Οπτική μετάδοση
Η οπτική επικοινωνία χρησιμοποιεί δέσμη διαμορφωμένου μονοχρωματικού φωτός για μεταφορά πληροφοριών από πομπό σε δέκτη. Το φάσμα φωτός εκτείνεται σε ένα τεράστιο εύρος στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, που εκτείνεται από την περιοχή των 10 terahertz (10 4 gigahertz) έως 1 εκατομμύρια terahertz (10 9γιγαχέρτζ). Αυτό το εύρος συχνοτήτων καλύπτει ουσιαστικά το φάσμα από υπέρυθρες ακτίνες (μήκος κύματος 0,3 mm) μέσω όλου του ορατού φωτός έως σχεδόν υπεριώδους ακτινοβολίας (μήκος κύματος 0,0003-μικρομέτρων). Πολλαπλασιάζοντας σε τέτοιες υψηλές συχνότητες, τα οπτικά μήκη κύματος είναι φυσικά κατάλληλα για ευρυζωνικές τηλεπικοινωνίες υψηλής ταχύτητας. Για παράδειγμα, η διαμόρφωση πλάτους ενός οπτικού φορέα στη συχνότητα εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας 300 terahertz κατά μόλις 1 τοις εκατό αποδίδει ένα εύρος ζώνης μετάδοσης που υπερβαίνει το υψηλότερο διαθέσιμο ομοαξονικό εύρος ζώνης καλωδίου κατά έναν παράγοντα 1.000 ή περισσότερο.
Η πρακτική εκμετάλλευση οπτικών μέσων για τηλεπικοινωνίες υψηλής ταχύτητας σε μεγάλες αποστάσεις απαιτεί μια ισχυρή δέσμη φωτός που είναι σχεδόν μονοχρωματική, η ισχύς της συγκεντρώνεται στενά γύρω από το επιθυμητό μήκος οπτικού κύματος. Ένας τέτοιος φορέας δεν θα ήταν δυνατός χωρίς την εφεύρεση του ρουμπινιού λέιζερ, το οποίο αποδείχθηκε για πρώτη φορά το 1960, το οποίο παράγει έντονο φως με πολύ στενό φασματικό πλάτος γραμμής με τη διαδικασία συνεκτικής διεγερμένης εκπομπής. Σήμερα, οι διόδους έγχυσης λέιζερ ημιαγωγών χρησιμοποιούνται για οπτική επικοινωνία υψηλής ταχύτητας και μεγάλης απόστασης.
Υπάρχουν δύο είδη οπτικών καναλιών: το κανάλι ελεύθερου χώρου χωρίς καθοδήγηση, όπου το φως διαδίδεται ελεύθερα μέσω της ατμόσφαιρας και το κανάλι καθοδηγούμενης οπτικής ίνας, όπου το φως διαδίδεται μέσω ενός οπτικού κυματοδηγού.
Το κανάλι ελεύθερου χώρου
Οι μηχανισμοί απώλειας σε ένα οπτικό κανάλι ελεύθερου χώρου είναι σχεδόν πανομοιότυποι με εκείνους σε ένα ραδιοφωνικό κανάλι μικροσκοπικής οπτικής γραμμής. Τα σήματα υποβαθμίζονται από απόκλιση δέσμης, ατμοσφαιρική απορρόφηση και ατμοσφαιρική σκέδαση. Η απόκλιση δέσμης μπορεί να ελαχιστοποιηθεί συγκεντρώνοντας (παράλληλα) το μεταδιδόμενο φως σε μια συνεκτική στενή δέσμη χρησιμοποιώντας μια πηγή φωτός λέιζερ για έναν πομπό. Οι απώλειες ατμοσφαιρικής απορρόφησης μπορούν να ελαχιστοποιηθούν επιλέγοντας μήκη κύματος μετάδοσης που βρίσκονται σε ένα από τα «παράθυρα» χαμηλής απώλειας στην υπέρυθρη, ορατή ή υπεριώδη περιοχή. Η ατμόσφαιρα επιβάλλει υψηλές απώλειες απορρόφησης όπως η οπτική μήκος κύματος πλησιάζει τα συντονιστικά μήκη κύματος των αέριων συστατικών, όπως το οξυγόνο (O 2), οι υδρατμοί (H 2 O), το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2), και το όζον (O 3). Σε μια σαφή ημέρα η εξασθένιση του ορατού φωτός μπορεί να είναι ένα ντεσιμπέλ ανά χιλιόμετρο ή λιγότερο, αλλά σημαντικές απώλειες σκέδασης μπορεί να προκληθούν από οποιαδήποτε μεταβλητότητα στις ατμοσφαιρικές συνθήκες, όπως ομίχλη, ομίχλη, βροχή ή αερομεταφερόμενη σκόνη.
