Concepto de 'frecuencia' en cable frente a frecuencia electromagnética en cable de fibra óptica

Estrictamente hablando, para James Clerk Maxwell todos son lo mismo. Al descartar la brujería cuántica extraña, las ecuaciones de Maxwell aplicadas de manera rigurosa funcionan de DC a rayos cósmicos, es solo que normalmente usamos aproximaciones cuando tratamos con varios sectores del espectro.

En general, existen tres rangos de frecuencia con los que tratamos en electrónica:

1. Baja frecuencia : donde podemos asumir que las longitudes de onda de las señales son mucho más grandes que las estructuras que utilizamos para transmitirlas y los dispositivos que utilizamos para procesarlos. En este caso, la señal generalmente se limita al conductor y tampoco tenemos que preocuparnos por los reflejos en los circuitos.

2. Radiofrecuencia y microondas : hay esencialmente dos casos aquí. Desde unos pocos MHz hasta alrededor de 1 GHz aproximadamente, las longitudes de onda están en la misma escala que las longitudes de los conductores que usamos para transportarlos. En este caso, debemos comenzar a preocuparnos por las reflexiones y la aplicación de nuestras ecuaciones de línea de transmisión. Curiosamente, las señales involucradas en el extremo superior de la escala no viajan en el conductor; por ejemplo, una señal en un cable coaxial viaja predominantemente como una onda en el espacio entre el núcleo y la funda . Por esta razón, la elección del material de revestimiento puede cambiar el factor de velocidad de un cable. Por encima de 1 GHz (escala de microondas), las cosas empiezan a ser más molestas, porque su longitud de onda comienza a acercarse a la escala de los dispositivos que utiliza para procesar la señal. Por lo general, esto requiere serios modelos de FEM para abordar.

3. Frecuencia óptica : una vez que las frecuencias son lo suficientemente altas, las longitudes de onda son tan pequeñas que podemos comenzar a usar aproximaciones ópticas como la ley de Snell. En esta escala, la transmisión es en realidad más fácil que los cálculos de RF, pero la ingeniería que se usa en la ingeniería de dispositivos es mucho más difícil.

Los tres casos anteriores coinciden con las ecuaciones de Maxwell, solo usan sus propias simplificaciones cuando sea necesario.

EDIT : me perdí por completo la segunda parte de tu pregunta. Supongo que sí, en teoría, se podría modular la luz hasta el límite de Shannon, pero la electrónica para lograrlo no existe y puede que nunca exista debido a los desafíos físicos involucrados. La mayoría de los sistemas de fibra utilizan algo llamado Multiplexación por división de longitud de onda . Esencialmente, a cada canal se le asigna una longitud de onda (un color) y luego se pulsa para codificar una señal digital. De esta manera, puede empaquetar muchos canales en una sola fibra. Puede pensar en esto como la fibra equivalente a la multiplexación por división de frecuencia. Anteriormente, solo se usaba una longitud de onda, pero la invención de un dispositivo de magia negra llamado Amplificador de fibra dopada con erbio hizo WDM posible.

La frecuencia en el cable es la velocidad a la que los electrones están siendo empujados hacia adelante y hacia atrás. La frecuencia en un sentido de comunicaciones ópticas tiene dos significados. Primero está la frecuencia de la luz, que en todos los sistemas normales no cambia. La segunda es la frecuencia a la que la luz se modula con./desc. En cuanto al análisis electromagnético en el caso óptico, lo que cuenta es la frecuencia de la luz. La luz se trata como una onda electromagnética para analizar la difracción, la reflexión y la absorción.

La corriente en un cable a menudo se denomina fenómeno del mar de electrones libres en el metal. En un cable óptico, supongo que podrías pensar en el mar de fotones como el medio para transportar información.

Puede haber más de una frecuencia o color de luz y están separados por filtros o pequeñas redes de difracción. De manera similar, puede haber más de una frecuencia en un cable que están separados por filtros en un receptor.

Para el límite de Shannon, no es lo mismo. Frecuencia máxima para el cable, velocidad de conmutación máxima para el cable óptico. (Dado un límite teórico de detección, como la detección de fotones, se puede pensar que son lo mismo. De lo contrario, es la velocidad de modulación máxima. Pero acabo de pasar por alto mi cabeza, por lo que estoy seguro de que un experto en comunicaciones intervendrá).

