Optikai átvitel
Az optikai kommunikáció modulált monokromatikus fénynyalábot alkalmaz az információ továbbításához az adóról a vevőre. A fény spektruma átfogja óriási tartományban az elektromágneses spektrum, kiterjesztve a régióban 10 terahertzben (10 4 gigahertz) 1 millió terahertzben (10 9gigahertz). Ez a frekvenciatartomány alapvetõen lefedi a spektrumot a távoli infravörös (0,3 mm hullámhossz) az összes látható fényen át a közel ultraibolya (0,0003 mikrométer hullámhossz) tartományig. Ilyen magas frekvencián terjedő optikai hullámhosszok természetesen alkalmasak nagy sebességű szélessávú távközléshez. Például egy optikai hordozó amplitúdómodulálása 300 terahertz közeli infravörös frekvencián, mindössze 1 százalékkal olyan átviteli sávszélességet eredményez, amely meghaladja a rendelkezésre álló legmagasabb koaxiális kábel sávszélességet legalább 1000-es tényezővel.
Az optikai adathordozók nagy távolságra történő nagy sebességű telekommunikációhoz történő gyakorlati kiaknázásához olyan erős fénysugár szükséges, amely szinte monokromatikus, teljesítménye szűken koncentrálódik a kívánt optikai hullámhossz körül. Ilyen hordozó nem lett volna lehetséges anélkül, hogy találmányunkba került volna a rubin lézer, amelyet 1960-ban mutattak be. Ez intenzív fényt hoz létre nagyon keskeny spektrális vonalszélességgel koherens stimulált emisszióval. Manapság a félvezető injektáló lézer diódákat használják nagy sebességű, nagy távolságú optikai kommunikációhoz.
Kétféle optikai csatorna létezik: a nem vezetett szabad tér csatorna, ahol a fény szabadon terjed a légkörben, és az irányított optikai szálas csatorna, ahol a fény egy optikai hullámvezetéken terjed.
A szabad tér csatorna
A veszteségmechanizmusok egy szabad térbeli optikai csatornán gyakorlatilag megegyeznek a látóvonalú mikrohullámú rádiócsatorna mechanizmusaival. A jeleket a sugár-divergencia, a légköri abszorpció és a légköri szóródás rontja le. A sugár divergenciáját minimálisra lehet csökkenteni azáltal, hogy az átadott fényt koherens keskeny fénysugárré alakítják (párhuzamossá teszik) egy adó lézerfényének felhasználásával. A légköri abszorpciós veszteségeket minimalizálhatjuk olyan átviteli hullámhossz kiválasztásával, amely az infravörös, látható vagy ultraibolya régió egyik kis veszteségű ablaka egyikében található. A légkör nagy abszorpciós veszteségeket okoz, amikor az optikai hullámhossz megközelíti a gáznemű alkotóelemek, például az oxigén (O 2), a vízgőz (H 2 O), a szén-dioxid (CO 2) és az ózon (O 3) rezonancia hullámhosszait. Tiszta napon a látható fény csillapítása kilométerenként legfeljebb egy decibel lehet, de a szétszóródási veszteségeket a légköri körülmények bármilyen változása, például köd, köd, eső vagy a levegőben található por okozhatja.
Az optikai jeleknek a légköri viszonyokhoz való nagy érzékenysége akadályozta a szabad térbeli optikai összeköttetések kialakítását kültéri környezetben. A beltéri szabad helyű optikai adó egyszerű és ismerős példája a kézi infravörös távirányító a televízió és a nagy hűségű audio rendszerek számára. A szabad térbeli optikai rendszerek szintén nagyon gyakoriak mérési és távoli érzékelési alkalmazásokban, például optikai távolságmérés és sebesség meghatározás, ipari minőség-ellenőrzés és lézeres magasságmérő radar (LIDAR néven ismert).
