ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ: ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ "Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων ΤΕΙ"

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΣΤΕΡΕΑΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ: ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ "Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων ΤΕΙ" Υποέργο: 5 Τίτλος: «Μοντελοποίηση καναλιού επικοινωνίας μη επανδρωμένων αεροσκαφών (UAVS) με χρήση οπτικών συστημάτων ελευθέρου χώρου» Επιστημονικός Υπεύθυνος: Δρ. Αντώνιος Χατζηευφραιμίδης ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ ΤΕΧΝΙΚΗ ΑΝΑΦΟΡΑ Τίτλος Παραδοτέου: «Σχεδίαση και προσομοίωση οπτικών διατάξεων ενίσχυσης με εφαρμογή σε δυναμικά περιβάλλοντα επικοινωνίας μη επανδρωμένων α/φων» στο Πλαίσιο του Πακέτου Εργασίας: Αρχιτεκτονικές ενίσχυσης του φωτός σε διατάξεις FSOs με χρήση οπτικών ενισχυτών Σεπτέμβριος 2014

Συντάκτες: 1. ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΧΑΤΖΗΕΥΦΡΑΙΜΙΔΗΣ, ΑΝΑΠ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΕΙ ΣΤΕΡΕΑΣ ΕΛΛΑΔΑΣ 2. ΚΥΡΙΑΚΟΣ ΖΩΗΡΟΣ, ΕΠΙΚ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ 3. ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΠΛΕΡΟΣ, ΛΕΚΤΟΡΑΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟΥ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ 4. ΚΩΣΤΑΣ ΖΑΡΓΑΝΗΣ, Μsc, ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΣ ΣΥΝΕΡΓΑΤΗΣ 1

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΣΕΛ. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ FSO ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 4 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ...4 1.2 ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ...5 1.3 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΠΩΛΕΙΑΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ - ΕΞΙΣΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ 7 1.3.1 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ.... 7 1.3.2 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΔΙΑΔΟΣΗΣ (FREE SPACE LOSSES)..10 1.3.3 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΜΗ ΑΚΡΙΒΟΥΣ ΣΤΟΧΕΥΣΗΣ (POINTING ERROR LOSSES)...11 1.3.4 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ (L FSO )...11 1.4 ΚΙΝΗΤΑ FSO ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ....13 1.5 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ FSO ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ...16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο: ΟΠΤΙΚΟΙ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ 17 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ.. 17 2.2 ΤΥΠΟΙ KAI ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΟΠΤΙΚΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ. 18 2.3 ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΙΝΑΣ ΜΕ ΠΡΟΣΜΙΞΕΙΣ Εr +3 (EDFA)... 20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο: ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΚΙΝΗΤΟ FSO ΣΥΣΤΗΜΑ 24 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ 24 3.2 ΔΟΜΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 25 3.2.1 ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ (ΚΑΙ ΥΠΟΘΕΣΕΙΣ) ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ... 25 3.2.2 ΔΟΜΗ ΕΚΠΟΜΠΟΥ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ.. 26 3.2.3 ΔΟΜΗ ΔΕΚΤΗ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ...26 3.2.4 ΔΟΜΗ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ...29 3.2.5 ΔΟΜΗ ΠΡΟΕΝΙΣΧΥΤΗ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ...31 3.3 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 33 3.3.1 ΡΥΘΜΟΣ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ.33 3.3.2 ΦΩΤΟΡΕΥΜΑΤΑ.34 3.3.3 ΘΟΡΥΒΟΣ.35 3.4 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ - ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ..39 3.5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ..44 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 45 2

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ (ΣΧ)-ΠΙΝΑΚΩΝ (Π) ΣΕΛ. ΣΧ.1 : Οι φωτογραφίες ενός τερματικών FSO...6 ΣΧ.2 : Φάσμα διαπερατότητας στην ατμόσφαιρα.......9 ΣΧ.3 : Σχηματική αναπαράσταση των παραγόντων απώλειας ισχύος..... 12 ΣΧ.4 : Σενάριο επικοινωνίας αεροσκαφών και πλατφόρμων μεγάλου ύψους. 14 ΣΧ.5 : Οι δυνατές διασυνδέσεις μεταξύ διαφόρων κινούμενων και ακίνητων τερματικών. 16 ΣΧ.6 : Τοπολογία ενισχυτών σε ένα τυπικό ατμοσφαιρικό FSO σύστημα...19 ΣΧ.7 : Η δομή ενός ενισχυτή EDFA..20 ΣΧ.8 : Οι βασικές ενεργειακές ζώνες των ιόντων Ερβίου. 21 ΣΧ.9 : Τα φάσματα εκπομπής και απορρόφησης ενός τυπικού ενισχυτή EDFA..22 ΣΧ.10 : Τοπολογία του συστήματος..25 ΣΧ.11 : (α) Ο εκπομπός, (β) ο δέκτης...28 ΣΧ.12 : Ο ενισχυτής ισχύος με οριοθετειμένη κάθε βαθμίδα...30 ΣΧ.13 : Οι καρτέλες με τις παραμέτρους που χαρακτηρίζουν κάθε ίνα Ερβίου...31 ΣΧ.14 : Η δομή του προενισχυτή...32 ΣΧ.15 : Η διαδιδόμενη ισχύς σε κάθε στάδιο της ζεύξης μεταξύ των τερματικών....35 ΣΧ.16 : Ο λογάριθμος του μέσου BER και του παράγοντα Q ως συνάρτηση του μήκους ζεύξης για καιρικές συνθήκες με V=10km.39 ΣΧ.17 : Ο λογάριθμος του μέσου BER και του παράγοντα Q ως συνάρτηση του μήκους ζεύξης για καιρικές συνθήκες με V=2km... 39 ΣΧ.18 : Η οπτική ισχύς του σήματος και ο θόρυβος ως συνάρτηση της απόστασης (V=10km)... 41 ΣΧ.19 : Η εξασθένηση που προκαλεί ο VOA και ο παράγοντας Q ως συνάρτηση της απόστασης (V=10km)...42 ΣΧ.20 : To σήμα μαζί με το θόρυβο συναρτήσει του χρόνου.43 ΣΧ.21 : Το eye diagram του συστήματος για ένα bit...43 Π1 : Τα φυσικά μεγέθη και οι αριθμητικές τιμές τους, που χαρακτηρίζουν εκπομπό και δέκτη...28 3

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο : ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ FSO ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ Πριν από περίπου 20 χρόνια εμφανίστηκε μια τεχνολογία επικοινωνιών η οποία είναι σήμερα αρκετά διαδεδομένη. Πρόκειται για μια τεχνολογία ασυρμάτων τηλεπικοινωνιών βασισμένη στη χρήση υπέρυθρης (ΙR-InfraRed) ή ορατής ακτινοβολίας. Η τεχνολογία αυτή, είναι γνωστή στην ξένη βιβλιογραφία, με τον όρο «Free Space Optics-(FSO)». O όρος «Free space» αναφέρεται στο ότι η ακτινοβολία (μόνο υπέρυθρη ή και ορατή) δεν κυματοδηγείται σε κάποιο μέσο (π.χ. οπτική ίνα-ενσύρματες οπτικές τηλεπικοινωνίες) αλλά διαδίδεται είτε στον ατμοσφαιρικό αέρα είτε ακόμα και απουσία ατμόσφαιρας (σχεδόν απόλυτο κενό) όπως για παράδειγμα συμβαίνει σε μια διαστημική ζεύξη, λόγου χάριν μεταξύ δορυφόρων. Αρχικά η τεχνολογία αυτή προτάθηκε ως λύση για επικοινωνίες μικρής εμβελείας (last mile problem), εφόσον το μήκος κύματος (μ.κ.) της υπέρυθρης ακτινοβολίας επέτρεπε, εκτός των άλλων, μεγάλο εύρος ζώνης, ικανοποιώντας τις υψηλές απαιτήσεις των πολυάριθμων τερματικών στο τέλος της ζεύξης. Η τεχνολογία των FSO συστημάτων, αποτελεί μια τεχνολογία αιχμής στην υλοποίηση ζεύξεων με υψηλές ταχύτητες ροής δεδομένων και χωρητικότητες. Οι εφαρμογές της, λόγω της απουσίας κάποιου κυματοδηγού, την καθιστά προσιτή είτε σε στατικές ζεύξεις (π.χ. ζεύξη μεταξύ κτιρίων πόλεως) είτε σε κινητές (mobile), όπως στην περίπτωση ζεύξης ενός αεροσκάφους με σταθερό επίγειο σταθμό. 4

