Optische transmissie
Optische communicatie maakt gebruik van een bundel gemoduleerd monochromatisch licht om informatie van zender naar ontvanger te transporteren. Het lichtspectrum omvat een enorm aantal in het elektromagnetische spectrum, die zich vanaf het gebied van 10 terahertz (10 4 Gigahertz) tot 1.000.000 terahertz (10 9gigahertz). Dit frequentiebereik bestrijkt in wezen het spectrum van ver infrarood (golflengte van 0,3 mm) via al het zichtbare licht tot bijna ultraviolet (golflengte van 0,0003 micrometer). Voortplantend bij zulke hoge frequenties, zijn optische golflengten van nature geschikt voor snelle breedbandtelecommunicatie. Zo levert amplitudemodulatie van een optische drager bij de nabij-infraroodfrequentie van 300 terahertz met slechts 1 procent een transmissiebandbreedte op die de hoogst beschikbare coaxiale kabelbandbreedte met een factor 1.000 of meer overschrijdt.
Praktische exploitatie van optische media voor snelle telecommunicatie over grote afstanden vereist een sterke lichtstraal die bijna monochromatisch is, het vermogen ervan is nauw geconcentreerd rond een gewenste optische golflengte. Een dergelijke drager zou niet mogelijk zijn geweest zonder de uitvinding van de robijnrode laser, voor het eerst gedemonstreerd in 1960, die intens licht produceert met een zeer smalle spectrale lijnbreedte door het proces van coherente gestimuleerde emissie. Tegenwoordig worden halfgeleiderinjectielaserdiodes gebruikt voor snelle optische communicatie over lange afstanden.
Er bestaan twee soorten optische kanalen: het niet-geleide vrije-ruimtekanaal, waar licht zich vrijelijk door de atmosfeer voortplant, en het geleide optische-vezelkanaal, waar licht zich voortplant door een optische golfgeleider.
Het kanaal voor vrije ruimte
De verliesmechanismen in een optisch kanaal met vrije ruimte zijn vrijwel identiek aan die in een microgolfradiokanaal in het zicht. Signalen worden verslechterd door bundeldivergentie, atmosferische absorptie en atmosferische verstrooiing. De bundeldivergentie kan worden geminimaliseerd door het doorgelaten licht te collimeren (parallel te maken) tot een coherente smalle bundel door een laserlichtbron voor een zender te gebruiken. Atmosferische absorptieverliezen kunnen tot een minimum worden beperkt door transmissiegolflengten te kiezen die in een van de verliesarme "vensters" in het infrarode, zichtbare of ultraviolette gebied liggen. De atmosfeer legt grote absorptieverliezen op naarmate de optische golflengte de resonantiegolflengten van gasvormige bestanddelen zoals zuurstof (O 2), waterdamp (H 2 O), kooldioxide (CO 2) en ozon (O 3) nadert. Op een heldere dag mag de verzwakking van zichtbaar licht één decibel per kilometer of minder bedragen, maar aanzienlijke verstrooiingsverliezen kunnen worden veroorzaakt door elke variabiliteit in atmosferische omstandigheden, zoals nevel, mist, regen of stof in de lucht.
De hoge gevoeligheid van optische signalen voor atmosferische omstandigheden heeft de ontwikkeling van vrije ruimte optische verbindingen voor buitenomgevingen belemmerd. Een eenvoudig en bekend voorbeeld van een optische zender voor vrije ruimte binnenshuis is de handbediende infraroodafstandsbediening voor televisie en hifi-audiosystemen. Optische systemen met vrije ruimte komen ook veel voor bij metingen en teledetectietoepassingen, zoals optische afstandsbepaling en snelheidsbepaling, industriële kwaliteitscontrole en laseraltimetrie-radar (bekend als LIDAR).
