Optinis Rysys

Optinis ryšys – laisvąja erdve
Laisvosios erdvės ryšiui naudojamas moduliuoto intensyvumo lazerio ar nekoherentinės spinduliuotės pluoštas, perduodantis informaciją per atmosferą (Free Space Optics, toliau – FSO). Šis ryšio principas buvo patikrintas dar 1880 metais. Tada Alexanderis Grahamas Bellas pademonstravo, kaip moduliuoto intensyvumo saulės šviesos spinduliu galima perduoti telefono ryšio signalus už 200 m esančiam imtuvui (1 ir 2 pav.).

Per pastaruosius penkerius metus laisvosios erdvės optinio ryšio vartotojų skaičius auga eksponentiškai, nes ši technologija, teikdama ypač sparčią interneto kreiptį (0,1-1 Gbit/s ir daugiau), milijonus vartotojų išvaduoja nuo vadinamosios &##8220;paskutiniosios mylios” varžtų. Šio ryšio suvaržymo esmė paprasta: individualūs vartotojai ir organizacijos prie didelės pralaidos optinio skaidulinio tinklo yra dažnai prisijungę dvilaidėmis telefono ryšio linijomis, kurios yra mažos pralaidos. Ryšys stringa dėl “butelio kakliuko” efekto. Bendraašių kabelių televizijos linijos yra didelės pralaidos (1 Gb/s), tačiau šia dažnių juosta dalijasi daugelis kaimynystėje esančių vartotojų.Neseniai IEEE buvo parengta belaidžio ryšio 802.11b standarto ryšio technologija, teikianti galimybę individualiems vartotojams prie bendrojo telktuvo (hub) prisijungti 11 Mb/s juostos pločio radijo bangomis. Tačiau, jei tuo pat metu koompiuteriais naudojasi daug vartotojų, ryšio linija būna perkrauta. Dauguma 802.11b belaidžio ryšio grandžių gali aptarnauti ne daugiau kaip 30 “lengvųjų” vartotojų (kurie naudojasi elektroniniu paštu bei naršo po internetą). Ryšio linija tampa perkrauta, jei daugeliui vartotojų tuo pat metu tiekiami vaizdo, va

aizdo įrašų duomenys, FTP failai ir pan.

Manoma, kad miestuose tendencija siekti plačiajuosčio ryšio stiprės. Optimaliausias techninis sprendimas galėtų būti FSO ryšys, nes individualiajam vartotojui tik optinis spektras gali pasiūlyti tokią plačią dažnių juostą. JAV Nacionalinės mokslų akademijos optikos ir inžinerijos komiteto pranešime buvo akcentuota: “artinasi informacinių technologijų Tb/s era. būtina plėtoti vietinio ryšio tinklus, kurie veiktų dešimčių Gb/s sparta ir turėtų sąsajų su beveik neriboto juostos pločio tinklais”.

Laisvosios erdvės optinio ryšio ištakos

Po to, kai septintajame dešimtmetyje buvo sukurti pirmieji lazeriai, pradėti intensyvūs jų spinduliuotės sąveikos su atmosfera tyrimai, ieškota galimybės juos pritaikyti telekomunikacijos reikmėms. Remiantis šių tyrimų rezultatais, aštuntajame ir devintajame dešimtmečiais buvo toliau tiriama galimybė juos panaudoti saugiam duomenų perdavimui; militaristinės struktūros skatino kurti elektrooptinius įrenginius beei lazerinių radarų sistemas. Devintajame dešimtmetyje buvo sukurtos kelios slaptojo FSO lazerinio ryšio laivas-laivas ir žemė-lėktuvas sistemos. Per pastarąjį dešimtmetį šioje srityje pasiekta naujų laimėjimų: sukurtos ir šiuo metu naudojamos slaptojo palydovinio ryšio žemė-palydovas ir palydovas-palydovas sistemos. Dauguma šių ankstyvųjų JAV gynybos departamento inicijuotų sistemų:
· buvo numatytos tolimajam ryšiui (50-1000 km);
· naudodavo didelės galios (1-200 W) 10 µm – Nd: YAG (neodimiu legiruoto aliuminio-itrio granato) lazerius, 0,85 µm – GaAs (galio arsenido) lazerius ir 1,5 µm – diodinius lazerius su Er (erbio) skaiduliniu stiprintuvu;
· atmosferos reiškiniams kompensuoti veikė iš

švien su sudėtingomis sekimo sistemomis, imtuvų detektorių rinkiniais ir adaptyviąja optika;
· dažnai nebuvo papildomos reikiamomis regėjimo saugos priemonėmis.

