ŁĄCZA OPTOELEKTRONICZNE DO BEZPRZEWODOWEJ TRANSMISJI DANYCH

Transkrypt

1 ŁĄCZA OPTOELEKTRONICZNE DO BEZPRZEWODOWEJ TRANSMISJI DANYCH dr inż. Marek Zygmunt 1, dr inż. Wiesław Piotrowski 1, mgr inż. Andrzej Gawlikowski 1, mgr inż. Piotr Knysak 1 STRESZCZENIE Punktem zwrotnym w rozwoju łączy optoelektronicznych było pojawienie się półprzewodnikowych źródeł promieniowania laserowego. Przesyłanie informacji w bezprzewodowym łączu optoelektronicznym odbywa się po przez modulację wiązki laserowej. Sposób tej modulacji jest podobny do modulacji stosowanej w łączach światłowodowych. W stosunku do innych bezprzewodowych systemów przesyłania informacji łącze optoelektroniczne posiada wiele zalet. Można tu wyróżnić większą przepustowość łącza, większą odporność na podsłuch i zakłócenia elektromagnetyczne. Wydaje się, że łącze optoelektroniczne jest idealnym rozwiązaniem do przesyłania informacji w dużych aglomeracjach miejskich lub portach lotniczych, gdzie uzyskanie zezwolenia na transmisję na jakiejkolwiek częstotliwości radiowej jest bardzo trudne lub wręcz niemożliwe. Inną ważną zaletą jest brak koniecznych zezwoleń i opłat abonenckich z tytułu instalacji i eksploatacji. Należy jednak pamiętać o ograniczeniach stosowania tego rozwiązania ze względu na własności transmisyjne atmosfery oraz uwarunkowaniach związanych z miejscem pracy. 1. WPROWADZENIE Od chwili wynalezienia lasera w 1960 roku próbowano go zastosować do transmisji danych. Niestety gabaryty urządzeń laserowych oraz energochłonność znacznie zawęziły możliwe obszary zastosowań. Pierwsze łącza laserowe zbudowano pod koniec lat 60 tych dla NASA i były wykorzystywane do komunikacji pomiędzy zespołami badawczymi jak również pomiędzy stacją naziemną, a satelitami [1]. W Polsce pierwsze łącze laserowe zbudowano w 1971 roku w Instytucie Elektroniki Kwantowej Wojskowej Akademii Technicznej. W łączu tym wykorzystano laser He-Ne, a transmitowano sygnały analogowe. W latach 80-tych U.S. Air Force wykorzystywały łącza optoelektroniczne jako najbardziej bezpieczny środek komunikacji ze względu na brak możliwość ingerencji osób trzecich. Pełnił on funkcję przenośnego środka łączności. Szybki rozwój technologii laserowych systemów transmisji danych można było zaobserwować od połowy lat 90-tych. Istotny wpływ na ten fakt miały dwa czynniki, rozwój technologii laserów półprzewodnikowych, który uczynił dostępnym źródło promieniowania laserowego o dużej sprawności i relatywnie niskiej cenie oraz rozwój Internetu. Transmisja danych może w zasadzie odbywać się w trojaki sposób: za pomocą linii kablowej, z wykorzystaniem łącza radiowego, 1 Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki 1

