Telekommunikationsmedier

Optisk transmission

Optisk kommunikation anvender en stråle af moduleret monokromatisk lys til at transportere information fra sender til modtager. Lysspektret spænder over et enormt interval i det elektromagnetiske spektrum, der strækker sig fra området 10 terahertz (10 ⁴ gigahertz) til 1 million terahertz (10 ⁹gigahertz). Dette frekvensområde dækker i det væsentlige spektret fra langt infrarød (0,3 mm bølgelængde) gennem alt synligt lys til næsten ultraviolet (0,0003 mikrometer bølgelængde). Formering ved sådanne høje frekvenser er optiske bølgelængder naturligt velegnet til bredbåndstelekommunikation. F.eks. Giver amplitudemodulation af en optisk bærer ved den næsten infrarøde frekvens på 300 terahertz med så lidt som 1 procent en transmissionsbåndbredde, der overskrider den højest tilgængelige koaksiale kabelbåndbredde med en faktor på 1.000 eller mere.

Praktisk udnyttelse af optiske medier til højhastigheds-telekommunikation over store afstande kræver en stærk lysstråle, der er næsten monokromatisk, idet dens styrke snævert koncentreres omkring en ønsket optisk bølgelængde. En sådan bærer ville ikke have været mulig uden opfindelsen af ​​rubinlaser, først demonstreret i 1960, som producerer intens lys med meget smal spektralinjebredde ved processen med kohærent stimuleret emission. I dag bruges halvlederinjektionslaserdioder til optisk kommunikation i høj hastighed.

Der findes to slags optiske kanaler: den uguidede frirumskanal, hvor lys frit udbreder sig gennem atmosfæren, og den guidede optiske fiberkanal, hvor lys spreder sig gennem en optisk bølgeleder.

Den frie plads kanal

Tabsmekanismerne i en fri-plads optisk kanal er praktisk taget identiske med dem i en mikrobølgeradiokanal med synsvidde. Signaler nedbrydes af stråledivergens, atmosfærisk absorption og atmosfærisk spredning. Beamdivergens kan minimeres ved at kollimere (gøre parallel) det transmitterede lys til en sammenhængende smal stråle ved hjælp af en laserlyskilde til en sender. Atmosfæriske absorptionstab kan minimeres ved at vælge transmissionsbølgelængder, der ligger i et af de lavtabede "vinduer" i det infrarøde, synlige eller ultraviolette område. Atmosfæren medfører store tab absorption som den optiske bølgelængde nærmer sig resonante bølgelængder af gasformige bestanddele, såsom oxygen (O ₂), vanddamp (H ₂ O), kuldioxid (CO ₂), og ozon (O ₃). På en klar dag kan dæmpningen af ​​synligt lys være en decibel per kilometer eller mindre, men betydelige spredningstab kan være forårsaget af enhver variation i atmosfæriske forhold, såsom uklarhed, tåge, regn eller luftbåret støv.

Den høje følsomhed af optiske signaler overfor atmosfæriske forhold har hindret udviklingen af ​​optiske led i fri rum til udendørs miljøer. Et simpelt og velkendt eksempel på en indendørs fri-plads optisk sender er den håndholdte infrarøde fjernbetjening til fjernsyn og højtidelighedslydsystemer. Optiske systemer med fri plads er også ret almindelige i måling og fjernmåling applikationer, såsom optisk rækkevidde og hastighedsbestemmelse, industriel kvalitetskontrol og laser altimetry radar (kendt som LIDAR).

Optiske fiberkanaler

I modsætning til trådtransmission, hvor en elektrisk strøm strømmer gennem en kobberleder, forplantes et elektromagnetisk (optisk) felt i optisk fibertransmission gennem en fiber lavet af et ikke-ledende dielektrikum. På grund af sin høje båndbredde, lave dæmpning, interferensimmunitet, lave omkostninger og lette vægt, bliver optisk fiber det valgte medium for faste, højhastigheds-digitale telekommunikationsforbindelser. Optiske fiberkabler udskifter kobbertrådkabler i både langdistanceapplikationer, såsom føder- og bagagerumsdele af telefon- og kabel-tv-sløjfer, og applikationer på kort afstand, såsom lokalnetværk (LAN) til computere og hjemmefordeling af telefon, tv og datatjenester. For eksempel fungerer det standardoptiske Bellcore OC-48-kabel, der bruges til trunking af digitaliserede data-, tale- og videosignaler, med en transmissionshastighed på op til 2,4 gigabits (2,4 milliarder binære cifre) pr. Sekund pr. Fiber. Dette er en hastighed, der er tilstrækkelig til at overføre teksten i alle bindene på den trykte Encyclopædia (2 gigabits binære data) på mindre end et sekund.

En kommunikationslink til optisk fiber består af følgende elementer: en elektrooptisk sender, der konverterer analog eller digital information til en moduleret lysstråle; en lysbærende fiber, der spænder over transmissionsvejen; og en optoelektronisk modtager, der konverterer detekteret lys til en elektrisk strøm. For lange afstandsforbindelser (større end 30 km eller 20 miles) er regenerative repeatere normalt påkrævet for at udligne dæmpningen af ​​signalstyrken. Tidligere blev der ofte brugt hybrid optisk-elektroniske repeatere; disse indeholdt en optoelektronisk modtager, elektronisk signalbehandling og en elektro-optisk sender til regenerering af signalet. I dag anvendes erbium-doterede optiske forstærkere som effektive altoptiske repeatere.

Elektro-optiske sendere

Effektiviteten af ​​en elektrooptisk sender bestemmes af mange faktorer, men de vigtigste er følgende: spektral linjebredde, som er bredden af ​​bærerspektret og er nul for en ideel monokromatisk lyskilde; indsættelsestab, som er den mængde transmitteret energi, der ikke kobles sammen i fiberen; senders levetid; og maksimal driftsbithastighed.

To typer elektrooptiske sendere bruges ofte i optiske fiberforbindelser - den lysemitterende diode (LED) og halvlederlaser. Lysdioden er en lyskilde med bred linie, der bruges til mellemhastighedsledninger med kort spænding, hvor spredning af lysstrålen over afstand ikke er et stort problem. LED er lavere i omkostninger og har en længere levetid end halvlederlaser. Halvledelaseren kobler imidlertid sit lysudbytte til den optiske fiber meget mere effektivt end LED, hvilket gør den mere egnet til længere spænd, og den har også en hurtigere "stigning" -tid, hvilket tillader højere dataoverførselshastigheder. Laserdioder er tilgængelige, der fungerer i bølgelængder i nærheden af ​​0,85, 1,3 og 1,5 mikrometer og har spektrale linjebredder på mindre end 0,003 mikrometer. De er i stand til at transmittere med over 10 gigabits pr. Sekund. Der findes LED'er, der er i stand til at arbejde over et bredere interval af bærebølgelængder, men de har generelt større indsættelsestab og linjebredder på over 0,035 mikrometer.

Optoelektroniske modtagere

De to mest almindelige typer optoelektroniske modtagere til optiske links er den positive-intrinsiske-negative (PIN) fotodiode og lavine-fotodioden (APD). Disse optiske modtagere udtrækker basisbåndssignalet fra et moduleret optisk bæresignal ved at konvertere hændende optisk strøm til elektrisk strøm. PIN-fotodioden har lav forstærkning, men meget hurtig respons; APD har stor forstærkning, men langsommere respons.