Telekomunikacijski mediji

Optički prijenos

Optička komunikacija koristi snop moduliranog monokromatskog svjetla za prijenos informacija od odašiljača do prijemnika. Svjetlosni spektar obuhvaća ogroman raspon u elektromagnetskom spektru, protežući se od područja od 10 teraherca (10 ⁴ gigaherca) do 1 milijuna teraherca (10 ⁹gigaherc). Ovaj frekvencijski raspon u osnovi pokriva spektar od dalekog infracrvenog (valna duljina 0,3 mm) kroz svu vidljivu svjetlost do blizu ultraljubičastog (valna duljina 0,0003 mikrometra). Optičke valne duljine koje se šire na tako visokim frekvencijama prirodno su pogodne za širokopojasne telekomunikacije. Primjerice, amplitudna modulacija optičkog nosača pri bliskoj infracrvenoj frekvenciji od 300 teraherca za samo 1 posto daje propusnu širinu prijenosa koja premašuje najveću dostupnu širinu propusnosti koaksijalnog kabela za faktor od 1000 ili više.

Praktično iskorištavanje optičkih medija za brzu telekomunikaciju na velikim daljinama zahtijeva snažnu svjetlosnu zraku gotovo jednobojnu, čija je moć usko koncentrirana oko željene optičke valne duljine. Takav nosač ne bi bio moguć bez izuma rubinarskog lasera, prvi puta demonstriranog 1960. godine, koji stvara intenzivno svjetlo s vrlo uskom širinom spektralne linije postupkom koherentne poticane emisije. Danas se za brzu i daljinsku optičku komunikaciju koriste poluvodičke injekcijske laserske diode.

Postoje dvije vrste optičkih kanala: neobrađeni kanal slobodnog prostora, gdje svjetlost slobodno širi kroz atmosferu, i vođeni kanal optičkih vlakana, gdje se svjetlost širi kroz optički valovod.

Kanal slobodnog prostora

Mehanizmi gubitka u optičkom kanalu slobodnog prostora gotovo su identični onima u bežičnom mikrovalnom kanalu s prividom. Signali se degradiraju odstupanjem zraka, apsorpcijom atmosfere i raspršivanjem atmosfere. Divergencija snopa može se umanjiti kolimiranjem (uspostavljanjem paralelnih) prenesenog svjetla u koherentan uski snop korištenjem laserskog izvora svjetlosti za odašiljač. Gubici apsorpcijske atmosfere mogu se umanjiti odabirom valnih duljina prijenosa koje se nalaze u jednom od "prozora" s niskim gubicima u infracrvenom, vidljivom ili ultraljubičastom području. Atmosfera nameće velike gubitke apsorpcije kako se optička valna duljina približava rezonantnim valnim duljinama plinovitih sastojaka poput kisika (O ₂), vodene pare (H ₂ O), ugljičnog dioksida (CO ₂) i ozona (O ₃). Kroz vedar dan prigušivanje vidljive svjetlosti može biti jedan decibel na kilometar ili manje, ali značajni gubici raspršenja mogu uzrokovati bilo koja varijabilnost atmosferskih uvjeta, kao što su maglica, magla, kiša ili prašina u zraku.

Visoka osjetljivost optičkih signala na atmosferske uvjete ometa razvoj optičkih veza slobodnog prostora za vanjsko okruženje. Jednostavan i poznat primjer unutarnjeg optičkog odašiljača slobodnog prostora je ručni infracrveni daljinski upravljač za televiziju i visokokvalitetni audio sustav. Optički sustavi za slobodni prostor također su prilično česti u primjenama za mjerenje i daljinsko istraživanje, kao što su optičko određivanje dometa i određivanje brzine, industrijska kontrola kvalitete i laserski altimetrijski radar (poznat kao LIDAR).

