Optinen siirto
Optinen viestintä käyttää moduloidun monokromaattisen valonsäteen informaation kuljettamiseen lähettimestä vastaanottimeen. Valospektri kattaa valtavan alueen sähkömagneettisessa spektrissä ja ulottuu alueelta 10 terahertsiä (10 4 gigahertsiä) miljoonaan terahertsiin (10 9).gigahertsin). Tämä taajuusalue kattaa olennaisesti spektrin kaukaisesta infrapunasta (0,3 mm aallonpituus) kaiken näkyvän valon läpi lähes ultraviolettiin (0,0003 mikrometrin aallonpituus). Edetellen niin korkeilla taajuuksilla, optiset aallonpituudet ovat luonnollisesti sopivia nopean laajakaistan tietoliikenteeseen. Esimerkiksi optisen kantoaallon amplitudimoduloinnilla 300-infrapuna-taajuudella lähellä vain 1 prosenttia tuottaa lähetyskaistanleveyden, joka ylittää suurimman käytettävissä olevan koaksiaalikaapelin kaistanleveyden kertoimella 1000 tai enemmän.
Optisen median käytännöllinen hyödyntäminen nopeaa tietoliikennettä varten suurilla etäisyyksillä vaatii voimakkaan valonsäteen, joka on melkein yksivärinen, sen teho keskittyy kapeasti halutun optisen aallonpituuden ympärille. Tällainen kantaja ei olisi ollut mahdollista ilman keksintöä ruby-laserista, joka ensimmäisen kerran osoitettiin vuonna 1960, joka tuottaa voimakasta valoa erittäin kapealla spektriviivan leveydellä koherentin stimuloidun emissiomenetelmän avulla. Nykyään puolijohde-injektiolasertodiodeja käytetään nopean, pitkän matkan optiseen viestintään.
Kaksi tyyppisiä optisia kanavia on olemassa: ohjaamaton vapaan tilan kanava, jossa valo leviää vapaasti ilmakehän läpi, ja opastettu optinen kuitukanava, jossa valo leviää optisen aaltojohdon kautta.
Vapaan tilan kanava
Häviömekanismit vapaan tilan optisessa kanavassa ovat käytännössä identtiset näkökentän mikroaaltoradiokanavan kanssa. Signaalit huononevat säteen hajaantumisen, ilmakehän absorption ja ilmakehän sironnan avulla. Säteen hajonta voidaan minimoida kollimoimalla (tekemällä rinnakkainen) läpäissyt valo koherentiksi kapeaksi sädeksi käyttämällä lähettimen laservalolähdettä. Ilmakehän absorptiohäviöt voidaan minimoida valitsemalla lähetysaallonpituudet, jotka sijaitsevat yhdessä alhaisen häviön "ikkunoista" infrapuna-, näkyvällä tai ultraviolettialueella. Ilmakehä aiheuttaa suuria absorptiohäviöitä, kun optinen aallonpituus lähestyy kaasumaisten ainesosien, kuten hapen (O 2), vesihöyryn (H 2 O), hiilidioksidin (CO 2) ja otsonin (O 3) resonanssin aallonpituuksia. Selkeänä päivänä näkyvän valon vaimennus voi olla enintään yksi desibeli kilometriä kohden, mutta merkittävät sirontahäviöt voivat johtua kaikista muutoksista ilmasto-olosuhteissa, kuten utu, sumu, sade tai ilmassa oleva pöly.
Optisten signaalien korkea herkkyys ilmakehän olosuhteille on haitannut vapaan tilan optisten linkkien kehittämistä ulkoympäristöihin. Yksinkertainen ja tuttu esimerkki sisätilan vapaan tilan optisesta lähettimestä on kädessä pidettävä infrapunakaukosäädin televisio- ja erittäin uskollisille audiojärjestelmille. Vapaatilan optiset järjestelmät ovat myös melko yleisiä mittaus- ja kaukokartoitussovelluksissa, kuten optisen etäisyyden etsinnässä ja nopeuden määrityksessä, teollisuuden laadunvalvonnassa ja laserkorkeustutkinnassa (tunnetaan nimellä LIDAR).
