Trasmissione ottica
La comunicazione ottica impiega un raggio di luce monocromatica modulata per trasportare informazioni dal trasmettitore al ricevitore. Lo spettro della luce abbraccia una gamma enorme nello spettro elettromagnetico, che si estende dalla regione di 10 terahertz (10 4 gigahertz) a 1 milione di terahertz (10 9gigahertz). Questa gamma di frequenza copre essenzialmente lo spettro dall'infrarosso lontano (lunghezza d'onda di 0,3 mm) attraverso tutta la luce visibile al vicino ultravioletto (lunghezza d'onda di 0,0003 micrometri). Propagando a frequenze così elevate, le lunghezze d'onda ottiche sono naturalmente adatte per le telecomunicazioni a banda larga ad alta velocità. Ad esempio, la modulazione di ampiezza di un vettore ottico alla frequenza del vicino infrarosso di 300 terahertz di appena l'1% produce una larghezza di banda di trasmissione che supera la larghezza di banda del cavo coassiale più alta disponibile di un fattore pari o superiore a 1.000.
Lo sfruttamento pratico dei supporti ottici per la telecomunicazione ad alta velocità su grandi distanze richiede un forte fascio di luce quasi monocromatico, la cui potenza si concentra strettamente attorno alla lunghezza d'onda ottica desiderata. Un tale vettore non sarebbe stato possibile senza l'invenzione del laser rubino, dimostrato per la prima volta nel 1960, che produce una luce intensa con una larghezza della linea spettrale molto stretta mediante il processo di emissione stimolata coerente. Oggi, i diodi laser a iniezione a semiconduttore vengono utilizzati per comunicazioni ottiche ad alta velocità e lunghe distanze.
Esistono due tipi di canali ottici: il canale di spazio libero non guidato, dove la luce si propaga liberamente attraverso l'atmosfera, e il canale di fibra ottica guidato, dove la luce si propaga attraverso una guida d'onda ottica.
Il canale dello spazio libero
I meccanismi di perdita in un canale ottico dello spazio libero sono praticamente identici a quelli di un canale radio a microonde in linea di vista. I segnali sono degradati dalla divergenza del raggio, dall'assorbimento atmosferico e dalla dispersione atmosferica. La divergenza del raggio può essere minimizzata collimando (rendendo parallelo) la luce trasmessa in un fascio stretto coerente usando una sorgente di luce laser per un trasmettitore. Le perdite di assorbimento atmosferico possono essere ridotte al minimo scegliendo le lunghezze d'onda di trasmissione che si trovano in una delle "finestre" a bassa perdita nella regione a infrarossi, visibile o ultravioletta. L'atmosfera impone elevate perdite di assorbimento quando la lunghezza d'onda ottica si avvicina alle lunghezze d'onda risonanti di componenti gassosi come ossigeno (O 2), vapore acqueo (H 2 O), anidride carbonica (CO 2) e ozono (O 3). In una giornata limpida l'attenuazione della luce visibile può essere di un decibel per chilometro o meno, ma perdite di dispersione significative possono essere causate da qualsiasi variabilità delle condizioni atmosferiche, come foschia, nebbia, pioggia o polvere dispersa nell'aria.
L'elevata sensibilità dei segnali ottici alle condizioni atmosferiche ha ostacolato lo sviluppo di collegamenti ottici nello spazio libero per ambienti esterni. Un esempio semplice e familiare di un trasmettitore ottico da spazio libero interno è il telecomando a infrarossi portatile per la televisione e i sistemi audio ad alta fedeltà. I sistemi ottici nello spazio libero sono anche abbastanza comuni nelle applicazioni di misurazione e telerilevamento, come il rilevamento della portata ottica e la determinazione della velocità, il controllo di qualità industriale e il radar laser per altimetria (noto come LIDAR).