2 M. Zygmunt, W. Piotrowski, A. Gawlikowski, P. Knysak z wykorzystaniem łącza optoelektronicznego. Każdy z tych sposobów ma swoje zalety i wady, a zakres stosowania zależy od lokalnych uwarunkowań terenowych oraz rachunku ekonomicznego. Najpopularniejszym medium do transmisji danych jest linia kablowa. Może ona występować w postaci: światłowodu, kabla koncentrycznego lub tzw. skrętki. Łącza radiowe stosuje się tam, gdzie nie jest możliwe wykorzystanie do transmisji danych linii kablowej (teren silnie zurbanizowany, ulice, problemy z uzyskaniem pozwolenia na położenie kabla). Zaletą łącza radiowego jest szybkość instalacji i uruchomienia, wadą - potrzeba uzyskania pozwolenia, coroczne opłaty, mała odporność na podsłuch. Alternatywą dla łącza radiowego jest łącze optoelektroniczne, które przy wielu zaletach łącza radiowego nie posiada jego wad, na instalacje nie potrzeba żadnych zezwoleń ani opłat, posiada wysoką odporność na podsłuch i zakłócenia elektromagnetyczne. Wadą łącza optoelektronicznego jest brak możliwości transmisji danych w trudnych warunkach atmosferycznych, takich jak gęsta mgła, silne opady deszczu lub śniegu, przy czym wpływ tych czynników zależy od zasięgu łącza oraz parametrów użytego źródła promieniowania, jego mocy oraz długości promieniowanej fali. Na rysunku poniżej (rys.1) przedstawiono wyniki badań firmy CBL odnośnie braku łączności w skali roku dla tysiąca zainstalowanych łączy laserowych o długości promieniowanej fali 850 nm. Rys.1. Dostępność transmisji w funkcji zasięgu łącza w skali roku. W badaniach statystycznych wykorzystano 1000 pracujących łączy Jak wynika z przedstawionych powyżej danych brak łączności dla łącza pracującego na dystansie około 00 m wystąpił tylko przez 53 minuty w skali roku, natomiast dla dystansów rzędu 000 m stanowił 1% całego czasu pracy []. Porównując te dane z podobnymi dotyczącymi łączy radiowych czy też sieci kablowych można stwierdzić, że nie różnią się one w zasadniczy sposób, aczkolwiek powodowane są przez inne czynniki.. OGÓLNA BUDOWA ŁĄCZA OPTOELEKTRONICZNEGO. Łącze optoelektroniczne składa się z dwóch jednakowych elementów umożliwiających dupleksową transmisję danych (rys.). Budowę pojedynczego elementu przedstawiono na rysunku 3.

3 Konstrukcyjne aspekty łącza optoelektronicznego. NAD/ODB NAD/ODB SERWER A SERWER B Rys.. Schemat blokowy łącza optoelektronicznego OBIEKTYW ODBIORCZY FOTODETEKTOR OBIEKTYW NADAWCZY FILTR OPTYCZNY LASER UKŁAD ODBIORNIKA UKŁAD NADAJNIKA UKŁAD INTERFEJSU Rys. 3. Schemat blokowy układu nadawczo - odbiorczego łącza optoelektronicznego Zasada działania jest stosunkowo prosta, sygnał przychodzący z interfejsu moduluje laser najczęściej sygnałem binarnym, 1 laser świeci 0 laser nie świeci. Sygnał optyczny lasera formowany jest przez obiektyw nadawczy i uzyskuje określoną rozbieżność. Tak uformowany i zmodulowany sygnał dociera do naprzeciwległego układu detekcyjnego, gdzie jest demodulowany i przekazywany do układu interfejsu. Filtr optyczny układu odbiorczego tłumi sygnały optyczne tła. Zasadą jest, że z punktu widzenia urządzeń zewnętrznych, łącze optoelektroniczne powinno być postrzegane jak linia kablowa. Jako źródło promieniowania w łączach najczęściej stosuje się lasery półprzewodnikowe, jednak w sytuacjach, gdy odległości na których jest transmitowany sygnał nie są zbyt wielkie oraz częstotliwość modulacji nie przekracza kilkudziesięciu MHz stosuje się ze względów ekonomicznych diody LED. Stąd określenie łącze optoelektroniczne jest bardziej pojemne od określenia łącze laserowe. Jako fotodetektory stosuje się fotodiody lawinowe lub fotodiody pin. Fotodiody pin są w aplikacji stosunkowo tanim i prostym detektorem, jednak ze względu na ich czułość (ok. 0.5 A/W) oraz pasmo (kilkadziesiąt MHz), wykorzystywane są w układach łączy niewielkiego zasięgu i małych szybkościach transmisji. Fotodiody lawinowe są znacznie lepszym detektorem promieniowania ze względu na wysoką czułość (ok. 60 A/W) oraz szerokie pasmo przenoszenia sięgające kilku GHz. Wadą fotodiod lawinowych jest 3