Šie JAV Gynybos departamento skatinami FSO ryšio sistemų ir lazerio pluošto sklidimo atmosferoje tyrimai padėjo lazerinio spinduliavimo fizikos, signalo apdorojimo bei detektavimo technologijų pagrindą, iš kurio išsivystė pirmosios komercinės FSO ryšio sistemos.

Rinkos platėjimo veiksniai

Šiuo metu komercinės FSO sistemos sparčiai plinta tose vietose, kur reikia plačiajuosčio ryšio su internetu, o optines skaidulines linijas tiesti per brangu. Jungtinėse Valstijose malonumas sujungti skaidula du miesto pastatus (po žeme) ar bent nutiesti ją per gatvę gali kainuoti apie 300 tūkst. dol. Leidimo ją tiesti galima susilaukti ir po 6 mėn. (tuo atveju, jei jis išvis gaunamas). Kita vertus, FSO rinkos augimą skatina šios sistemos technologiniai privalumai. Šiam ryšiui galima naudoti tiesioginio moduliavimo vidutinės galios diodinius lazerius ir nebrangius šviesos diodus. Šiuolaikinių trumpojo ir vidutiniojo nuotolio FSO sistemų kaina yra maža ir vidutinė.

Per pastaruosius penkerius metus didžiausią populiarumą įgavo ekonomiškiausios trumpojo nuotolio (100-500 m) FSO sistemos. Šiam ryšio nuotoliui naudojami vidutinės galios (10-100 mW) diodiniai lazeriai ir šviesos diodai. Šiandien savo FSO sistemas siūlo 15 JAV kompanijų; kaina svyruoja nuo 1000 dol. (10 Mb/s sistemoms) iki 20-100 tūkst. (1-10 Gb/s sistemoms). Kai kurios kompanijos jau yra pardavusios apie 5000 FSO sistemų, kitos – rengia tiesioginės da

augiavietės (point-to-multipoint) ar mazginės (mesh) architektūros tinklus. FSO sistemų naudą ir paprastumą naudotis liudija toks faktas: po 2001 m. rugsėjo 11 d. pasaulinio prekybos centro antpuolio vos kelių dienų prireikė, kad būtų atnaujintos plačiajuosčio ryšio grandys Niujorko Wall Streete.

Tipinė FSO sistema

Tipinę laisvosios erdvės optinio ryšio sistemą sudaro: nedidelės galios tiesioginio moduliavimo lazeris, siųstuvo teleskopas, kuris suformuoja pluoštą ir jį nukreipia imtuvo link, imtuvo optinis lęšis ar teleskopas, kuris spinduliuotės pluoštą surenka, sufokusuoja ir nukreipia į fotodetektorių, ir imtuvo stiprintuvas. Dalį lazerio spinduliavimo energijos atmosfera sugeria, o pluoštą išsklaido ir keičia jo sklidimo kryptį. Šie ryšio kliuviniai smarkiai priklauso nuo oro sąlygų ir lazerio generuojamos bangos linijos pločio.

FSO ryšio sistemos veikimui įtaką daro ne tik oro sąlygos, bet ir aukšti siūbuojantys pastatai. Jei ryšio nuotolis trumpesnis kaip 200-500 m, pastatų, prie kurių pritvirtinti siųstuvo ar imtuvo įrenginiai, svyravimai gali nukreipti pluoštą nuo imtuvo lęšio apertūros ir ryšys nutrūks. Šiuo atveju bei esant atmosferos sūkuriams, pluoštui į fotodetektorių nukreipti gali būti naudojami aktyvieji sekimo prietaisai. Aktyvioji pluošto koregavimo įranga nėra būtina, kai pluoštas yra pakankamai didelės skėsties arba kai vėjas yra silpnas ir pastatai nesiūbuoja.

