Praktikumsanleitung Free Space Optics (FSO), (O8

FAKULTÄT ELEKTROTECHNIK
Praktikum Kommunikationstechnik
Versuch: Free Space Optics (FSO)
1. Versuchsziele
• Kennenlernen des prinzipiellen Aufbaus eines FSO - Systems
• Untersuchen der Einflussfaktoren auf die Übertragungstrecke zwischen Sender
und Empfänger
• Bewertung der Lasersicherheit eines FSO-Systems
• Aufbau und Inbetriebnahme eines Netzwerkes mit Hilfe kommerziell verfügbarer
FSO-Geräte
2. Grundlagen
2.1. Motivation
Im Weitverkehrsbereich und zunehmend auch in lokalen Netzen stehen gegenwärtig
leistungsfähige Glasfasernetze zur Verfügung. Es gibt aber auch Anwendungsbereiche, in
denen das Verlegen von Glasfasern unwirtschaftlich ist, z.B. um optische Teilnetze im
Metrobereich oder Gebäude eines Campus zu verbinden oder um temporär eine
Hochgeschwindigkeits-Übertragungsstrecke zu errichten. Eine preisgünstige und schnell
bereitzustellende Alternative ist in derartigen Fällen der optische Richtfunk [Kub-04, WiG03, VoP-02], auch optische Freiraumübertragung (FSO: Free Space Optics) genannt.
2.2. Theoretische und experimentelle Grundlagen
2.2.1. Aufbau eines FSO-Systems [Mar-04]
Ein FSO-System besteht aus zwei Geräten, welche jeweils mindestens einen Sender und einen
Empfänger beinhalten. Als Sender kommen Halbleiterlaser zum Einsatz, die im infraroten
Spektralbereich arbeiten. Auf der Empfangsseite werden PIN- oder Avalanche-Fotodioden
verwendet. Die erzeugte Strahlung wird in Lichtwellenleiter eingekoppelt und das Faserende
im Brennpunkt einer plan-konvexen Linse angeordnet. Das entstandene fast parallele
Strahlenbündel wird beim Empfänger wieder mit Hilfe einer Sammellinse auf einen
Lichtwellenleiter fokussiert und zur Photodiode geführt (siehe Abb. 1). Die FSO-Geräte
benötigen eine Sichtverbindung zueinander, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten
(siehe Abb. 2).
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1
Abb. 1: Prinzipieller Aufbau eines FSO-Gerätes
Welche elektrischen Signale an den optoelektronischen Schnittstellen anliegen müssen, hängt
von der Elektronik innerhalb des Systems ab. Einige kommerzielle FSO-Systeme verfügen
über einen RJ-45 Ethernetanschluss und sind damit leicht in bestehende Netzwerke zu
integrieren. Im Laborversuch sind die optoelektronischen Schnittstellen und die zugehörigen
Linsensysteme räumlich voneinander getrennt. Die Wandlung erfolgt in den sogenannten
Mediaconvertern, die mit den Linsensystemen über passende Lichtwellenleiter verbunden
sind.
Abb. 2. Kommunikation zwischen zwei FSO-Geräten
2.2.2. Übertragungsmedium Atmosphäre [KuB-04]
Da die Atmosphäre als Medium zur Übertragung der Signale dient, ist ihr Einfluss auf die
Übertragungsqualität sehr kritisch. Die Zusammensetzung der Luft und die unterschiedlichen
Wetterbedingungen sind dabei die maßgebenden Einflussfaktoren. Der Verlust der Leistung
zwischen Sender und Empfänger durch die Atmosphäre wird über ihre Dämpfung
beschrieben. Sie setzt sich aus der Streuung und der Absorption an Aerosolen und Molekülen
zusammen (siehe Abb. 3)
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2
Abb. 3: Mechanismen der Strahlschwächung in der Atmosphäre
Für die molekulare Absorption ist in Abbildung 4 der typische Verlauf der Durchlässigkeit
gekennzeichnet. Für die FSO sind die atmosphärischen Fenster um 850, 1300 und 1550 nm
von Bedeutung.
