Optický přenos
Optická komunikace využívá paprsek modulovaného monochromatického světla k přenosu informací z vysílače do přijímače. Světelné spektrum pokrývá obrovský rozsah v elektromagnetického spektra, rozprostírající se od oblasti 10 terahertz (10 4 GHz) na 1 milion terahertz (10 9gigahertz). Tento kmitočtový rozsah v podstatě pokrývá spektrum od infračerveného záření (vlnová délka 0,3 mm) přes veškeré viditelné světlo až po ultrafialové záření (0,0003 mikrometrové vlnové délky). Optické vlnové délky se šíří při takových vysokých frekvencích a jsou přirozeně vhodné pro vysokorychlostní širokopásmovou telekomunikaci. Například amplitudová modulace optického nosiče při blízké infračervené frekvenci 300 terahertzů o pouhých 1 procento poskytuje přenosovou šířku pásma, která překračuje nejvyšší dostupnou dostupnou koaxiální šířku pásma faktorem 1000 nebo více.
Praktické využití optických médií pro vysokorychlostní telekomunikaci na velké vzdálenosti vyžaduje silný světelný paprsek, který je téměř monochromatický, jeho výkon je úzce soustředěn kolem požadované optické vlnové délky. Takový nosič by nebyl možný bez vynálezu ruby laseru, poprvé demonstrovaného v roce 1960, který produkuje intenzivní světlo s velmi úzkou šířkou spektrální čáry procesem koherentní stimulované emise. Dnes se polovodičové injekční laserové diody používají pro vysokorychlostní dálkovou optickou komunikaci.
Existují dva druhy optických kanálů: neřízený kanál volného prostoru, kde se světlo volně šíří atmosférou, a vedený kanál optických vláken, kde se světlo šíří optickým vlnovodem.
Kanál volného prostoru
Mechanismy ztráty v optickém kanálu ve volném prostoru jsou prakticky totožné s mechanismy v mikrovlnném rádiovém kanálu viditelným z pohledu. Signály jsou degradovány divergencí paprsků, atmosférickou absorpcí a atmosférickým rozptylem. Divergenci paprsku lze minimalizovat kolimací (paralelním) přenášeného světla do koherentního úzkého paprsku pomocí laserového zdroje světla pro vysílač. Ztráty v absorpci atmosféry lze minimalizovat výběrem přenosových vlnových délek, které leží v jednom z „okénků“ s nízkou ztrátou v infračervené, viditelné nebo ultrafialové oblasti. Atmosféra způsobuje vysoké absorpční ztráty, když se optická vlnová délka blíží rezonančním vlnovým délkám plynných složek, jako je kyslík (O 2), vodní pára (H 2 O), oxid uhličitý (CO 2) a ozon (O 3). Za jasného dne může být útlum viditelného světla jeden decibel na kilometr nebo méně, ale významné ztráty rozptylu mohou být způsobeny jakoukoli variabilitou atmosférických podmínek, jako je zákal, mlha, déšť nebo vzduch přenášený vzduchem.
Vysoká citlivost optických signálů na atmosférické podmínky brání rozvoji optických spojů ve volném prostoru pro venkovní prostředí. Jednoduchý a známý příklad vnitřního optického vysílače ve volném prostoru je ruční infračervené dálkové ovládání pro televizní a vysoce věrné zvukové systémy. Optické systémy s volným prostorem jsou také docela běžné v aplikacích měření a dálkového průzkumu, jako je optické vyhledávání a určování rychlosti, průmyslová kontrola kvality a laserový výškoměr (známý jako LIDAR).
Kanály z optických vláken
Na rozdíl od přenosu drátu, ve kterém elektrický proud protéká měděným vodičem, se při přenosu optickým vláknem šíří elektromagnetické (optické) pole vláknem vyrobeným z nevodivého dielektrika. Vzhledem k vysoké šířce pásma, nízkým útlumům, odolnosti proti rušení, nízkým nákladům a nízké hmotnosti se optické vlákno stává nositelem pevných a vysokorychlostních digitálních telekomunikačních spojení. Kabely z optických vláken nahrazují měděné dráty v obou aplikacích na velké vzdálenosti, jako jsou napájecí a kabelové části smyček telefonních a kabelových televizí, a aplikací na krátké vzdálenosti, jako jsou místní sítě (LAN) pro počítače a domácí distribuce telefonů, televizní a datové služby. Například standardní optický kabel Bellcore OC-48, používaný pro trunkci digitalizovaných datových, hlasových a obrazových signálů, pracuje s přenosovou rychlostí až 2,4 gigabitů (2,4 miliardy binárních číslic) za sekundu na vlákno. Toto je rychlost dostatečná k přenosu textu ve všech svazcích tištěného encyklopedie (2 gigabity binárních dat) za méně než jednu sekundu.
Komunikační spojení optických vláken sestává z následujících prvků: elektrooptický vysílač, který převádí analogovou nebo digitální informaci na modulovaný paprsek světla; vlákno nesoucí světlo, které překlenuje přenosovou cestu; a optoelektronický přijímač, který převádí detekované světlo na elektrický proud. U dálkových spojů (větší než 30 km nebo 20 mil) se obvykle vyžadují kompenzační zesilovače, aby se kompenzovala útlum výkonu signálu. V minulosti byly běžně používány hybridní optické-elektronické zesilovače; tito představovali optoelektronický přijímač, elektronické zpracování signálu a electrooptical vysílač pro regeneraci signálu. Dnes jsou erbiové dopingové optické zesilovače využívány jako efektivní all-optické opakovače.
Elektrooptické vysílače
Účinnost elektrooptického vysílače je určována mnoha faktory, ale nejdůležitější jsou následující: šířka spektrální čáry, která je šířkou spektra nosiče a je nulová pro ideální monochromatický zdroj světla; ztráta vložení, což je množství přenášené energie, která se nespojuje s vláknem; životnost vysílače; a maximální provozní bitovou rychlost.
V optických vláknech jsou běžně používány dva druhy elektrooptických vysílačů - dioda emitující světlo (LED) a polovodičový laser. LED je širokoúhlý světelný zdroj, který se používá pro středně rychlé spoje s krátkým rozpětím, u nichž rozptyl světelného paprsku na vzdálenost není velkým problémem. LED je levnější a má delší životnost než polovodičový laser. Polovodičový laser však spojuje svůj světelný výkon s optickým vláknem mnohem efektivněji než LED, což je vhodnější pro delší rozpětí a také má rychlejší „nárůst“, což umožňuje vyšší rychlosti přenosu dat. K dispozici jsou laserové diody, které pracují na vlnových délkách v blízkosti 0,85, 1,3 a 1,5 mikrometrů a mají šířky spektrálních čar menší než 0,003 mikrometrů. Jsou schopné přenášet rychlostí vyšší než 10 gigabitů za sekundu. Existují LED diody schopné provozu v širším rozsahu vlnových délek nosných, ale obecně mají vyšší ztráty při vkládání a šířky čar přesahující 0,035 mikrometrů.
Optoelektronické přijímače
Dva nejběžnější druhy optoelektronických přijímačů pro optické spoje jsou fotodioda s pozitivním vnitřním negativem (PIN) a lavínová fotodioda (APD). Tyto optické přijímače extrahují signál v základním pásmu z modulovaného signálu optického nosiče převáděním dopadající optické energie na elektrický proud. Fotodioda PIN má nízký zisk, ale velmi rychlou odezvu; APD má vysoký zisk, ale pomalejší odezvu.