1.2 ΔΟΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Σ ένα οποιοδήποτε τηλεπικοινωνιακό σύστημα επιτυγχάνεται η διάδοση πληροφορίας από ένα σημείο σε ένα απομακρυσμένο άλλο. Το ένα στοιχείο που αποτελεί και την πηγή της πληροφορίας είναι ο εκπομπός ενώ στο τέλος της ζεύξης υπάρχει το στοιχείο εκείνο που συλλέγει την πληροφορία που στάλθηκε. Σε κάθε περίπτωση η πληροφορία ταξιδεύει δια μέσου κάποιου ενδιάμεσου στοιχείου ανάλογα με το είδος της ζεύξης. Στα FSO συστήματα, η διάδοση αυτή λαμβάνει χώρα δια μέσου της ατμόσφαιρας (κανάλι-δίαυλος επικοινωνίας). Απαραίτητη προϋπόθεση που πρέπει να πληρείται ώστε το κανάλι επικοινωνίας να είναι λειτουργικό όποτε και η μετάδοση των δεδομένων (πληροφορία) να γίνεται με αξιόπιστο τρόπο είναι ο ρυθμός σφάλματος να είναι ανεκτός, δηλαδή η αλλοίωση των δεδομένων λόγω διακίνησης τους μέσα στο κανάλι επικοινωνίας να είναι τέτοια ώστε να μην χάνεται η πληροφορία που αρχικά εστάλη. Η συνοπτική περιγραφή των βασικών στοιχείων ενός FSO συστήματος δίδεται παρακάτω: 1. Ο εκπομπός συνίσταται κυρίως από: α) Μια πηγή laser που παρέχει τη δέσμη φωτός (κατά κόρον υπέρυθρης ακτινοβολίας αν και δεν αποκλείεται σε αυτά τα συστήματα και η ορατή) οπτικής ισχύος P Τ. β) Ένα διαμορφωτή (modulator), ο οποίος διαμορφώνει το φέρον κύμα (δέσμη φωτός) με κατάλληλη τεχνική ώστε να κωδικοποιηθεί εντός αυτής η πληροφορία. Συγκεκριμένα ο διαμορφωτής μετατρέπει την πληροφορία σε ηλεκτρικά σήματα, τα οποία διαμορφώνουν την λειτουργία του laser και κατά συνέπεια την εκπομπή της οπτικής δέσμης. γ) Ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά συστήματα για την εύρυθμη λειτουργία του laser. δ) Ένα τηλεσκοπικό σύστημα αποτελούμενο από φακούς και διαφράγματα τοποθετημένα σε τέτοιες θέσεις ώστε η δέσμη του φωτός να εξέλθει από τον εκπομπό με καλά 5

καθορισμένη διάμετρο, και έτσι να μετριαστούν φαινόμενα περίθλασης κατά την διάδοση της στην ατμόσφαιρα. Το οπτικό σήμα διαδίδεται μέσω του ατμοσφαιρικού καναλιού και συλλέγεται μέσω του δέκτη, ώστε από αυτό να αποκομιστεί εκ νέου η πληροφορία. 2. Ο δέκτης αποτελείται κυρίως από: α) Ένα τηλεσκοπικό σύστημα που συγκεντρώνει την οπτική ισχύς και την εστιάζει στο φωτοδέκτη. β) Ένα φωτοδέκτη, στον οποίο προσπίπτει η εστιασμένη ακτινοβολία ισχύος P R, και κατόπιν μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα. Ως φωτοδέκτη θεωρούμε ένα σύστημα αποτελούμενο κυρίως από μια φωτοδίοδο (συνήθως PIN ή APD), ένα φίλτρο συχνοτήτων και ένα ηλεκτρονικό ενισχυτή. γ) Μια διάταξη κατωφλίου η οποία αποκωδικοποιεί τα ενισχυμένα ηλεκτρικά σήματα της φωτοδιόδου βάσει δεδομένου κατωφλίου ηλεκτρικής ισχύος και έτσι ανακτάται η πληροφορία υπό ψηφιακή μορφή (δυαδική μορφή-bits). Παρακάτω εμφανίζονται δυο φωτογραφίες τυπικών τερματικών ενός FSO συστήματος (σχήμα 1). Στη πρώτη φωτογραφία (αριστερά της εικόνας) διακρίνεται ο εκπομπός αλλά και ο δέκτης, δηλαδή το τερματικό αυτό εξυπηρετεί και τους δυο ρόλους (transceiver) ενώ στη δεξιά, διακρίνεται ένας τυπικός δέκτης. Σχήμα 1: Οι φωτογραφίες ενός τερματικού FSO όπως διατίθεται εμπορικά (αριστερά) και ο δέκτης ενός τερματικού, όπου διακρίνεται ευκρινώς ο φακός και η ενσωματωμένη ηλεκτρονική πλακέτα του (αριστερά). 6

1.3 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΠΩΛΕΙΑΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ - ΕΞΙΣΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ 1.3.1 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Είναι καθημερινή εμπειρία, τις ζεστές μέρες του καλοκαιριού, η μεταβολή της θέας ενός αντικειμένου ή του ορίζοντα καθώς κοιτάμε ευθεία πάνω από την άσφαλτο, ταξιδεύοντας με το αυτοκίνητο μας. Σωρεία μετεωρολογικών φαινόμενων όπως η βροχή, το χιόνι, η ομίχλη αλλά και ανθρωπίνων δραστηριοτήτων όπως η μόλυνση κ.τ.λ., είναι ικανά να περιορίσουν την ορατότητα μας και κατ επέκταση την ικανότητα μας να διακρίνουμε με λεπτομέρεια όλο και μακρύτερα από εμάς, αντικείμενα. Ακριβώς οι ίδιοι παράγοντες, είναι υπεύθυνοι για την εξασθένιση μιας ακτινοβολίας αλλά και για την αλλοίωση του αντικειμένου που φωτίζουν καθώς αυτή διαδίδεται στην ατμόσφαιρα. Οι τρεις κυριότεροι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν τα οδεύοντα ηλεκτρομαγνητικά (Η/Μ) κύματα (είτε ορατά είτε στην υπέρυθρη περιοχή που είναι εστιασμένη κυρίως η τεχνολογία των FSO συστημάτων) είναι η απορρόφηση (absorbion), η σκέδαση (scattering) και η χωροχρονική μεταβολή του δείκτη διάθλασης του ατμοσφαιρικού αέρα που οδηγεί σε φαινόμενα στροβιλισμού (turbulence), στίλβης (το λαμπύρισμα μιας οπτικής πηγής καθώς την παρατηρούμε από μακριά) και κηλιδώσεων ισχύος (δηλαδή η μη ομοιόμορφη χωρική κατανομή της οπτικής ισχύος στη διατομή της δέσμης). Τα δυο τελευταία φαινόμενα τα αναγνωρίζουμε στη ξένη βιβλιογραφία με τον όρο optical scintillation, του οποίου η απόδοση στα ελληνικά θα γίνεται με τον όρο οπτικός σπινθηρισμός. Α) ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑΙ ΣΚΕΔΑΣΗ Ο βαθμός απορρόφησης και σκέδασης από συγκεκριμένα αέρια και σωματίδια είναι μια συνάρτηση του μήκους κύματος και κατά περιπτώσεις αποτελούν κύριο παράγοντα εξασθένησης της οπτικής δέσμης. Η Γήινη ατμόσφαιρα είναι ένα απορροφητικό μέσο. Η απορρόφηση λαμβάνει χώρα όταν ένα φωτόνιο της διαδιδόμενη ακτινοβολίας απορροφάται από ένα μόριο του αερίου που κατόπιν αυτό οδηγεί στην αύξηση της κινητικής ενέργειας του. Δευτερογενώς, αντιλαμβανόμαστε πώς η αύξηση της κινητικής ενέργειας ενός μορίου, 7

μακροσκοπικά οδηγεί και στην αύξηση της θερμοκρασίας του ίδιου του αερίου. Η ατμοσφαιρική απορρόφηση έχει έντονη εξάρτηση από το μήκος κύματος της διαδιδόμενης ακτινοβολίας. Για παράδειγμα, μόρια όπως το Ο 2 και το όζον (Ο 3 ) απορροφούν έντονα μήκη κύματος κάτω των 0,2μm αλλά ελάχιστα τα μήκη κύματος του ορατού φάσματος (0,4μm 0,7μm). Η σκέδαση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων ορατής και υπέρυθρης ακτινοβολίας λαμβάνει χώρα όταν η ακτινοβολία διαδίδεται μέσω μορίων και σωματιδίων με ποικίλες διαστάσεις. Στην ατμόσφαιρα ως μόρια εννοούμε τα μόρια των αερίων που αυτή περιλαμβάνει (Ο 2, Ν 2, CO 2, ευγενή αέρια κ.τ.λ.), ενώ ως σωματίδια (aerosols) εννοούμε εκείνα τα μόρια ή τα σύμπλοκα μορίων που προέρχονται είτε από τις ανθρώπινες δραστηριότητες είτε λόγω καιρικών φαινομένων (ομίχλη, καπνός, βροχή, κρυστάλλους αλατιού, χώμα, σκόνη κ.τ.λ.). Και στην περίπτωση αυτή, η σκέδαση ως φαινόμενο εξαρτάται από το μήκος κύματος αλλά ως μηχανισμός δε σχετίζεται με την απώλεια ενέργειας λόγω απορρόφησης αλλά με την εκτροπή των φωτονίων από την αρχική τους διεύθυνση οπότε και κατά συνέπεια με ελάττωση της ανιχνευόμενης στο δέκτη ισχύος. Δυο είδη σκεδάσεων θεωρούνται σημαντικά στη μελέτη μας: 1) Σκέδαση Rayleigh: η σκέδαση αυτή προκύπτει από σωματίδια διαστάσεων πολύ μικρότερων από το μήκος κύματος της διαδιδόμενης ακτινοβολίας. Έγκειται κυρίως στα μόρια των ατμοσφαιρικών αερίων και είναι υπεύθυνη για τη σκέδαση του ηλιακού φωτός προσδίδοντας στον ουρανό το γαλάζιο χρώμα του. Ο συντελεστής της σκέδασης, που σε αυτή την περίπτωση, είναι ανάλογος του λ -4, είναι γνωστός και ως νόμος του Rayleigh. Σύμφωνα με αυτό το νόμο, τα μόρια των αερίων σκεδάζουν ελάχιστα σε μήκη κύματος πάνω από 3μm, ενώ όσο το μήκος κύματος ελαττώνεται τόσο εντονότερη είναι η σκέδαση. 2) Σκέδαση Mie: Η σκέδαση αυτή προέρχεται από σωματίδια διαστάσεων περίπου ίσου και μεγαλύτερου από το μήκος κύματος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας. Τα σωματίδια αυτά θεωρούνται σχετικώς μεγάλα και αποκαλούνται aerosols. Εν αντιθέσει με την σκέδαση Rayleigh, η ακτινοβολία ομπροσθοσκεδάζεται κυρίως και γίνεται εντονότερη στα μικρά μήκη κύματος όπως άλλωστε συμβαίνει και με τη σκέδαση Rayleigh. Στη σκέδαση Mie οφείλεται το κόκκινο χρώμα του ουρανού κατά το ηλιοβασίλεμα. Ο συνδυασμός απορρόφησης και σκέδασης συχνά αναφέρεται ως εξάλειψη (extinction), έτσι ώστε να περιγράφει πλήρως η απώλεια ισχύος μέσα από την 8

