er også ganske vanlig når det gjelder måling og fjernmåling, for eksempel optisk rekkevidde og hastighetsbestemmelse, industriell kvalitetskontroll og laser altimetri radar (kjent som LIDAR).
Optiske fiberkanaler
I motsetning til trådoverføring, der en elektrisk strøm strømmer gjennom en kobberleder, i optisk fiberoverføring forplanter et elektromagnetisk (optisk) felt seg gjennom en fiber laget av et ikke-ledende dielektrikum. På grunn av den høye båndbredden, lave dempningen, forstyrrelsesimmuniteten, lave kostnadene og den lette vekten, blir optisk fiber det valgte mediet for faste, høye hastighets digitale telekommunikasjonsforbindelser. Optiske fiberkabler erstatter kobbertrådkabler i både langdistanseprogrammer, for eksempel mater- og bagasjeromsdeler av telefon- og kabel-tv-løkker, og kortdistanseprogrammer, som lokalnettverk (LAN) for datamaskiner og hjemmefordeling av telefon, TV og datatjenester. For eksempel fungerer den standardoptiske Bellcore OC-48-kabelen, brukt for trunking av digitaliserte data-, tale- og videosignaler, med en overføringshastighet på opptil 2,4 gigabits (2,4 milliarder binære sifre) per sekund per fiber. Dette er en hastighet som er tilstrekkelig til å overføre teksten i alle bindene til den trykte Encyclopædia (2 gigabit binære data) på mindre enn ett sekund.
En kommunikasjonslink for optisk fiber består av følgende elementer: en elektrooptisk sender, som konverterer analog eller digital informasjon til en modulert lysstråle; en lettbærende fiber, som spenner over transmisjonsveien; og en optoelektronisk mottaker, som konverterer detektert lys til en elektrisk strøm. For langdistanseforbindelser (større enn 30 km eller 20 miles) er det vanligvis nødvendig med regenerative repeatere for å oppveie dempningen av signalkraften. Tidligere ble det ofte brukt hybride optisk-elektroniske repeatere; disse inneholdt en optoelektronisk mottaker, elektronisk signalbehandling og en elektro-optisk sender for regenerering av signalet. I dag benyttes erbium-dopede optiske forsterkere som effektive altoptiske repeatere.
Elektrooptiske sendere
Effektiviteten til en elektrooptisk sender bestemmes av mange faktorer, men de viktigste er følgende: spektral linjebredde, som er bredden på bærerspektret og er null for en ideell monokromatisk lyskilde; innsettingstap, som er mengden overført energi som ikke kobles sammen i fiberen; senders levetid; og maksimal driftsbithastighet.
To typer elektrooptiske sendere brukes ofte i optiske fiberkoblinger - den lysemitterende dioden (LED) og halvlederlaseren. Lysdioden er en lyskilde med bred linje som brukes til mellomhastighets koblinger med kort spenn, der spredning av lysstrålen over avstand ikke er et stort problem. Lysdioden har lavere kostnader og har lengre levetid enn halvlederlaseren. Imidlertid kobler halvlederlaseren lysutbyttet til den optiske fiberen mye mer effektivt enn lysdioden, noe som gjør den mer egnet for lengre spenn, og den har også en raskere "stigning" -tid, noe som gir høyere dataoverføringshastigheter. Laserdioder er tilgjengelige som fungerer med bølgelengder i nærheten av 0,85, 1,3 og 1,5 mikrometer og har spektrale linjebredder på mindre enn 0,003 mikrometer. De er i stand til å overføre med over 10 gigabit per sekund. Det finnes LED-er som kan fungere over et bredere spekter av bølgelengder, men de har generelt høyere innsettingstap og linjebredder som overstiger 0,035 mikrometer.
Optoelektroniske mottakere
De to vanligste typene optoelektroniske mottakere for optiske koblinger er den positive-intrinsiske-negative (PIN) fotodioden og skredfotodioden (APD). Disse optiske mottakerne trekker ut basisbåndssignalet fra et modulert optisk bæresignal ved å konvertere tilfeldig optisk kraft til elektrisk strøm. PIN-fotodioden har lav forsterkning, men veldig rask respons; APD har høy forsterkning, men tregere respons.
