Ročník 11 Číslo III Měření optického výkonu pro optický svaek u bevláknového optického pojítka J. Látal 1, T. David 1, J. Vitásek 1, P. Koudelka 1 1 Katedra telekomunikační techniky, FEI, VŠB Technická Univerita Ostrava, 17. listopadu 15, 78 33, Ostrava-Poruba E-mail : jan.latal@vsb.c, tomas.david@vsb.c, jan.vitasek@vsb.c, petr.koudelka@vsb.c Anotace: V dnešní technicko-komunikační společnosti, ve které informace mají stále větší váhu, je přístup k nim velmi důležitý. Proto je nutné vyvíjet stále nové, rychlejší a lepší působy přenosu dat. K těmto rychlým přístupům můžeme řadit i bevláknová optická pojítka (spoje). Jejich výhodou je bepečnost, nepotřebují rádiové frekvenční pásmo, avšak nevýhodou je jejich ávislost na atmosférických jevech. V tomto článku jsou shrnuty některé ponatky měření roložení optického výkonu po průřeu svaku u bevláknových optických pojítek umístěných na rektorátu budovy A v Ostravě Porubě a na hvědárně Johana Palisy. ÚVOD Komunikační sítě se stále rovíjí a snaží se vyhovět požadavkům telekomunikačních služeb od privátního až po komerční sektor. To působuje nebývalou átěž na telekomunikační sítě a na jejich provoovatele. Be alternativních síťových technologických systémů by byla celková efektivní přenosová rychlost sítí malá. Alternativu přináší optický bekabelový spoj, který vyniká vysokou přenosovou rychlostí a všestranným využitím. Optický bekabelový spoj ahrnuje optické spoje mei poemními stanicemi (budovy, stožáry), satelity i platformami ve vysokých výškách. Šíření laserového svaku je ovlivněno celou řadou atmosférických činitelů. Jednotlivé činitele můžeme souhrnně pojmenovat jako meteorologické jevy, mei které patří déšť, sníh, mlhy, bouřky, větry a také větrné víry a atmosférické turbulence. Tento článek se primárně aměřuje na popis Gaussovského svaku a proměření roložení optického výkonu po průřeu svaku u bevláknových optických pojítek umístěných na hlavní budově rektorátu A v Ostravě Porubě a hvědárně Johana Palisy. Vdálenost mei těmito body je 1,47 km. Divergence optického svaku vysílaného optickou hlavicí na tuto vdálenost je,7 metrů. LASEROVÝ SVAZEK Vlnová povaha světla vylučuje idealiaci, ve které je světlo prostorově soustředěno a šíří se be úhlové divergence. Pro maximální možný působ prostorově lokaliovaných nedivergentních vln se světlo může šířit ve formě svaků. V optických bekabelových komunikacích se nejčastěji využívá Gaussův svaek, popřípadě svaek top-hat, či okrajové svaky [4][5]. GAUSSŮV SVAZEK Nejdůležitější e všech druhů svaků je pro nás Gaussův svaek, protože právě tento druh svaku vystupuje laserové diody nejčastěji. Roložení intenity je Gaussovského typu (vi obr. 1) v příčné rovině odpovídá kruhově symetrické Gaussově funkci, kde optická osa je také osou symetrie. Výkon Gaussova svaku je soustředěn do úkého kužele. Šířka svaku je minimální v tv. krčku a dále se většuje na obě strany [6][7][8]. Poloměr Gaussova svaku w () le vypočítat pomocí vtahu w, (1) ( ) w 1 kde w je pološířka svaku v jeho nejužším místě, je souřadnice optické osy, je tv. Rayleighova vdálenost. Tu le popsat jako vdálenost podélného směru šíření vlny od krčku po bod, kde je příčná plocha průřeu dvojnásobná [6][7][8]. Platí, že w, () kde λ je vlnová délka áření. Úhel divergence θ le vyjádřit pomocí vtahu. (3) w Pro poloměr křivosti Gaussova svaku R() platí, že R 1. (4)
