Genau genommen sind sie für James Clerk Maxwell alle dasselbe. Wenn man die bizarre Quantenhexerei verwirft, funktionieren Maxwells Gleichungen, die rigoros angewendet werden, von Gleichstrom auf kosmische Strahlung. Normalerweise verwenden wir nur Näherungen, wenn wir uns mit verschiedenen Schichten des Spektrums befassen.

Im Allgemeinen gibt es drei Frequenzbereiche, mit denen wir uns in der Elektronik befassen :

1. Niederfrequenz : Hier können wir davon ausgehen, dass die Wellenlängen der Signale viel größer sind als die Strukturen, mit denen wir sie übertragen, und die Geräte, die wir verwenden um sie zu verarbeiten. In diesem Fall bleibt das Signal im Allgemeinen auf den Leiter beschränkt, und wir müssen uns auch nicht um Reflexionen in Schaltkreisen kümmern.

2. Hochfrequenz und Mikrowelle : Hier gibt es im Wesentlichen zwei Fälle. Von einigen MHz bis etwa 1 GHz liegen die Wellenlängen im gleichen Maßstab wie die Leiterlängen, mit denen wir sie herumführen. In diesem Fall müssen wir uns Gedanken über Reflexionen machen und unsere Übertragungsleitungsgleichungen anwenden. Interessanterweise bewegen sich die am oberen Ende der Skala beteiligten Signale nicht im Leiter - beispielsweise bewegt sich ein Signal am Koaxialkabel überwiegend als Welle in der Lücke zwischen dem Kern und dem Mantel . Aus diesem Grund kann die Wahl des Mantelmaterials den Geschwindigkeitsfaktor eines Kabels ändern. Oberhalb von etwa 1 GHz (Mikrowellenskala) werden die Dinge immer ärgerlicher, da sich Ihre Wellenlänge der Skala der Geräte nähert, mit denen Sie das Signal verarbeiten. Dies erfordert normalerweise eine ernsthafte FEM-Modellierung.

3. Optische Frequenz : Sobald die Frequenzen hoch genug sind, sind die Wellenlängen so klein, dass wir sie verwenden können optische Approximationen wie das Snellsche Gesetz. Auf dieser Skala ist die Übertragung tatsächlich einfacher als HF-Berechnungen, aber die Technik, die in die Geräteentwicklung einfließt, ist viel schwieriger.

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Alle drei oben genannten Fälle stimmen mit den Maxwellschen Gleichungen überein. Bei Bedarf verwenden sie nur ihre eigenen Vereinfachungen.

BEARBEITEN : Ich habe den zweiten Teil Ihrer Frage komplett verpasst. Ich nehme an, ja, theoretisch könnte man das Licht bis zur Shannon-Grenze modulieren, aber die Elektronik, um dies zu erreichen, existiert nicht und könnte aufgrund der damit verbundenen physischen Herausforderungen niemals existieren. Die meisten Fasersysteme verwenden das sogenannte Wellenlängenmultiplex. Im Wesentlichen wird jedem Kanal eine Wellenlänge (eine Farbe) zugewiesen und dann gepulst, um ein digitales Signal zu codieren. Auf diese Weise können Sie viele Kanäle auf eine einzelne Faser packen. Sie können sich dies als die Faser vorstellen, die dem Frequenzmultiplex entspricht. Früher wurde nur eine Wellenlänge verwendet, aber die Erfindung einer Vorrichtung mit schwarzer Magie, die als Erbium-dotierter Faserverstärker bezeichnet wird, ermöglichte WDM.

Die Frequenz im Draht ist die Geschwindigkeit, mit der die Elektronen hin und her gedrückt werden. Die Frequenz im Sinne der optischen Kommunikation hat zwei Bedeutungen. Erstens ist die Frequenz des Lichts, die sich in allen normalen Systemen nicht ändert. Zweitens ist die Frequenz, mit der das Licht ein- / ausgeschaltet wird. Bei der elektromagnetischen Analyse im optischen Fall zählt die Frequenz des Lichts. Das Licht wird als elektromagnetische Welle behandelt, um Beugung, Reflexion und Absorption zu analysieren.

Strom in einem Draht wird oft als Phänomen des Meeres freier Elektronen im Metall bezeichnet. In einem optischen Kabel könnte man sich das Meer der Photonen als Medium für die Übertragung von Informationen vorstellen.

Es kann mehr als eine Lichtfrequenz oder -farbe geben, die durch Filter oder kleine Beugungsgitter voneinander getrennt sind. In ähnlicher Weise kann es mehr als eine Frequenz in einem Draht geben, die durch Filter in einem Empfänger getrennt sind.

Für die Shannon-Grenze nicht dieselbe. Maximale Frequenz für das Kabel, maximale Schaltrate für das optische Kabel. (Bei einer theoretischen Nachweisgrenze wie der Photonendetektion können sie als gleich angesehen werden. Ansonsten ist es die maximale Modulationsrate. Aber ich bin nur über den Kopf gegangen, also bin ich sicher, dass ein Kommunikationsexperte eingreifen wird.)

Es ist darauf hinzuweisen, dass die optische Übertragung von codierten Signalen in fast jeder Hinsicht davon abhängt, zuerst ein elektrisch codiertes Signal zu entwickeln, um den Ausgang einer LED- oder Laserdiode anzusteuern. Der große Vorteil der Glasfaser liegt in der grundlegenden Eigenschaft des Lichts, dass zwei Wellen, sofern sie unterschiedliche Wellenlängen haben, überhaupt nicht miteinander interagieren.

