Optische Übertragung
Bei der optischen Kommunikation wird ein Strahl modulierten monochromatischen Lichts verwendet, um Informationen vom Sender zum Empfänger zu übertragen. Das Lichtspektrum erstreckt sich über einen enormen Bereich im elektromagnetischen Spektrum und reicht von 10 Terahertz (10 4 Gigahertz) bis 1 Million Terahertz (10 9)Gigahertz). Dieser Frequenzbereich deckt im Wesentlichen das Spektrum vom fernen Infrarot (0,3 mm Wellenlänge) über das gesamte sichtbare Licht bis zum nahen Ultraviolett (0,0003 Mikrometer Wellenlänge) ab. Optische Wellenlängen, die sich bei solch hohen Frequenzen ausbreiten, sind natürlich für die Hochgeschwindigkeits-Breitbandtelekommunikation geeignet. Beispielsweise ergibt eine Amplitudenmodulation eines optischen Trägers bei einer Frequenz im nahen Infrarot von 300 Terahertz von nur 1 Prozent eine Übertragungsbandbreite, die die höchste verfügbare Koaxialkabelbandbreite um einen Faktor von 1.000 oder mehr übersteigt.
Die praktische Nutzung optischer Medien für die Hochgeschwindigkeitstelekommunikation über große Entfernungen erfordert einen starken Lichtstrahl, der nahezu monochromatisch ist und dessen Leistung eng um eine gewünschte optische Wellenlänge konzentriert ist. Ein solcher Träger wäre ohne die Erfindung des erstmals 1960 demonstrierten Rubinlasers nicht möglich gewesen, der durch den Prozess der kohärenten stimulierten Emission intensives Licht mit sehr enger spektraler Linienbreite erzeugt. Heutzutage werden Halbleiterinjektionslaserdioden für die optische Hochgeschwindigkeitskommunikation über große Entfernungen verwendet.
Es gibt zwei Arten von optischen Kanälen: den ungeleiteten Freiraumkanal, in dem sich Licht frei durch die Atmosphäre ausbreitet, und den geführten Lichtleiterkanal, in dem sich Licht durch einen optischen Wellenleiter ausbreitet.
Der Freiraumkanal
Die Verlustmechanismen in einem optischen Freiraumkanal sind praktisch identisch mit denen in einem Mikrowellenfunkkanal mit Sichtverbindung. Die Signale werden durch Strahldivergenz, atmosphärische Absorption und atmosphärische Streuung verschlechtert. Die Strahldivergenz kann minimiert werden, indem das durchgelassene Licht unter Verwendung einer Laserlichtquelle für einen Sender zu einem kohärenten schmalen Strahl kollimiert (parallel gemacht) wird. Atmosphärische Absorptionsverluste können minimiert werden, indem Transmissionswellenlängen gewählt werden, die in einem der verlustarmen „Fenster“ im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Bereich liegen. Die Atmosphäre verursacht hohe Absorptionsverluste, wenn sich die optische Wellenlänge den Resonanzwellenlängen gasförmiger Bestandteile wie Sauerstoff (O 2), Wasserdampf (H 2 O), Kohlendioxid (CO 2) und Ozon (O 3) nähert. An einem klaren Tag kann die Dämpfung des sichtbaren Lichts ein Dezibel pro Kilometer oder weniger betragen. Erhebliche Streuverluste können jedoch durch Schwankungen der atmosphärischen Bedingungen wie Dunst, Nebel, Regen oder Staub in der Luft verursacht werden.
Die hohe Empfindlichkeit optischer Signale gegenüber atmosphärischen Bedingungen hat die Entwicklung optischer Freiraumverbindungen für Außenumgebungen behindert. Ein einfaches und bekanntes Beispiel für einen optischen Freiraumsender in Innenräumen ist die tragbare Infrarot-Fernbedienung für Fernseh- und High-Fidelity-Audiosysteme. Optische Freiraumsysteme sind auch in Mess- und Fernerkundungsanwendungen wie der optischen Entfernungsmessung und Geschwindigkeitsbestimmung, der industriellen Qualitätskontrolle und dem Laseraltimetrieradar (bekannt als LIDAR) weit verbreitet.