Abb. 4: Horizontale atmosphärische Durchlässigkeit, gemessen bei 1820 m über NN [WiG-03]
Die Dämpfung in diesen Fenstern ist bei typischen urbanen Aerosolkonzentrationen vor allem
auf den in der Luft vorkommenden Wasserdampf zurückzuführen. Speziell für Wasserdampf,
bezogen auf seine Konzentration WD in der Luft in mg/m3, kann die kilometrische Dämpfung
a´ in dB/km wie folgt berechnet werden:
W mg ⋅ m −3
a'
= 3,26 ⋅ K ⋅ D
(1)
dB / km
r µm
mit K: Extinktionsfaktor
r: Wassertropfenradius in µm
Der Extinktionsfaktor K ist beim Vernachlässigen der Absorption vom Verhältnis r
λ und
dem Brechungsindex der Wassertropfen abhängig. In der Abbildung 5 ist der Verlauf von K
für λ = 850 nm dargestellt.
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3
4
3,5
3
K
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
5
10
15
20
25
r/λ
Abb. 5: Extinktionsfaktor in Abhängigkeit vom Verhältnis des Teilchenradius r zur
Wellenlänge λ
2.2.3. Leistungsreserve eines FSO-Systems [WiG-03]
Um die Bedingungen für eine sichere Datenverbindung des FSO-Systems abzuschätzen, wird
ein Leistungsbudget erstellt, in das alle Verlustgrößen einfließen. Auf diese Weise kann die
Systemreserve für Wettereinflusse bestimmt werden. Als Referenzgrößen werden die
Laserleistung der optischen Quelle und die Empfindlichkeit der Photodiode in dBm
angegeben. Die einzelnen Verlustarten werden zur Berechnung in eine Tabelle eingetragen
(siehe Tab. 1) und haben folgende Bedeutung:
Licht wird zwischen der Laser- und Photodiode mehrmals in Lichtwellenleitern ein- bzw.
ausgekoppelt. Diese Koppelverluste werden zusammen mit den Verlusten, die durch die
teilweise Reflexion und Absorption an den Linsen auftreten, als optische Verluste
bezeichnet. Sie liegen je nach Qualität der Linsen und der Koppelstellen der LWL’s bei ca. 4
dB.
Im Gegensatz dazu sind geometrische Verluste abhängig von der Entfernung zwischen
Sender und Empfänger und der Aufweitung des Lichtstrahls. Hierfür lässt sich eine
zugeschnittene Größengleichung angeben:

AE 
DE
=

AB  DS + 100 ⋅ s ⋅Θ 
2
Mit den Parametern:
AB ...... bestrahlte Fläche beim Empfänger
AE ...... Fläche des Empfängers
DE ..... Durchmesser der Empfängerlinse (in cm)
DS ...... Durchmesser der Sendelinse (in cm)
s ........ Entfernung zwischen Sender und Empfänger (in km)
Θ ....... Divergenzwinkel der Strahlung nach der Linse (in mrad)
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4
(2)
Bei unsachgemäßer Justage bzw. Inbetriebnahme eines FSO-Systems können
Ausrichtungsverluste entstehen. In diesem Fall trifft der Lichtstrahl nicht mehr voll auf die
Empfangslinse und ein Teil der Leistung geht verloren. Jedoch können diese Verluste durch
präzise Ausrichtung meist vernachlässigt werden und fließen mit 0 dB in das Budget ein.
Nachfolgend ist das Budget für einen Laser mit 7 dBm optischer Leistung und bei einer
Empfängerempfindlichkeit von z.B. - 40 dBm angegeben (siehe Tab. 1).
Beschreibung
Wert Einheit
optische Sendeleistung
7
dBm
min. Empfängerempfindlichkeit -40
dBm
optischer Verlust
4
dB
geometrischer Verlust
23
dB
Ausrichtungsverlust
0
dB
Schwundreserve
20
dB
Tab. 1: Leistungsbudget eines FSO-Systems
Es bleibt eine Leistungsreserve von 20 dB zur Verfügung, welche für die Dämpfung in der
Atmosphäre verbleibt. In Tabelle 2 sind einige charakteristische Wetterbedingungen
aufgeführt, die in der FSO eine wichtige Rolle spielen.