ν ν R() w w() I I Obr. 1: Profil Gaussova svaku OPTICKÁ INTENZITA GAUSSOVA SVAZKU Intenita optického áření je funkcí axiální (jdoucí ve směru osy) vdálenosti a radiální (jdoucí ve směru poloměru) vdálenosti ρ. Radiální vdálenost le vyjádřit jako x y, (5) pak intenita Gaussova svaku I w w, I e. (6) w Intenita Gaussova svaku je největší ve středu svaku (axiální vdálenost a radiální vdálenost ρ je rovna ). Poloměr Gaussova svaku w() s rostoucí axiální vdáleností vrůstá. Intenita Gaussova svaku se snižuje s rostoucí axiální vdáleností [6][7][8]. OPTICKÝ VÝKON GAUSSOVA SVAZKU Celkový výkon přenesený svakem je určen integrálem e součinu intenity áření a plochy příčného průřeu optického svaku P I čehož dále odvodíme, d, (7) 1 P I w. (8) Výkon svaku je tedy dán jako součin poloviny maximální intenity a plochy kruhu o poloměru rovnající se středovému poloměru svaku [4][5][9]. SVAZEK TOP HAT Dalším používaných roložení intenity svaku je tv. svaek Top hat, dle obr.. Ten se vynačuje tím, že jeho průběh je téměř uniformní jeho intenita se nemění se většující se radiální vdáleností ρ. Tento svaek se dá jednodušeně popsat tvarem cylindru - I e (anglický výra pro cylindr Top hat ). Vhledem k tomu, že má svaek tupější profil než Gaussův svaek, docháí k menším fluktuacím, avšak svaek má nevýhodu ve větším roložení hustoty optického výkonu oproti Gaussovu svaku [5][9]. OKRAJOVÝ SVAZEK Dalším typem svaku používaným v optoelektronice je tv. okrajový svaek. Ten se vynačuje tím, že soustředí svou intenitu na okraj vlny (vi obr. ). Svým profilem redukuje sférickou (kulovou) vadu a umožňuje fokusaci svaku do jednoho bodu [4][5]. I(r) Obr. : Okrajový svaek Top Hat svaek Gaussův svaek Ekvivalentní Gaussův, Top hat a okrajový svaek ATMOSFÉRICKÉ PŘENOSOVÉ PROSTŘEDÍ r/w Optické bevláknové systémy le provoovat v uavřených místnostech, ale jsou používány ejména v atmosférickém přenosovém prostředí (APP). To je úce spojeno s pravděpodobně největší nevýhodou OBS (Optický bevláknový spoj). V nepřínivých podmínkách může být totiž přenos dat obtížný, až nemožný. Jestliže se bavíme o OBS v oblastech mei budovami, pohybujeme se v oblasti troposféry. Ta asahuje do výšky okolo 1 km n.m., avšak tato výška ávisí na mnoha dalších vlivech (roční období, aktuální počasí apod.). Pro tuto oblast je charakteristické, že de vodní pára podléhá kondenaci, vniká mnoho růných vlivů ovlivňující
kvalitu spoje jako déšť, sněžení, větrné víry a především mlhy [1][][3][4]. Také je nutné přihlédnout k výskytu ptactva v dané lokalitě. Tato oblast je obecně nestacionárním a nehomogenním prostředím (předpokládá se, že je prostředím dielektrickým, lineárním, nedisperním, iotropním) a vliv tohoto prostředí na kvalitu přenosového kanálu má náhodný charakter [4]. Mei hlavní jevy ovlivňující přenos optického signálu atmosférickým prostředím patří [3]: extinkce optické intenity vlivem turbulencí v atmosférickém prostředí, extinkce vlivem roptylu a absorpce na molekulách a aerosolech, fluktuace optické intenity vlivem turbulencí v atmosférickém prostředí, fluktuace optické intenity vlivem mlhy, deště, sněhu apod., krátkodobé přerušení svaku přeletem ptáků. MĚŘICÍ ZAŘÍZENÍ PRO MĚŘENÍ ROZLOŽENÍ OPTICKÉHO VÝKONU PO PRŮŘEZU SVAZKU U BEZVLÁKNOVÝCH OPTICKÝCH POJÍTEK Pro tento účel bylo apůjčeno aříení Vysokého učení technického v Brně - Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií (vi obr. 3), které bylo nutné dát do provouschopného stavu. Jedná se o aříení pro pohyb v horiontální a vertikální ose s krokovými motory. Prvním úkolem bylo správně apojit a nastavit napětí a proud pro krokové motory. Poté byl problém s nedokonalými manuály, které neposkytovaly dostatečné informace o říení krokových motorů prostřednictvím