Telekomunikacijski mediji

Optični prenos

Optična komunikacija uporablja snop modulirane enobarvne svetlobe za prenos informacij od oddajnika do sprejemnika. Svetlobni spekter obsega ogromno območje v elektromagnetnem spektru, ki sega od območja 10 terahercev (10 ⁴ gigahercev) do 1 milijona terahercev (10 ⁹gigaherc). Ta frekvenčni razpon v bistvu zajema spekter od daljnega infrardečega (0,3 mm mm valovne dolžine) skozi vso vidno svetlobo do blizu ultravijolične (valovne dolžine 0,0003 mikrometrov). Optične valovne dolžine so seveda primerne za širokopasovne telekomunikacije, ki se širijo na tako visokih frekvencah. Na primer, amplitudna modulacija optičnega nosilca pri skoraj infrardeči frekvenci 300 terahercev za samo 1 odstotek povzroči pasovno širino prenosa, ki presega najvišjo razpoložljivo pasovno širino koaksialnega kabla za faktor 1000 ali več.

Praktično izkoriščanje optičnih medijev za visoke hitrosti telekomunikacij na velikih razdaljah zahteva močan svetlobni žarek, ki je skoraj enobarven, njegova moč pa je ozko koncentrirana okoli želene optične valovne dolžine. Takšnega nosilca ne bi bilo mogoče brez izuma rubinarskega laserja, prvič demonstriranega leta 1960, ki proizvaja intenzivno svetlobo z zelo ozko širino spektralne črte s postopkom koherentne spodbude emisije. Danes se polprevodniške injekcijsko-laserske diode uporabljajo za hitro in optično komunikacijo na dolge razdalje.

Obstajata dve vrsti optičnih kanalov: ne vodeni prosti prostor, kjer se svetloba prosto širi skozi ozračje, in voden kanal optičnih vlaken, kjer se svetloba širi skozi optični valovod.

Kanal prostega prostora

Mehanizmi izgube v optičnem kanalu prostega prostora so skoraj enaki tistim, ki jih ima v mikrovalovnem radijskem kanalu z navideznim vidom. Signali se poslabšajo zaradi razhajanja žarkov, absorpcije v atmosferi in razpršitve ozračja. Divergenco snopa je mogoče zmanjšati tako, da kolimentiramo (naredimo vzporedno) oddajeno svetlobo v koherenten ozki žarek z uporabo laserskega vira svetlobe za oddajnik. Atmosferske izgube lahko zmanjšamo tako, da izberemo prenosne valovne dolžine, ki ležijo v enem od oken z nizko izgubo v infrardečem, vidnem ali ultravijoličnem območju. V ozračju so visoke absorpcijske izgube, ko se optična valovna dolžina približa resonančnim valovnim dolžinam plinastih sestavin, kot so kisik (O ₂), vodna para (H ₂ O), ogljikov dioksid (CO ₂) in ozon (O ₃). Na jasen dan lahko oslabitev vidne svetlobe znaša en decibel na kilometer ali manj, vendar lahko velike spremenljive atmosferske razmere povzročajo kakršne koli spremenljivosti atmosferskih razmer, kot so megla, megla, dež ali prah v zraku.

Velika občutljivost optičnih signalov na atmosferske razmere ovira razvoj optičnih povezav prostega prostora za zunanja okolja. Preprost in znan primer notranjega optičnega oddajnika v prostem prostoru je ročni infrardeči daljinski upravljalnik za televizijo in visokozmogljive avdio sisteme. Tudi optični sistemi v prostem prostoru so precej pogosti pri aplikacijah za merjenje in daljinsko zaznavanje, kot so optično določanje dometa in določanje hitrosti, industrijski nadzor kakovosti in laserski altimetrijski radar (znan kot LIDAR).