Valokuitukanavat
Päinvastoin kuin langansiirto, jossa sähkövirta virtaa kuparinjohtimen läpi, optisen kuidun siirrossa sähkömagneettinen (optinen) kenttä etenee johtamattomasta dielektrisestä kuidusta. Suuren kaistanleveyden, alhaisen vaimennuksen, häiriöiden kestävyyden, alhaisten kustannusten ja kevyen paineen takia optisesta kuidusta on tulossa suosittua väliainetta kiinteille, nopeaille digitaalisille tietoliikenneyhteyksille. Valokuitukaapelit syrjäyttävät kuparilankakaapelit molemmissa kaukoliikennesovelluksissa, kuten puhelin- ja kaapelitelevisiopiirien syöttö- ja runko-osissa, ja lyhyen matkan sovelluksissa, kuten tietokoneiden lähiverkossa (LAN) ja puhelimen kotijakelussa, televisio- ja datapalvelut. Esimerkiksi tavallinen Bellcore OC-48 -kaapeli, jota käytetään digitoitujen data-, ääni- ja videosignaalien katkaisemiseen, toimii siirtonopeudella jopa 2,4 gigabittiä (2,4 miljardia binaarinumeroa) sekunnissa / kuitu. Tämä on riittävä nopeus, jotta teksti lähetetään kaikissa painetun Encyclopædia-levyn levyissä (2 gigabittiä binaaridataa) alle sekunnissa.
Valokuituviestintälinkki koostuu seuraavista elementeistä: sähköoptinen lähetin, joka muuntaa analogisen tai digitaalisen tiedon moduloidulle valonsäteelle; valoa kuljettava kuitu, joka kulkee siirtotien läpi; ja optoelektronisen vastaanottimen, joka muuntaa havaitun valon sähkövirraksi. Pitkän matkan yhteyksissä (yli 30 km tai 20 mailia) tarvitaan yleensä regeneratiivisia toistimia signaalin tehon vaimennuksen korvaamiseksi. Aikaisemmin käytettiin yleisesti hybridioptisia elektronisia toistimia; näissä oli optoelektroninen vastaanotin, elektroninen signaalinkäsittely ja sähköoptinen lähetin signaalin uudistamiseksi. Nykyään erbiumilla seostettuja optisia vahvistimia käytetään tehokkaina optisina toistimina.
Sähköoptiset lähettimet
Sähköoptisen lähettimen hyötysuhde määräytyy useiden tekijöiden avulla, mutta tärkeimmät ovat seuraavat: spektrin viivan leveys, joka on kantoaaltospektrin leveys ja nolla ihanteelliselle monokromaattiselle valonlähteelle; insertiohäviö, joka on siirretyn energian määrä, joka ei yhdisty kuituun; lähettimen käyttöikä; ja suurin käyttöbittinopeus.
Valokuituyhteyksissä käytetään yleisesti kahta tyyppisiä sähköoptisia lähettimiä - valoa emittoiva diodi (LED) ja puolijohdelaser. LED on laajakaistainen valonlähde, jota käytetään keskisuurille, lyhyen etäisyyden linkille, joissa valonsäteen leviäminen etäisyydelle ei ole suuri ongelma. LED on edullisempi ja sen käyttöikä on pidempi kuin puolijohdelaserin. Puolijohdelaser liittää valonlähteensä optiseen kuituun paljon tehokkaammin kuin LED, joten se sopii paremmin pidempiin jänteisiin, ja sillä on myös nopeampi ”nousuaika”, mikä mahdollistaa suuremman tiedonsiirtonopeuden. Saatavana on laserdiodeja, jotka toimivat aallonpituuksilla 0,85, 1,3 ja 1,5 mikrometrin etäisyydellä ja joiden spektriviivojen leveys on alle 0,003 mikrometriä. Ne pystyvät lähettämään nopeudella yli 10 gigabittiä sekunnissa. On olemassa LED-diodeja, jotka kykenevät toimimaan laajemmalla kantoaallonpituusalueella, mutta niissä on yleensä suurempia insertiohäviöitä ja linjan leveys ylittää 0,035 mikrometriä.
Optoelektroniset vastaanottimet
Kaksi yleisintä optoelektronisten vastaanottimien tyyppiä optisille linkkille ovat positiivinen-sisäinen-negatiivinen (PIN) -diodiodi ja lumivyörydiodi (APD). Nämä optiset vastaanottimet erottavat kantataajuussignaalin moduloidusta optisesta kantoaaltosignaalista muuntamalla tulevan optisen tehon sähkövirraksi. PIN-fotodiodilla on vähän vahvistuksia, mutta erittäin nopea vastaus; APD: llä on suuri vahvistus, mutta hitaampi vaste.