řídící jednotky. Zaříení se dále skládá křemíkového fotodetektoru (Si), který snímal optický výkon vyařovaný optickým pojítkem hvědárny, měřičem optického výkonu, dvěma krokovými motory pro ovládání horiontální vertikální osy a řídícími jednotkami pro říení velikosti a rychlosti kroku pro krokové motory u jednotlivých os. Pro ovládání řídících jednotek byl v aplikaci Matlab naprogramován obslužný program. S jeho pomocí můžeme libovolně měnit měřenou vlnovou délku, rychlost kroku, velikost kroku, délku časové prodlevy mei jednotlivými kroky atd. Komunikace mei řídící jednotkou a počítačem byla ajištěna pomocí sériové sběrnice RS-3 [1]. Měřící rameno Krokový motor horiontální osy Umístění řídících jednotek a napájecích drojů Obr. 3: Sestava měřícího aříení Měřič optického výkonu Si detektor Ovládání pomocí počítače MĚŘENÍ ROZLOŽENÍ OPTICKÉHO VÝKONU PO PRŮŘEZU SVAZKU U BEZVLÁKNOVÝCH OPTICKÝCH POJÍTEK Profesionální bevláknové optické pojítko TS5G od firmy MRV obsahuje 3 výkonové lasery o optickém výkonu 6 mw, 4 mw a 4 mw s vysílaným vlnovým rosahem 83 až 86 nm. Součástí profesionálních hlavic je kolimační optika pro úpravu vysílaného optického svaku. Při prvních měřeních bylo jištěno, že okolní sluneční světlo velmi ovlivňuje měření, i když byl fotodetektor optického výkonu umístěn a astíněn v černé trubce, proti přímému slunečnímu svitu. Bylo uskutečněno několik měření na pracovních vlnových délkách, avšak měření bylo vždy velmi ovlivněno paraitním světlem. Vliv paraitního světla se projevuje výšením přijatého optického výkonu v romeí 4 6 µw (vi obr. 4). V noci, be vlivu paraitního světla, byly naměřeny hodnoty okolo 1,5 µw (vi obr. 5) [1]. Detektor optického výkonu byl umístěn na měřícím rameni (vi. obr. 3), které umožňuje pohyb ve dvou osách, čímž je možno rastrově proměřit roložení optického svaku s předem nastaveným krokem.
Obr. 4: Optický výkon naměřený dne 16.4.11 ve 14: hod. Obráek 4 byl naměřen dne 16. 4. 11 ve 14: hod. při teplotě 1,8 C, vlhkosti vduchu 46 %, severoápadním větru o rychlosti, m/s a tlaku 1,5 hpa. Z obráku le poorovat velký optický výkon působený právě okolním paraitním světlem. Vlny, které jsou na grafu viditelné, jsou působené měnami okolního světla, které se na horiontální ose neprojeví tak mnoho, jako na ose vertikální. Tento jev vniká při rychlých měnách přijímaného optického výkonu, kvůli působu měření v rastru [1]. Obr. 5. Optický výkon naměřený dne 16.4.11 ve : hod. Na obráku 5 pro měření optického výkonu po průřeu svaku, který je e stejného dne jako obráek 4, ale naměřený v nočních hodinách, tj. ve : hodin, je vidět měna přijímaného optického výkonu pomocí detektoru. Podmínky při měření byly následující: nastavená vlnová délka pro snímání optického výkonu λ = 84 nm, teplota okolí 9,4 C, vlhkost vduchu 58 %, severoápadní vítr o rychlosti, m/s, tlak 1,7 hpa. Přijímaný optický výkon je, oproti hodnotám naměřeným ve dne, velmi níký a pohybuje se okolo 1 µw. Při měření byla poloha aříení nastavena tak, aby místo, kde se nacháí přijímací hlavice, korespondovalo se středem měřícího rastru, vi. obr. 5. Na něm je přijatý optický výkon, ve středu rastru je s největší hodnota výkonu. Změřené roložení optického výkonu obsahuje velké množství výkonových špiček. Tyto výkonové špičky jsou působeny fluktuacemi svaku při průchodu atmosférickým prostředím [1]. Na výsledné roložení optického výkonu mělo vliv hned několik faktorů, které se vyskytují v atmosféře. Jednotlivé faktory nele od sebe eliminovat. Největší destruktivní vliv měly větrné turbulence.