Lazeriai ir kiti šviesos pluošto šaltiniai

Daugumoje šiuolaikinių FSO sistemų naudojami 0,8 µm šviesos diodai, 0,8 µm bei 1,5 µm diodiniai lazeriai. 0,8-0,9 µm ba

angos ilgio GaAsAl diodiniai lazeriai nenutrūkstamos veikos režimu generuoja 10-100 mW, o 1,5 µm InGaAsP lazeriai – dešimčių milivatų spinduliuotę. 1,5 µm diodinio lazerio spinduliuotė erbio skaiduliniu lazeriu gali būti sustiprinta iki 1-10 W, o specifinėms palydovinio ryšio užduotims – iki kelių šimtų vatų.

FSO sistemoms gali būti naudojami ir kitų tipų lazeriai, kurių pasirinkimas yra platus. Iš jų galima išskirti vertikalaus rezonatoriaus paviršiumi spinduliuojančius lazerius ir daugiapakopius lazerius. Dauguma šių puslaidininkinių lazerių yra tiesiogiai moduliuojami 10 Gbit/s sparta. Šviesos diodų moduliavimo sparta paprastai yra 1-10 MHz, bet naujausi jų tipai, įskaitant kvazirezonansinius, yra 100 MHz moduliavimo spartos.

Kai kurie lazeriai generuoja vieno dažnio (vieną išilginę rezonatoriaus modą) arba kelių dažnių spinduliuotę. Šviesos diodo nekoherentinės spinduliuotės spektras apima 50 nm (dažnis – apie 15 THz), tuo tarpu tipiškas daugiamodis diodinis lazeris generuoja kelias išilgines modas, esančias 3 nm intervale. Vienmodžių 1,55 µm paskirstyto grįžtamojo ryšio (distributed feedback) lazerio generuojamos linijos plotis yra vos 50 KHz. Visas šis charakteristikų rinkinys yra svarbus, nes lazerio bangos ilgis bei jo spinduliuotės linijos plotis lemia šviesos sugertį ir atmosferinės sklaidos savybes.

Atmosferinis silpninimas ir sklaida

Oru sklindančios optinės spinduliuotės silpimas apibrėžiamas gerai žinomu Beero-Lamberto dėsniu:

I(x)=I0·e-ax, (1)
kur I0 yra pradinis šviesos intensyvumas, I(x) – intensyvumas, kuris lieka, pluoštui nukeliavus x atstumą, a – esamos sklidimo terpės silpimo koeficientas. Spinduliuotės silpimą atmosferoje lemia keli veiksniai, tarp kurių svarbiausi yra jos sugertis atmosferos atomais bei molekulėmis ir elektromagnetinių bangų Relėjaus ar Mie sklaida atmosferos atomais, molekulėmis bei makroskopinėmis dalelėmis. Daugeliu FSO ryšio atvejų dominuoja Mie sklaida (ypač, kai yra rūkas).

4 pav. pavaizduota teorinė (skaičiuota) didelės skyros (0,1 cm-1) šviesos praleidimo priklausomybė nuo bangos ilgio standartinėje atmosferoje 500 m nuotolyje trims bangos ilgiams, kurie įdomūs FSO požiūriu – 0,85; 1,55 ir 9 µm. Ryškios diagramų smailės atitinka vandens garų, CO2, CH4 ir kitų atmosferos dujų vibracines-rotacines sugerties linijas. Visų šių sugerties linijų plotis yra 0,1 cm-1 (linijos išplinta dėl dujų tankio fluktuacijų), tad jei derinamojo lazerio, kurio spinduliuotės linijos plotis yra 0,1 cm1 eilės, bangos ilgis atitiks dujų sugerties rezonansinį dažnį, šviesos praleidimas bus artimas nuliui. Būtent dėl šio stipraus lazerio linijos pločio/bangos ilgio ir atmosferos sugerties linijų ryšio taip svarbu kruopščiai parinkti FSO ryšio sistemos bangos ilgį.

Spinduliuotės silpimą lemia ne tik atmosferinė sugertis, bet ir sklaida aerozoliais bei dalelėmis: rūkas, dulkės, atmosferos taršalai ženkliai silpnina optinę spinduliuotę. Relėjaus sklaida dominuoja trumpabangėje spektro srityje. Ją sukelia mikrodalelės ir oro tankio fluktuacijos, kurių matmenys mažesni už bangos ilgį. (Beje, mėlynas dangus – Relėjaus sklaidos rezultatas).

