Оптично предаване
Оптичната комуникация използва лъч от модулирана монохроматична светлина, за да пренася информация от предавател до приемник. Светлинният спектър обхваща огромен обхват в електромагнитния спектър, простиращ се от областта от 10 терагерца (10 4 гигагерца) до 1 милион терагерца (10 9гигахерца). Този честотен обхват по същество покрива спектъра от далечния инфрачервен (дължина на вълната 0,3 mm) през цялата видима светлина до близо до ултравиолетовата (дължина на вълната 0,0003 микрометра). Разпространяващи се при такива високи честоти, оптичните дължини на вълната са естествено подходящи за високоскоростни широколентови далекосъобщения. Например, амплитудното модулиране на оптичен носител с близка инфрачервена честота от 300 терагерца с едва 1 процент дава пропускателна способност на предаване, която надвишава най-високата налична честотна лента на коаксиален кабел с коефициент 1000 или повече.
Практическото използване на оптични носители за високоскоростна телекомуникация на големи разстояния изисква силен светлинен лъч, който е почти монохроматичен, силата му е тясно концентрирана около желаната дължина на оптичната вълна. Такъв носител не би бил възможен без изобретяването на рубиновия лазер, демонстриран за първи път през 1960 г., който произвежда интензивна светлина с много тясна спектрална ширина на линията чрез процеса на кохерентно стимулирано излъчване. Днес полупроводниковите инжекционно-лазерни диоди се използват за високоскоростна, далечна оптична комуникация.
Съществуват два вида оптични канали: неуправляемият канал за свободно пространство, където светлината свободно се разпространява през атмосферата, и направляваният канал от оптични влакна, където светлината се разпространява чрез оптичен вълновод.
Каналът за свободно пространство
Механизмите за загуба в оптичен канал за свободно пространство са почти идентични на тези в радиочестотен микровълнов радиочестотен спектър. Сигналите се влошават чрез разминаване на лъчите, поглъщане на атмосферата и разсейване на атмосферата. Разминаването на лъчите може да бъде сведено до минимум чрез съгласуване (правене успоредно) на предаваната светлина в кохерентна тясна греда чрез използване на лазерен източник на светлина за предавател. Атмосферните загуби на абсорбция могат да бъдат сведени до минимум чрез избиране на дължини на вълните на предаване, които се намират в един от прозорците с ниски загуби в инфрачервената, видимата или ултравиолетовата област. Атмосферата налага големи загуби на абсорбция, когато оптичната дължина на вълната се доближава до резонансните дължини на вълната на газообразни компоненти, като кислород (O 2), водна пара (H 2 O), въглероден диоксид (CO 2) и озон (O 3). В ясен ден затихването на видимата светлина може да бъде един децибел на километър или по-малко, но значителни загуби от разсейване могат да бъдат причинени от всяка променливост на атмосферните условия, като мъгла, мъгла, дъжд или прах във въздуха.
Високата чувствителност на оптичните сигнали към атмосферните условия възпрепятства развитието на оптични връзки за свободно пространство за външна среда. Един прост и познат пример за вътрешен оптичен предавател на свободно пространство е ръчното инфрачервено дистанционно управление за телевизия и висококачествени аудио системи. Оптичните системи за свободно пространство също са често срещани в приложенията за измерване и дистанционно измерване, като оптично определяне на обхвата и определяне на скоростта, индустриален контрол на качеството и лазерна алтиметрия радар (известен като LIDAR).
Канали с оптични влакна
За разлика от пропускането на проводниците, при което електрически ток протича през меден проводник, при предаване на оптични влакна електромагнитно (оптично) поле се разпространява през влакно, направено от непроводим диелектрик. Поради високата си честотна лента, ниското затихване, имунитета срещу смущения, ниската цена и малкото тегло, оптичното влакно се превръща в среда за избор на фиксирани, високоскоростни цифрови телекомуникационни връзки. Кабелите от оптични влакна заместват кабелите от медни проводници както в приложения за дълги разстояния, като захранващите и тръбните части на телефонните и кабелните телевизионни контури, така и в приложенията на къси разстояния, като локални мрежи (LAN) за компютри и домашно разпространение на телефон, телевизия и услуги за данни. Например стандартният оптичен кабел Bellcore OC-48, използван за съкращаване на цифровизирани данни, гласови и видео сигнали, работи със скорост на предаване до 2,4 гигабита (2,4 милиарда двоични цифри) в секунда на влакно. Това е скорост, достатъчна за предаване на текста във всички томове на отпечатаната енциклопедия (2 гигабита двоични данни) за по-малко от една секунда.
Комуникационната връзка с оптични влакна се състои от следните елементи: електрооптичен предавател, който преобразува аналогова или цифрова информация в модулиран лъч светлина; светлоносимо влакно, което обхваща пътя на предаване; и оптоелектронен приемник, който преобразува откритата светлина в електрически ток. За връзки на дълги разстояния (по-големи от 30 км или 20 мили) обикновено са необходими регенеративни ретранслатори за компенсиране на затихването на мощността на сигнала. В миналото обикновено се използваха хибридни оптично-електронни ретранслатори; те включват оптоелектронен приемник, електронна обработка на сигнали и електрооптичен предавател за регенериране на сигнала. Днес оптичните усилватели, легирани с ербий, се използват като ефективни всички оптични ретранслатори.
Електрооптични предаватели
Ефективността на електрооптичния предавател се определя от много фактори, но най-важните са следните: широчина на спектралната линия, която е ширината на носещия спектър и е нула за идеален монохроматичен източник на светлина; загуба на вмъкване, която е количеството на предаваната енергия, която не се свързва във влакното; живот на предавателя; и максимална оперативна битова скорост.
Два вида електрооптични предаватели се използват обикновено в връзките на оптични влакна - светодиодът и полупроводниковият лазер. Светодиодът е източник на светлина с широка линия, който се използва за средни скорости, къси разстояния, при които дисперсията на светлинния лъч на разстояние не е основен проблем. Светодиодът е с по-ниска цена и има по-дълъг живот от полупроводниковия лазер. Полупроводниковият лазер обаче свързва своята светлинна мощност към оптичното влакно много по-ефективно от светодиода, което го прави по-подходящ за по-дълги педя, а също така има и по-бързо време за „издигане“, което позволява по-високи скорости на предаване на данни. Предлагат се лазерни диоди, които работят на дължини на вълната в близост до 0,85, 1,3 и 1,5 микрометра и имат спектрална ширина на линията по-малка от 0,003 микрометра. Те са способни да предават с над 10 гигабита в секунда. Съществуват светодиоди, които могат да работят в по-широк диапазон от дължини на вълната на носещата система, но обикновено имат по-големи загуби на вмъкване и ширина на линията, надвишаващи 0,035 микрометра.
Оптоелектронни приемници
Двата най-разпространени вида оптоелектронни приемници за оптични връзки са положително-вътрешно отрицателния (ПИН) фотодиод и лавинообразният фотодиод (APD). Тези оптични приемници извличат основния сигнал от модулиран оптичен носещ сигнал чрез преобразуване на падаща оптична енергия в електрически ток. ПИН фотодиодът има ниско усилване, но много бърз отговор; APD има висока печалба, но по-бавен отговор.