ZÁVĚR Měření, která byla provedena, ukáala, že tvar Gaussovského svaku vyařovaného optického pojítka umístěného na rektorátu budovy A, který dále byl posílán na optické pojítko umístěné na hvědárně, kde došlo k jeho pětnému vysílání pět na pojítko umístěné na rektorátu budovy A, byl silně deformován průchodem atmosférou. To je působeno několika jevy, které jsou popsány v předcháejících řádcích. V budoucnu se chceme aměřit na testování drojů áření laseru, použitých pro vyařování optického světla a potlačení paraitního světla při použití filtru, který bude umístěn před detektor. Díky tomu dojde k potlačení paraitního světla. PODĚKOVÁNÍ Tento článek byl podpořen v rámci grantu GAČR GA1/9/55 - Studium optických svaků pro atmosférické statické a mobilní komunikace a SP11/47, FR CESNET 49/11. [8] WILFERT, O., FILKA, Z. Optické (laserové) bedrátové spoje. [online]. 9, [cit. 9-1- ]. Dostupné WWW: <www.urel.feec.vutbr.c/web/wilfert_kolka_op ticke_spoje.pdf > [9] GARLINGTON, T., BABBITT, J., LONG, G. Analysis of free space optics as a transmission technology [online]. 5 [cit. 9-4-1]. Dostupný WWW:<http://www.hqisec.army.mil/isec/public ations/analysis_of_free_space_optics_as_a_tr ansmission_technology_mar5.pdf >. [1] DAVID, T. Testovací měření na profesionálním atmosférickém optickém spoji. Ostrava, 1. 97 s. Bakalářská práce. Vysoká škola báňská - Technická univerita Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky. LITERATURA [1] KULHAVÝ, K. Root.c [online]. [cit. 11-- 18]. Bevláknová optika. Dostupné WWW: <http://www.root.c/clanky/bevlaknovaoptika/>. [] CÍSAŘ, D. Vliv atmosférických turbulencí na intenitní profil laserového svaku. Brno, 9. 4 s. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. [3] LÁTAL, J; KOUDELKA, P; VITÁSEK, J. Měření vlivu velikosti překážek na přenos optickým pojítkem. Elektrorevue [online]. 6.6.1, 1/39, [cit. 11-3-5]. Dostupný WWW: <http://elektrorevue.c/c/download/merenivlivu-velikosti-prekaek-na-prenos-optickympojitkem/>. [4] BÁRTA, M. Vliv atmosférických turbulencí na optický svaek. Brno, 9. 9 s. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. [5] SALEH, B. E. A., TEICH, M. C. Fundamentals of Photonics. New York: John Wiley, 1991, ISBN -471-83965-5 1991 [6] WILFERT, O. Fotonika a optické komunikace: přednášky. Skripta VUT v Brně. Brno: MJ Servis, 7. ISBN: 978-8-14-3537-7 [7] WILFERT, O. Optoelektronika. UREL, VUT v Brně, Brno: UREL FEKT VUT v Brně,. ISBN: 8-14-64-5