ατμοσφαιρική διάδοση. Μια παράμετρος που ποσοτικοποιεί τα παραπάνω είναι η διαπερατότητα (transmittance), δηλαδή το κατά πόσο μια ακτινοβολία διαπερνά την ατμόσφαιρα και δεν απορροφάται από αυτή. Η διαπερατότητα, τ, για δεδομένη απόσταση L, δίνεται από την ακόλουθη έκφραση: [ ] ( ) τ = exp a( λ) L = exp aα ( λ) + as ( λ) L όπου ο συντελεστής εξάλειψης να είναι ίσος με τους επιμέρους συντελεστές απώλειας a α ( λ ) και a ( λ) λόγω απορρόφησης και σκέδασης αντίστοιχα. s (1) Παρακάτω παρουσιάζεται ένα διάγραμμα της διαπερατότητας στην ατμόσφαιρα για διάφορα μήκη κύματος ακτινοβολίας. Παρατηρούμε ότι πολύ καλές ζώνες μ.κ. με ελάχιστη απορρόφηση και σκέδαση (οπότε και μέγιστη διαπερατότητα) είναι αυτές: κοντά στα 1,5μm, στην περιοχή των 2,2μm έως 2,4μm, 3.5μm έως 4μm, κ.τ.λ. Σχήμα 2: Φάσμα διαπερατότητας (χαρακτηριστικά:μήκος ζεύξης 1km, υψόμετρο h=3m, χωρίς βροχή και σύννεφα) για ένα εύρος μηκών κύματος από το 1μm ως και τα 10 μm. Ένας όρος που χρησιμοποιείται κατά κόρον για να περιγραφεί η διαφάνεια της ατμόσφαιρας είναι το μέγεθος της ορατότητας (Visibility-V) που ορίζεται ως η 9

απόσταση εκείνη για την οποία μια ακτινοβολία μήκους κύματος 0,55μm, έχει ένταση ίση με το 2% της αρχικής της, μετά την διάδοση της για την απόσταση αυτή. Β) ΟΠΤΙΚΟΣ ΣΤΡΟΒΙΛΙΣΜΟΣ Ο οπτικός στροβιλισμός, συνέπεια των τυχαίων μεταβολών του δείκτη διάθλασης του ατμοσφαιρικού αέρα, οδηγεί σε μεταβολές της οπτικής ισχύος και σε εκ νέου περίθλαση και εκτροπή της δέσμης (beam wander). Συγκεκριμένα, ο στροβιλισμός δημιουργείται πρωτογενώς λόγω της βαθμίδας θερμοκρασίας μεταξύ εδάφους και ατμόσφαιρας και δευτερογενώς λόγω των ανέμων που εμφανίζονται κατά τόπους. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, η επιφάνεια της Γης είναι θερμότερη από τον αέρα, με συνέπεια, ο εγγύς στο έδαφος, αέρας να είναι θερμότερος από αυτόν των υπερκείμενων στρωμάτων. Μια τέτοια κατάσταση ανάγεται σε χωρικά (και χρονικά) μεταβαλλόμενο δείκτη διάθλασης του ατμοσφαιρικού αέρα, εξαιτίας του οποίου, οι ακτίνες φωτός καμπυλώνονται εκδηλώνοντας φαινόμενα όπως αντικατοπτρισμός. Τα κυματομέτωπα διαταράσσονται με συνέπεια η δέσμη να περιθλάται επιπλέον, πέραν της δεδομένης περίθλασης λόγω διάδοσης της σε ένα χώρο απουσία ατμόσφαιρας (free space propagation). Εκτός των άλλων, η εγκάρσια κατανομή της οπτικής ισχύος παύει να είναι ομοιόμορφη αλλά παρατηρούνται κατά μήκος της διατομής της δέσμης, περιοχές διαφορετικής οπτικής έντασης (κηλιδώσεις), φαινόμενο γνωστό ως οπτικός σπινθηρισμός. 1.3.2 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΔΙΑΔΟΣΗΣ (FREE SPACE LOSSES) Λόγω διάδοσης της ακτινοβολίας στον αέρα, αυτή περιθλάται με συνέπεια η ενέργεια της να κατανέμεται σε όλο και μεγαλύτερη επιφάνεια, οπότε όμοια και η ισχύς της. Επειδή στο τέλος της ζεύξης ο δέκτης δε συλλέγει όλη τη δέσμη αλλά μόνο το τμήμα αυτής που προσπίπτει πάνω στην φωτοευαίσθητη περιοχή της (σωστότερα μόνο το τμήμα αυτής, που μπορούν να συλλέξουν οι φακοί του δέκτη), αντιλαμβανόμαστε ότι θα υπάρξει απώλεια ισχύος. Η έκφραση που υπολογίζει το συντελεστή απώλειας στο τέλος της ζεύξης, στο δέκτη, δίνεται παρακάτω: L FS 2 4π L = λ όπου L είναι το μήκος της ζεύξης και λ το μ.κ. της διαδιδόμενης ακτινοβολίας. (2) 10

1.3.3 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΛΟΓΩ ΜΗ ΑΚΡΙΒΟΥΣ ΣΤΟΧΕΥΣΗΣ (POINTING ERROR LOSSES) Λόγω διαφόρων αιτιών, ο εκπομπός ή και ο δέκτης μπορούν να μην είναι σωστά ευθυγραμμισμένοι μεταξύ τους, με συνέπεια η δέσμη της ακτινοβολίας να αποκλίνει από την ακριβή θέση του κάθε τερματικού. Μια τέτοια κατάσταση εισάγει απώλειες ισχύος οι οποίες περιγράφονται από τις ακόλουθες εξισώσεις: L G θ 2 T = exp( T div, T ) 2 και L = exp( G θ ) (3) R R div, R όπου L και L οι συντελεστές απώλειας λόγω εκπομπού και δέκτη αντίστοιχα, G και G, το T R κέρδος (ενίσχυση) της δέσμης λόγω των οπτικών συστημάτων στον εκπομπό και δέκτη T R αντίστοιχα, και αντίστοιχα. θ, 2 div, T θ οι γωνίες (σε rad) σφάλματος στον εκπομπό και δέκτη 2 div, R 1.3.4 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΙΣΧΥΟΣ (L FSO ) Ο συνολικός συντελεστής οπτικής ισχύος του συστήματος: L FSO μπορεί να υπολογιστεί έχοντας λάβει υπόψη τα κυριότερα στοιχεία απώλειας του συστήματος, που αναλύθηκαν παραπάνω, αλλά και κάθε άλλο στοιχείο που μεταβάλλει την ισχύ και παρεμβάλλεται μεταξύ εκπομπού και δέκτη: LFSO = GT LT LFS Li LR GR (4) όπου G T και G R, οι ενισχύσεις (κέρδη) του κάθε τηλεσκοπικού συστήματος σε εκπομπό και δέκτη και L i : οι απώλειες λόγω ατμόσφαιρας. Οι συντελεστές G T και G R δίνονται από 2 2 π DT π DR τις εκφράσεις: GT = και GR = με DT και DR να είναι οι διάμετροι των λ λ φακών εκπομπού και δέκτη αντίστοιχα και εν τέλει, ο συντελεστής ατμοσφαιρικών ( a 1 atm+ a ) 10 scin L απωλειών L i, L 10, όπου a είναι ο συντελεστής απωλειών (σε i = atm 3,91 λ db/km) λόγω ατμόσφαιρας με a atm =, όπου V είναι η ορατότητα (σε km) και V 550 q ένας αδιάστατος παράγοντας που έχει τιμές μεταξύ 0 και 1,6 ανάλογα με τις q μετεωρολογικές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή της ζεύξης. Τέλος το a scin είναι 11