Glasfaserkanäle
Im Gegensatz zur Drahtübertragung, bei der ein elektrischer Strom durch einen Kupferleiter fließt, breitet sich bei der Glasfaserübertragung ein elektromagnetisches (optisches) Feld durch eine Faser aus einem nichtleitenden Dielektrikum aus. Aufgrund seiner hohen Bandbreite, geringen Dämpfung, Störfestigkeit, geringen Kosten und seines geringen Gewichts wird Glasfaser zum Medium der Wahl für feste digitale Hochgeschwindigkeits-Telekommunikationsverbindungen. Glasfaserkabel ersetzen Kupferdrahtkabel sowohl bei Fernanwendungen wie den Einspeisungs- und Amtsleitungsabschnitten von Telefon- und Kabelfernsehschleifen als auch bei Kurzstreckenanwendungen wie LANs (Local Area Networks) für Computer und die Heimverteilung von Telefonen, Fernsehen und Datendienste. Beispielsweise arbeitet das optische Standardkabel Bellcore OC-48, das zum Trunking von digitalisierten Daten-, Sprach- und Videosignalen verwendet wird, mit einer Übertragungsrate von bis zu 2,4 Gigabit (2,4 Milliarden Binärziffern) pro Sekunde und Faser. Dies ist eine Rate, die ausreicht, um den Text in weniger als einer Sekunde in allen Bänden der gedruckten Enzyklopädie (2 Gigabit Binärdaten) zu übertragen.
Eine Glasfaserkommunikationsverbindung besteht aus den folgenden Elementen: einem elektrooptischen Sender, der analoge oder digitale Informationen in einen modulierten Lichtstrahl umwandelt; eine lichttragende Faser, die den Übertragungsweg überspannt; und einen optoelektronischen Empfänger, der detektiertes Licht in elektrischen Strom umwandelt. Bei Fernverbindungen (größer als 30 km oder 20 Meilen) sind normalerweise regenerative Repeater erforderlich, um die Dämpfung der Signalleistung auszugleichen. In der Vergangenheit wurden üblicherweise hybride optisch-elektronische Repeater eingesetzt; Diese enthielten einen optoelektronischen Empfänger, eine elektronische Signalverarbeitung und einen elektrooptischen Sender zur Regeneration des Signals. Heute werden erbiumdotierte optische Verstärker als effiziente rein optische Repeater eingesetzt.
Elektrooptische Sender
Die Effizienz eines elektrooptischen Senders wird von vielen Faktoren bestimmt, aber die wichtigsten sind die folgenden: Spektrallinienbreite, die die Breite des Trägerspektrums ist und für eine ideale monochromatische Lichtquelle Null ist; Einfügungsverlust, dh die Menge der übertragenen Energie, die nicht in die Faser eingekoppelt wird; Senderlebensdauer; und maximale Betriebsbitrate.
Zwei Arten von elektrooptischen Sendern werden üblicherweise in Glasfaserverbindungen verwendet - die Leuchtdiode (LED) und der Halbleiterlaser. Die LED ist eine Lichtquelle mit breiter Linienbreite, die für Verbindungen mit mittlerer Geschwindigkeit und kurzer Spannweite verwendet wird, bei denen die Streuung des Lichtstrahls über die Entfernung kein großes Problem darstellt. Die LED ist kostengünstiger und hat eine längere Lebensdauer als der Halbleiterlaser. Der Halbleiterlaser koppelt seine Lichtleistung jedoch viel effizienter an die optische Faser als die LED, wodurch er für längere Zeiträume besser geeignet ist, und hat auch eine schnellere Anstiegszeit, was höhere Datenübertragungsraten ermöglicht. Es sind Laserdioden erhältlich, die bei Wellenlängen in der Nähe von 0,85, 1,3 und 1,5 Mikrometern arbeiten und spektrale Linienbreiten von weniger als 0,003 Mikrometern aufweisen. Sie können mit über 10 Gigabit pro Sekunde senden. Es gibt LEDs, die über einen breiteren Bereich von Trägerwellenlängen betrieben werden können, sie weisen jedoch im Allgemeinen höhere Einfügungsverluste und Linienbreiten von mehr als 0,035 Mikrometer auf.
Optoelektronische Empfänger
Die beiden häufigsten Arten von optoelektronischen Empfängern für optische Verbindungen sind die Positiv-Intrinsisch-Negativ-Fotodiode (PIN) und die Avalanche-Fotodiode (APD). Diese optischen Empfänger extrahieren das Basisbandsignal aus einem modulierten optischen Trägersignal, indem sie einfallende optische Leistung in elektrischen Strom umwandeln. Die PIN-Fotodiode hat eine geringe Verstärkung, reagiert jedoch sehr schnell. Die APD hat eine hohe Verstärkung, reagiert jedoch langsamer.