Optikai szálak csatornái
A vezetékes továbbítással ellentétben, amelyben egy elektromos áram egy rézvezetéken áramlik, az optikai szálátvitel során az elektromágneses (optikai) mező terjed egy nem vezető dielektrikumból készült szálon. A nagy sávszélesség, az alacsony csillapítás, az interferencia-mentesség, az alacsony költség és a könnyű súly miatt az optikai szál a választott közeg a rögzített, nagy sebességű digitális távközlési kapcsolatok számára. Az optikai kábelek kiszorítják a rézkábeleket mind a távolsági alkalmazásokban, mint például a telefon- és kábeltelevíziós hurkok adagoló- és csomagtartó részeiben, valamint a rövid távú alkalmazásokban, például a számítógépes helyi hálózat (LAN) és a telefon otthoni elosztása, televíziós és adatátviteli szolgáltatások. Például, a digitalizált adat-, hang- és videojelek csatornázására használt szabványos Bellcore OC-48 optikai kábel másodpercenként 2,4 gigabites (2,4 milliárd bináris számjegy) átviteli sebességgel működik rostonként. Ez egy olyan sebesség, amely elegendő ahhoz, hogy a szöveg a nyomtatott Encyclopædia összes kötetében (2 gigabites bináris adat) kevesebb, mint egy másodperc alatt eljusson.
Az optikai szálas kommunikációs kapcsolat a következő elemekből áll: egy elektro-optikai adó, amely analóg vagy digitális információt modulált fénynyaláttá alakít át; fényvisszaverő szál, amely áthatolja az átviteli utat; és egy optoelektronikus vevőkészülék, amely az észlelt fényt elektromos árammá alakítja. Nagy távolságú összeköttetéseknél (több mint 30 km vagy 20 mérföld) általában regeneráló ismétlőkre van szükség a jelteljesítmény csökkentésének ellensúlyozására. A múltban általában hibrid optikai-elektronikus ismétlőket alkalmaztak; ezek tartalmaztak egy optoelektronikus vevőt, elektronikus jelfeldolgozást és egy elektro-optikai távadót a jel regenerálására. Manapság az erbiummal adalékolt optikai erősítőket alkalmazzák mint hatékony összes optikai ismétlőket.
Elektrooptikai távadók
Az elektro-optikai adó hatékonyságát számos tényező határozza meg, de a legfontosabbak a következők: spektrális vonal szélessége, amely a hordozó spektrumának szélessége és nulla ideális monokróm fényforrás esetén; beillesztési veszteség, amely az átadott energia mennyisége, amely nem kapcsolódik be a rostba; az adó élettartama; és a maximális működési bitsebesség.
Az optikai szál összeköttetésekben általában kétféle elektro-optikai távadót használnak - a fénykibocsátó dióda (LED) és a félvezető lézer. A LED széles sávú fényforrás, amelyet középsebességű, rövid távú összeköttetésekhez használnak, ahol a fénysugár távolságra történő szétszórása nem jelent jelentős problémát. A LED olcsóbb és hosszabb élettartamú, mint a félvezető lézer. A félvezető lézer azonban sokkal hatékonyabban kapcsolja fénykibocsátását az optikai szálhoz, mint a LED, így hosszabb átmérőre alkalmasabbá teszi, és gyorsabb „emelkedési” ideje is, lehetővé téve a nagyobb adatátviteli sebességeket. Lézerdiódák állnak rendelkezésre, amelyek hullámhosszon működnek 0,85, 1,3 és 1,5 mikrométer távolságra, és spektrális vonalszélességük kisebb, mint 0,003 mikrométer. Képesek továbbítani másodpercenként 10 gigabites sebességet. Léteznek olyan LED-ek, amelyek képesek a vivőhullámok szélesebb tartományán működni, de általában nagyobb beillesztési veszteséggel és a vonalszélesség meghaladja a 0,035 mikrométert.
Optoelektronikus vevők
Az optikai kapcsolatok két leggyakoribb optoelektronikus vevője a pozitív-belső-negatív (PIN) fotodioda és az lavina-fotodioda (APD). Ezek az optikai vevők az alapsávú jelet a modulált optikai vivőjelekből vonják ki azáltal, hogy a beeső optikai energiát elektromos árammá alakítják. A PIN-fotodiod alacsony nyereséggel rendelkezik, de nagyon gyorsan reagál; az APD nagy nyereséggel rendelkezik, de lassabban reagál.
