Telekomunikačné médiá

Optický prenos

Optická komunikácia využíva lúč modulovaného monochromatického svetla na prenos informácií z vysielača do prijímača. Svetelné spektrum pokrýva obrovský rozsah v elektromagnetického spektra, rozprestierajúce sa od oblasti 10 TERAHERTZ (10 ⁴ GHz) na 1 milión TERAHERTZ (10 ⁹gigahertz). Tento frekvenčný rozsah v podstate pokrýva spektrum od ďalekého infračerveného žiarenia (vlnová dĺžka 0,3 mm) cez celé viditeľné svetlo až po ultrafialové žiarenie (0,0003 mikrometrovej vlnovej dĺžky). Optické vlnové dĺžky, šíriace sa pri takýchto vysokých frekvenciách, sú prirodzene vhodné pre vysokorýchlostné širokopásmové telekomunikácie. Napríklad amplitúdová modulácia optického nosiča pri blízkej infračervenej frekvencii 300 terahertzov o 1% poskytuje prenosovú šírku pásma, ktorá prekračuje najvyššiu možnú šírku pásma koaxiálneho kábla 1 000 alebo viac.

Praktické využitie optických médií pre vysokorýchlostnú telekomunikáciu na veľké vzdialenosti vyžaduje silný svetelný lúč, ktorý je takmer monochromatický a jeho výkon je úzko koncentrovaný okolo požadovanej optickej vlnovej dĺžky. Takýto nosič by nebol možný bez vynálezu rubínového lasera, prvýkrát demonštrovaného v roku 1960, ktorý produkuje intenzívne svetlo s veľmi úzkou šírkou spektrálnej čiary procesom koherentnej stimulovanej emisie. V súčasnosti sa polovodičové injekčné laserové diódy používajú na vysokorýchlostnú diaľkovú optickú komunikáciu.

Existujú dva druhy optických kanálov: neriadený kanál voľného priestoru, v ktorom svetlo voľne šíri atmosférou, a vedený kanál optických vlákien, v ktorom sa svetlo šíri optickým vlnovodom.

Kanál voľného priestoru

Stratové mechanizmy v optickom kanáli vo voľnom priestore sú prakticky identické s mechanizmami v mikrovlnnom rádiovom kanáli s viditeľným výhľadom. Signály sú degradované divergenciou lúčov, atmosférickou absorpciou a atmosférickým rozptylom. Divergencia lúčov sa môže minimalizovať kolimáciou (paralelným) prenášaného svetla do koherentného úzkeho lúča pomocou laserového zdroja svetla pre vysielač. Straty absorpcie atmosféry sa dajú minimalizovať výberom prenosových vlnových dĺžok, ktoré ležia v jednom z „okien“ s nízkou stratou v infračervenej, viditeľnej alebo ultrafialovej oblasti. Atmosféra kladie vysoké straty absorpčná ako je optická vlnová dĺžka blíži rezonančné vlnovej dĺžky plynných zložiek, ako je kyslík (O ₂), vodnej pary (H ₂ O), oxidu uhličitého (CO ₂), a ozónu (O ₃). Za jasného dňa môže byť zoslabenie viditeľného svetla jeden decibel na kilometer alebo menej, ale významné straty rozptylom môžu byť spôsobené akoukoľvek premenlivosťou atmosférických podmienok, ako sú zákal, hmla, dážď alebo vzduch prenášaný vzduchom.

Vysoká citlivosť optických signálov na atmosférické podmienky bránila rozvoju optických spojov vo voľnom priestore pre vonkajšie prostredie. Jednoduchým a dobre známym príkladom vnútorného optického vysielača vo voľnom priestore je vreckové infračervené diaľkové ovládanie pre televízory a zvukové systémy s vysokou vernosťou. Optické systémy s voľným priestorom sú tiež dosť bežné v aplikáciách merania a diaľkového snímania, ako napríklad pri zisťovaní optického rozsahu a rýchlosti, priemyselnej kontrole kvality a laserovom výškomere (známy ako LIDAR).