Η υψηλή ευαισθησία των οπτικών σημάτων σε ατμοσφαιρικές συνθήκες έχει εμποδίσει την ανάπτυξη οπτικών συνδέσεων ελεύθερου χώρου για εξωτερικά περιβάλλοντα. Ένα απλό και οικείο παράδειγμα ενός οπτικού πομπού εσωτερικού χώρου είναι το τηλεχειριστήριο υπερύθρων χειρός για συστήματα τηλεόρασης και ήχου υψηλής πιστότητας. Τα οπτικά συστήματα ελεύθερου χώρου είναι επίσης αρκετά συνηθισμένα στις εφαρμογές μέτρησης και τηλεπισκόπησης, όπως η εύρεση οπτικού εύρους και ο προσδιορισμός της ταχύτητας, ο βιομηχανικός ποιοτικός έλεγχος και το ραντάρ υψόμετρου λέιζερ (γνωστό ως LIDAR).
Κανάλια οπτικών ινών
Σε αντίθεση με τη μετάδοση καλωδίων, στην οποία ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσω ενός αγωγού χαλκού, στη μετάδοση οπτικών ινών ένα ηλεκτρομαγνητικό (οπτικό) πεδίο διαδίδεται μέσω μιας ίνας κατασκευασμένης από μη αγώγιμο διηλεκτρικό. Λόγω του υψηλού εύρους ζώνης, της χαμηλής εξασθένησης, της ασυλίας παρεμβολών, του χαμηλού κόστους και του ελαφρού βάρους, οι οπτικές ίνες γίνονται το μέσο επιλογής για σταθερές ψηφιακές τηλεπικοινωνίες υψηλής ταχύτητας. Τα καλώδια οπτικών ινών αντικαθιστούν τα καλώδια χαλκού και στις δύο εφαρμογές μεγάλων αποστάσεων, όπως τα τμήματα τροφοδοσίας και κορμού των βρόχων τηλεφώνου και καλωδιακής τηλεόρασης και εφαρμογές μικρής απόστασης, όπως τοπικά δίκτυα (LAN) για υπολογιστές και οικιακή διανομή τηλεφώνου, τηλεόραση και υπηρεσίες δεδομένων. Για παράδειγμα, το τυπικό οπτικό καλώδιο Bellcore OC-48, που χρησιμοποιείται για μεταφορά ψηφιακών δεδομένων, σημάτων φωνής και βίντεο, λειτουργεί με ρυθμό μετάδοσης έως 2,4 gigabits (2,4 δισεκατομμύρια δυαδικά ψηφία) ανά δευτερόλεπτο ανά ίνα. Αυτός είναι ένας ρυθμός επαρκής για τη μετάδοση του κειμένου σε όλους τους τόμους της έντυπης Εγκυκλοπαίδειας (2 gigabits δυαδικών δεδομένων) σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο.
