Transmisi optik
Komunikasi optik menggunakan berkas cahaya monokromatik termodulasi untuk membawa informasi dari pemancar ke penerima. Spektrum cahaya mencakup rentang yang luar biasa dalam spektrum elektromagnetik, membentang dari wilayah 10 terahertz (10 4 gigahertz) hingga 1 juta terahertz (10 9gigahertz). Rentang frekuensi ini pada dasarnya mencakup spektrum dari inframerah jauh (panjang gelombang 0,3 mm) melalui semua cahaya tampak hingga ultraviolet dekat (panjang gelombang 0,0003-mikrometer). Menyebarkan pada frekuensi tinggi seperti itu, panjang gelombang optik secara alami cocok untuk telekomunikasi broadband tingkat tinggi. Sebagai contoh, modulasi amplitudo pembawa optik pada frekuensi inframerah-dekat 300 terahertz dengan sedikitnya 1 persen menghasilkan bandwidth transmisi yang melebihi bandwidth kabel koaksial tertinggi yang tersedia dengan faktor 1.000 atau lebih.
Eksploitasi praktis media optik untuk telekomunikasi berkecepatan tinggi pada jarak yang jauh membutuhkan sinar yang kuat yang hampir monokromatik, kekuatannya terkonsentrasi di sekitar panjang gelombang optik yang diinginkan. Pembawa seperti itu tidak akan mungkin terjadi tanpa penemuan laser ruby, pertama kali diperlihatkan pada tahun 1960, yang menghasilkan cahaya yang kuat dengan lebar garis spektral yang sangat sempit melalui proses emisi terstimulasi yang koheren. Saat ini, dioda laser-injeksi semikonduktor digunakan untuk komunikasi optik kecepatan tinggi dan jarak jauh.
Ada dua jenis saluran optik: saluran ruang bebas terarah, tempat cahaya merambat secara bebas melalui atmosfer, dan saluran serat optik terpandu, tempat cahaya merambat melalui pemandu gelombang optik.
Saluran ruang bebas
Mekanisme kehilangan dalam saluran optik ruang bebas hampir identik dengan yang ada di saluran radio gelombang mikro penglihatan. Sinyal terdegradasi oleh divergensi berkas, penyerapan atmosfer, dan hamburan atmosfer. Beam divergence dapat diminimalkan dengan mengkolimasi (membuat paralel) cahaya yang ditransmisikan menjadi sinar sempit yang koheren dengan menggunakan sumber cahaya laser untuk pemancar. Kehilangan penyerapan atmosfer dapat diminimalkan dengan memilih panjang gelombang transmisi yang terletak pada salah satu "jendela" rendah-kehilangan di daerah inframerah, terlihat, atau ultraviolet. Atmosfer memaksakan kehilangan penyerapan tinggi ketika panjang gelombang optik mendekati panjang gelombang resonansi dari konstituen gas seperti oksigen (O 2), uap air (H 2 O), karbon dioksida (CO 2), dan ozon (O 3). Pada hari yang cerah, pelemahan cahaya tampak mungkin satu desibel per kilometer atau kurang, tetapi kerugian hamburan yang signifikan dapat disebabkan oleh variabilitas kondisi atmosfer, seperti kabut, kabut, hujan, atau debu di udara.
Sensitivitas tinggi sinyal optik terhadap kondisi atmosfer telah menghambat pengembangan tautan optik ruang bebas untuk lingkungan luar. Contoh sederhana dan familiar dari pemancar optik ruang bebas dalam ruangan adalah remote control infra merah genggam untuk televisi dan sistem audio dengan ketelitian tinggi. Sistem optik ruang bebas juga cukup umum dalam aplikasi pengukuran dan penginderaan jauh, seperti pencarian jangkauan optik dan penentuan kecepatan, kontrol kualitas industri, dan radar altimetri laser (dikenal sebagai LIDAR).