Mie sklaida

Jei sklaidančiojo nevienalytiškumo (dalelės ar tankio fluktuacijos) matmuo sulyginamas ar didesnis už šviesos bangos ilgį, sklaida yra sudėtingas procesas, persipynęs su šviesos difrakcija bei interferencija. Mie sklaida, išsklaidytas intensyvumas smarkiai priklauso nuo sklaidos kampo, šviesos poliarizacijos, bangos ilgio ir dalelių dydžio. Mie sklaidą galima būtų įvertinti teoriškai, jei būtų žinoma dalelių forma ir matmenys bei jų pasiskirstymas erdvėje. Tačiau ji negali būti iš anksto apskaičiuota, kai dalelės yra sudėtingos formos, o jų orientacija šviesos pluošto atžvilgiu kinta (dažniausiai taip ir būna). Dėl šios priežasties Mie sklaida atmosferoje paprastai matuojama. 5 pav. parodytos kelios, skirtingose orų sąlygose išmatuotos silpimo arba atmosferos ekstinkcijos koeficiento priklausomybės nuo bangos ilgio. Matavimo paklaida didelė; be kita ko ji priklauso ir nuo matavimo laiko (atmosferos sąlygos nuolat kinta), todėl silpimą geriausia matuoti tiesiogiai – FSO ryšio seanso metu.

Iš 4 ir 5 pav. aišku, kad daugeliui bangos ilgių atmosferinis spinduliuotės silpninimas dėl stiprios sugerties yra dominuojantis; jis gerokai viršija silpimo foną, sukeliamą urbanistinės miglos. Taigi FSO ryšiui pirmiausia pasirenkamas bangos ilgis, kuris prasilenkia su stiprios atmosferinės sugerties linijomis. Kai spinduliuotės bangos ilgis pasirinktas, silpimui įtaką gali daryti debesys, lietaus lašai, rūkas ir snaigės. Kompiuterinės programos Air Force Modtran ir Lowtran gali gana tiksliai apskaičiuoti lietaus ir sniego įtakotą silpimą. Trumpojo nuotolio ryšiui (iki 500 m) silpimas dėl lietaus ar sniego nėra stiprus. Tačiau tirštas rūkas signalą gali stipriai susilpninti – iki 200 dB/km. Nelabai tiršto rūko sugerties nuostoliai matomojo ir artimojo infraraudonojo diapazono bangos ilgiams yra apie 20 dB/km.
Detektoriaus triukšmas ir bitų klaidų dažnis

Dauguma dabartinių komercinių FSO sistemų tiesiogiai detektuoja moduliuoto intensyvumo lazerio spinduliuotę. Spinduliuotės bangos ilgiams iki 1,1 µm naudojami maži plačiajuosčiai Si fotodiodai arba griūtinai fotodiodai, 1,5 µm bangos ilgiams – InGaAs fotodiodai arba griūtinai fotodiodai. Kad fotodetektoriai veiktų 10 MHz-10 GHz sparta, jie turi būti mažos talpos (mažų matmenų – 20-100 µm). Daugumos detektorių jautris arba ekvivalentinė triukšmo galia (Noise Equivalent Power – NEP) yra nuo dešimčių nanovatų iki mikrovato.

Apskritai regimojoje ir artimojoje infraraudonojoje spektro srityje detektorių jautrį riboja šratinis triukšmas – statistinė fotonų skaičiaus fluktuacija, proporcinga jų skaičiaus kvadratinei šakniai. Dėl šios priežasties detektoriaus triukšmas paprastai vertinamas pagal mažiausią detektuojamą signalą 1 mW atžvilgiu (decibelais) arba foninę srovę (tuo atveju, jei triukšmas yra šiluminis). IR spektro srityje dominuojantis triukšmo mechanizmas yra šiluminis spinduliavimas.