Kanály z optických vlákien

Na rozdiel od prenosu drôtov, v ktorom elektrický prúd tečie cez medený vodič, sa pri prenose optických vlákien elektromagnetické (optické) pole šíri vláknom vyrobeným z nevodivého dielektrika. Kvôli vysokej šírke pásma, nízkemu útlmu, odolnosti proti rušeniu, nízkej cene a nízkej hmotnosti sa optické vlákno stáva médiom výberu pevných a vysokorýchlostných digitálnych telekomunikačných spojení. Káble z optických vlákien nahradzujú medené káble v aplikáciách na veľké vzdialenosti, ako sú napájacie a trupové časti telefónnych a káblových televíznych slučiek, a aplikácií na krátke vzdialenosti, ako sú lokálne siete (LAN) pre počítače a domáca distribúcia telefónu., televízne a dátové služby. Napríklad štandardný optický kábel Bellcore OC-48, ktorý sa používa na vytváranie kanálov digitalizovaných údajov, hlasu a videa, pracuje pri prenosovej rýchlosti až 2,4 gigabitov (2,4 miliárd binárnych číslic) za sekundu na vlákno. Je to rýchlosť postačujúca na prenos textu vo všetkých zväzkoch tlačenej encyklopédie (2 gigabity binárnych údajov) za menej ako jednu sekundu.

Komunikačné spojenie s optickými vláknami pozostáva z nasledujúcich prvkov: elektrooptický vysielač, ktorý prevádza analógové alebo digitálne informácie na modulovaný lúč svetla; vlákno nesúce svetlo, ktoré preklenuje prenosovú cestu; a optoelektronický prijímač, ktorý prevádza detekované svetlo na elektrický prúd. V prípade diaľkových spojení (viac ako 30 km alebo 20 míľ) sa obvykle na kompenzáciu útlmu výkonu signálu vyžadujú regeneračné zosilňovače. V minulosti sa bežne používali hybridné opticko-elektronické zosilňovače; tieto boli vybavené optoelektronickým prijímačom, elektronickým spracovaním signálu a elektrooptickým vysielačom na regeneráciu signálu. Dnes sú optické zosilňovače dopované erbiom využívané ako efektívne všesmerové zosilňovače.

Elektrooptické vysielače

Účinnosť elektrooptického vysielača je určená mnohými faktormi, ale najdôležitejšie sú nasledujúce: šírka spektrálnej čiary, ktorá je šírkou spektra nosiča a je nulová pre ideálny monochromatický zdroj svetla; strata vloženia, čo je množstvo prenášanej energie, ktorá sa nespája do vlákna; životnosť vysielača; a maximálna prevádzková bitová rýchlosť.

V optických vláknach sa bežne používajú dva druhy elektrooptických vysielačov - dióda emitujúca svetlo (LED) a polovodičový laser. LED je širokouhlý zdroj so širokou čiarou, ktorý sa používa pre stredne rýchle a krátke spoje, pri ktorých rozptyl svetelného lúča na vzdialenosť nie je hlavným problémom. LED je lacnejšia a má dlhšiu životnosť ako polovodičový laser. Polovodičový laser však spája svoj svetelný výkon s optickým vláknom oveľa efektívnejšie ako LED, čo ho robí vhodnejším pre dlhšie rozpätia a má tiež rýchlejší čas nábehu, čo umožňuje vyššie rýchlosti prenosu dát. K dispozícii sú laserové diódy, ktoré pracujú pri vlnových dĺžkach v blízkosti 0,85, 1,3 a 1,5 mikrometrov a majú šírku spektrálnej čiary menšiu ako 0,003 mikrometra. Sú schopné prenášať rýchlosťou viac ako 10 gigabitov za sekundu. Existujú LED diódy, ktoré sú schopné prevádzky v širšom rozsahu vlnových dĺžok nosných, ale vo všeobecnosti majú vyššie vložené straty a šírku čiar väčšiu ako 0,035 mikrometrov.

Optoelektronické prijímače

Dva najbežnejšie druhy optoelektronických prijímačov pre optické spojenia sú fotodióda s pozitívnou vnútornou negatívou (PIN) a lavínová fotodióda (APD). Tieto optické prijímače extrahujú signál v základnom pásme z modulovaného signálu optického nosiča prevádzaním dopadajúcej optickej energie na elektrický prúd. Fotodióda PIN má nízky zisk, ale veľmi rýchlu reakciu; APD má vysoký zisk, ale pomalšiu reakciu.