Transmisión óptica
La comunicación óptica emplea un haz de luz monocromática modulada para transportar información del transmisor al receptor. El espectro de luz abarca un rango tremendo en el espectro electromagnético, que se extiende desde la región de 10 terahercios (10 4 gigahercios) a 1 millón de terahercios (10 9gigahercios). Este rango de frecuencia cubre esencialmente el espectro desde el infrarrojo lejano (longitud de onda de 0,3 mm) a través de toda la luz visible hasta el ultravioleta cercano (longitud de onda de 0,0003 micrómetros). Al propagarse a frecuencias tan altas, las longitudes de onda ópticas son naturalmente adecuadas para las telecomunicaciones de banda ancha de alta velocidad. Por ejemplo, la modulación de amplitud de una portadora óptica a la frecuencia del infrarrojo cercano de 300 terahercios en tan solo un 1 por ciento produce un ancho de banda de transmisión que excede el ancho de banda de cable coaxial más alto disponible en un factor de 1,000 o más.
La explotación práctica de medios ópticos para telecomunicaciones de alta velocidad a grandes distancias requiere un haz de luz fuerte que sea casi monocromático, su potencia se concentra estrechamente alrededor de una longitud de onda óptica deseada. Tal portador no hubiera sido posible sin la invención del láser de rubí, demostrado por primera vez en 1960, que produce luz intensa con un ancho de línea espectral muy estrecho mediante el proceso de emisión estimulada coherente. Hoy en día, los diodos láser de inyección de semiconductores se utilizan para la comunicación óptica de alta velocidad y larga distancia.
Existen dos tipos de canales ópticos: el canal de espacio libre no guiado, donde la luz se propaga libremente a través de la atmósfera, y el canal de fibra óptica guiada, donde la luz se propaga a través de una guía de onda óptica.
El canal del espacio libre
Los mecanismos de pérdida en un canal óptico de espacio libre son prácticamente idénticos a los de un canal de radio de microondas con visibilidad directa. Las señales se degradan por la divergencia del haz, la absorción atmosférica y la dispersión atmosférica. La divergencia del haz puede minimizarse colimando (haciendo paralelo) la luz transmitida en un haz estrecho coherente utilizando una fuente de luz láser para un transmisor. Las pérdidas de absorción atmosférica pueden minimizarse eligiendo las longitudes de onda de transmisión que se encuentran en una de las "ventanas" de baja pérdida en la región infrarroja, visible o ultravioleta. La atmósfera impone altas pérdidas de absorción a medida que la longitud de onda óptica se acerca a las longitudes de onda resonantes de los componentes gaseosos como el oxígeno (O 2), el vapor de agua (H 2 O), el dióxido de carbono (CO 2) y el ozono (O 3). En un día despejado, la atenuación de la luz visible puede ser de un decibelio por kilómetro o menos, pero cualquier variación en las condiciones atmosféricas, como la neblina, la niebla, la lluvia o el polvo en el aire, pueden causar pérdidas de dispersión significativas.
La alta sensibilidad de las señales ópticas a las condiciones atmosféricas ha dificultado el desarrollo de enlaces ópticos de espacio libre para entornos exteriores. Un ejemplo simple y familiar de un transmisor óptico de espacio libre en interiores es el control remoto infrarrojo portátil para sistemas de televisión y audio de alta fidelidad. Los sistemas ópticos de espacio libre también son bastante comunes en aplicaciones de medición y teledetección, como la detección de rango óptico y la determinación de velocidad, el control de calidad industrial y el radar de altimetría láser (conocido como LIDAR).
Canales de fibra óptica
A diferencia de la transmisión por cable, en la que una corriente eléctrica fluye a través de un conductor de cobre, en la transmisión de fibra óptica, un campo electromagnético (óptico) se propaga a través de una fibra hecha de un dieléctrico no conductor. Debido a su gran ancho de banda, baja atenuación, inmunidad a las interferencias, bajo costo y peso ligero, la fibra óptica se está convirtiendo en el medio de elección para los enlaces de telecomunicaciones digitales fijos y de alta velocidad. Los cables de fibra óptica están suplantando los cables de cobre en aplicaciones de larga distancia, como las porciones de alimentación y troncales de bucles de televisión por cable y cable, y aplicaciones de corta distancia, como redes de área local (LAN) para computadoras y distribución doméstica de teléfonos., televisión y servicios de datos. Por ejemplo, el cable óptico estándar Bellcore OC-48, utilizado para el enlace de señales de datos, voz y video digitalizados, opera a una velocidad de transmisión de hasta 2.4 gigabits (2.4 billones de dígitos binarios) por segundo por fibra. Esta es una velocidad suficiente para transmitir el texto en todos los volúmenes de la Enciclopedia impresa (2 gigabits de datos binarios) en menos de un segundo.
Un enlace de comunicaciones de fibra óptica consta de los siguientes elementos: un transmisor electroóptico, que convierte la información analógica o digital en un haz de luz modulado; una fibra portadora de luz, que se extiende por la ruta de transmisión; y un receptor optoelectrónico, que convierte la luz detectada en corriente eléctrica. Para enlaces de larga distancia (más de 30 km, o 20 millas), generalmente se requieren repetidores regenerativos para compensar la atenuación de la potencia de la señal. En el pasado, se utilizaban repetidores híbridos óptico-electrónicos; Estos presentaban un receptor optoelectrónico, procesamiento de señal electrónica y un transmisor electroóptico para regenerar la señal. Hoy en día, los amplificadores ópticos dopados con erbio se emplean como repetidores totalmente ópticos eficientes.
Transmisores electroópticos
La eficiencia de un transmisor electroóptico está determinada por muchos factores, pero los más importantes son los siguientes: ancho de línea espectral, que es el ancho del espectro portador y es cero para una fuente de luz monocromática ideal; pérdida de inserción, que es la cantidad de energía transmitida que no se acopla a la fibra; vida útil del transmisor; y velocidad de bits máxima de operación.
Dos tipos de transmisores electroópticos se usan comúnmente en enlaces de fibra óptica: el diodo emisor de luz (LED) y el láser semiconductor. El LED es una fuente de luz de ancho de línea ancha que se utiliza para enlaces de velocidad media y corto alcance en los que la dispersión del haz de luz a distancia no es un problema importante. El LED tiene un costo más bajo y tiene una vida útil más larga que el láser semiconductor. Sin embargo, el láser semiconductor acopla su salida de luz a la fibra óptica de manera mucho más eficiente que el LED, lo que lo hace más adecuado para tramos más largos, y también tiene un tiempo de "aumento" más rápido, lo que permite mayores velocidades de transmisión de datos. Hay diodos láser disponibles que funcionan a longitudes de onda cercanas a 0,85, 1,3 y 1,5 micrómetros y tienen anchos de línea espectral de menos de 0,003 micrómetros. Son capaces de transmitir a más de 10 gigabits por segundo. Existen LED capaces de operar en un rango más amplio de longitudes de onda portadoras, pero generalmente tienen mayores pérdidas de inserción y anchos de línea que exceden los 0.035 micrómetros.
Receptores optoelectrónicos
Los dos tipos más comunes de receptores optoelectrónicos para enlaces ópticos son el fotodiodo positivo-intrínseco-negativo (PIN) y el fotodiodo de avalancha (APD). Estos receptores ópticos extraen la señal de banda base de una señal portadora óptica modulada convirtiendo la potencia óptica incidente en corriente eléctrica. El fotodiodo PIN tiene baja ganancia pero una respuesta muy rápida; El APD tiene una alta ganancia pero una respuesta más lenta.