4 M. Zygmunt, W. Piotrowski, A. Gawlikowski, P. Knysak konieczność stosowania wysokich napięć zasilających, a niska stabilność temperaturowa wymaga stosowania specjalnych układów stabilizujących punkt pracy fotodiody. Efektem tego jest około dziesięciokrotnie wyższy koszt układu fotoodbiornika z fotodiodą lawinową w porównaniu do fotoodbiornika z fotodiodą pin. 3. ZAŁOŻENIA KONSTRUKCYJNE Podstawowym założeniem konstrukcji urządzeń laserowych jest zapewnienie bezpieczeństwa wzroku ich przyszłym użytkownikom. Oznacza to, że moc promieniowania laserowego powinna być poniżej określonego poziomu. Informacje na ten temat zawiera norma PN-EN :000/A. W przypadku łączy laserowych za bezpieczne uznaje się te, które spełniają wymagania bezpieczeństwa klasy 1M. Dla konstruktorów łączy laserowych wymagania te determinują górny poziom mocy lasera (w zależności od długości promieniowanej fali poziom tej mocy może się znacznie różnić), który zamierzają wykorzystać. Kolejnym założeniem, które należy przyjąć jest wielkość stosunku sygnał szum na wyjściu układu fotoodbiornika. Najczęściej przyjmuje się wartość 10 tego parametru, jako minimalny akceptowalny poziom. Przy czym stosunek sygnał szum definiowany jest jako: SNR = A (1) σ gdzie: A - maksymalna wartość napięcia sygnału, σ - napięcie skuteczne szumu. Oba powyżej wymienione założenia są założeniami wstępnymi do konstrukcji niezależnymi od zastosowania projektowanego łącza. Kolejnymi założeniami jest zasięg, szybkość transmisji oraz miejsce instalacji łącza. Miejsce instalacji ma istotny wpływ na parametry konstruowanego łącza. Istotne są dwa elementy wysokość instalacji oraz miejsce instalacji. W przypadku łącza instalowanego wewnątrz budynku należy uwzględnić tłumienie szyby okiennej, które wynosi ok. 16% dla pojedynczej szyby. O wartość tą będzie tłumiony sygnał z nadajnika jak i sygnał docierający do odbiornika. W przypadku łącza instalowanego na zewnątrz budynku, montuje się szybę ochronną zabezpieczającą układy optyczne, która powinna być wyposażona w układ podgrzewania zapobiegający roszeniu oraz warstwy AR zmniejszające tłumienie. Wysokość instalacji ma wpływ na drgania oraz ruchy jakie przenoszą się z budynku na układ łącza. Ruchy budynku można podzielić na wysokoczęstotliościowe - powodowane przez poruszających się ludzi oraz pracę różnych urządzeń, oraz niskoczęstotliwościowe powodowane przez wiatr oraz ruchy termiczne związane z nagrzewaniem się z różnych stron bryły budynku [3]. W literaturze podaje się, że 15% budynków odchyla się więcej niż 4 mrad, następne 5% więcej niż 6 mrad, zaś 1% więcej niż 10 mrad, z tego wynika, że pozostałych 79% budynków odchyla się mniej niż 4 mrad [4]. Wiedza na temat możliwych drgań przenoszących się na układy łącza ma wpływ na wybór rozbieżności wiązki lasera. Rozbieżność wiązki lasera decyduje o wielkości plamy na oddalonym odbiorniku. Wielkość tej plamy powinna uwzględniać maksymalne zmiany położenia nadajnika (ruchy budynku) w taki sposób aby odbiornik zawsze znajdował się w wiązce lasera (rys.4). 4