Es ist häufig zweckmäßig, sich Spannung als solche vorzustellen eine Druckquelle - auf diese Weise können Sie sehen, dass wirklich nur ein augenblicklicher Informationspunkt verfolgt werden muss, und zwar unabhängig von der aktuellen Spannung oder dem „Druck“ in der Leitung zu einem bestimmten Zeitpunkt. Von dort aus können Rechenzauberkunst und ein anständiges Synchronisationssignal ziemlich viele verwendbare Informationen in diesen einzelnen Informationspunkt packen. Letztendlich erreichen wir jedoch die derzeitige Grenze des Standes der Technik, wie schnell wir dieses Signal sinnvoll auseinander ziehen können.

Wenn wir mehr durchlassen möchten, dann Glasfasermultiplexer komm in das Spiel. Jeder Eingang am Multiplexer leitet einen separaten, kohärenten Strahl in eine einzelne Linie aus hochwertigem Glas. Ein Demultiplexer auf der anderen Seite zerlegt es wieder in die verschiedenen Signale, mit denen dann in vernünftigen Blöcken Rechenzauber ausgeführt werden können. Jeder Kanal spuckt eine exakte Nachbildung des elektrischen Signals aus, das das ursprüngliche Licht erzeugt hat, und es stören sich keine zwei Kanäle. Und wir könnten viel, viel längere Strecken zurücklegen, bevor wir einen Repeater benötigen.

Es ist leicht, verwirrt zu werden. Die Frequenz des elektrischen Signals wurde zur Frequenz der Intensität des Lichtsignals. Dieses Lichtsignal tritt bei einer Wellenlänge auf, die nichts mit der Frequenz seines Einschaltzustands oder seiner Intensität zu tun hat.

Eine ziemlich klare und aktuelle Diskussion der praktischen Grenzen des Informationstransfers durch eine optische Faser mit Beispielen finden Sie unter http://spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectronics/is-kecks -law-come-to-a-end?

Dieser Artikel enthält eine Diskussion über die so genannte nichtlineare Shannon-Grenze, die eine Erweiterung von Shannons frühen Arbeiten in der Informationstheorie darstellt. Dieser Artikel richtet sich an ein allgemeines Publikum mit technischem Interesse und bleibt nicht in schwerer Mathematik stecken.

1) Die Frequenz des Lichts entspricht der Frequenz eines elektrischen Signals.

2) Das physikalische Konzept des Lichts ist nicht dasselbe wie das physikalische Konzept der Elektrizität. Licht hat keine Ruhemasse. Elektronen haben auch im stationären Zustand Masse. Das elektrische Feld um einen Draht, das eine Frequenz und eine Wellenlänge hat und Leistung überträgt, ist das Nahfeld und ist an die Elektronen gebunden, die an den Draht gebunden sind. Die beiden sind jedoch verwandt (es gibt eine einheitliche Feldtheorie), und die Frequenz ist eines der Dinge, die nicht nur verwandt, sondern gleich sind.

3) Ja, Sie können eine Shannon-Grenze für berechnen Glasfaser wie für Radio- oder Telefonvorschriften. Sie können ein Grundrauschen (festgelegt durch Verluste) und Frequenzgrenzen (festgelegt durch Materialeigenschaften) und eine Amplitudengrenze (festgelegt durch, wenn die Faser so heiß wird, dass sie schmilzt) messen. Sie könnten das gleiche für ein Stück Draht tun. Normalerweise werden Shannon-Grenzwerte jedoch durch Regulierung oder Interoperabilität festgelegt. Wenn Sie das nicht haben, planen Sie einen Preis-Funktions-Kompromiss, keinen Shannon-Grenzwert.

4) Bei Shannon-Grenzwerten entspricht das Modulieren von Licht dem Modulieren der Spannung. Möglicherweise möchten Sie dies tun, indem Sie die Spannung ein- und ausschalten oder Lichtimpulse erzeugen. Wenn Sie mehr Bandbreite und Dynamikbereich (und mehr Geld) haben, sollten Sie ein komplexeres Codierungsschema mit unterschiedlicher Frequenz und Phase, Polarisation und Amplitude ausprobieren.

Sobald Sie anfangen zu sprechen Bei einzelnen Photonen (was Sie wahrscheinlich tun werden, wenn Sie das Grundrauschen weit genug senken) ist das Verhalten Ihres Systems schwerer zu beschreiben, aber das Endergebnis ist das gleiche.

HINWEIS: Ich habe auf Ihre Frage zu optischen Kabeln geantwortet. Wie ich zu verdeutlichen versucht habe, sind die Grenzen des optischen Kabels nicht die Grenzen der daran angeschlossenen Elektronik. Und hier ist eine nette Diskussion von vor ein paar Jahren über die tatsächliche obere Leistungsgrenze des tatsächlichen Glasfaserkabels: http://www.iotpe.com/IJTPE/IJTPE-2010/IJTPE-Issue5-Vol2-No4 -Dec2010 / 15-IJTPE-Issue5-Vol2-No4-Dec2010-pp85-91.pdf. Die Technologie hat sich seitdem weiterentwickelt, und es gibt mehrere Unternehmen, die photonische Leistung über Glasfaser anbieten.