παράγοντας εξασθένησης λόγω οπτικού σπινθηρισμού, ο οποίος λαμβάνει τιμές ανάλογα με το είδος στροβιλισμού που επικρατεί. Βάσει αυτών μπορεί να καταρτιστεί και η εξίσωση που υπολογίζει την ισχύς που θα συλλέξει ο δέκτης για δεδομένη εκπομπόμενη ισχύς. Η εξίσωση αυτή γνωστή και ως εξίσωση ισχύος (FSO link power calculation) στη περίπτωση αυτή θα γραφτεί (σε συμφωνία και με την εικόνα 3): PR = LFSO PT = GT LT LFS Li LR GR PT όπου τα P και P οι ισχύεις σε εκπομπό και δέκτη αντίστοιχα. t Παρακάτω (σχήμα 3) δίνονται διαγραμματικά τα στοιχεία ισχύος και απώλειας ισχύος σε ένα συμβατικό FSO σύστημα. r (5) Transmit Power P T Transmit Antenna Gain G Τ Pointing Errors L Τ Free Space Losses L Fs Receiver Power P R Receiver Antenna Gain G R Pointing Errors L R Atmospheric Losses L i Σχήμα 3: Σχηματική αναπαράσταση των παραγόντων απώλειας από τον εκπομπό στο δέκτη. 1.4 ΚΙΝΗΤΑ FSO ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Οι υψηλές απαιτήσεις των επιβατών στα εμπορικά αεροσκάφη, ιδιαίτερα στην περίπτωση ταξιδιών μεγάλης διάρκειας, η όλο και αυξανόμενη χρήση των αεροσκαφών στις μετακινήσεις των ανθρώπων, αλλά και η αύξηση του όγκου ανταλλαγής πληροφορίας μεταξύ πληρώματος και επίγειων σταθμών έφερε στην επιφάνεια την ανάγκη για επίτευξη 12

υψηλών ρυθμών και μεγάλων ταχυτήτων στην ανταλλαγή πληροφορίας. Τέτοιες ζεύξεις μεταξύ αεροσκαφών και εδάφους με ρυθμοδοτήσεις μεγαλύτερες των 100Mbps είναι εφικτές μόνο μέσω της FSO τεχνολογίας. Τα FSO συστήματα έχουν εκτεταμένη πια χρήση σε κινητό περιβάλλον, εφόσον ως τεχνολογία πολύ σύντομα κάλυψε τις προσδοκίες όσον αφορά την ταχύτητα, το εύρος αλλά και την ασφάλεια των τηλεπικοινωνιών σε κινούμενα τερματικά όπως αεροσκάφη, δορυφόροι κ.τ.λ.. Τα παραδείγματα τέτοιων ζεύξεων είναι αρκετά σήμερα. Ενδοδορυφορικές ζεύξεις με ρυθμοδοτήσεις (data rates) στα 50Mbps. Το σχέδιο Capanina-Stropex μεταξύ δορυφόρων και επίγειων σταθμών με ρυθμοδοτήσεις στα 1250Mbps σε απόσταση 60Km. Στην παρούσα φάση μεγάλο ευρωπαϊκό πρόγραμμα με το όνομα ΑΤΕΝΑΑ υλοποιείται στα πλαίσια ζεύξεων μεταξύ αεροσκαφών. Μεταξύ αεροσκαφών εν πτήσει, το είδος της επικοινωνίας που πια επιλέγεται είναι μέσω FSO συστημάτων. Παρόλα αυτά στην διάρκεια της ανόδου του αεροσκάφους, τα συστήματα αυτά πάσχουν λόγω της ύπαρξης νεφώσεων, οι οποίες και επιτείνουν τις οπτικές απώλειες. Συν τοις άλλοις, το γεγονός ότι τα FSO συστήματα επιλέγονται βασικά για χρήση όταν το αεροσκάφος είναι εν πτήσει έγκειται και στο γεγονός ότι σε εκείνο το διάστημα οι απαιτήσεις των επιβατών αυξάνονται ραγδαία. Μελέτες έχουν δείξει ότι ταχύτητες της τάξης των 100Mbps θα είναι απαραίτητες σε λίγα χρόνια εφόσον το είδος των επιβατών με εξειδικευμένες απαιτήσεις στην διασκέδαση πληροφόρηση ενημέρωση όλο και περισσότερο αυξάνει. Παρακάτω (σχήμα 4) εμφανίζεται ένα σενάριο επικοινωνίας αεροσκαφών και πλατφόρμων μεγάλου ύψους με βάση τις FSO ζεύξεις, ενώ για να ξεπεραστεί το ζήτημα των νεφώσεων επιλέγεται μια RF (Radio Frequency) διασύνδεση με τα χαμηλότερου ύψους εν κινήσει αεροσκάφη. 13

Εικόνα 4: Σενάριο επικοινωνίας αεροσκαφών και πλατφόρμων μεγάλου ύψους Στην παρούσα μελέτη, ασχολούμαστε και μελετάμε ένα κινητό FSO σύστημα όπου το ένα τερματικό είναι ένας επίγειος σταθμός ενώ το άλλο τερματικό είναι ένα μη επανδρωμένο αεροσκάφος (Unmanned Aerial Vehicle UAV). Πριν όμως προχωρήσουμε στη περιγραφή του μοντέλου που μελετάμε, κρίνεται ιδιαίτερα σημαντικό, χάριν πληρέστερης εικόνας, να αναφέρουμε τα βασικά χαρακτηριστικά των UAVs αλλά και της τεχνολογίας FSO που τα συνοδεύει. Τα UAVs είναι αεροσκάφη χωρίς πιλότο. Η αποστολή τους είναι καταχωρημένη εντός υπολογιστή ο οποίος και είναι υπεύθυνος για την πτήση και την πλοήγηση τους. Εναλλακτικά η πτήση και η αποστολή του σκάφους πραγματοποιείται μέσω του τηλελέγχου από πιλότο στο έδαφος ή από άλλο κινούμενο όχημα. Υπάρχουν πολλών ειδών τύποι και μεγέθη τέτοιων αεροσκαφών. Η ανάπτυξη τους βασίστηκε κυρίως (κατά δυστυχή συγκυρία) στην ικανοποίηση στρατιωτικών αναγκών αλλά εντούτοις τελευταία έχουν βρει εφαρμογές σε περιβάλλοντα πόλεων, αγροτικών περιοχών και βιομηχανιών είτε για παρακολουθήσεις, κατασβέσεις πυρκαγιών, έλεγχος και επιτήρηση εγκαταστάσεων κ.α. Μια από τις πιο ενδιαφέρουσες εφαρμογές των FSO συστημάτων σήμερα είναι η εφαρμογή τους στα UAVs. Σχετικά με τα UAVs, λόγω των αποστολών που αναλαμβάνουν, μεγάλη ποσότητα δεδομένων ανταλλάσσεται είτε μεταξύ τους (όταν μιλάμε για σχηματισμό UAVs με άλλα αεροσκάφη) είτε με έναν επίγειο σταθμό. Εξαιτίας 14

των υψηλών απαιτήσεων των ζεύξεων και της δυνατότητα τους να παρέχουν υψηλή ασφάλεια (λόγω της στενής δέσμης laser), είναι ως συστήματα προτιμητέα σε σχέση με τα RF συστήματα. Ένα σημαντικό μειονέκτημα που εμφανίζουν τα FSO συστήματα όταν εφαρμόζονται σε κινούμενα τερματικά είναι η δυσκολία ευθυγράμμισης των τερματικών λόγω της σχετικής τους κίνησης είτε και των δυο τερματικών (σχηματισμός UAVs) είτε ακόμα και του ενός (UAV-επίγειος σταθμός). Ασφαλώς η μεγαλύτερη δυσκολία συναντάται στην αντιμετώπιση φαινομένων όπως ο στροβιλισμός που απαντάται στην ατμόσφαιρα. Για αυτό το λόγο είναι απαραίτητο να προσεχθεί η ισχύς εκπομπής, καθώς και το μήκος κύματος ακτινοβολίας που θα επιλεχθεί για μια δεδομένη ζεύξη. Η επίτευξη μιας FSO ζεύξης μεταξύ UAV και επίγειου σταθμού είναι μια πραγματική πρόκληση. Πριν λάβει χώρα οποιαδήποτε αποστολή δεδομένων, θα πρέπει το σύστημα να διερευνηθεί ως προς την εύρεση στίγματος εν πτήσει (pointing), την ευθυγράμμιση (acquisition) αλλά και τη διαρκή παρακολούθηση (tracking). Πάνω σε αυτό το ζήτημα υπάρχουν αρκετές μελέτες. Στην παρούσα έκθεση, δε θα επεκταθούμε περαιτέρω μιας και δεν αποτελεί αντικείμενο μελέτης μας. 15

