انتقال بصري
يستخدم الاتصال البصري شعاعًا من ضوء أحادي اللون معدل لنقل المعلومات من جهاز الإرسال إلى جهاز الاستقبال. يمتد طيف الضوء على نطاق هائل في الطيف الكهرومغناطيسي ، يمتد من منطقة 10 تيراهيرتز (10 4 جيجا هرتز) إلى مليون تيراهيرتز (10 9جيجا هرتز). يغطي نطاق التردد هذا بشكل أساسي الطيف من الأشعة تحت الحمراء البعيدة (الطول الموجي 0.3 مم) حتى جميع الضوء المرئي إلى الأشعة فوق البنفسجية القريبة (الطول الموجي 0.0003 ميكرومتر). تنتشر الأطوال الموجية البصرية ، التي تنتشر عند مثل هذه الترددات العالية ، بشكل طبيعي من أجل اتصالات النطاق العريض عالية السرعة. على سبيل المثال ، ينتج عن تعديل السعة لحامل ضوئي بتردد الأشعة تحت الحمراء القريبة 300 تيرا هرتز بنسبة لا تتجاوز 1 بالمائة عرض نطاق إرسال يتجاوز أعلى عرض نطاق متاح للكابل المحوري بمقدار 1000 أو أكثر.
يتطلب الاستغلال العملي للوسائط الضوئية للاتصالات عالية السرعة عبر مسافات كبيرة حزمة ضوء قوية تكاد تكون أحادية اللون ، وتتركز قوتها بشكل ضيق حول الطول الموجي البصري المطلوب. لم يكن مثل هذا الحامل ممكناً بدون اختراع ليزر الياقوت ، الذي ظهر لأول مرة في عام 1960 ، والذي ينتج ضوءًا شديدًا بعرض خط طيفي ضيق جدًا من خلال عملية الانبعاث المحفز المتماسك. اليوم ، يتم استخدام الثنائيات الليزر حقن أشباه الموصلات للاتصال البصري عالي السرعة والمسافة الطويلة.
يوجد نوعان من القنوات الضوئية: قناة الفضاء الحر غير الموجهة ، حيث ينتشر الضوء بحرية عبر الغلاف الجوي ، وقناة الألياف الضوئية الموجهة ، حيث ينتشر الضوء من خلال دليل موجي بصري.
قناة الفضاء الحر
تتشابه آليات الفقد في قناة بصرية في الفضاء الحر تقريبًا مع تلك الموجودة في قناة راديوية تعمل بالموجات الدقيقة. تتحلل الإشارات بسبب اختلاف الشعاع ، وامتصاص الغلاف الجوي ، والانتثار الجوي. يمكن تقليل اختلاف الشعاع عن طريق موازنة (جعل التوازي) الضوء المرسل في شعاع ضيق متماسك باستخدام مصدر ضوء ليزر لجهاز الإرسال. يمكن التقليل من خسائر الامتصاص الجوي عن طريق اختيار أطوال موجية الإرسال التي تقع في إحدى "النوافذ" منخفضة الخسارة في منطقة الأشعة تحت الحمراء أو المرئية أو فوق البنفسجية. يفرض الغلاف الجوي خسائر امتصاص عالية مع اقتراب الطول الموجي البصري من الأطوال الموجية الرنانة للمكونات الغازية مثل الأكسجين (O 2) وبخار الماء (H 2 O) وثاني أكسيد الكربون (CO 2) والأوزون (O 3). في يوم صافٍ ، قد يكون توهين الضوء المرئي ديسيبلًا واحدًا لكل كيلومتر أو أقل ، ولكن خسائر الانتثار الكبيرة يمكن أن تكون ناجمة عن أي تغير في الظروف الجوية ، مثل الضباب أو الضباب أو المطر أو الغبار المحمول جواً.
أعاقت الحساسية العالية للإشارات الضوئية للظروف الجوية تطوير الروابط الضوئية في الفضاء الحر للبيئات الخارجية. مثال بسيط ومألوف لمرسل بصري في الفضاء الحر في الأماكن المغلقة هو جهاز التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء المحمولة للتلفزيون والأنظمة الصوتية عالية الدقة. كما أن الأنظمة الضوئية في الفضاء الحر شائعة جدًا في تطبيقات القياس والاستشعار عن بعد ، مثل تحديد المدى البصري وتحديد السرعة ومراقبة الجودة الصناعية ورادار قياس الارتفاع بالليزر (المعروف باسم LIDAR).