5 Konstrukcyjne aspekty łącza optoelektronicznego. WIĄZKA PROMIENIOWANIA LASEROWEGO NADAJNIK ODBIORNIK OŚ OPTYCZNA Rys.4. Typowy sposób instalacji łącza optoelektronicznego Dodatkowy wpływ na ruchy wiązki lasera mają turbulencje termiczne atmosfery. Przyjmuje się, że na dystansie od kilkuset do 000 m turbulencje termiczne mogą spowodować odchylenie kątowe wiązki od mrad [5]. Kompensacja zmian położenia nadajnika poprzez zwiększanie rozbieżności wiązki lasera zmusza do zwiększania mocy lasera w taki sposób, aby otrzymać na odbiorniku zakładaną gęstość mocy, co nie zawsze jest możliwe. Z tego względu stosuje się specjalne układy, które stabilizują położenie wiązki lasera w przestrzeni niezależnie od ruchów budynku i pozwalają zastosować wiązki o małej rozbieżności. Wpływ zmian kątowych położenia układu nadajnik - odbiornik zilustrowano na rys.5 a) SOCZEWKA DETEKTOR WIĄZKA PROMIENIOWANIA LASEROWEGO b) SOCZEWKA DETEKTOR WIĄZKA PROMIENIOWANIA LASEROWEGO c) SOCZEWKA DETEKTOR WIĄZKA PROMIENIOWANIA LASEROWEGO Rys.5. Wpływ zmian kątowych, wzajemnego położenia układu nadajnik odbiornik. Kolorem czerwonym zaznaczono promieniowanie równoległe do osi optycznej odbiornika 5

6 M. Zygmunt, W. Piotrowski, A. Gawlikowski, P. Knysak Promieniowanie padające na odbiornik, skupiane jest w płaszczyźnie ogniskowej układu optycznego. Promieniowanie równoległe do osi optycznej skupiane jest na detektorze rys.5a, promieniowanie odchylone od osi optycznej układu optycznego może być skupione w zależności od kąta padania częściowo lub całkowicie poza detektorem rys.5b. Kąt pola widzenia układu odbiorczego Θ O, określa maksymalne odchylenie odbieranego promieniowania, które jest skupiane na powierzchni światłoczułej detektora. Kąt pola widzenia układu odbiorczego zależy od ogniskowej obiektywu odbiorczego oraz powierzchni światłoczułej detektora. Zwiększanie powierzchni powoduje wzrost pojemności detektora, a zatem ograniczenie jego pasma przenoszonych częstotliwości. Skracanie ogniskowej układu powoduje wzrost krzywizny soczewek układu optycznego, zmniejszenie średnicy apertury obiektywu odbiorczego oraz wzrost wymagań na precyzję montażu i justowania. Wielkość wpływu poszczególnych parametrów układu przedstawiono na poniższych zależnościach. Moc sygnału optycznego docierającego do fotodetektora można obliczyć z następującej zależności: P SYG D = P exp( η η () NAD γr) θ N R OPT FI P NAD P SYG R η FI η OPT γ D Θ N - moc sygnału na wyjściu obiektywu nadajnika [W], - moc sygnału na detektorze [W], - odległość nadajnik - odbiornik [m], - sprawność filtru optycznego, - sprawność układów optycznych odbiornika, - współczynnik ekstynkcji[1/m], - średnica apertury odbiornika [m], - rozbieżność wiązki nadajnika [rad], Istotny wpływ na pracę fotodetektora ma moc promieniowania tła. Moc promieniowania tła można obliczyć z następującej zależności: P B π = EλρθOD 16 λη OPT η e FI γr (3) P B - moc promieniowania tła na detektorze [W], E λ - spektralne natężenie napromienienia słońca [Wm - µm -1 ], ρ - współczynnik odbicia (rozproszenia) promieniowania optycznego, Θ O - kąt płaski pola widzenia odbiornika [rad], λ - szerokość widmowa filtru interferencyjnego [µm], Podstawowym parametrem powyższej zależności jest wielkość spektralnego natężenia napromienienia słońca, wartość tą można odczytać z wykresu rys.6 dla danej długości fali promieniowania nadajnika łącza. Wielkość mocy promieniowania tła, która dotrze do detektora zależy od szerokości widmowej filtru interferencyjnego. Dobre standardowe filtry interferencyjne mają szerokość widmową rzędu 0 nm i transmisję około 70 %. 6