Vale la pena señalar que en casi todos los sentidos, la transmisión óptica de las señales codificadas depende de desarrollar primero una señal codificada eléctricamente para impulsar la salida de un LED o diodo láser. La gran ventaja de la fibra óptica proviene de la propiedad básica de la luz que, dado que dos ondas tienen diferentes longitudes de onda, no interactúan entre sí en absoluto.

A menudo es conveniente pensar en el voltaje como una fuente de presión. De esta manera, puede ver que en realidad solo hay un punto instantáneo de información para ser rastreado, y eso es lo que sea el voltaje actual o la "presión" en el La línea está en un momento dado. A partir de ahí, la magia computacional y una señal de sincronización decente pueden acumular bastante información útil en ese único punto de información. Sin embargo, al final, alcanzamos cualquiera que sea el límite actual del estado de la técnica en función de la rapidez con la que podamos separar esa señal de manera significativa.

Si queremos pasar más, entonces, los multiplexores de fibra óptica entran en juego. Cada entrada en el multiplexor pasa un haz separado y coherente en una sola línea de vidrio de alta calidad. Un demultiplexor en el otro lado lo descompone en varias señales, sobre las cuales se puede realizar la magia computacional en bloques razonables. Cada canal escupe una réplica exacta de la señal eléctrica que creó la luz original, y no hay dos canales interferidos entre sí. Y podríamos cubrir distancias mucho más largas antes de necesitar algún tipo de repetidor.

Es fácil confundirse. La frecuencia de la señal eléctrica se convirtió en la frecuencia de la intensidad de la señal luminosa. Esa señal de luz se produce en una longitud de onda que no tiene nada que ver con la frecuencia de su estado de encendido o su intensidad.

Para una discusión bastante lúcida y actualizada de los límites prácticos de la transferencia de información a través de una fibra óptica, con ejemplos, consulte enlace ?

Este artículo incluye una discusión de algo llamado el límite no lineal de Shannon, que es una extensión del trabajo inicial de Shannon en la teoría de la información. Este artículo está dirigido a una audiencia general con interés técnico y no se atasca en las matemáticas pesadas.

1) La frecuencia de la luz es la misma que la frecuencia de una señal eléctrica

2) El concepto físico de luz no es lo mismo que el concepto físico de electricidad. La luz no tiene masa de descanso. Los electrones tienen masa incluso cuando están estacionarios. El campo eléctrico alrededor de un cable, que tiene una frecuencia y una longitud de onda y transmite potencia, es el campo cercano y está enlazado a los electrones, que están enlazados al cable. Sin embargo, los dos están relacionados (existe una teoría de campo unificada), y la Frecuencia es una de las cosas que no solo están relacionadas, sino que son lo mismo.

3) Sí, puede calcular el límite de Shannon para la fibra óptica de la misma manera que lo hace para las regulaciones de radio o teléfono. Puede medir un piso de ruido (establecido por pérdidas) y límites de frecuencia (establecidos por las características del material) y un límite de amplitud (establecido por cuando la fibra se calienta tanto que se derrite). Podrías hacer lo mismo con un trozo de alambre. Pero normalmente los límites de Shannon se establecen por regulación o por interoperabilidad. Cuando no tiene eso, está diseñando una compensación de precio / función, no un límite de Shannon.

4) Para los límites de Shannon, la luz de modulación es lo mismo que la tensión de modulación. Es posible que desee hacerlo activando y desactivando el voltaje, o 'generando pulsos de luz'. Si tiene más ancho de banda y rango dinámico (y más dinero), es posible que desee probar un esquema de codificación más complejo, con diferente frecuencia y fase, polarización y amplitud diferentes.

Una vez que comience a hablar sobre fotones individuales (que probablemente lo hará cuando logre reducir el ruido lo suficiente), el comportamiento de su sistema será más difícil de describir, pero el resultado final es el mismo.

NOTA: He respondido a su pregunta sobre cables ópticos. Como he tratado de dejar claro, los límites del cable óptico no son los límites de la electrónica que se adjunta a él. Y aquí hay una buena discusión de hace un par de años sobre el límite de potencia superior real del cable de fibra óptica real: enlace . La tecnología ha avanzado desde entonces, y hay varias compañías que ofrecen energía fotónica sobre fibra.