Transmissió òptica
La comunicació òptica utilitza un feix de llum monocromàtica modulada per transportar informació des d’emissor fins a receptor. L’espectre lluminós abasta un enorme rang de l’espectre electromagnètic, que s’estén des de la regió de 10 terahertz (10 4 gigahertz) fins a un milió de terahertz (10 9gigahertz). Aquest rang de freqüències cobreix essencialment l’espectre des d’infrarojos extrems (longitud d’ona de 0,3 mm) a través de tota la llum visible fins a ultraviolada (longitud d’ona de 0,0003 micrometres). Propagant a aquestes freqüències tan altes, les longituds d'ona òptiques són adequades de manera natural per a les telecomunicacions de banda ampla d'alta velocitat. Per exemple, la modulació d’amplitud d’un portador òptic a la freqüència d’infraroig gairebé de 300 terahertz amb un 1 per cent produeix una amplada de banda de transmissió que supera el màxim de banda de cable coaxial disponible per un factor de 1.000 o més.
L’explotació pràctica de suports òptics per a telecomunicacions d’alta velocitat a grans distàncies requereix un fort feix de llum gairebé monocromàtic, la seva potència estretament concentrada al voltant d’una longitud d’ona òptica desitjada. Aquest transportista no hauria estat possible sense la invenció del làser rubí, demostrat per primera vegada el 1960, que produeix una llum intensa amb una amplada de línia espectral molt estreta mitjançant el procés d’emissió estimulada coherent. Avui en dia, els diodes làser d'injecció de semiconductors s'utilitzen per a la comunicació òptica d'alta velocitat i de llarga distància.
Existeixen dos tipus de canals òptics: el canal d'espai lliure sense guia, on la llum es propaga lliurement a través de l'atmosfera i el canal de fibra òptica guiat, on la llum es propaga a través d'una guia d'ona òptica.
El canal d’espai lliure
Els mecanismes de pèrdua en un canal òptic d’espai lliure són pràcticament idèntics als d’un canal de ràdio de microones lineals. Els senyals es degraden per divergència de feixos, absorció atmosfèrica i dispersió atmosfèrica. La divergència del feix es pot minimitzar col·limant (fent paral·lel) la llum transmesa en un feix estret coherent mitjançant l'ús d'una font de llum làser per a un transmissor. Es poden minimitzar les pèrdues d’absorció atmosfèrica escollint les longituds d’ona de transmissió que es troben en un dels “finestres” de baixa pèrdua de la regió d’infrarojos, visibles o ultraviolats. L’atmosfera imposa pèrdues d’absorció elevades a mesura que la longitud d’ona òptica s’acosta a les longituds d’ona de ressonància de components constituents gasosos com l’oxigen (O 2), el vapor d’aigua (H 2 O), el diòxid de carboni (CO 2) i l’ozó (O 3). En un dia clar, l'atenuació de la llum visible pot ser d'un decibe per quilòmetre o menys, però es poden produir pèrdues de dispersió significatives per qualsevol variabilitat en les condicions atmosfèriques, com ara la boira, la boira, la pluja o la pols de l'aire.
L’elevada sensibilitat dels senyals òptics a les condicions atmosfèriques ha obstaculitzat el desenvolupament d’enllaços òptics d’espai lliure per a entorns exteriors. Un exemple senzill i familiar d’un transmissor òptic d’espai lliure interior és el comandament a distància amb infrarojos de mà de televisió i sistemes d’àudio d’alta fidelitat. Els sistemes òptics d’espai lliure també són molt habituals en aplicacions de mesurament i teledetecció, com ara la cerca d’àmplies òptiques i la determinació de la velocitat, el control de qualitat industrial i el radar d’altimetria làser (conegut com a LIDAR).
