שידור אופטי
תקשורת אופטית מעסיקה קרן אור מונוכרומטית מודולרית בכדי להעביר מידע מהמשדר למקלט. ספקטרום האור מתפרסת על פני טווח עצום של הספקטרום האלקטרומגנטי, הארכת מאזור 10 terahertz (10 4 גיגה הרץ) 1 מיליון terahertz (10 9גיגהארץ). תחום תדרים זה מכסה למעשה את הספקטרום מאינפרא אדום רחוק (אורך גל של 0.3 מ"מ) דרך כל האור הנראה עד כמעט אולטרה סגול (אורך גל של 0.0003 מיקרומטר). אורכי הגל האופטי, המפיצים בתדרים כה גבוהים, מתאימים באופן טבעי לטלקומוניקציה בפס רחב. לדוגמה, אפנון משרעת של מנשא אופטי בתדר האינפרא אדום הקרוב של 300 טרהרץ בכמעט אחוז אחד מניב רוחב פס העברה העולה על רוחב הפס הגבוה של הכבלים הקואקסיאליים בגודל של 1,000 ומעלה.
ניצול מעשי של מדיה אופטית לטלקומוניקציה במהירות גבוהה על פני מרחקים גדולים דורש קרן אור חזקה שכמעט מונוכרומטית, וכוחה מתרכז בצמצום סביב אורך גל אופטי רצוי. נשא כזה לא היה אפשרי ללא המצאת לייזר האודם, שהודגם לראשונה בשנת 1960, המייצר אור עז עם רוחב קו ספקטרלי צר מאוד על ידי תהליך פליטה מעוררת קוהרנטית. כיום משמשות דיודות לייזר הזרקת מוליכים למחצה לתקשורת אופטית במהירות גבוהה ומרוחקת.
קיימים שני סוגים של ערוצים אופטיים: ערוץ המרחב החופשי הבלתי מודרך, בו האור מתפשט בחופשיות דרך האטמוספרה, ותעלת הסיבים האופטיים המודרכים, שם האור מתפשט דרך מוליך גל אופטי.
ערוץ המרחב הפנוי
מנגנוני האובדן בערוץ אופטי בחלל הפנוי זהים כמעט לחלוטין לאלה בערוץ רדיו מיקרוגל קווי ראייה. האותות מבוטלים על ידי התבדלות קרניים, קליטה אטמוספרית ופיזור אטמוספרי. ניתן למזער את הסטיות הקורה על ידי התנגשות (מקבילה) של האור המועבר לקורה צרה קוהרנטית באמצעות מקור אור לייזר עבור משדר. ניתן למזער את הפסדי הספיגה האטמוספרית על ידי בחירת אורכי גל העברה שנמצאים באחד מ"חלונות "האובדן הנמוך באזור האינפרא אדום, הנראה או האולטרה סגול. האטמוספירה מטילה הפסדי ספיגה גבוהים ככל שאורך הגל האופטי מתקרב לאורכי הגל התהודה של המרכיבים הגזים כמו חמצן (O 2), אדי מים (H 2 O), דו תחמוצת הפחמן (CO 2) ואוזון (O 3). ביום בהיר הנחתת האור הנראה עשויה להיות דציביב אחד לקילומטר או פחות, אך אבידות פיזור משמעותיות יכולות להיגרם כתוצאה מכל שינוי בתנאים אטמוספריים, כמו אובך, ערפל, גשם או אבק מוטס.
הרגישות הגבוהה של אותות אופטיים לתנאים אטמוספריים הפריעה פיתוח קישורים אופטיים מרחב חופשי לסביבות בחוץ. דוגמה פשוטה ומוכרת למשדר אופטי בחלל הפנוי הוא השלט הרחוק האינפרא אדום כף יד לטלוויזיה ומערכות שמע נאמנות גבוהה. מערכות אופטיות בחלל הפנוי הן גם נפוצות למדי ביישומי מדידה וחישה מרחוק, כגון מציאת טווח אופטי וקביעת מהירות, בקרת איכות תעשייתית ורדאר לייזר לגלישה (המכונה LIDAR).