Nebelbezeichnung Niederschlagsäquivalenz
dichter Nebel
mäßiger Nebel
leichter Nebel
Nebeldunst
Dunst
leichter Dunst
klar
sehr klar
Schnee
Schnee
Schnee
Schnee
Schnee
Schnee
Wolkenbruch
starker Regen
mittlerer Regen
leichter Regen
Nieselregen
Sichtweite
200 m
500 m
770 m
1,9 km
2,8 km
5,9 km
18,1 km
23 km
Signalverlust
in dB/km
59,57
20,99
12,65
4,22
2,58
0,96
0,24
0,19
Tab. 2: Wetter- und niederschlagsabhängige Sichtweitenklassen [WiG-03]
2.3. Strahlung am Ausgang des LWL [SuE-08]
Mit zunehmender Entfernung von der Quelle vergrößert sich der Durchmesser eines Strahls.
Dieser Vorgang wird als Divergenz bezeichnet. Der ebene Öffnungswinkel eines Strahls wird
deshalb als Strahldivergenz Θ bezeichnet. Typischerweise wird dieser bei den Lasern in mrad
angegeben. Die Strahldivergenz ist bei LEDs, Laserdioden bzw. beim Auskoppeln aus dem
LWL größer als bei konventionellen Lasern. Bei der Strahlauskopplung aus dem LWL, siehe
Abbildung 6, besteht zwischen der numerischen Apertur (NA) und dem Divergenzwinkel
(Divergenz) im Idealfall folgender Zusammenhang:
Θ = 2 · δ = 2 · arcsin (NA)
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5
(3)
Bei Gaußscher Leistungsdichteverteilung gilt für den Divergenzwinkel [SuE-08] :
Θ ≈ 1,156 · δ = 1,156 · arcsin (NA)
(4)
Abb. 6: Zusammenhang zwischen dem Divergenzwinkel und NA bei Auskopplung des
Strahls aus dem LWL
2.4. Lasersicherheit [SuE-08, N1]
In FSO-Systemen kommen Halbleiterlaser als Sender zum Einsatz. Diese können abhängig
von ihrer Wellenlänge und der optischen Ausgangsleistung gefährlich für Haut und Auge
sein. Um das Gefährdungspotential von Laserquellen zu kennzeichnen, werden sie nach
DIN EN 60825-1 in Lasersicherheitsklassen von 1 bis 4 mit verschiedenen Unterteilungen
eingeordnet. Je höher dabei die Nummerierung, desto größer ist die Gefahr für den Menschen.
Zur Einteilung in die verschiedenen Klassen sind Grenzwerte eingeführt worden. Man
bezeichnet sie als GZS (Grenzwerte zugänglicher Strahlung).
Die Messung der Leistung und damit die Einordnung in die GZS muss nach bestimmten
Richtlinien erfolgen. Auf dem Messgerät ist eine Messblende mit 7 mm Durchmesser zu
befestigen. Sie soll die Größe der Pupille nachbilden, durch die die Strahlung ins Augeninnere
gelangen kann. Die Messung muss im Abstand von 100 mm von der scheinbaren Quelle
stattfinden und an der Stelle, wo die maximale Leistung messbar ist. Als scheinbare Quelle
wird der Ort bezeichnet, an dem die Strahlung für den Menschen zugänglich ist. In unserem
Fall ist es das Ende der Quarzglasfaser der Sendeoptik. Deshalb gelten für den
Divergenzwinkel die unter 2.3 beschriebenen Zusammenhänge (Formel (4)).
Um einen augensicheren Betrieb im Praktikum zu gewährleisten, ist es notwendig, die GZS
der Laserschutzklasse 1 einzuhalten. Die Berufsgenossenschaft für Feinmechanik und
Elektrotechnik definiert das Gefahrenpotential für diese Klasse wie folgt (Auszug):
„... Die zugängliche Laserstrahlung ist unter vernünftigerweise vorhersehbaren
Bedingungen ungefährlich. ...“
D.h. der direkte Blick in die Laserstrahlung ist für diese Klasse zwar nicht unmittelbar
gefährlich, jedoch kann bei unvernünftigem Umgang mit der Quelle eine Gefährdung für das
Auge entstehen.
