KONSTRUKCYJNE ASPEKTY ŁĄCZA OPTOELEKTRONICZNEGO

ŁĄCZA OPTOELEKTRONICZNE DO BEZPRZEWODOWEJ
TRANSMISJI DANYCH
dr inż. Marek Zygmunt1, dr inż. Wiesław Piotrowski1, mgr inż. Andrzej Gawlikowski1,
mgr inż. Piotr Knysak1
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
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 200 m wystąpił tylko przez 53 minuty w skali roku, natomiast dla dystansów
rzędu 2000 m stanowił 1% całego czasu pracy [2]. 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.
2.
OGÓLNA BUDOWA ŁĄCZA OPTOELEKTRONICZNEGO.
Łącze optoelektroniczne składa się z dwóch jednakowych elementów umożliwiających
dupleksową transmisję danych (rys.2). Budowę pojedynczego elementu przedstawiono na
rysunku 3.
2
Konstrukcyjne aspekty łącza optoelektronicznego.
NAD/ODB
NAD/ODB
SERWER A
SERWER B
Rys. 2. Schemat blokowy łącza optoelektronicznego
OBIEKTYW
ODBIORCZY
UKŁAD
ODBIORNIKA
FILTR
OPTYCZNY
UKŁAD
NADAJNIKA
UKŁAD
INTERFEJSU
FOTODETEKTOR
LASER
OBIEKTYW
NADAWCZY
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
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 60825-1:2000/A2. 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:
A
σ
- maksymalna wartość napięcia sygnału,
- napięcie skuteczne szumu.
SNR =
gdzie: A
σ
(1)
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
Konstrukcyjne aspekty łącza optoelektronicznego.
NADAJNIK
WIĄZKA
PROMIENIOWANIA
LASEROWEGO
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 2000 m turbulencje termiczne mogą
spowodować odchylenie kątowe wiązki od 0.1 ÷ 0.5 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
SOCZEWKA
a)
DETEKTOR
WIĄZKA
PROMIENIOWANIA
LASEROWEGO
SOCZEWKA
b)
DETEKTOR
WIĄZKA
PROMIENIOWANIA
LASEROWEGO
SOCZEWKA
c)
DETEKTOR
WIĄZKA
PROMIENIOWANIA
LASEROWEGO
Rys.5. Wpływ zmian kątowych, wzajemnego położenia układu nadajnik – odbiornik. Kolorem czerwonym
zaznaczono promieniowanie równoległe do osi optycznej odbiornika
5
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 ΘO, 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:
PSYG = PNAD exp(−γR)
PNAD
PSYG
R
ηFI
ηOPT
γ
D
ΘN
D2
η η
θ N2 R 2 OPT FI
(2)
- 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:
PB =
PB
Eλ
ρ
ΘO
∆λ
π
16
Eλ ρθO2 D 2 ∆λη OPTη FI e −γR
(3)
- moc promieniowania tła na detektorze [W],
- spektralne natężenie napromienienia słońca [Wm-2µm-1],
- współczynnik odbicia (rozproszenia) promieniowania optycznego,
- kąt płaski pola widzenia odbiornika [rad],
- 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 20 nm i transmisję około 70 %.
6
Konstrukcyjne aspekty łącza optoelektronicznego.
-2
-1
Natężenie napromienienia [W m µm ]
2500
Krzywa napromienienia słonecznego poza atmosferą
2000
Krzywa napromienienia słonecznego na poziomie morza
Krzywa dla ciała czarnego przy 5900 K
1500
O3
1000
H2O
O2,H2O
H2O
H2O
H2O
H2O H O,CO
2
2
500
O3
0
H2O,CO2
H2O,CO2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2
Długość fali [µm]
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:
2
I ph
S
(4)
=
4kT∆fFn
N
2q ( I ph + I d + I b )∆f +
RL
gdzie:
Iph
– natężenie fotoprądu (sygnał),
– prąd ciemny,
Id
– prąd tła,
Ib
∆f
– pasmo toru odbiorczego,
q
– ładunek elektronu 1,6⋅10-19 C,
k
– stała Boltzmana, równa 1,38·10-23 J/K,
T
– temperatura,
– współczynnik szumów wzmacniacza,
Fn
– rezystancja obciążenia wzmacniacza.
RL
Jeśli elementem detekcyjnym układu odbiorczego będzie fotodioda lawinowa, wówczas
stosunek sygnału do szumu opisany jest następującą zależnością:
( MS λ 0 PSYG ) 2
S
(5)
=
4kT∆fFn
N
2+ x
+
2q∆f [( PSYG + PB ) S λ 0 + I d ]M
RL
gdzie:
M
– współczynnik powielania lawinowego,
Sλ0
– czułość fotodiody lawinowej dla M=1,
x
– współczynnik materiałowy, dla fotodiod krzemowych z przedziału 0,3-0,5.
Wartość rezystora obciążenia RL można obliczyć wykorzystując zależność:
1
RL =
2π (C D + CW )∆f
gdzie:
CD – pojemność diody,
CW – pojemność wejściowa wzmacniacza.
7
(6)
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.7.
1.104
3
1.10
SNRapd(R)
SNRpin(R)
100
10
1
0,1
0
500
1000
1500
R[m]
2000
2500
3000
Rys.7. Wykres stosunku sygnał szum w funkcji odległości dla fotodiody lawinowej S9251-10 (kolor czerwony),
oraz fotodiody pin S5971 firmy HAMAMATSU. PNAD = 10mW, ΘN = 6 mrad, ΘO = 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 2003, pp. 49-57.
[2] Materiały informacyjne firmy Communication of Light, http://www.cbl.de
[3] Bloom S., Korevvar E., Schuster J., Willebrand H.: Understanding the performance of free-space
optics. Optical Society of American, June 2003/vol.2, No./ Journal of Optical Networking, pp.
178-200.
[4] Schuster J.: Materiały informacyjne firmy Terabeam Corporation, http://www.terabeam.com
[5] Miller T.: Wireless Optical Networking: An Overview, materiały infomacyjne firmy AirFiber,
http://www.airfiber.com
8