Optiskā pārraide
Optiskajā komunikācijā tiek izmantots modulētas monohromatiskas gaismas stars, lai pārnestu informāciju no raidītāja uz uztvērēju. Gaismas spektrs aptver milzīgu elektromagnētiskā spektra diapazonu, sākot no 10 terahercu (10 4 gigaherci) līdz 1 miljonam terahercu (10 9).gigaherci). Šis frekvenču diapazons būtībā aptver spektru no tālu infrasarkanā starojuma (0,3 mm viļņa garuma) caur visu redzamo gaismu līdz gandrīz ultravioletajam (0,0003 mikrometru viļņa garumam). Izplatoties tik augstās frekvencēs, optiskie viļņu garumi ir dabiski piemēroti ātrdarbīgiem platjoslas telekomunikācijām. Piemēram, optiskā nesēja amplitūdas modulācija pie vismaz infrasarkanā infrasarkanā frekvences 300 teraherciem rada pārraides joslas platumu, kas pārsniedz lielāko pieejamo koaksiālā kabeļa joslas platumu ar koeficientu 1000 vai vairāk.
Praktiskai optisko datu nesēju izmantošanai ātrdarbīgā telekomunikācijā lielos attālumos nepieciešams spēcīgs gaismas stars, kas ir gandrīz monohromatisks, tā jauda ir sašaurināta ap vēlamo optiskā viļņa garumu. Šāds nesējs nebūtu bijis iespējams bez rubīna lāzera izgudrošanas, kas pirmo reizi tika demonstrēts 1960. gadā un kas koherenti stimulētas emisijas procesā rada intensīvu gaismu ar ļoti šauru spektrālās līnijas platumu. Mūsdienās pusvadītāju injekcijas lāzera diodes tiek izmantotas ātrdarbīgam tālsatiksmes optiskajam sakaram.
Pastāv divu veidu optiskie kanāli: nekontrolēts kanāls brīvā telpā, kur gaisma brīvi izplatās caur atmosfēru, un vadāms optiskās šķiedras kanāls, kur gaisma izplatās caur optisko viļņvadu.
Brīvās vietas kanāls
Zaudējumu mehānismi brīvās telpas optiskajā kanālā ir praktiski identiski tiem, kas atrodas redzes līnijas mikroviļņu radio kanālā. Signālus pasliktina staru novirze, atmosfēras absorbcija un atmosfēras izkliede. Staru novirzi var samazināt, kolimizējot (padarot paralēlu) pārraidīto gaismu koherentā šaurā starā, izmantojot raidītāja lāzera gaismas avotu. Atmosfēras absorbcijas zudumus var samazināt, izvēloties pārraides viļņu garumus, kas atrodas vienā no zema zuduma “logiem” infrasarkanajā, redzamajā vai ultravioletajā apgabalā. Atmosfēra rada lielus absorbcijas zudumus, optiskajam viļņa garumam tuvojoties gāzveida sastāvdaļu, piemēram, skābekļa (O 2), ūdens tvaiku (H 2 O), oglekļa dioksīda (CO 2) un ozona (O 3), rezonanses viļņu garumam. Skaidrā dienā redzamās gaismas vājināšanās var būt viena decibela uz kilometru vai mazāka, bet ievērojamus izkliedes zudumus var izraisīt jebkādas atmosfēras apstākļu izmaiņas, piemēram, migla, migla, lietus vai gaisā esošie putekļi.
Augstā optisko signālu jutība pret atmosfēras apstākļiem ir kavējusi brīvās vietas optisko saišu attīstību āra vidē. Vienkāršs un pazīstams iekštelpu brīvās vietas optiskā raidītāja piemērs ir rokas infrasarkanā tālvadības pults televīzijas un augstas precizitātes audio sistēmām. Brīvās telpas optiskās sistēmas ir diezgan izplatītas arī mērījumu un attālās izpētes lietojumos, piemēram, optiskā diapazona noteikšana un ātruma noteikšana, rūpnieciskās kvalitātes kontrole un lāzera altimetrijas radars (pazīstams kā LIDAR).