Als Grenzwerte dürfen für diese Klasse 1 für λ = 700 nm bis 1050 nm folgende optische
Leistungen während der Bestrahlungsdauer t nicht überschritten werden:
für t ≤ T2
GZS = 7·10-4 · t 0,75 · C4 · C6 · C7 W · s
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(5)
für t > T2 unterscheidet man noch zwischen verschiedenen Divergenzwinkeln θ:
Ө ≤ 1,5 mrad → GZS = 3,9·10-4 · C4 · C7 W
Ө > 1,5 mrad → GZS = 7·10-4 · C4 · C6 · C7 · T2 –0,25 W
mit den Parametern:
T2 = 10 ⋅ 10 [(θ −θ min ) / 98,5] s für 400 nm ≤ λ < 1400 nm
C 4 = 10 0,002⋅( λ −700 )
für 700 nm ≤ λ < 1050 nm
C6 = 1
für Ө < Өmin
C6 = θ / θ min
C6 = θ max / θ min = 66, 7
⇒
für Өmin < Ө ≤ Өmax
für Ө > Өmax
gilt für 400 nm ≤ λ < 1400 nm
C7 = 1
θ min = 1,5 mrad
für 700 nm ≤ λ < 1150 nm
θ max = 100 mrad
C6 darf nicht für die fotochemische Wirkung angewandt werden!
Die Messzeit beträgt für λ = 400 ... 1050 nm 100 s [SuE-08].
Für große Quellen (Ө > Өmax , z.B. LWL-Ausgang) [SuE-08] ergeben sich folgende
Leistungsgrenzen (Siehe Abb. 7):
Abb. 7: GZS für Laserklassen bei großen Quellen (für Ө > Өmax ) [SuE-08]
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(6)
(7)
3. Vorbereitungsaufgaben
3.1. Erklären Sie die Begriffe direkte und indirekte Modulation, sowie kohärente und
inkohärente Strahler. Nennen Sie jeweils praktische Anwendungsbeispiele!
3.2. Welche Wellenlängen sind am besten geeignet, auch bei atmosphärisch ungünstigen
Bedingungen eine hohe Übertragungsqualität sicherzustellen? Begründen Sie ihre
Antwort an Hand der Abbildungen 3 und 4. Welche atmosphärischen Einflüsse führen
zu hohen Dämpfungen und Signalverlusten? Wie könnten diese Verluste verringert
werden? Sprechen Sie hierbei auftretende Probleme an!
3.3. Eine Laserdiode besitzt eine Ausgangsleistung von 5 mW. Wieviel Verlust (in dB) darf
das Signal erfahren, wenn ein 500 m entfernter Empfänger eine Empfindlichkeit von
100 nW besitzt? Der Verlust in den optischen Teilsystemen beträgt jeweils 2 dB. Alle
Linsen besitzen einen Durchmesser von 80 mm. Die Divergenz beträgt 2 mrad, die
Ausrichtungsverluste sind zu vernachlässigen. Stellen Sie ein Leistungsbudget auf.
3.4. Aus einer Quarzglasfaser mit NA = 0,3 wird der Strahl einer Laserdiode (λ = 850 nm)
ausgekoppelt. Welche Leistung darf in 100 mm vom Faserausgang bei t > T2 gemessen
werden, damit für die verwendete Laserquelle der GZS der Laserklasse 1 eingehalten
wird.
3.5. Leiten Sie die numerische Apertur für eine Stufenprofilfaser her (NA = sin(δmax))!
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4. Versuchsdurchführung
Sicherheitshinweis
Nach DIN EN 60825 gehören die im Versuch verwendeten Laserquellen zur
Laserklasse 1M. Aus diesem Grund ist die augensichere Versuchsdurchführung nur
dann gewährleistet, wenn keine optischen Instrumente verwendet werden, die den
Strahlquerschnitt verkleinern bzw. wenn kein direkter Einblick in die VCSELDioden oder in die Lichtwellenleiter erfolgt.