1.5 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ FSO ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Τα FSO συστήματα έχουν πια ευρύτατες εφαρμογές σε πολλούς τομείς των τηλεπικοινωνιών. Μερικές από αυτές παρατίθενται παρακάτω: Σε μικρά δίκτυα εταιριών για τη διασύνδεση των διαφόρων χώρων εργασίας της εταιρίας. Σε τοπικά δίκτυα (LAN Local Area Networks) όπως για παράδειγμα το δίκτυο συνεργαζόμενων εταιριών ή υπηρεσιών, τα γραφεία των οποίων βρίσκονται σε απόσταση μεταξύ τους. Για εξυπηρέτηση εκτάκτων γεγονότων, εφόσον τα συστήματα αυτά εγκαθίστανται εύκολα. Η ευελιξία των συστημάτων αυτών τα καθιστά ιδανικά σε τέτοιες περιπτώσεις εφόσον πρόκειται για προσωρινή εγκατάσταση. Σε τηλεπικοινωνίες μεταξύ επιγείων σταθμών με αεροσκάφη-αερόστατα-δορυφόρους. Σε τηλεπικοινωνίες αεροσκαφών αεροσκαφών και δορυφόρων. Σε διαπλανητικές ζεύξεις όπως και σε διαστημικές αποστολές. Σε τηλεπικοινωνίες πλοίων-σκαφών με παράκτιους σταθμούς, με αεροσκάφη, όπως και πλοίων-σκαφών μεταξύ τους. Σχήμα 5: Οι δυνατές διασυνδέσεις μεταξύ διαφόρων κινούμενων και ακίνητων τερματικών μέσω συστημάτων FSO. 16

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο : ΟΠΤΙΚΟΙ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ Στα συστήματα τηλεπικοινωνιών τα οπτικά σήματα εξασθενούν, καθώς διαδίδονται στα υλικά μέσα: οπτικές ίνες και ατμόσφαιρα. Συνέπεια αυτού είναι ότι μετά από δεδομένη απόσταση είναι αρκετά ασθενή ώστε να ανιχνευθούν. Πριν την κατασκευή των οπτικών ενισχυτών (amplifiers ή boosters), η μόνη λύση του προβλήματος ήταν η ενίσχυση του σήματος μέσω αναλογικών οπτοηλεκτρονικών ενισχυτών ή μέσω οπτοηλεκτρονικών αναγεννητών. Οι τελευταίοι μετατρέπουν αρχικά το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό, το καθαρίζουν από το θόρυβο, το ενισχύουν και το επανεκπέμπουν ως οπτικό σήμα. Χωρίς αμφιβολία, σε ορισμένους τομείς, οι οπτικοί ενισχυτές πλεονεκτούν εν συγκρίσει με τους ηλεκτρονικούς αναγεννητές. Συγκεκριμένα, κάθε αναγεννητής είναι κατασκευασμένος για συγκεκριμένο ρυθμό και τύπο διαμόρφωσης σήματος, σε αντίθεση με τους οπτικούς ενισχυτές. Επιπλέον, το φάσμα απολαβής (κέρδους) των οπτικών ενισχυτών έχει εύρος τουλάχιστον τρεις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από των αναγεννητών, με συνέπεια να τα καθιστά ιδανικά σε WDM (Wavelength Division Multiplexing) συστήματα. Στους οπτικούς ενισχυτές, η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στο φαινόμενο της εξαναγκασμένης εκπομπής, που σε συνδυασμό με την δημιουργία αντιστροφής πληθυσμού (μέσω οπτικής ή ηλεκτρικής άντλησης) στο ενεργό μέσο του ενισχυτή, υπερισχύει της απορρόφησης και κατά συνέπεια το προσπίπτον οπτικό σήμα, ενισχύεται. Βέβαια, όπως θα φανεί και αργότερα, στο σημείο που θα διατυπωθούν οι φυσικοί κανόνες που περιγράφουν τους οπτικούς ενισχυτές, οι οπτικοί ενισχυτές προσφέρουν εκτός της επιθυμητής ενίσχυσης του σύμφωνου σήματος και ένα ασύμφωνο (το οποίο ενισχύεται και αυτό) που είναι θόρυβος. Η εμφάνιση αυτού του ασύμφωνου σήματος βασίζεται στο φαινόμενο της αυθόρμητης εκπομπής που προκύπτει από την ενεργειακή άντληση του ενεργού μέσου. Το αυθόρμητο σήμα αν και έχει την ίδια συχνότητα με το ενισχυόμενο σύμφωνο σήμα, εκπέμπεται σε τυχαίους χρόνους, διευθύνσεις και πολώσεις (ασύμφωνη ακτινοβολία). Έτσι, όχι μόνο δε συνεισφέρει στην ενίσχυση του σήματος, αλλά και υποβαθμίζει τις επιδόσεις του ενισχυτή, εφόσον όχι μόνο εμφανίζεται αλλά και ενισχύεται από τον ενισχυτή. 17

2.2 ΤΥΠΟΙ KAI ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΟΠΤΙΚΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ Δυο είναι οι βασικές κατηγορίες οπτικών ενισχυτών βάσει του ενεργού μέσου χάριν του οποίου επιτυγχάνεται η ενίσχυση. Οι ενισχυτές ίνας στην οποία έχουν εμφυτευθεί (doping) συγκεκριμένες ομάδες ατόμων και οι οπτικοί ενισχυτές ημιαγωγού (Semiconductor Optical Amplifiers-SOAs). Οι πρώτοι καλούνται ενισχυτές οπτικών ινών με προσμίξεις ατόμων (Doped Fiber Amplifiers-DFAs). Στη κατηγορία αυτή, κυριότεροι εκπρόσωποι είναι οι ενισχυτές οπτικών ινών με προσμίξεις Ερβίου (Erbium Doped Fiber Amplifiers-EDFAs), οι ενισχυτές οπτικών ινών με προσμίξεις Πρασεοδημίου (Praseodimium Doped Fiber Amplifiers-PDFAs) και τέλος οι ενισχυτές οπτικών ινών με προσμίξεις Υττερβίου (Ytterbium Doped Fiber Amplifiers-YDFAs). Ανάμεσα στις δυο βασικές αυτές κατηγορίες υπάρχει και ο ενισχυτής ίνας, οποίος βασίζει τη λειτουργία του στο φαινόμενο της ανελαστικής σκέδασης Raman (Raman amplifiers), που λαμβάνει χώρα κατά την διάδοση του οπτικού σήματος εντός του μεγάλου μήκους ίνας του ενισχυτή που αντλείται οπτικά με κατάλληλο laser. Όσο ν αφορά τις δυνατές τοπολογίες ενός ενισχυτή, αυτές μπορούν να εντοπιστούν σε τρεις: Α) Ενισχυτής ισχύος (Power amplifier): Τοποθετείται μετά την έξοδο του οπτικού πομπού ώστε να επιτύχουμε την μέγιστη δυνατή ισχύς. Στην περίπτωση αυτή, τα χαρακτηριστικά του ενισχυτή είναι τέτοια ώστε για δεδομένη ισχύς που δίνει ο εκπομπός (πηγή), ο ενισχυτής να ενισχύει έντονα χωρίς όμως να μας ενδιαφέρει ο θόρυβος (που αναμένεται να ενισχυθεί έντονα και αυτός) καθότι λόγω της διάδοσης του σήματος θα υποστεί υψηλές εξασθενήσεις (σχήμα 6). Β) Ενισχυτής γραμμής (In-line amplifier): Τοποθετείται σε τακτές αποστάσεις και κυρίως αφορά ενσύρματες ζεύξεις, ζεύξεις οπτικών ινών. Μια τέτοια δυνατότητα απαλείφεται σε κινητά συστήματα FSO, που μελετάμε εδώ. Γ) Προενισχυτής (Preamplifier): Τοποθετείται πριν την είσοδο του οπτικού δέκτη, ώστε το οπτικό σήμα να αποκτήσει επαρκή ισχύ για την ανίχνευση του από τον δέκτη. Τα χαρακτηριστικά του ενισχυτού αυτού θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε το ασθενές (από τη διάδοση) σήμα να ενισχύεται χωρίς όμως να ενισχύεται έντονα και ο θόρυβος που το συνοδεύει και είναι ανεπιθύμητος στην ανίχνευση, εφόσον αναμένεται να χαμηλώσει την ποιότητα της ζεύξης (σχήμα 6). 18

Επί της ουσίας η τοπολογία ενισχυτών σε FSO συστήματα, επιλέγεται να είναι εκείνη που συνδυάζει υψηλή ενίσχυση σήματος, και όσο το δυνατόν ελαττωμένη εμφάνιση θορύβου. Κάτι τέτοιο συνεπάγεται με την ύπαρξη και ενισχυτή ισχύος αλλά και προενισχυτή, πάντα επιλεγμένων με τα απαραίτητα χαρακτηριστικά που απαιτεί η δεδομένη FSO ζεύξη. Σχήμα 6: Τοπολογία ενισχυτών σε ένα τυπικό ατμοσφαιρικό FSO σύστημα. 19