Optisko šķiedru kanāli
Pretstatā vadu pārvadei, kurā caur vara vadītāju plūst elektriskā strāva, optiskās šķiedras pārraidē elektromagnētiskais (optiskais) lauks izplatās caur šķiedru, kas izgatavota no nevadoša dielektriķa. Lielā joslas platuma, zemas vājināšanas, traucējumnoturības, zemu izmaksu un vieglā svara dēļ optiskā šķiedra kļūst par izvēles līdzekli fiksētu, ātrdarbīgu digitālo telekomunikāciju savienojumiem. Optiskās šķiedras kabeļi aizstumj vara stieples kabeļus gan tālsatiksmes lietojumos, piemēram, telefona un kabeļtelevīzijas cilpu padeves un maģistrālajās daļās, gan maza attāluma lietojumos, piemēram, datoru lokālie tīkli (LAN) un telefona izplatīšana mājās., televīzijas un datu pakalpojumi. Piemēram, parastais Bellcore OC-48 optiskais kabelis, ko izmanto digitalizētu datu, balss un video signālu uztveršanai, darbojas ar pārraides ātrumu līdz 2,4 gigabitiem (2,4 miljardi bināro ciparu) sekundē uz katru šķiedru. Tas ir pietiekams ātrums, lai mazāk nekā vienā sekundē tekstu pārsūtītu visos izdrukātās enciklopēdijas sējumos (2 gigabiti bināro datu).
Optisko šķiedru sakaru saite sastāv no šādiem elementiem: elektrooptiskais raidītājs, kas analogo vai digitālo informāciju pārveido modulētā gaismas starā; gaismu nesoša šķiedra, kas iet caur transmisijas ceļu; un optoelektronisko uztvērēju, kas atklāto gaismu pārvērš elektriskā strāvā. Tālajiem savienojumiem (vairāk nekā 30 km vai 20 jūdzes) parasti ir nepieciešami atjaunojošie atkārtotāji, lai kompensētu signāla jaudas pavājināšanos. Agrāk parasti tika izmantoti hibrīdi optiski elektroniski atkārtotāji; tajos bija optoelektroniskais uztvērējs, signāla elektroniskā apstrāde un elektrooptiskais raidītājs signāla atjaunošanai. Mūsdienās kā ar efektīviem visu optisko atkārtotāju tiek izmantoti ar erbiju leģēti optiskie pastiprinātāji.
Elektrooptiskie raidītāji
Elektrooptiskā raidītāja efektivitāti nosaka daudzi faktori, bet vissvarīgākie ir šādi: spektrālās līnijas platums, kas ir nesēja spektra platums un ir nulle ideālam monohromatiskam gaismas avotam; ievietošanas zudums, kas ir pārvadītās enerģijas daudzums, kas neiesaistās šķiedrā; raidītāja kalpošanas laiks; un maksimālais darbības bitu ātrums.
Optisko šķiedru savienojumos parasti izmanto divu veidu elektrooptiskos raidītājus - gaismas diodi (LED) un pusvadītāju lāzeru. Gaismas diode ir plaša līnijas platuma gaismas avots, ko izmanto vidēja ātruma un īsa laiduma saitēm, kurās gaismas stara izkliede no attāluma nav liela problēma. LED ir zemākas izmaksas un tam ir ilgāks kalpošanas laiks nekā pusvadītāju lāzeram. Tomēr pusvadītāju lāzers savu gaismas izvadi optiskajā šķiedrā saista daudz efektīvāk nekā LED, padarot to piemērotāku ilgākiem laidumiem, kā arī tam ir ātrāks “pieauguma” laiks, kas ļauj sasniegt lielākus datu pārraides ātrumus. Ir pieejamas lāzera diodes, kas darbojas pie viļņa garuma 0,85, 1,3 un 1,5 mikrometru attālumā un kuru spektra līnijas platums ir mazāks par 0,003 mikrometriem. Tie spēj pārraidīt ātrumu virs 10 gigabitiem sekundē. Pastāv gaismas diodes, kas spēj darboties plašākā nesējviļņu garumā, taču tām parasti ir lielāki iespraušanas zaudējumi un līnijas platums pārsniedz 0,035 mikrometrus.
Optoelektroniskie uztvērēji
Divi visizplatītākie optisko saišu optoelektronisko uztvērēju veidi ir pozitīvā-iekšējā-negatīvā (PIN) fotodiode un lavīnas fotodiode (APD). Šie optiskie uztvērēji ekstrahē pamatjoslas signālu no modulēta optiskā nesēja signāla, pārveidojot kritušo optisko spēku elektriskajā strāvā. PIN fotodiodei ir mazs ieguvums, bet ļoti ātra reakcija; APD ir liels ieguvums, bet lēnāka reakcija.