Alle LWL dürfen bei eingeschalteten Laserdioden nicht abgeschraubt
werden.
Die Einzelheiten zur Versuchsdurchführung sind in den Hinweisen am Versuchplatz
beschrieben.
4.1. Optische Ausgangsleistung der Laserdioden
Messen Sie die Leistung der eingesetzten Laserdioden für den Impulsbetrieb im
Frequenzbereich von 100 KHz bis 1 MHz.
• Stellen Sie den Verlauf der optischen Leistung der Laserdioden in Abhängigkeit von der
Frequenz grafisch dar.
4.2. Ausrichtung des FSO-Systems
Richten Sie unter Anleitung des Laboringenieurs die optischen Teilsysteme aus. Prüfen Sie
die Verbindung mit Hilfe des Signalgenerators und des Oszilloskops. Merken Sie sich die
Vorgehensweise, um sie für die nachfolgenden Aufgaben gegebenenfalls zu wiederholen.
4.3. Leistungsbudget des FSO-Systems
Bestimmen Sie unter Verwendung des Versuchsaufbaus aus Aufgabe 4.2 die übertragene
Leistung bei der Generatorfrequenz (Internen Rechtecksignalgenerator nutzen!) von 2
MHz und erstellen Sie ein komplettes Leistungsbudget. Hierzu ist jeweils der
Leistungsmesser an die Empfängerseite anzuschließen. Die Empfängerempfindlichkeit der
Photodiode beträgt –27 dBm. Die geometrischen Verluste sind zu vernachlässigen und die
optischen Verluste sind aus der gemessenen Leistung zu bestimmen.
• Erstellen Sie für jede Übertragungsrichtung ein Leistungsbudget.
4.4. Überprüfung des Leistungsbudgets
Überprüfen Sie die unter Aufgabe 4.3 bestimmte Systemreserve mit Hilfe der am
Versuchsplatz ausliegenden Lochkarten. Schließen Sie dazu den jeweiligen Mediaconverter
an das Oszilloskop an und stellen die Lochblende vor die Linse der Empfangsoptik. Richten
Sie die Lochblende so aus, dass ihre Position mit der Position der Empfängerlinse
übereinstimmt. Schieben Sie die Lochkarten nacheinander in die Lochblende ein, bis das
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generierte Rechtecksignal des Mediaconverters nicht mehr vom Oszilloskop dargestellt
werden kann. Schließen Sie den optischen Leistungsmesser anstelle des Mediaconverters an
und bestimmen Sie die Dämpfung.
• Vergleichen Sie dies mit der Systemreserve aus Aufgabe 4.3 und passen das
Leistungsbudget entsprechend an. Begründen Sie Ihre Änderungen.
• Ordnen Sie die neu ermittelte Systemreserve in eine Sichtweitenklasse ein.
4.5. Lasersicherheit I
Schieben Sie den Aufsatz zur Messung der Lasersicherheit auf den Sensor des optischen
Leistungsmessers.
4.5.1. Optische Sendeleistung nach der Senderlinse
Messen Sie die optische Leistung an der Sendelinse außerhalb der optischen Einheit an der
Stelle, wo das Maximum erreicht wird.
• Die Strahlungsdivergenz ist kurz nach der Senderlinse sehr gering, überprüfen Sie anhand
der Messung, ob der Grenzwert der Laserschutzklasse 1 eingehalten wird.
4.5.2. Optische Sendeleistung zwischen dem LWL-Ausgang und Senderlinse
Befestigen Sie die Halterung für den Sensor an der Optik. Legen Sie den Sensor in die
Halterung. Positionieren Sie den Sensor im Abstand von 100 mm vor dem LWL-Ausgang und
messen die optische Leistung.
• Die NA der Quarzglasfaser beträgt ca. 0,22. Überprüfen Sie anhand der Messung, ob der
Grenzwert der Laserschutzklasse 1 eingehalten wird.
4.6. Lasersicherheit II
Ändern Sie die Entfernung zur scheinbaren Quelle so, dass sich die messbare Leistung
vergrößert.