2.3 ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΙΝΑΣ ΜΕ ΠΡΟΣΜΙΞΕΙΣ Εr +3 (EDFA) Ένας ενισχυτής EDFΑ φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα (σχήμα 7). Αποτελείται από μια ίνα πυριτύαλου, μήκους μερικών μέτρων, ο πυρήνας της οποίας (οπτικής ίνας) φέρει προσμίξεις ιόντων Er +3. H ίνα αυτή αντλείται οπτικά με ένα laser στα 980nm ή 1480nm, το φως του οποίου εισάγεται σε αυτή μέσω ενός κατευθυντικού συζεύκτη. Στην έξοδο της ένας άλλος συζεύκτης χωρίζει το ενισχυμένο σήμα από οποία ακτινοβολία άντλησης έχει παραμείνει. Και των δυο συζευκτών η δράση εξαρτάται από το μ.κ. των εισερχομένων κυμάτων, είναι δε έτσι κατασκευασμένοι έτσι ώστε να εκτρέπουν την ακτινοβολία άντλησης και όχι το ενισχυμένο σήμα. Συνήθως, τοποθετείται επίσης και ένας οπτικός απομονωτής στην είσοδο (ή και στην έξοδο) του οπτικού ενισχυτή για να εμποδίζει ανακλάσεις προς τον ενισχυτή, που θα μπορούσαν να τον αχρηστεύσουν κάνοντας τον να λειτουργεί ως laser. Σχήμα 7: Η δομή ενός ενισχυτή EDFA, όπου η άντληση γίνεται με την ίδια φορά διάδοσης του σήματος Οι δυο βασικές ενεργειακές ζώνες, όπου κατά κόρον λαμβάνει χώρα η απορρόφηση στα άτομα Εr διακρίνονται στο σχήμα 8. Αυτός είναι άλλωστε ο λόγος που τα laser άντλησης είναι στα 980nm και 1480nm. Oι ζώνες αυτές (εννιά στο πλήθος, στο σχήμα 8 εικονίζονται μόνο δυο) προκύπτουν από την διαπλάτυνση των ενεργειακών σταθμών των ιόντων Ερβίου λόγω της αλληλεπίδρασης τους με το περιβάλλον υλικό της πυριτύαλου. Κάθε ιόν Ερβίου έχει τις ενεργειακές του στάθμες μετατοπισμένες και διαχωρισμένες, λόγω φαινομένου Stark, κατά διαφορετικά ποσά για κάθε ιόν, μιας και η πυριτύαλος είναι 20

άμορφο υλικό, οπότε και το περιβάλλον κάθε ιόντος Ερβίου είναι διαφορετικό. Η διαπλάτυνση των ενεργειακών σταθμών μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω με την προσθήκη και άλλων προσμείξεων που, συν τοις άλλοις, αυξάνουν και τη διαλυτότητα του Ερβίου στην πυριτύαλο. Η κύρια περιοχή μ.κ. που μπορεί να ενισχυθεί μέσω εξαναγκασμένης εκπομπής από τη ζώνη ενέργειας Ε 2 στη θεμελιώδη κατάσταση ενέργειας Ε 1, είναι αυτή των (1500-1600) nm. Κατά ευτυχή συγκυρία, η περιοχή αυτή συμπίπτει με το παράθυρο της μικρότερης εξασθένησης των τυπικών οπτικών ινών. Κατά την οπτική άντληση με φως στα 980nm τα ιόντα Ερβίου διεγείρονται στη ζώνη ενέργειας Ε 3 και στη συνέχεια σε χρόνο ~1μs, μεταπίπτουν στην ζώνη Ε 2 με αυθόρμητη εκπομπή. Ο χρόνος ζωής στη ζώνη Ε 2 είναι ~10ms με αποτέλεσμα να έχουμε την επιθυμητή αντιστροφή πληθυσμού μεταξύ των ζωνών Ε 2 και Ε 1, αν ο ρυθμός άντλησης είναι επαρκής. Η οπτική άντληση με φως μ.κ. στα 1480 nm, διεγείρει ιόντα από τα χαμηλότερα επίπεδα της ζώνης Ε 1 προς τα υψηλότερα επίπεδα της ζώνης Ε 2. Σχήμα 8: Οι βασικές ενεργειακές ζώνες των ιόντων Ερβίου και οι πιθανές μεταβάσεις μεταξύ αυτών. Παρακάτω (σχήμα 9) παρουσιάζονται δυο φάσματα απορρόφησης και εκπομπής για τυπικό ενισχυτή EDFA. Τα φάσματα μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με το μ.κ. του φωτός άντλησης της ίνας Ερβίου, τη συγκέντρωση και το περιβάλλον των ιόντων Ερβίου κ.τ.λ.. Ένα άλλο ζήτημα που τίθεται στο σχεδιασμό ενός ενισχυτή EDFA είναι η επιλογή του μ.κ. άντλησης (μεταξύ πάντα των 980nm και 1480nm) εφόσον φασματοσκοπικά 21

παρατηρούνται διαφοροποιήσεις και, συν τοις άλλοις, υπάρχει διαφορετική εμπορική διάθεση των συγκεκριμένων laser. Συγκεκριμένα, η άντληση στα 1480nm εισάγει περισσότερο θόρυβο ASE (Amplified Spontaneous Emission) στο εξερχόμενο φως, αλλά επειδή είναι εμπορικά διαθέσιμα ισχυρά laser των 1480nm, σε σχέση με αυτά των 980nm, προτιμώνται ως σχήμα άντλησης για ενισχυτές υψηλής ισχύος. Για ενισχυτές όμως χαμηλού θορύβου (όπως απαιτείται να είναι οι προενισχυτές) επιλέγονται τα 980nm. Σχήμα 9: Τα φάσματα εκπομπής και απορρόφησης ενός τυπικού ενισχυτή EDFA. Στην πράξη, τα περισσότερα συστήματα ενίσχυσης είναι πιο πολύπλοκα από αυτό που εικονίζεται στο σχήμα 7. Ένα τέτοιο σύστημα ενίσχυσης παρουσιάζει δυο βαθμίδες ενίσχυσης. Στην πρώτη, δεδομένο μήκος ίνας Ερβίου αντλείται στα 980nm, οπότε από αυτή τη βαθμίδα παρέχεται χαμηλός θόρυβος, ενώ στη δεύτερη βαθμίδα, άλλο δεδομένο μήκος ίνας Ερβίου αντλείται στα 1480nm, όποτε εδώ παρέχεται η υψηλή ισχύς. Αποδεικνύεται ότι η επίδοση ως προς τον θόρυβο, συνολικά του ενισχυτή, καθορίζεται από την πρώτη βαθμίδα, οπότε με αυτόν τον τρόπο, μας προσφέρεται ένας ενισχυτής υψηλής ισχύος εξόδου και χαμηλού θορύβου. Ακόμα, με την ύπαρξη και των δυο αντλήσεων, σε περίπτωση που ένα από τα laser πάψει να λειτουργεί, το σύστημα συνεχίζει να ενισχύει με σαφώς μειωμένες επιδόσεις. Τέλος τοποθετώντας ένα στοιχείο απωλειών ανάμεσα στις δυο βαθμίδες ενίσχυσης, όπως λόγου χάριν ένα οπτικό φράγμα εξισορρόπησης της ενίσχυσης 22

(τέτοια φράγματα είναι τα φράγματα μακράς περιόδου Long Period Fiber Gratings), αποδεικνύεται ότι η δράση του στις επιδόσεις του ενισχυτή είναι αμελητέα. 23

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο : ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΥΨΗΛΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΣΕ ΚΙΝΗΤΟ FSO ΣΥΣΤΗΜΑ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ Στο παρόν κεφάλαιο γίνεται η περιγραφή, η μελέτη και η ανάλυση της προσομοίωσης σε εξειδικευμένο λογισμικό (Οptisystem), της λειτουργίας ενός κινητού FSO συστήματος βάσει του οποίου είναι δυνατόν να επικοινωνούν ένα UAV με έναν επίγειο σταθμό. Εν πρώτοις, θα αναφερθούμε στη δομή του συστήματος και στις φυσικές παραμέτρους που χαρακτηρίζουν αυτό το μοντέλο, άλλα και στον τρόπο που αυτές προσομοιώθηκαν στο δεδομένο λογισμικό. Κατόπιν θα τεθεί η θεωρητική ανάλυση των μεγεθών που χρησιμοποιήσαμε, βάσει των οποίων, θα εξάγουμε συμπεράσματα για τη λειτουργία του υπό μελέτη συστήματος. Επίσης θα παρουσιάσουμε τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής μέσω διαγραμμάτων τα οποία εμπλέκουν τα φυσικά μεγέθη για τα οποία έγινε λόγος στην αμέσως προηγούμενη παράγραφο. Εν τέλει, θα αναλύσουμε τα αποτελέσματα αυτά, και θα εξάγουμε συμπεράσματα, τα οποία και θα μας οδηγήσουν στην οριοθέτηση των δυνατοτήτων, της αξιοπιστίας και της καλής λειτουργίας του προτεινόμενου κινητού συστήματος FSO σε διαφορετικές συνθήκες και εν γένει παραμέτρους λειτουργίας. 24