Daugumos ryšio sistemų kokybė vertinama pagal bitų klaidų dažnį (bit-error rate – BER) – parametrą, kuris yra sistemos jautrumo bei signalo ir trukdžio santykio (signal-to-noise ratio – SNR) matas. Šis parametras naudojamas, kai reikia nustatyti duomenų srauto teisingo dekodavimo tikimybę. BER pasako, kuri viso bitų srauto dalis priimama klaidingai. Dabartinių FSO ryšio linijų BER yra intervale nuo 10-9 iki 10-10 (tuo atveju, jei nenaudojami klaidas koreguojantieji kodai). Kad BER būtų 10-9 eilės, maksimali SNR vertė turi būti 12, o tai atitinka SNR vidurkį, lygų 6. Dėl šios priežasties signalo ir trukdžio santykio vertė SNR=P/NEP=6 (P – imtuvo detektuojama lazerio spinduliuotės galia) dažnai laikoma FSO linijos detektavimo slenksčiu.

Lazerio pluošto skėstis ir teleskopo derinimas

Lazerio generuojamas spinduliuotės pluoštas skečiasi dėl difrakcijos, kurią apibūdina erdvinis kampas Dq1=l/D1·M2, kur D1 yra pradinis pluošto skersmuo, o M – lazerio modos parametras. Dažnai FSO sistemos sąmoningai konstruojamos taip, kad lazeris generuotų padidintos skėsties pluoštą ir į imtuvo teleskopą projektuojama dėmė būtų už jį kelis kartus didesnė. Tai palengvina siųstuvo ir imtuvo teleskopų optinių ašių centravimą. Šiek tiek išfokusuojant siųstuvo teleskopą, pluošto skėsties kampas paprastai pasirenkamas nuo 0,1 iki 1 mrad. Palyginimui – difrakcijos sukelta minimali skėstis (Gauso pluoštas) yra nuo 0,01 iki 0,1 mrad.

Imtuvo teleskopo regos laukas priklauso nuo jo optinės sistemos ir detektoriaus savybių. Į fotodetektorių fokusuojama tik ta spinduliuotės dalis, kuri patenka į teleskopo regos lauko kūgį, kurio ašis sutampa su teleskopo optine ašimi. Imtuvo teleskopo regos lauko erdvinis kampas Dqr= Dd/f, kur Dd yra detektoriaus matmuo, o f – imtuvo teleskopo židinio nuotolis. Taigi, imtuvo teleskopo optinė ašis kartu su detektoriumi turi sutapti su siųstuvo optine ašimi Dqr tikslumu. Tipiško 300 µm matmens detektoriaus ir 0,3 m židinio nuotolio teleskopo regos laukas yra apie 10-3 radianų.

FSO ryšio nuotolio lygtis

FSO ryšio nuotolio lygtimi skaičiuojama imtuvo priimta optinė galia kaip nuotolio ir teleskopo apertūros funkcija:
PR=PT [Ar/ (D1+RDq1)2] TKe-aR, (2)
kur PR yra imtuvo priimta optinio signalo galia, PT – imtuvui perduota optinio signalo galia, Ar – imtuvo teleskopo (renkamojo lęšio) plotas, T – imtuvo optinis efektyvumas, R – ryšio nuotolis, šio nuotolio pluošto skerspjūvio plotas yra (D1+RDq1)2, o K yra parametras, kuriuo įskaitomi nuostoliai dėl spinduliavimo nekoherentiškumo (šviesos diodams). Koherentinei šviesai K=1, nekoherentinei – K= Adet/ALED<1, kur Adet yra detektoriaus plotas, o ALED – šviesos diodo spinduliavimo plotas. Pastaruoju atveju atsižvelgiama į tai, kad nekoherentinės spinduliuotės pluoštas negali būti sufokusuotas į mažesnį už spinduliavimo šaltinio plotą.