•
•
Bei welchem Abstand vom Sende-LWL wird der Grenzwert der Laserschutzklasse 1
überschritten?
Stellen Sie den Verlauf der optischen Ausgangsleistung in Abhängigkeit vom Abstand
zum LWL-Ausgang grafisch dar.
4.7. Intensitätsverteilung
Richten Sie den Messplatz wie in Aufgabe 4.3 ein. Stellen Sie wie in der Aufgabe 4.4 die
Lochblende vor die Empfängerlinse. Messen Sie zunächst die optische Leistung am LWL –
Ausgang der zweiten Optik. Wenn der Messwert nicht dem aus der Aufgabe 4.4 entspricht,
soll die Optik nachjustiert werden.
Messen Sie in vertikaler bzw. horizontaler Richtung den Verlauf der Leistung für zwei
vorgegebene Fasertypen mit Hilfe der Messkarten 1 bis 9.
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•
•
•
Stellen Sie Messergebnisse grafisch dar.
Welche Unterschiede gibt es zwischen beiden Fasern?
Obwohl die POF eine größere Dämpfung als eine Quarzglasfaser hat, wird sie
verwendet, um das empfangene IR-Signal zur Photodiode zu führen, warum?
4.8. FlightLite 30/350-System
Richten Sie unter Verwendung der beiden zur Verfügung stehenden FlightLite 10/350-Geräte
von LightPointe, Inc. eine Netzwerkverbindung zwischen den beiden PC’s ein. Achten Sie bei
der Einrichtung von Soft- bzw. Hardware auf die verwendeten Netzwerkkabel sowie die
maximale Übertragungsleistung der FlightLite-Geräte (siehe LED-Leiste auf der Rückseite
der Geräte)! Testen Sie die Verbindung mit der vorliegenden Software NetQuality bzw. mit
einem ping-Befehl aus der Kommandozeile.
•
Geben Sie im Protokoll ihre einzelnen Bearbeitungsschritte einschließlich der
jeweiligen TCP/IP - Einstellungen an.
4.9. Entfernungssimulation mit dem FlightLite - System
Bestimmen Sie die Lochkarte, für welche die ersten Pakete verloren gehen. Schieben Sie dazu
nacheinander die Lochkarten (Lochdurchmesser von 2,7 mm bis 3,5 mm) in den Vorsatz am
FlightLite-Gerät und starten anschließend die Datenübertragung mit der vorliegenden
Software NetQuality. Stoppen Sie die Datenübertragung beim Wechseln der Lochkarten.
•
Berechnen Sie aus dem Lochdurchmesser den geometrischen Verlust sowie die
simulierte Entfernung.
5. Literatur
[Kub-04]
Kube, E.: „Optische Freiraumübertragung“ in Bluschke, A.; Matthews, M.; Schiffel, R.:
„Zugangsnetze für die Telekommunikation“,
Carl Hanser Verlag München Wien, 2004.
[WiG-03]
Willebrand, H.; Ghuman, B. S.: „Optischer Richtfunk“
Hüthig Verlag Heidelberg, 2003.
[VoP-02]
Voges, E.; Petermann, K.; „Optische Kommunikationstechnik“
Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2002.
[SuE-08]
Sutter, E.: „Schutz vor optischer Strahlung“
VDE-Verlag GmbH Berlin Offenbach, 2008.
[Mar-04]
Martin, R.; Konzeption und Erprobung von Messplätzen zur optischen
Freiraumübertragung für ein Laborpraktikum; Diplomarbeit,
HTW Dresden, FB Elektrotechnik, September 2004.
6. Normen
[N1]
Überarbeitet:
08/13
DIN EN 60825, Sicherheit von Laser-Einrichtungen.
Dipl.-Ing.(FH) Vadim Kobelski, Prof. Dr.-Ing. Klaus Feske,
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Dresden 15.09.09
Überarbeitet:
08/13
Dipl.-Ing.(FH) Thomas Bartzsch, Prof. Dr.-Ing. Klaus Feske,
12
Dresden 07.08.13