3.2 ΔΟΜΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 3.2.1 ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ (ΚΑΙ ΥΠΟΘΕΣΕΙΣ) ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Το σύστημα όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως αποτελείται από ένα ακίνητο επίγειο σταθμό (Ground Station-GS) που είναι ένα τερματικό: εκπομπός και δέκτης ταυτόχρονα (transceiver) και από ένα πανομοιότυπο τερματικό, κινητό, το οποίο βρίσκεται πάνω σε ένα UAV το οποίο κινείται με σταθερή ταχύτητα σε ευθεία πορεία, και σε υψόμετρο, h=1km, πάνω από τον επίγειο σταθμό. Η δέσμη laser κάθε εκπομπού, στοχευόμενη προς τον κάθε δέκτη τερματικού με τη συνδρομή κατάλληλου μηχανισμού, διανύει μια πλάγια απόσταση μήκους L (μήκος ζεύξης) ενώ σχηματίζει γωνία θ με την οριζόντιο, η οποία μπορεί να πάρει τιμές που ποικίλουν 10 o έως 90 o (σχήμα 10). Σχήμα 10: Αριστερά η τοπολογία του συστήματος που προσομοιώνεται και δεξιά μια σχηματική αναπαράσταση της επίδρασης του περιβάλλοντος στη FSO ζεύξη. Με γκρι χρώμα αναπαριστάται ο χώρος του FSO καναλιού δηλαδή η ατμόσφαιρα στην οποία εμφανίζονται διάφορα μετεωρολογικά φαινόμενα (βροχή, ομίχλη κ.α.) ενώ με κόκκινο βέλος η οπτική ισχύς που όλο ένα εξασθενεί καθώς η δέσμη απομακρύνεται από κάθε τερματικό. Βάσει αυτών το μεταβλητό μήκος της ζεύξης L μπορεί να υπολογιστεί από την έκφραση: L= h sinθ. Η προσομοίωση του παρόντος συστήματος, που θα παρουσιαστεί αμέσως μετά, στηρίχθηκε στο λογισμικό Optisystem, της εταιρίας Optiwave, ενώ ορισμένοι υπολογισμοί έγιναν με τη συνδρομή του λογισμικού Matlab. To πρόγραμμα Optisystem, είναι ένα λογισμικό που προσομοιώνει πραγματικά οπτικά συστήματα (ενσύρματα και ασύρματα) με δυνατότητα τροποποίησης των παραμέτρων για τα διάφορα υποσυστήματα που θα χρησιμοποιηθούν. Μέσα από το 25

λογισμικό αυτό, ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να δημιουργήσει το οπτικό σύστημα που επιθυμεί, να τροποποιεί κατά βούληση οποίες παραμέτρους επιθυμεί, με τη βοήθεια διαγνωστικών οργάνων (μετρητή οπτικής ισχύος, ηλεκτρονικό και οπτικό παλμογράφο, αναλυτή φασμάτων κ.α.) να δοκιμάζει και να διαμορφώνει τη διάταξη-σύστημα και τέλος, για το επιλεχθέν οπτικό σύστημα, προσφέρονται εργαλεία ώστε να αξιολογήσει την επίδοση του, και να αποκομίσει διαγράμματα που αφορούν τη συμπεριφορά του για τις μεταβλητές που τέθηκαν σε κάθε περίπτωση. 3.2.2 ΔΟΜΗ ΕΚΠΟΜΠΟΥ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Ο εκπομπός του συστήματος μας συστάται από τα εξής: Μία γεννήτρια τυχαίας ακολουθίας bits (Pseudo-Random Bit Sequence Generator). Η ακολουθία αυτή οδηγείται σε μία γεννήτρια τετραγωνικών παλμών NRZ (Non Return to Zero Pulse Generator) η οποία θα μας δώσει ένα ηλεκτρικό σήμα διαμορφωμένο βάσει της ακολουθίας bits. Το λογικό "ένα" κωδικοποιείται σε θετική τάση, ενώ το λογικό "μηδέν" κωδικοποιείται σε αρνητική τάση, σε αντίθεση με το κώδικα RZ (Return to Zero) όπου το λογικό "μηδέν" κωδικοποιείται σε μηδενική ηλεκτρική τάση. Ο τετραγωνικός παλμός στην έξοδο της γεννήτριας NRZ μεταφέρεται σε διαμορφωτή Mach-Zehnder (Mach-Zehnder Modulator), στον οποίο επίσης συνδέεται και ένα laser συνεχούς λειτουργίας (Continuous Wave laser). To μ.κ. της ακτινοβολίας που έχουμε θέσει να εκπέμπει το laser είναι στα 1550nm (~193THz). Ο διαμορφωτής βάσει των ηλεκτρικών παλμών κωδικοποίησης διαμορφώνει το οπτική δέσμη του laser, έτσι ώστε αυτή να φέρει τη πληροφορία εντός της δέσμης, οποία και θα διαδοθεί διαμέσου του FSO καναλιού (σχήμα 11(α)). Ο εκπομπός είναι ισχύος 10mW και μέσω συζεύκτη τύπου «Υ» συνδέεται με τον ενισχυτή ισχύος για τον οποίο θα υπάρχει ανάλυση λίγο μετά. 3.2.3 ΔΟΜΗ ΔΕΚΤΗ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Κάθε δέκτης συστάται από ένα φίλτρο τύπου Butterworth (Butterworth Optical Filter), έναν οπτικό εξασθενιτή (Optical Attenuator), και έναν υπό-δέκτη (Optical Receiver) ο οποίος απαρτίζεται με τη σειρά του από μια φωτοδίοδο, ένα φίλτρο τύπου Bessel και έναν αναγεννητή. Όπως εικονίζεται και στο σχήμα 11(β), το σήμα εξόδου του δέκτη οδηγείται σε έναν αναλυτή ΒΕR (BER Analyzer), οποίος και δίνει στοιχεία για την επίδοση του συστήματος, βάσει τιμής ρυθμού σφάλματος (BER) και παράγοντα Q (Q-factor). 26

Συγκεκριμένα, τα φίλτρα, ως αρχή λειτουργίας έχουν να τροποποιούν το σήμα που εισέρχεται σε αυτά αφαιρώντας κάποια φασματικά στοιχεία του. Έτσι το αλλοιώνουν φασματικά, δίνοντας του τα επιθυμητά χαρακτηριστικά, βάσει όμως κάθε φορά ενός δεδομένου μαθηματικού μοντέλου που ακολουθεί το δεδομένο φίλτρο, από το οποίο και αποκτούν το όνομα τους. Έτσι, το φίλτρο τύπου Butterworth, που πήρε το όνομα του από το Βρετανό φυσικό Butterworth που έθεσε τις αρχές του, αποκόβει από το οπτικό μας σήμα μέρος του θορύβου που εμφανίστηκε από τους ενισχυτές. Ενώ το φίλτρο, τύπου Bessel, του οποίου η αρχή λειτουργίας βασίζεται στο πολυώνυμο του Γερμανού μαθηματικού Bessel, και βρίσκεται εντός του υπό-δέκτη, κάνει παρόμοια εργασία, καθαρίζοντας το σήμα από τυχόν θορύβους. Ο οπτικός εξασθενιτής, είναι μια συσκευή που προκαλεί οπτική εξασθένιση στο σήμα που διέρχεται μέσω αυτού, και ο σκοπός που τέθηκε στη διάταξη μας είναι η προστασία της φωτοδιόδου από ισχυρή οπτική ισχύς, σε περιπτώσεις που το αεροσκάφος είναι πολύ κοντά με τον επίγειο σταθμό όποτε και η ισχύς της δέσμης επικοινωνίας είναι ισχυρότατη. Στη δική μας μελέτη, η εξασθένιση που προκαλεί ο εξασθενιτής είναι μεταβλητή εφόσον τα δυο τερματικά έχουν μεταβλητή απόσταση. Έτσι, για παράδειγμα, είναι ισχυρή όταν το UAV απέχει λίγα km ενώ είναι ασθενής όταν αυτό απέχει πολύ μεγαλύτερη απόσταση. Τέλος, η καρδιά του δέκτη είναι η φωτοδίοδος η οποία μετατρέπει τα φωτόνια της οπτικής δέσμης σε ηλεκτρόνια (σωστότερα σε ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών) χάριν του ημιαγωγού ο οποίος βρίσκεται στη σύνθεση της. Η φωτοδίοδος που είναι στην ουσία στρώματα ημιαγώγιμων υλικών μπορεί να διακριθεί σε δυο βασικούς τύπους, τις φωτοδιόδους PIN και τις φωτοδιόδους χιονοστιβάδας (APD Avalanche PhotoDiode). Οι μεν πρώτες δεν έχουν εσωτερική ενίσχυση ενώ οι δεύτερες έχουν το χαρακτηριστικό ότι το ηλεκτρικό ρεύμα που προκύπτει από τα προσπίπτοντα φωτόνια ενισχύεται εσωτερικά λόγω της δομής της. Στη διάταξη μας επιλέξαμε τη PIN φωτοδίοδο εφόσον το ζήτημα της ενίσχυσης επιτυγχάνεται εξωτερικά με τη χρήση οπτικών ενισχυτών. Επιπροσθέτως, βάσει δεδομένων που συλλέξαμε από δόκιμες στη προκείμενη διάταξη, καταλήξαμε ότι κανένα όφελος δε μας προσέφερε η χρήση της APD. Στο σημείο αυτό πρέπει να σημειώσουμε ότι σε ένα πραγματικό σύστημα εκπομπού-δέκτη υπάρχουν και τα οπτικά εξαρτήματα όπως φακοί και διαφράγματα, τα οποία όμως δεν αναφέραμε παραπάνω μιας και μιλάμε για περιβάλλον προσομοίωσης. Εντούτοις τα 27