FSO ryšio nuotolio lygtis naudojama tuomet, kai reikia apskaičiuoti FSO SNR ar detektuojamos galios priklausomybę nuo ryšio nuotolio. 6 pav. pavaizduota imtuvo priimtos optinės galios priklausomybė nuo ryšio nuotolio 10 Mb/s juostos pločio atveju. Skaičiuota mažo galingumo 0,85 µm šviesos diodo FSO sistemai, esant tokiems parametrams: galia – 40 mW, imtuvo teleskopo apertūra – 13 cm; T=0,2; K=Adet/ALED=(0,28 mm2)/(0,5 mm2)=0,3; skėstis = 1o=0,0175 rad; NEP=300 nW (Si detektoriui, skirtam naudoti dienos metu). Šie parametrai atitinka tipinę vidutinės galios 0,85 µm šviesos diodo FSO sistemą. Šiame pav. parodyti ir dviejų skirtingų atmosferos sąlygų atvejai: mažo silpimo ~ 0,2 dB/km (nedidelis rūkelis) ir vidutinio silpimo ~ 20 dB/km (šviesūs debesys ar nelabai tirštas rūkas). Galima pastebėti, kad trumpiems ryšio nuotoliams perdavimo galia mažėja kaip 1/R2, o ilgiems galioja eksponentinis Beero-Lamberto dėsnis (1). Pažymėtas ir detektoriaus 300 nW NEP slenkstis bei detektuojamos galios vertė, atitinkanti SNR=6. Šiai SNR vertei bitų klaidų dažnis lygus 109. Kaip matyti iš paveikslo, esamų parametrų sistema nedidelio rūko sąlygomis veiksminga iki 600 m, o vidutinio šviesaus rūko – iki 200 m. Nakties metu ar giedro oro sąlygomis ryšio parametrai gerėja, nes mažėja detektoriaus NEP.

Atmosferiniai sukūriai

Atmosferiniai sūkuriai sukelia mums gerai pažįstamus reiškinius – žvaigždžių mirgėjimą ir karštą dieną stebimą horizonto virpėjimą. Pirmąjį sukelia atsitiktinės šviesos intensyvumo fluktuacijos, antrąjį – atsitiktiniai šviesos pluošto fazės pokyčiai, kurie mažina vaizdo skyrą. Matomos šviesos ir artimojo IR diapazono srityse šiuos optinius atmosferos efektus sukelia nedidelės (0,01-0,1 laipsnių) temperatūros fluktuacijos, vykstančios 0,1 cm-10 m skersmens tūriuose ir keičiančios atmosferos lūžio rodiklį. Šios nedidelės fluktuacijos gali iškreipti lazerio pluoštą bei jį išskaidyti į dalis. Tolimojoje IR srityje šie atmosferiniai temperatūros svyravimai lazerio spinduliuotei apčiuopiamos įtakos nedaro; ją veikia didesnės skalės sugerties fono bei vandens garų koncentracijos pokyčiai.

Per pastaruosius 40 m. didelį darbą nuveikė JAV Nacionalinis vandenyno ir atmosferos tyrimo centras bei Gynybos departamentas, tiriantys atmosferos sūkurių reiškinį (turbulentiškumą). Buvo išvesta lygtis, siejanti optinio pluošto fluktuacijas su sūkurinių darinių parametru Cn2. Silpno turbulentiškumo atveju spinduliuotės intensyvumo fluktuacijos gali būti apytiksliai išreikštos taip:
sr2=exp(0,5k7/6 R11/6 Cn2) – 1, (3)
kur sr2 yra spinduliavimo dispersija (normalizuota į vidutinę spinduliavimo vertę), k yra banginis skaičius (k=2) p/l, o R – ryšio nuotolis.

Lazerio spinduliuotės fluktuacijų galios spektrinis tankis teikia šių fluktuacijų dažnį. Eksperimentiniai tyrimai parodė, kad atmosferos sūkurinių fluktuacijų relaksacijos trukmė yra 1-10 ms, tad fluktuacijų dažnis siekia kelis šimtus Hz.

(3) lygtis gali būti naudojama, norint įvertinti apytiksles lazerio spinduliuotės fluktuacijas. Eksperimento sąlygos turėtų būti kontroliuojamos (jis gali būti vykdomas ir laboratorijos sąlygomis). Standartinio fluktuacijų nuokrypio s vertės yra paprastai 5-70 proc. (priklauso nuo to, kokia naudojama Cn2 vertė). Tačiau eksperimentiniai tyrimai bei stebėjimai realiomis oro sąlygomis parodė, kad egzistuoja tokie oro masių judėjimai ir atmosferos nevienalytiškumai, kurie sukelia lokaliąją spinduliuotės galios sugertį ir pluošto poslinkį erdvėje. Dėl šios priežasties paprastai būna sunku tiksliai pasakyti, koks konkrečiu atveju bus fluktuacijų lygis. Tokiu atveju galima atlikti realios puošto sklidimo terpės fluktuacijų dispersijos s2 matavimus.