7 Konstrukcyjne aspekty łącza optoelektronicznego. 500 Natężenie napromienienia [W m m ] - -1 µ O 3 Krzywa napromienienia słonecznego poza atmosferą Krzywa napromienienia słonecznego na poziomie morza Krzywa dla ciała czarnego przy 5900 K O 3 HO O,HO HO H HO O HO HO,CO HO,CO HO,CO 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 1,0 1, 1,4 1,6 1,8,0,,4,6,8 3,0 3, Długość fali [ µ m] Rys.6. Natężenie promieniowania Słońca znajdującego się w zenicie (wg. P. R. Gast Solar irradiance w Handbook of Geophisics and Space Environments 1965) Jak wspomniano wcześniej podstawowym parametrem umożliwiającym określenie zasięgu projektowanego łącza jest stosunek sygnał szum na wyjściu układu fotoodbiornika. Stosunek sygnału do szumu dla układu odbiornika z fotodiodą pn lub pin opisany jest zależnością: S I ph = (4) N 4kT ffn q( I ph + I d + I b ) f + RL gdzie: I ph natężenie fotoprądu (sygnał), I d prąd ciemny, I b prąd tła, f pasmo toru odbiorczego, q ładunek elektronu 1, C, k stała Boltzmana, równa 1, J/K, T temperatura, F n współczynnik szumów wzmacniacza, R L rezystancja obciążenia wzmacniacza. Jeśli elementem detekcyjnym układu odbiorczego będzie fotodioda lawinowa, wówczas stosunek sygnału do szumu opisany jest następującą zależnością: S ( MSλ 0PSYG ) = (5) N + x 4kT ffn q f [( PSYG + PB ) Sλ 0 + I d ] M + RL gdzie: M współczynnik powielania lawinowego, S λ0 czułość fotodiody lawinowej dla M=1, x współczynnik materiałowy, dla fotodiod krzemowych z przedziału 0,3-0,5. Wartość rezystora obciążenia R L można obliczyć wykorzystując zależność: 1 RL = (6) π ( CD + CW ) f gdzie: C D pojemność diody, C W pojemność wejściowa wzmacniacza. 7

8 M. Zygmunt, W. Piotrowski, A. Gawlikowski, P. Knysak Przykładowy wykres stosunku sygnał szum dla fotodiody pin oraz fotodiody lawinowej w funkcji odległości przedstawiono na rys SNRapd(R) SNRpin(R) , R[m] Rys.7. Wykres stosunku sygnał szum w funkcji odległości dla fotodiody lawinowej S (kolor czerwony), oraz fotodiody pin S5971 firmy HAMAMATSU. P NAD = 10mW, Θ N = 6 mrad, Θ O = 3 mrad, D = 0.08 m, teren zurbanizowany, widzialność 5000 m. Z przedstawionego wykresu wynika, że dla odległości rzędu kilkuset metrów wystarczającym elementem detekcyjnym jest fotodioda typ pin. Wykres pokazuje również zmianę wielkości sygnału w funkcji odległości. Dynamika tych zmian jest na tyle duża, że powinna być uwzględniona podczas konstrukcji układu wzmacniacza (np. ARW automatyczna regulacja wzmocnienia). 4. PODSUMOWANIE Łącze optoelektroniczne jest złożoną konstrukcją, wymagającą zastosowania precyzyjnych układów optycznych i mechanicznych. Układy elektroniczne powinny spełniać szereg warunków zapewniających niezawodną pracę urządzenia. Konstrukcja łącza powinna być dopasowana do warunków jego pracy i wymagań użytkownika. Zupełnie inną konstrukcję będzie mieć łącze na niewielkie odległości i niewielkich szybkościach transmisji, a zupełnie inną łącze instalowane na wysokich budynkach zapewniające wysoką szybkość transmisji. LITERATURA [1] Zaatari O. M.: Wireless optical communications systems in enterprise networks. The Telecommunications Review 003, pp [] Materiały informacyjne firmy Communication of Light, [3] Bloom S., Korevvar E., Schuster J., Willebrand H.: Understanding the performance of free-space optics. Optical Society of American, June 003/vol., No./ Journal of Optical Networking, pp [4] Schuster J.: Materiały informacyjne firmy Terabeam Corporation, [5] Miller T.: Wireless Optical Networking: An Overview, materiały infomacyjne firmy AirFiber, 8