Canals de fibra òptica
A diferència de la transmissió de filferro, en què un corrent elèctric flueix a través d’un conductor de coure, en la transmissió de fibra òptica un camp electromagnètic (òptic) es propaga a través d’una fibra feta d’un dielèctric no conductor. A causa de la seva gran amplada de banda, baixa atenuació, immunitat per interferències, baix cost i pes lleuger, la fibra òptica s'ha convertit en el mitjà de tria per als enllaços de telecomunicacions digitals d'alta velocitat fixos. Els cables de fibra òptica suplanten cables de coure de coure tant en aplicacions de llarga distància, com les porcions d'alimentació i tronc de bucles de televisió per cable i de televisió, com en aplicacions de curta distància, com ara xarxes d'àrea local (LAN) per a ordinadors i distribució domèstica del telèfon., televisió i serveis de dades. Per exemple, el cable òptic Bellcore OC-48 estàndard, utilitzat per al trunking de dades digitalitzades, de veu i de senyals de vídeo, funciona amb una velocitat de transmissió de fins a 2,4 gigabits (2,4 bilions de dígits binaris) per segon per fibra. Aquesta és una velocitat suficient per transmetre el text a tots els volums de l'Encyclopædia impresa (2 gigabits de dades binàries) en menys d'un segon.
Un enllaç de comunicacions de fibra òptica consta dels següents elements: un transmissor electro-òptic, que converteix informació analògica o digital en un feix de llum modulat; una fibra portadora de llum, que abasta la ruta de transmissió; i un receptor optoelectrònic, que converteix la llum detectada en corrent elèctric. Per als enllaços de llarga distància (superiors a 30 km o 20 milles), normalment es requereixen repetidors regeneradors per compensar l’atenuació de la potència del senyal. En el passat, es feien servir repetidors òptics-electrònics híbrids; aquests comptaven amb un receptor optoelectrònic, processament electrònic del senyal i un transmissor electro-òptic per a la regeneració del senyal. Avui, els amplificadors òptics dopats amb erbium s'utilitzen repetidors òptics completament òptics.
Emissors electro-òptics
L’eficiència d’un transmissor electro-òptic està determinada per molts factors, però els més importants són els següents: amplada de línia espectral, que és l’amplada de l’espectre portador i és zero per a una font de llum monocromàtica ideal; pèrdua d’inserció, que és la quantitat d’energia transmesa que no s’uneix a la fibra; durada de vida del transmissor; i la velocitat màxima de bits operativa.
En els enllaços de fibra òptica s'utilitzen dos tipus de transmissors electroòptics: el díode emissor de llum (LED) i el làser de semiconductor. El LED és una font de llum d'amplada de línia gran que s'utilitza per als enllaços de velocitat mitjana i de curta durada en què la dispersió del feix de llum a distància no és un problema important. El LED té un cost inferior i té una vida útil més llarga que el làser semiconductor. Tot i això, el làser semiconductor combina la seva llum amb la fibra òptica molt més eficaç que el LED, fent-la més adequada per a llargades i, a més, té un temps de “pujada” més ràpid, permetent taxes de transmissió de dades més elevades. Hi ha disponibles diodes làser que funcionen a longituds d'ona a 0,85, 1,3 i 1,5 micròmetres i tenen amplades de línia espectral inferiors a 0,003 micromètres. Són capaços de transmetre a més de 10 gigabits per segon. Existeixen LED capaços de funcionar en un rang més ampli de longituds d'ona del portador, però generalment tenen pèrdues d'inserció més elevades i amplades de línia superiors a 0,035 micromètres.
Receptors optoelectrònics
Els dos tipus més habituals de receptors optoelectrònics per a enllaços òptics són el fotodiode intrínsec-negatiu (PIN) positiu i el fotodiode d'allaus (APD). Aquests receptors òptics extreuen el senyal de banda base d’un senyal portador òptic modulat convertint la potència òptica incident en corrent elèctric. El fotodíode PIN té un guany baix però una resposta molt ràpida; l’APD té un guany elevat però una resposta més lenta.