תעלות סיבים אופטיים
בניגוד להולכת חוט, בה זרם חשמלי זורם במוליך נחושת, בהעברת סיבים אופטיים שדה אלקטרומגנטי (אופטי) מתפשט דרך סיב העשוי מדיאלקטרי שאינו מוליך. בגלל רוחב הפס הגבוה, הניכוי הנמוך, חסינות הפרעות, עלות נמוכה ומשקל קל, סיבים אופטיים הופכים למדיום הבחירה לקישורי טלקומוניקציה דיגיטליים קבועים ומהירים. כבלי סיבים אופטיים מחליפים כבלי חוטי נחושת בשני יישומים למרחקים ארוכים, כמו חלקי המזין והתא המטען של לולאות טלוויזיה וכבלים, ויישומים למרחקים קצרים, כגון רשתות מקומיות (LAN) למחשבים והפצה ביתית של טלפון שירותי טלוויזיה, נתונים ומידע. לדוגמה, הכבל האופטי Bellcore OC-48, המשמש לגיזום אותות נתונים, קול ווידאו דיגיטליים, פועל בקצב שידור של עד 2.4 ג'יגה-ביט (2.4 מיליארד ספרות בינאריות) לשנייה לכל סיב. זהו שיעור המספיק להעברת הטקסט בכל אמצעי האחסון של האנציקלופדיה המודפסת (2 ג'יגה-נתונים של נתונים בינאריים) תוך פחות משנייה.
קישור לתקשורת של סיבים אופטיים מורכב מהאלמנטים הבאים: משדר אלקטרו-אופטי, הממיר מידע אנלוגי או דיגיטלי לקרן אור מווסתת; סיב הנושא אור, המשתרע על נתיב ההולכה; ומקלט אלקטרו-אופטי, הממיר אור מזוהה לזרם חשמלי. בקישורים למרחקים ארוכים (יותר מ -30 ק"מ, או 20 מיילים), בדרך כלל נדרשים מהדרכי התחדשות כדי לקזז את ההנחתה של עוצמת האות. בעבר פעלו בדרך כלל משחזרים אופטיים אלקטרוניים היברידיים; אלה הציגו מקלט אופטו, עיבוד אותות אלקטרוניים ומשדר אלקטרו-אופטי לחידוש האות. כיום, מגברים אופטיים מסוממים עם Erbium משמשים כמתחזרים כל-אופטיים יעילים.
משדרים אלקטרו-אופטיים
היעילות של משדר אלקטרו-אופטי נקבעת על ידי גורמים רבים, אך החשובים ביותר הם הבאים: רוחב קו ספקטרלי, שהוא רוחב ספקטרום המנשא ואפס למקור אור מונוכרומטי אידיאלי; אובדן הכנסה, שהוא כמות האנרגיה המועברת שאינה מתאימה לסיב; חיי משדר; וקצב סיביות מקסימאלי להפעלה.
בדרך כלל משתמשים בשני סוגים של משדרים אלקטרו-אופטי בקישורי סיבים אופטיים - הדיודה פולטת האור (LED) והלייזר המוליכים למחצה. נורת הלד הינה מקור אור רחב רוחב המשמש לקישורים במהירות בינונית ובטווח קצר בהם פיזור קרן האור על פני המרחק אינו מהווה בעיה מרכזית. נורת הלד נמוכה בעלות ויש לה אורך חיים ארוך יותר מאשר לייזר המוליכים למחצה. עם זאת, לייזר המוליכים למחצה מקשר את תפוקת האור שלו לסיב האופטי ביעילות רבה יותר מאשר לד, מה שהופך אותו מתאים יותר לטווחים ארוכים יותר, ויש לו גם זמן "עלייה" מהיר יותר, המאפשר שיעורי העברת נתונים גבוהים יותר. קיימות דיודות לייזר הפועלות באורכי גל בסמיכות 0.85, 1.3 ו 1.5 מיקרומטר, ורוחב קווי הקשת שלהן נמוך מ- 0.003 מיקרומטר. הם מסוגלים להעביר מעל 10 ג'יגה-ביט לשנייה. קיימות נוריות LED המסוגלות לפעול בטווח רחב יותר של אורכי גל של מנשא, אך בדרך כלל יש להן הפסדי הכנסה גדולים יותר ורוחב קווי קו העולים על 0.035 מיקרומטר.
מקלטים אופטיים
שני הסוגים הנפוצים ביותר של מקלטים אופטואלקטריים לקישורים אופטיים הם פוטודיוד חיובי-מהותי-שלילי (PIN) ופוטודיוד המפולת (APD). מקלטים אופטיים אלה מחלצים את אות מעקה הבסיס מאותות מוביל אופטי מותאם על ידי המרת כוח אופטי מקרי לזרם חשמלי. פוטודיוד ה- PIN בעל רווח נמוך אך מהיר מאוד; ל- APD יש רווח גבוה אך איטי יותר.