Saluran serat optik
Berbeda dengan transmisi kawat, di mana arus listrik mengalir melalui konduktor tembaga, dalam transmisi serat optik medan elektromagnetik (optik) merambat melalui serat yang terbuat dari dielektrik nonkonduktor. Karena bandwidth tinggi, redaman rendah, imunitas interferensi, biaya rendah, dan ringan, serat optik menjadi media pilihan untuk sambungan telekomunikasi digital tetap, berkecepatan tinggi. Kabel serat optik menggantikan kabel kawat tembaga di kedua aplikasi jarak jauh, seperti bagian pengumpan dan trunk telepon dan kabel televisi loop, dan aplikasi jarak pendek, seperti jaringan area lokal (LAN) untuk komputer dan distribusi rumah telepon, televisi, dan layanan data. Misalnya, kabel optik Bellcore OC-48 standar, yang digunakan untuk trunking data digital, sinyal suara, dan video, beroperasi pada kecepatan transmisi hingga 2,4 gigabit (2,4 miliar digit biner) per detik per serat. Ini adalah tingkat yang cukup untuk mengirimkan teks dalam semua volume Encyclopædia yang dicetak (2 gigabit data biner) dalam waktu kurang dari satu detik.
Tautan komunikasi serat optik terdiri dari elemen-elemen berikut: pemancar elektro-optik, yang mengubah informasi analog atau digital menjadi berkas cahaya termodulasi; serat pembawa cahaya, yang membentang jalur transmisi; dan penerima optoelektronik, yang mengubah cahaya yang terdeteksi menjadi arus listrik. Untuk sambungan jarak jauh (lebih dari 30 km, atau 20 mil), repeater regeneratif biasanya diperlukan untuk mengimbangi pelemahan daya sinyal. Di masa lalu, repeater optik-elektronik hybrid umumnya digunakan; ini menampilkan penerima optoelektronik, pemrosesan sinyal elektronik, dan pemancar elektro-optik untuk regenerasi sinyal. Saat ini, amplifier optik yang didoping erbium digunakan sebagai repeater semua-optik yang efisien.
Pemancar elektro-optik
Efisiensi pemancar elektro-optik ditentukan oleh banyak faktor, tetapi yang paling penting adalah sebagai berikut: lebar garis spektral, yang merupakan lebar spektrum pembawa dan nol untuk sumber cahaya monokromatik yang ideal; insertion loss, yaitu jumlah energi yang ditransmisikan yang tidak berpasangan ke dalam serat; seumur hidup pemancar; dan bit rate operasi maksimum.
Dua jenis pemancar elektro-optik biasanya digunakan dalam tautan serat optik — light-emitting diode (LED) dan laser semikonduktor. LED adalah sumber cahaya lebar garis lebar yang digunakan untuk kecepatan menengah, sambungan bentang pendek di mana dispersi berkas cahaya jarak jauh bukanlah masalah utama. LED lebih murah dalam biaya dan memiliki masa pakai yang lebih lama daripada laser semikonduktor. Namun, laser semikonduktor memasangkan output cahayanya ke serat optik jauh lebih efisien daripada LED, membuatnya lebih cocok untuk rentang yang lebih lama, dan juga memiliki waktu "naik" yang lebih cepat, yang memungkinkan tingkat transmisi data yang lebih tinggi. Dioda laser tersedia yang beroperasi pada panjang gelombang di sekitar 0,85, 1,3, dan 1,5 mikrometer dan memiliki lebar garis spektral kurang dari 0,003 mikrometer. Mereka mampu mentransmisikan lebih dari 10 gigabit per detik. LED mampu beroperasi pada rentang panjang gelombang pembawa yang lebih luas, tetapi mereka umumnya memiliki kerugian penyisipan yang lebih tinggi dan lebar saluran melebihi 0,035 mikrometer.
Penerima optoelektronik
Dua jenis penerima optoelektronik yang paling umum untuk tautan optik adalah fotodioda positif-intrinsik-negatif (PIN) dan avalanche fotodioda (APD). Penerima optik ini mengekstrak sinyal baseband dari sinyal pembawa optik termodulasi dengan mengubah daya optik yang terjadi menjadi arus listrik. Photodiode PIN memiliki gain yang rendah tetapi responsnya sangat cepat; APD memiliki keuntungan tinggi tetapi responsnya lebih lambat.