Esant normalioms sąlygoms, fluktuacijų dispersijos lygtis gali būti susieta su duomenų signalo SNR:

SNR=1/s2, (4)
kur s2 atitinka suvidurkintą ar normalizuotą dispersiją, matuotą per laiką, skirtą nustatyti SNR. Jei matuojamas suvidurkintas signalas, dispersijos vertės mažėja atvirkščiai proporcingai matavimų skaičiaus kvadratinei šakniai, t.y.:

SNRn=SNR1·n1/2 =n1/2/s2, (5)
kur n yra vidurkinamų matavimų skaičius, SNRn – n matavimų vidutinė SNR reikšmė, o SNR1 – vieno matavimo SNR. (5) lygtis galioja atsitiktinio triukšmo ergodiniams procesams.

(5) lygtis rodo, kad FSO sistemos SNR gali būti pagerintas, vidurkinant signalus informacijos perdavimo metu. Šią išvadą vaizdžiai iliustruoja 7 pav., kuriame pavaizduoti I. I. Kimo ir bendradarbių tyrimo rezultatai. Mokslininkai atmosferos sūkuriams tirti panaudojo daugiapluoščius lazerius. 7 pav. pateikti 1,5 µm 1,2 km nuotolio FSO sistemų, naudojančių vieną, du ir tris lazerių pluoštus, fluktuacijų lygiai, matuoti 20 s periodais. Akivaizdu, kad fluktuacijos poveikis kelių lazerio pluoštų ryšio sistemai yra mažesnis, o SNR – didesnis.

Teleskopo konstrukcija ir derinimas

Konstruojant FSO sistemos teleskopą bei parenkant lęšį, paprastai daromi kompromisai tarp plačios apertūros (didesniam šviesos intensyvumui surinkti), trumpesnio lęšio židinio nuotolio (kad imtuvu būtų lengviau naudotis), reikiamo regos lauko (kad būtų lengviau derinti teleskopą) ir spektrinių filtrų optinės dangos. Paprastai imtuvas konfigūruojamas iš vieno lęšio ir detektoriaus, trumpojo židinio nuotolio Cassegrain arba Mangin teleskopo, holografinio arba plokščiojo Frenelio lęšio. Pastarojo lęšio skyra nėra tokia gera, kaip tradicinių, bet jos gali pakakti, nes siekiant lengviau suderinti optinę sistemą, pluošto skėstis dažnai būna padidinta, o imtuvo regos laukas – išplėstas.

Optinės sistemos derinimas ir ryšio palaikymas yra keblesnis tik tolimojo ryšio nuotolio sistemoms. Trumpojo nuotolio sistemoms (200-500 m) siųstuvo generuojamas pluoštas tik nežymiai nukrypsta nuo imtuvo optinės ašies, tad pradinėje derinimo stadijoje pakanka vien mechaninių įtaisų. Tolimojo ryšio nuotolio sistemoms dažniausiai reikia pluošto sekimo sistemos. Neretai ant imtuvo teleskopo montuojama dar viena FSO sistema, naudojamas ir aktyvusis detektoriaus padėties koregavimas teleskopo x-y vaizdo plokštumoje. Atmosferinės fluktuacijos yra 1-10 ms trukmės, pastatai siūbuoja 1-10 s rezonanso periodu, temperatūros pokyčiai ir vėjo keliami pastatų svyravimai trunka valandas. Kad tokie judėjimai būtų kompensuojami, dažnai naudojamas 4 detektorių rinkinys ir CCD kamera – ja sekamas siųstuvo pluoštas.