قنوات الألياف الضوئية
على النقيض من انتقال الأسلاك ، حيث يتدفق التيار الكهربائي عبر موصل نحاسي ، في مجال نقل الألياف الضوئية ، ينتشر مجال كهرومغناطيسي (بصري) من خلال ألياف مصنوعة من عازل غير موصل. بسبب عرض النطاق الترددي العالي ، والتوهين المنخفض ، وحصانة التداخل ، والتكلفة المنخفضة ، والوزن الخفيف ، أصبحت الألياف البصرية الوسيلة المفضلة لوصلات الاتصالات الرقمية الثابتة عالية السرعة. تحل كبلات الألياف الضوئية محل كبلات الأسلاك النحاسية في كل من التطبيقات بعيدة المدى ، مثل وحدات التغذية وأجزاء صندوق الهاتف وحلقات التلفزيون الكبلي ، وتطبيقات المسافات القصيرة ، مثل شبكات المنطقة المحلية (LAN) لأجهزة الكمبيوتر والتوزيع المنزلي للهاتف والتلفزيون وخدمات البيانات. على سبيل المثال ، يعمل الكابل البصري القياسي Bellcore OC-48 ، المستخدم لربط البيانات الرقمية والصوت وإشارات الفيديو ، بمعدل إرسال يصل إلى 2.4 جيجابت (2.4 مليار رقم ثنائي) في الثانية لكل ليف. هذا معدل كافٍ لإرسال النص في جميع مجلدات Encyclopædia المطبوعة (2 غيغابايت من البيانات الثنائية) في أقل من ثانية واحدة.
يتكون رابط اتصالات الألياف الضوئية من العناصر التالية: جهاز إرسال كهروضوئي ، والذي يحول المعلومات التناظرية أو الرقمية إلى حزمة ضوء مشكَّلة ؛ ألياف حاملة للضوء تمتد عبر مسار الإرسال ؛ وجهاز استقبال الكتروضوئي يحول الضوء المكتشف إلى تيار كهربائي. بالنسبة للوصلات بعيدة المدى (أكبر من 30 كم أو 20 ميلاً) ، عادةً ما تكون أجهزة إعادة التكرار مطلوبة لتعويض توهين قدرة الإشارة. في الماضي ، كانت أجهزة التكرار الإلكترونية الضوئية الهجينة تُستخدم عادةً ؛ وتميزت هذه الأجهزة بجهاز استقبال إلكتروني ضوئي ومعالجة إشارات إلكترونية وجهاز إرسال كهروضوئي لإعادة توليد الإشارة. اليوم ، يتم استخدام مكبرات الصوت الضوئية بالإربيوم كمكررات بصرية فعالة.
أجهزة إرسال كهربائية بصرية
يتم تحديد كفاءة جهاز إرسال كهروضوئي من خلال العديد من العوامل ، ولكن الأهم هي ما يلي: عرض الخط الطيفي ، وهو عرض الطيف الحامل وهو صفر لمصدر ضوء أحادي اللون مثالي ؛ فقدان الإدراج ، وهو مقدار الطاقة المرسلة التي لا تتزاوج في الألياف ؛ عمر المرسل ومعدل بت التشغيل الأقصى.
يتم استخدام نوعين من أجهزة الإرسال الكهروضوئية بشكل شائع في روابط الألياف الضوئية - الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) و ليزر أشباه الموصلات. LED هو مصدر ضوء بعرض واسع يستخدم للروابط متوسطة السرعة وقصيرة المدى حيث لا يكون تشتت شعاع الضوء عبر المسافة مشكلة كبيرة. الصمام منخفض التكلفة وله عمر أطول من ليزر أشباه الموصلات. ومع ذلك ، فإن ليزر أشباه الموصلات يقرن ناتج الضوء إلى الألياف الضوئية بكفاءة أكبر بكثير من LED ، مما يجعله أكثر ملاءمة لفترات أطول ، ولديه أيضًا وقت "صعود" أسرع ، مما يسمح بمعدلات نقل بيانات أعلى. تتوفر الثنائيات الليزرية التي تعمل بأطوال موجية على مقربة من 0.85 و 1.3 و 1.5 ميكرومتر ولها عرض خط طيفي أقل من 0.003 ميكرومتر. وهي قادرة على الإرسال بسرعة تزيد عن 10 جيجابت في الثانية. توجد مؤشرات LED قادرة على العمل على نطاق أوسع من الأطوال الموجية الحاملة ، ولكن لديها بشكل عام خسائر إدخال أعلى وعرض خط يتجاوز 0.035 ميكرومتر.
مستقبلات الكتروضوئية
النوعان الأكثر شيوعًا للمستقبلات الضوئية الإلكترونية للروابط الضوئية هما الثنائي الضوئي الإيجابي السلبي (PIN) والصمام الثنائي الانهيار (APD). تقوم أجهزة الاستقبال الضوئية هذه باستخراج إشارة النطاق الأساسي من إشارة حاملة بصرية معدلة عن طريق تحويل الطاقة الضوئية الواردة إلى تيار كهربائي. يتميز الثنائي الضوئي PIN بكسب منخفض ولكنه استجابة سريعة للغاية ؛ APD لديه مكاسب عالية ولكن استجابة أبطأ.
