Transmissão óptica
A comunicação óptica emprega um feixe de luz monocromática modulada para transportar informações do transmissor para o receptor. O espectro de luz abrange uma faixa tremenda no espectro eletromagnético, estendendo-se da região de 10 terahertz (10 4 gigahertz) a 1 milhão de terahertz (10 9gigahertz). Essa faixa de frequência cobre essencialmente o espectro do infravermelho distante (comprimento de onda de 0,3 mm) através de toda a luz visível até o ultravioleta próximo (comprimento de onda de 0,0003 micrômetros). Propagando em altas frequências, os comprimentos de onda ópticos são naturalmente adequados para telecomunicações de banda larga de alta taxa. Por exemplo, a modulação de amplitude de uma portadora óptica na frequência do infravermelho próximo de 300 terahertz em apenas 1% produz uma largura de banda de transmissão que excede a maior largura de banda disponível do cabo coaxial por um fator de 1.000 ou mais.
A exploração prática de meios ópticos para telecomunicações de alta velocidade em grandes distâncias exige um forte feixe de luz quase monocromático, com sua potência concentrada em torno do comprimento de onda óptico desejado. Tal veículo não seria possível sem a invenção do laser de rubi, demonstrado pela primeira vez em 1960, que produz luz intensa com largura de linha espectral muito estreita pelo processo de emissão estimulada coerente. Atualmente, os diodos laser de injeção de semicondutores são usados para comunicação óptica de alta velocidade e longa distância.
Existem dois tipos de canais ópticos: o canal não guiado de espaço livre, onde a luz se propaga livremente pela atmosfera, e o canal de fibra óptica guiado, onde a luz se propaga através de um guia de ondas óptico.
O canal de espaço livre
Os mecanismos de perda em um canal óptico de espaço livre são praticamente idênticos aos de um canal de rádio de microondas de linha de visão. Os sinais são degradados pela divergência do feixe, absorção atmosférica e dispersão atmosférica. A divergência do feixe pode ser minimizada colimando (tornando paralela) a luz transmitida em um feixe estreito e coerente usando uma fonte de luz laser para um transmissor. As perdas de absorção atmosférica podem ser minimizadas escolhendo comprimentos de onda de transmissão que se encontram em uma das “janelas” de baixa perda na região de infravermelho, visível ou ultravioleta. A atmosfera impõe perdas de absorção elevados como o comprimento de onda óptico aproxima os comprimentos de onda de ressonância dos constituintes gasosos, tais como oxigénio (O 2), o vapor de água (H 2 O), o dióxido de carbono (CO 2), e de ozono (O 3). Em um dia claro, a atenuação da luz visível pode ser de um decibel por quilômetro ou menos, mas perdas significativas de dispersão podem ser causadas por qualquer variabilidade nas condições atmosféricas, como neblina, neblina, chuva ou poeira no ar.
A alta sensibilidade dos sinais ópticos às condições atmosféricas impediu o desenvolvimento de links ópticos de espaço livre para ambientes externos. Um exemplo simples e familiar de um transmissor óptico de espaço livre interno é o controle remoto infravermelho portátil para televisão e sistemas de áudio de alta fidelidade. Os sistemas ópticos de espaço livre também são bastante comuns em aplicações de medição e sensoriamento remoto, como detecção de alcance óptico e determinação de velocidade, controle de qualidade industrial e radar de altimetria a laser (conhecido como LIDAR).
Canais de fibra óptica
Ao contrário da transmissão por fio, na qual uma corrente elétrica flui através de um condutor de cobre, na transmissão por fibra óptica, um campo eletromagnético (óptico) se propaga através de uma fibra feita de um dielétrico não condutor. Devido à sua alta largura de banda, baixa atenuação, imunidade a interferências, baixo custo e peso leve, a fibra óptica está se tornando o meio de escolha para links fixos de telecomunicações digitais de alta velocidade. Os cabos de fibra ótica estão substituindo os cabos de cobre em aplicativos de longa distância, como as partes alimentadora e de tronco dos loops de telefone e televisão a cabo e aplicativos de curta distância, como redes de área local (LANs) para computadores e distribuição doméstica de telefone, televisão e serviços de dados. Por exemplo, o cabo óptico Bellcore OC-48 padrão, usado para entroncamento de dados digitalizados, sinais de voz e vídeo, opera a uma taxa de transmissão de até 2,4 gigabits (2,4 bilhões de dígitos binários) por segundo por fibra. Essa é uma taxa suficiente para transmitir o texto em todos os volumes da Enciclopédia impressa (2 gigabits de dados binários) em menos de um segundo.
Um link de comunicação por fibra óptica consiste nos seguintes elementos: um transmissor eletro-óptico, que converte informações analógicas ou digitais em um feixe de luz modulado; uma fibra que transporta luz, que atravessa o caminho de transmissão; e um receptor optoeletrônico, que converte a luz detectada em corrente elétrica. Para links de longa distância (superior a 30 km ou 20 milhas), geralmente são necessários repetidores regenerativos para compensar a atenuação da potência do sinal. No passado, os repetidores óptico-eletrônicos híbridos costumavam ser empregados; estes apresentavam um receptor optoeletrônico, processamento de sinal eletrônico e um transmissor eletro-óptico para regenerar o sinal. Atualmente, os amplificadores ópticos dopados com érbio são empregados como repetidores totalmente ópticos eficientes.
Transmissores eletro-ópticos
A eficiência de um transmissor eletro-óptico é determinada por muitos fatores, mas os mais importantes são os seguintes: largura da linha espectral, que é a largura do espectro portador e é zero para uma fonte de luz monocromática ideal; perda de inserção, que é a quantidade de energia transmitida que não se acopla à fibra; vida útil do transmissor; e taxa de bits operacional máxima.
Dois tipos de transmissores eletro-ópticos são comumente usados em links de fibra óptica - o diodo emissor de luz (LED) e o laser semicondutor. O LED é uma fonte de luz de largura de linha larga usada para links de velocidade média e alcance curto, nos quais a dispersão do feixe de luz ao longo da distância não é um grande problema. O LED tem um custo mais baixo e uma vida útil mais longa que o laser semicondutor. No entanto, o laser semicondutor acopla sua saída de luz à fibra óptica com muito mais eficiência do que o LED, tornando-a mais adequada para períodos mais longos, além de ter um tempo de "subida" mais rápido, permitindo taxas de transmissão de dados mais altas. Estão disponíveis diodos a laser que operam a comprimentos de onda próximos a 0,85, 1,3 e 1,5 micrômetros e possuem larguras de linhas espectrais inferiores a 0,003 micrômetros. Eles são capazes de transmitir mais de 10 gigabits por segundo. Existem LEDs capazes de operar em uma faixa mais ampla de comprimentos de onda da transportadora, mas geralmente apresentam maiores perdas de inserção e larguras de linha superiores a 0,035 micrômetros.
Receptores optoeletrônicos
Os dois tipos mais comuns de receptores optoeletrônicos para links ópticos são o fotodiodo positivo-intrínseco-negativo (PIN) e o fotodiodo de avalanche (APD). Esses receptores ópticos extraem o sinal da banda base de um sinal portador óptico modulado convertendo a potência óptica incidente em corrente elétrica. O fotodiodo PIN possui baixo ganho, mas resposta muito rápida; o APD tem alto ganho, mas resposta mais lenta.