Lazeris ir akių sauga

Jei lazerio spinduliuotės intensyvumas viršija leistiną normą, jis yra potencialiai pavojingas žmogaus regėjimui. Minimalus leistinas eksponavimo lygis (minimum permissible exposure – MPE) nurodytas ANSI (Amerikos nacionalinio standartų instituto) standartuose. Tiesioginio okuliaro vaizdo intensyvumo standartai čia pateikti kaip bangos ilgio funkcija. Tai svarbu, nes akies lęšiukas fokusuoja tik mažesnio kaip 1,4 µm bangos ilgio spinduliuotės pluoštą ir tinklainę pasiekia didesnio intensyvumo šviesa. Ilgesnio kaip 1,4 µm bangos ilgio spinduliuotę sugeria akies ragena ir jos stiklakūnis. Atsižvelgiant į šiuos faktus, ANSI standartai 0,8 µm bangos ilgio spinduliuotei rekomenduoja 10 s eksponavimo trukmę ir 1 mW/cm2 intensyvumo MPE vertę, o 1,55 µm bangos ilgiui – apie 100 mW/cm2. Šviesos diodams saugi eksponavimo riba yra didesnė, nes šio šviesos šaltinio spinduliavimas nėra koherentiškas, todėl negali būti sufokusuotas į mažą dėmę akies tinklainėje.

Daugumos FSO sistemų spinduliuotė yra arba nekenksminga žmogaus akiai, arba neturi galimybių jai pakenkti. Be to, spinduliuotės pluoštas dažnai būna padidintos skėsties, taigi sumažinto intensyvumo – dešimčių centimetrų skersmens.

FSO sistemos ir inžineriniai kompromisai

Konstruojant FSO sistemą reikia laikytis mokslo apibrėžtų ir ryšio palaikymui būtinų reikalavimų, tačiau yra nemažai ryšio sistemos kūrimo būdų ir inžinerinių sprendimų, kurie pasirenkami kompromiso keliu. Čia paminėsime tik kelis, kompromiso būdu daromus sprendimus. Taigi, ką pasirinkti: patogų naudoti tiesioginio moduliavimo lazerį ar pigų šviesos diodą, kuriam reikia brangaus išorinio moduliatoriaus; didelę lazerio pluošto skėstį ir, galimas daiktas, didesnę spinduliuotės galią ar adaptyviosios optikos komponentus ir aktyvųjį derinimą, kuris būtinas siauro pluošto atveju; brangias kelių bangos ilgių sistemas, padėsiančias įveikti rūką bei lietaus užtvarą, ar pigių detektorių rinkinį; akių saugumą ar didesnį imtuvo teleskopo šviesos intensyvumą. Kiekviena FSO sistema kuriama, atsižvelgiant į konkrečius vietovės ypatumus ir veikimo sąlygas. Konkrečią sistemą galima kurti įvairiai, tad visuomet yra galimybė pasiekti optimaliausią (esamomis sąlygomis) parametrų ir charakteristikų kompromisą. Realios FSO sistemos nebūna arba vieno bangos ilgio, arba plačiajuostės; visuomet yra keli bangos ilgiai, kuriais galima manipuliuoti palaikant reikiamą ryšį.

Ateities perspektyvos

FSO sistemas tik neseniai imta naudoti kaip priemonę, padedančią įveikti “paskutiniosios mylios” kliūtį ir teikiančią spartų ryšį su internetu. Kai kas mano, kad ši technologija galėtų sudaryti visą didžiųjų miestų pastatų ryšio tinklą; daug kas mato ją kaip optimaliausią įmonės su įmone ar vartotojo su vartotoju ryšio priemonę. Jau dabar aišku, kad FSO sistemos teikia patikimas (99,9 – 99,999 proc. atveju) ir plačios juostos ryšio grandis. Tokį ryšį nesunku palaikyti, techniniai sprendimai dažniausiai būna ekonomiški. Visgi, kol kas telekomunikacijos pramonė dar nežino, kaip šias sistemas deramai integruoti į esamus telekomunikacijos tinklus. Kad šie sunkumai būtų įveikti, FSO bendruomenės iniciatyva buvo sukurta Laisvaerdvio optikos sąjunga (Free Space Optics Alliance), kurios tikslas – skatinti šios srities telekomunikacijos organizacijų bei kompanijų bendradarbiavimą. Manoma, kad šios ryšio technologijos populiarėjimas skatins rengti naujus standartus ir galiausiai šis ryšio būdas ims sparčiai plėtotis. Pabaigai reikėtų pastebėti, kad norint ir toliau tobulinti optinį laisvaerdvio ryšį, reikėtų tirti ir kurti naujus spinduliuotės šaltinius, toliau vykdyti atmosferos spektroskopinius tyrimus, tobulinti daugiapluoštes, aktyviojo derinimo bei daugelio detektorių FSO ryšio sistemas.

Leave a Comment