Canali in fibra ottica
Contrariamente alla trasmissione del filo, in cui una corrente elettrica fluisce attraverso un conduttore di rame, nella trasmissione di fibre ottiche un campo elettromagnetico (ottico) si propaga attraverso una fibra costituita da un dielettrico non conduttore. A causa della sua elevata larghezza di banda, bassa attenuazione, immunità alle interferenze, basso costo e leggerezza, la fibra ottica sta diventando il mezzo di scelta per i collegamenti di telecomunicazioni digitali fissi e ad alta velocità. I cavi in fibra ottica stanno soppiantando i cavi in filo di rame in entrambe le applicazioni a lunga distanza, come l'alimentatore e le parti del bagagliaio dei circuiti telefonici e televisivi via cavo, e le applicazioni a breve distanza, come le reti locali (LAN) per computer e la distribuzione domestica del telefono, televisione e servizi dati. Ad esempio, il cavo ottico Bellcore OC-48 standard, utilizzato per il trunking di dati digitali, segnali vocali e video, opera a una velocità di trasmissione fino a 2,4 gigabit (2,4 miliardi di cifre binarie) al secondo per fibra. Questa velocità è sufficiente per trasmettere il testo in tutti i volumi dell'Enciclopedia stampata (2 gigabit di dati binari) in meno di un secondo.
Un collegamento di comunicazione in fibra ottica è costituito dai seguenti elementi: un trasmettitore elettro-ottico, che converte informazioni analogiche o digitali in un raggio di luce modulato; una fibra che trasporta la luce, che attraversa il percorso di trasmissione; e un ricevitore optoelettronico, che converte la luce rilevata in una corrente elettrica. Per i collegamenti a lunga distanza (superiori a 30 km o 20 miglia), in genere sono necessari ripetitori rigenerativi per compensare l'attenuazione della potenza del segnale. In passato venivano comunemente impiegati ripetitori ibridi ottico-elettronici; questi presentavano un ricevitore optoelettronico, elaborazione elettronica del segnale e un trasmettitore elettro-ottico per rigenerare il segnale. Oggi, gli amplificatori ottici drogati con erbio sono impiegati come efficienti ripetitori completamente ottici.
Trasmettitori elettro-ottici
L'efficienza di un trasmettitore elettro-ottico è determinata da molti fattori, ma i più importanti sono i seguenti: larghezza della linea spettrale, che è la larghezza dello spettro portante ed è zero per una sorgente di luce monocromatica ideale; perdita di inserzione, che è la quantità di energia trasmessa che non si accoppia nella fibra; durata del trasmettitore; e bit rate operativo massimo.
Due tipi di trasmettitori elettro-ottici sono comunemente usati nei collegamenti in fibra ottica: il diodo a emissione di luce (LED) e il laser a semiconduttore. Il LED è una sorgente luminosa a larghezza di linea che viene utilizzata per collegamenti a media velocità a breve distanza in cui la dispersione del raggio luminoso su distanza non è un grosso problema. Il LED ha un costo inferiore e una durata maggiore rispetto al laser a semiconduttore. Tuttavia, il laser a semiconduttore abbina la sua emissione di luce alla fibra ottica in modo molto più efficiente rispetto al LED, rendendolo più adatto per intervalli più lunghi, e ha anche un tempo di "salita" più veloce, consentendo velocità di trasmissione dei dati più elevate. Sono disponibili diodi laser che operano a lunghezze d'onda in prossimità di 0,85, 1,3 e 1,5 micrometri e hanno larghezze di linea spettrali inferiori a 0,003 micrometri. Sono in grado di trasmettere a oltre 10 gigabit al secondo. Esistono LED in grado di funzionare su una gamma più ampia di lunghezze d'onda portanti, ma generalmente presentano perdite di inserzione più elevate e larghezze di linea superiori a 0,035 micrometri.
Ricevitori optoelettronici
I due tipi più comuni di ricevitori optoelettronici per collegamenti ottici sono il fotodiodo positivo-intrinseco-negativo (PIN) e il fotodiodo a valanga (APD). Questi ricevitori ottici estraggono il segnale in banda base da un segnale portante ottico modulato convertendo la potenza ottica incidente in corrente elettrica. Il fotodiodo PIN ha un guadagno basso ma una risposta molto veloce; l'APD ha un alto guadagno ma una risposta più lenta.