Kanali z optičnimi vlakni

V nasprotju z žičnim prenosom, pri katerem električni tok teče skozi bakreni vodnik, se pri prenosu optičnih vlaken elektromagnetno (optično) polje širi skozi vlakno, izdelano iz neprevodnega dielektrika. Optična vlakna zaradi svoje visoke pasovne širine, nizkega slabljenja, odpornosti na motnje, nizkih stroškov in majhne teže postajajo medij izbire za fiksne, visoke hitrosti digitalnih telekomunikacijskih povezav. Kabli iz optičnih vlaken nadomeščajo bakrene kablove v aplikacijah na dolge razdalje, kot so podajalni in trupni deli zanke telefonske in kabelske televizije, ter aplikacije na kratkih razdaljah, kot so lokalna omrežja (LAN) za računalnike in domačo distribucijo telefona, televizija in podatkovne storitve. Na primer, standardni optični kabel Bellcore OC-48, ki se uporablja za razrezovanje digitaliziranih podatkov, glasovnih in video signalov, deluje s hitrostjo prenosa do 2,4 gigabita (2,4 milijarde binarnih števk) na sekundo na vlakno. To je hitrost, ki je dovolj za prenos besedila v vseh zvezkih natisnjenih Enciklopedij (2 gigabita binarnih podatkov) v manj kot eni sekundi.

Komunikacijska povezava z optičnimi vlakni je sestavljena iz naslednjih elementov: elektro-optični oddajnik, ki pretvori analogne ali digitalne informacije v moduliran žarek svetlobe; lahka vlakna, ki segajo po poti prenosa; in optoelektronski sprejemnik, ki pretvori zaznano svetlobo v električni tok. Za povezave na dolge razdalje (večje od 30 km ali 20 milj) so ponavadi potrebni regenerativni repetitorji za izravnavo slabljenja signala. V preteklosti so bili običajno uporabljeni hibridni optično-elektronski repetitorji; ti so vsebovali optoelektronski sprejemnik, elektronsko obdelavo signalov in elektro-optični oddajnik za regeneracijo signala. Danes so kot učinkoviti vseoptični ojačevalniki uporabljeni optični ojačevalniki, dopirani z erbijem.

Elektro-optični oddajniki

Učinkovitost elektro-optičnega oddajnika določa veliko dejavnikov, najpomembnejši pa so naslednji: širina spektralne črte, ki je širina nosilnega spektra in je nič za idealen enobarvni svetlobni vir; izguba vstavka, ki je količina oddane energije, ki se ne veže v vlakno; življenjska doba oddajnika; in največja obratovalna bitna hitrost.

V povezavah z optičnimi vlakni se običajno uporabljajo dve vrsti elektro-optičnih oddajnikov - svetleča dioda (LED) in polprevodniški laser. LED je svetlobni vir široke črte, ki se uporablja za srednje hitrosti, kratke razdalje, pri katerih disperzija svetlobnega snopa na daljavo ni največja težava. LED je nižji in ima daljšo življenjsko dobo kot polprevodniški laser. Vendar polprevodniški laser svojo svetlobo na optična vlakna poveže veliko učinkoviteje kot LED, zaradi česar je bolj primeren za daljša razpona, poleg tega pa ima tudi hitrejši čas "dviga", kar omogoča višje hitrosti prenosa podatkov. Na voljo so laserske diode, ki delujejo na valovnih dolžinah v bližini 0,85, 1,3 in 1,5 mikrometrov in imajo spektralne širine linij manj kot 0,003 mikrometra. Sposobni so za prenos s hitrostjo več kot 10 gigabitov na sekundo. LED diode, ki lahko delujejo v širšem območju nosilnih valovnih dolžin, obstajajo, vendar imajo običajno večje izgube vstavka in širine vod, ki presegajo 0,035 mikrometra.

Optoelektronski sprejemniki

Dve najpogostejši vrsti optoelektronskih sprejemnikov za optične povezave sta fotodioda pozitivno-intrinzično-negativni (PIN) in lavinski fotodiod (APD). Ti optični sprejemniki črpajo bazni signal iz moduliranega optičnega nosilnega signala s pretvorbo vpadne optične energije v električni tok. Fotodioda PIN ima majhno ojačitev, vendar zelo hiter odziv; APD ima velik dobiček, vendar počasnejši odziv.