Ένας σύνδεσμος επικοινωνίας οπτικών ινών αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία: έναν ηλεκτρο-οπτικό πομπό, ο οποίος μετατρέπει αναλογικές ή ψηφιακές πληροφορίες σε διαμορφωμένη δέσμη φωτός. μια ελαφριά ίνα που εκτείνεται στη διαδρομή μετάδοσης · και έναν οπτοηλεκτρονικό δέκτη, ο οποίος μετατρέπει το ανιχνευμένο φως σε ηλεκτρικό ρεύμα. Για συνδέσεις μεγάλων αποστάσεων (μεγαλύτερα από 30 χλμ. Ή 20 μίλια), οι αναγεννητικοί επαναλήπτες συνήθως απαιτούνται για την αντιστάθμιση της εξασθένησης της ισχύος σήματος. Στο παρελθόν, υβριδικοί οπτικοί-ηλεκτρονικοί επαναλήπτες χρησιμοποιούνταν συνήθως. Αυτά περιλάμβαναν έναν οπτικοηλεκτρονικό δέκτη, ηλεκτρονική επεξεργασία σήματος και έναν ηλεκτρο-οπτικό πομπό για την αναγέννηση του σήματος. Σήμερα, οι οπτικοί ενισχυτές με νάρκωση erbium χρησιμοποιούνται ως αποδοτικοί οπτικοί επαναλήπτες.
Ηλεκτρο οπτικοί πομποί
Η απόδοση ενός ηλεκτρο-οπτικού πομπού καθορίζεται από πολλούς παράγοντες, αλλά οι πιο σημαντικοί είναι οι εξής: φάσμα γραμμής φάσματος, το οποίο είναι το πλάτος του φάσματος φορέα και είναι μηδέν για μια ιδανική μονοχρωματική πηγή φωτός. απώλεια εισαγωγής, η οποία είναι η ποσότητα της μεταδιδόμενης ενέργειας που δεν συνδέεται με την ίνα. διάρκεια ζωής πομπού και μέγιστο ρυθμό bit λειτουργίας.
Δύο είδη ηλεκτρο-οπτικών πομπών χρησιμοποιούνται συνήθως σε συνδέσεις οπτικών ινών - η δίοδος εκπομπής φωτός (LED) και το λέιζερ ημιαγωγών. Η λυχνία LED είναι μια πηγή φωτός ευρείας γραμμής που χρησιμοποιείται για συνδέσεις μεσαίας ταχύτητας, μικρής διάρκειας, στις οποίες η διασπορά της δέσμης φωτός σε απόσταση δεν αποτελεί μείζον πρόβλημα. Το LED έχει χαμηλότερο κόστος και έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από το λέιζερ ημιαγωγών. Ωστόσο, το λέιζερ ημιαγωγών συνδυάζει την έξοδο φωτός του με την οπτική ίνα πολύ πιο αποτελεσματικά από το LED, καθιστώντας το πιο κατάλληλο για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα και έχει επίσης ταχύτερο χρόνο «αύξησης», επιτρέποντας υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων. Διατίθενται δίοδοι λέιζερ που λειτουργούν σε μήκη κύματος κοντά στα 0,85, 1,3 και 1,5 μικρόμετρα και έχουν πλάτος φασματικής γραμμής μικρότερα από 0,003 μικρομέτρα. Είναι σε θέση να μεταδίδουν πάνω από 10 gigabits ανά δευτερόλεπτο. Υπάρχουν λυχνίες LED ικανές να λειτουργούν σε ένα μεγαλύτερο εύρος μήκους κύματος φορέα, αλλά γενικά έχουν μεγαλύτερες απώλειες εισαγωγής και πλάτη γραμμής άνω των 0,035 μικρομέτρων.
Οπτικοηλεκτρονικοί δέκτες
Τα δύο πιο κοινά είδη οπτικοηλεκτρονικών δεκτών για οπτικούς συνδέσμους είναι η θετική ενδογενής αρνητική (ΡΙΝ) φωτοδίοδος και η φωτοδίοδος χιονοστιβάδας (APD). Αυτοί οι οπτικοί δέκτες εξάγουν το σήμα βάσης από ένα διαμορφωμένο οπτικό σήμα φορέα μετατρέποντας την προσπίπτουσα οπτική ισχύ σε ηλεκτρικό ρεύμα. Η φωτοδίοδος PIN έχει χαμηλό κέρδος αλλά πολύ γρήγορη απόκριση. το APD έχει υψηλό κέρδος αλλά πιο αργή απόκριση.