Glasvezelkanalen
In tegenstelling tot draadtransmissie, waarbij een elektrische stroom door een koperen geleider stroomt, propageert bij transmissie van optische vezels een elektromagnetisch (optisch) veld door een vezel die is gemaakt van een niet-geleidend diëlektricum. Vanwege zijn hoge bandbreedte, lage demping, storingsimmuniteit, lage kosten en laag gewicht, wordt optische vezel het medium bij uitstek voor vaste, snelle digitale telecommunicatieverbindingen. Glasvezelkabels verdringen koperdraadkabels in toepassingen voor lange afstanden, zoals de feeder- en trunkdelen van telefoon- en kabeltelevisielussen, en toepassingen voor korte afstanden, zoals lokale netwerken (LAN's) voor computers en thuisdistributie van telefoons, televisie en datadiensten. Zo werkt de standaard Bellcore OC-48 optische kabel, die wordt gebruikt voor het bundelen van gedigitaliseerde gegevens-, spraak- en videosignalen, met een transmissiesnelheid van maximaal 2,4 gigabit (2,4 miljard binaire cijfers) per seconde per vezel. Dit is een snelheid die voldoende is om de tekst in minder dan een seconde in alle delen van de gedrukte Encyclopædia (2 gigabit binaire gegevens) over te dragen.
Een glasvezelcommunicatieverbinding bestaat uit de volgende elementen: een elektro-optische zender, die analoge of digitale informatie omzet in een gemoduleerde lichtstraal; een lichtdragende vezel die het transmissiepad overspant; en een opto-elektronische ontvanger, die gedetecteerd licht omzet in een elektrische stroom. Voor langeafstandsverbindingen (meer dan 30 km of 20 mijl) zijn meestal regeneratieve repeaters nodig om de verzwakking van het signaalvermogen te compenseren. In het verleden werden vaak hybride optisch-elektronische repeaters gebruikt; deze bevatten een opto-elektronische ontvanger, elektronische signaalverwerking en een elektro-optische zender voor het regenereren van het signaal. Tegenwoordig worden erbium-gedoteerde optische versterkers gebruikt als efficiënte, volledig optische repeaters.
Elektro-optische zenders
De efficiëntie van een elektro-optische zender wordt bepaald door vele factoren, maar de belangrijkste zijn: spectraallijnbreedte, dat is de breedte van het draaggolfspectrum en is nul voor een ideale monochromatische lichtbron; invoegverlies, dat is de hoeveelheid overgedragen energie die niet in de vezel wordt gekoppeld; levensduur van de zender; en maximale werkende bitsnelheid.
Twee soorten elektro-optische zenders worden vaak gebruikt in glasvezelverbindingen: de lichtgevende diode (LED) en de halfgeleiderlaser. De LED is een lichtbron met een brede lijnbreedte die wordt gebruikt voor verbindingen met gemiddelde snelheid en korte overspanning, waarbij verspreiding van de lichtbundel over afstand geen groot probleem is. De LED is goedkoper en heeft een langere levensduur dan de halfgeleiderlaser. De halfgeleiderlaser koppelt zijn lichtopbrengst echter veel efficiënter aan de optische vezel dan de LED, waardoor hij geschikter is voor langere overspanningen, en hij heeft ook een snellere 'stijgtijd', waardoor hogere datatransmissiesnelheden mogelijk zijn. Er zijn laserdiodes beschikbaar die werken op golflengten in de buurt van 0,85, 1,3 en 1,5 micrometer en een spectrale lijnbreedte hebben van minder dan 0,003 micrometer. Ze kunnen zenden met meer dan 10 gigabit per seconde. Er bestaan LED's die kunnen werken over een breder bereik van draaggolflengten, maar ze hebben over het algemeen hogere invoegverliezen en lijnbreedtes van meer dan 0,035 micrometer.
Opto-elektronische ontvangers
De twee meest voorkomende soorten opto-elektronische ontvangers voor optische verbindingen zijn de positief-intrinsiek-negatieve (PIN) fotodiode en de lawinefotodiode (APD). Deze optische ontvangers halen het basisbandsignaal uit een gemoduleerd optisch draaggolfsignaal door het invallende optische vermogen om te zetten in elektrische stroom. De PIN-fotodiode heeft een lage versterking maar een zeer snelle respons; de APD heeft een hoge winst, maar een tragere respons.