Kanali s optičkim vlaknima

Za razliku od prijenosa žica, u kojem električna struja teče kroz bakreni vodič, u prijenosu optičkih vlakana elektromagnetsko (optičko) polje se širi kroz vlakno napravljeno od neprovodnog dielektrika. Zbog svoje velike propusnosti, malog prigušivanja, otpornosti na smetnje, niskih troškova i male težine, optička vlakna postaju medij izbora za fiksne, velike brzine digitalnih telekomunikacijskih veza. Kablovi od optičkih vlakana zamjenjuju bakrene kablove u aplikacijama za velike udaljenosti, kao što su dovodni i trupni dijelovi petlje telefonske i kablovske televizije, i aplikacije na kratkim udaljenostima, poput lokalnih mreža (LAN) za računala i kućnu distribuciju telefona, televizije i podatkovne usluge. Na primjer, standardni Bellcore OC-48 optički kabel, koji se koristi za skraćivanje digitaliziranih podataka, glasovnih i video signala, radi sa brzinom prijenosa do 2,4 gigabita (2,4 milijarde binarnih znamenki) u sekundi po vlaknu. Ovo je brzina koja je dovoljna za prijenos teksta u svim svesku tiskanih Enciklopedija (2 gigabita binarnih podataka) za manje od jedne sekunde.

Komunikacijska veza s optičkim vlaknima sastoji se od sljedećih elemenata: elektro-optički odašiljač, koji pretvara analognu ili digitalnu informaciju u modulirani snop svjetlosti; svjetlo koje nosi svjetlost, koje obuhvaća put prijenosa; i optoelektronski prijemnik koji pretvara otkrivenu svjetlost u električnu struju. Za veze na veće udaljenosti (veće od 30 km ili 20 milja) obično su potrebni regenerativni repetitori za kompenzaciju prigušivanja snage signala. U prošlosti su se obično koristili hibridni optički-elektronički repetitori; opremljeni su optoelektronskim prijemnikom, elektroničkom obradom signala i elektro-optičkim odašiljačem za obnavljanje signala. Danas su optička pojačala dopirana erbijem učinkovita svih optičkih repetitora.

Elektro-optički odašiljači

Učinkovitost elektro-optičkog odašiljača određena je mnogim čimbenicima, ali najvažniji su sljedeći: širina spektralne linije, koja je širina spektra nosača i jednaka je nuli za idealan jednobojni izvor svjetlosti; gubitak umetanja, koja je količina prenesene energije koja se ne spaja u vlakno; vijek odašiljača; i maksimalna radna brzina bita.

Dvije vrste elektro-optičkih odašiljača obično se koriste u vezama optičkih vlakana - dioda koja emitira svjetlost (LED) i poluvodički laser. LED je izvor svjetlosti široke linije koji se koristi za srednje brzine, kratke raspone u kojima disperzija snopa svjetlosti na daljinu nije glavni problem. LED je s nižim troškovima i ima dulji vijek trajanja od poluvodičkog lasera. Međutim, poluvodički laser svojim efektom svjetlosti na optička vlakna povezuje mnogo učinkovitije od LED-a, što ga čini pogodnijim za dulja raspona, a ima i brže vrijeme "porasta", omogućavajući veće brzine prijenosa podataka. Dostupne su laserske diode koje djeluju na valnim duljinama u blizini 0,85, 1,3 i 1,5 mikrometra i imaju spektralnu širinu linija manju od 0,003 mikrometra. Sposobni su prenijeti brzinu od preko 10 gigabita u sekundi. Postoje LED diode sposobne da rade u širem rasponu valnih duljina nosača, ali obično imaju veće gubitke umetanja i širine linija koje prelaze 0,035 mikrometra.

Optoelektronski prijemnici

Dvije najčešće optoelektronske prijemnice za optičke veze su pozitivno-intrinzično-negativni (PIN) fotodiodi i lavinski fotodiodi (APD). Ovi optički prijemnici izvlače signal opsega iz moduliranog optičkog nosača signala pretvaranjem optičke snage koja se pojavljuje u električnu struju. PIN fotodioda ima malo pojačanje, ali vrlo brzo reagira; APD ima veliko pojačanje, ali sporiji odgovor.