χαρακτηριστικά αυτά λαμβάνονται υπόψη στους υπολογισμούς μας, όπως θα φανεί και παρακάτω. Σχήμα 11: (α) Ο εκπομπός, (β) ο δέκτης, θεωρώντας εντός των ορίων του φίλτρο συχνοτήτων και οπτικό εξασθενητή. Παρακάτω τίθεται ένας πίνακας (πίνακας Ι) με τα ενδιαφέροντα μεγέθη και τις αριθμητικές τιμές τους, που χαρακτηρίζουν τη λειτουργία κάθε συστατικού στοιχείου του τερματικού (εκπομπού-δέκτη) και ήταν απαραίτητοι στους διάφορους υπολογισμούς μας. 28

3.2.4 ΔΟΜΗ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ O ενισχυτής αποτελείται από δυο βαθμίδες. Η πρώτη απαρτίζεται από μια ίνα Ερβίου μήκους 1m, η οποία αντλείται από ένα laser στα 980nm με ισχύς 700mW. Η άντληση γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε η ακτινοβολία άντλησης και η φέρουσα, το σήμα, να διαδίδονται προς την ίδια κατεύθυνση (co-propagating). Συνήθως μια τέτοια τοπολογία του laser άντλησης (pump laser) και της φόρα σήματος καλείται ορθή άντληση, ενώ το αντίστροφο, όπου η ακτινοβολία, φέρουσα το σήμα, διαδίδεται αντίθετα από την ακτινοβολία άντλησης καλείται ανάστροφη άντληση. Η βαθμίδα αυτή προσφέρει ενίσχυση με χαμηλό θόρυβο. Κατόπιν, το ενισχυμένο σήμα (μαζί με την ακτινοβολία άντλησης που απέμεινε) μέσω κατευθυντικών συζευκτών 3dB (όπου η εισερχόμενη ακτινοβολία χωρίζεται ισόποσα (3dB=0,5) στις εξόδους του συζεύκτη), οδηγείται στη δεύτερη βαθμίδα η οποία θα το ενισχύσει δραστικά. Η δεύτερη βαθμίδα απαρτίζεται από 4 ίνες Ερβίου μήκους 5m, οι οποίες και αντλούνται ορθά από την εναπομείνουσα ισχύς άντλησης της πρώτης βαθμίδας και ανάστροφα από laser στα 980nm, ισχύος 700mW. Το αποτέλεσμα αυτό του ενισχυτή είναι να λαμβάνουμε οπτική ισχύς σήματος (1550nm) στα 1.986W, με θόρυβο κοντά στα 6μW, και εναπομένουσα ισχύς άντλησης (στα 980nm) περίπου 2.9mW. Ολοκληρώνοντας την περιγραφή μας για τον ενισχυτή ισχύος, θα αναφέρουμε τις βασικές παραμέτρους των ινών Ερβίου που χρησιμοποιήθηκαν. Στο σχήμα 12 εικονίζονται ευκρινώς τα μήκη κάθε ίνας σε κάθε βαθμίδα του ενισχυτή ισχύος ενώ τα λοιπά χαρακτηριστικά (που είναι κοινά για κάθε ίνα) δίνονται αμέσως παρακάτω στο σχήμα 13. 29

Σχήμα 12: Ο ενισχυτής ισχύος με οριοθετειμένη κάθε βαθμίδα. Αριστερά διακρίνεται και ο εκπομπός όπου με τη συνδρομή ενός απλού συζεύκτη το σήμα οδηγείται προς ενίσχυση. Στο σχήμα διακρίνεται και ένα εικονίδιο που προκαλεί διαφορά φάσης (phase shift), το οποίο εξασφαλίζει ότι οι δυο δέσμες από τους συζεύκτες 4, 5 θα έχουν ενισχυτική συμβολή. 30

Σχήμα 13: Οι καρτέλες (δια μέσου του γραφικού περιβάλλοντος του optisystem) με τις παραμέτρους που χαρακτηρίζουν κάθε ίνα Ερβίου αλλά και με τα χαρακτηριστικά του μοντέλου που προσομοιώθηκαν. 3.2.5 ΔΟΜΗ ΠΡΟΕΝΙΣΧΥΤΗ ΣΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Ο προενισχυτής που χρησιμοποιήθηκε αποτελείται από δυο βαθμίδες. Η πρώτη έχει ένα laser άντλησης στα 980nm με ισχύς άντλησης τα 100mW που αντλεί μια ίνα Ερβίου μήκους 1,8m. Κατόπιν με τη μεσολάβηση ενός φίλτρου τύπου Gaussian (για τη δράση των φίλτρων έγινε προηγουμένως ανάλυση) επιτυγχάνεται η ελάττωση του θορύβου, ώστε αυτός να μην ενισχυθεί στη δεύτερη βαθμίδα. Η δεύτερη βαθμίδα, όμοιας δομής με τη πρώτη, συστάται από laser άντλησης στα 980nm και ισχύς άντλησης τα 50mW, που αντλεί ίνα Ερβίου μήκους 1m. Η επιλογή των μηκών των ινών Ερβίου έγινε με κριτήριο τη μέγιστη ενίσχυση και τον ελάχιστο δυνατό θόρυβο, μιας και σε αυτό το σημείο του συστήματος η τιμή του θορύβου έχει καθοριστικά 31

αποτελέσματα στις επιδόσεις του. Παρακάτω δίνεται στο γραφικό περιβάλλον του λογισμικού, η δομή του προενισχυτή. Σχήμα 14: Η δομή του προενισχυτή. Διακρίνονται (από αριστερά προς τα δεξιά), το εικονίδιο που προσομοιώνει το ατμοσφαιρικό κανάλι, η 1 η βαθμίδα και η 2 η βαθμίδα ενίσχυσης, ενώ στο τέλος υπάρχει ο δέκτης. Στο σημείο αυτό, να αναφέρουμε ότι τα χαρακτηριστικά των ινών Ερβίου (πέραν του μήκους) είναι καθ όλα ίδια με αυτά του ενισχυτή ισχύος (σχήμα 13). 32

3.3 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ 3.3.1 ΡΥΘΜΟΣ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ Η επίδοση ενός ψηφιακού οπτικού συστήματος (κατά μια έννοια) εκφράζεται από την πιθανότητα σφάλματος ανά bit, που αναφέρεται και ως ρυθμός ψηφιακού σφάλματος (Bit Error Rate - BER). Η αποτύπωση πληροφορίας επί μιας φωτεινής δέσμης συνιστά τη διαμόρφωση της. Ο όρος διαμόρφωση (modulation) χρησιμοποιείται κυρίως για μετάδοση αναλογικής πληροφορίας, ενώ για τη μετάδοση ψηφιακής πληροφορίας, πιο δόκιμος όρος είναι το «κλείδωμα μεταλλαγής (Shift Keying SK)». Στις οπτικές ψηφιακές επικοινωνίες δεν υπάρχει ουσιαστικά λόγος χρησιμοποίησης άλλης από τη δυαδική σηματοδοσία. Η απλούστερη και συνηθέστερη μορφή διαμόρφωσης στις οπτικές επικοινωνίες είναι η OOK (On-Off Keying), η οποία συνδυάζεται με τη διαμόρφωση PCM (Pulse Code Modulation), κατά την οποία σύμφωνα με τη δυαδική τεχνική, η πληροφορία μεταφέρεται σε πανομοιότυπους παλμούς που μπορούν να έχουν δυο δυνατές τιμές το bit 1 και το bit 0. Οι διάφορες μορφές της ΟΟΚ είναι: οι NRZ, RZ και στενοί παλμοί (η ανάλυση αυτών των μορφών έγινε σε προηγούμενες ενότητες). Αν η οπτική δέσμη έχει διαμορφωθεί στην ένταση της με δυαδική μορφή τότε ο τρόπος που ανιχνεύεται στο δεκτή είναι η άμεση ανίχνευση (φώραση). Στην περίπτωση αυτή λέμε ότι η φωτεινή δέσμη υπόκειται σε IM/DD (Ιntensity Modulation/Direct Detection) με ΟΟΚ. Αν p(0 1) είναι η πιθανότητα ένα bit 1 να μετρηθεί ως bit 0, και p(1 0) είναι η πιθανότητα ένα bit 0 να μετρηθεί ως bit 1, και ακόμη αν το ποσοστό κάθε bit είναι: p (1) για το bit 1, και p(0) για το bit 0, ο BER μπορεί να γραφτεί: BER = p(1) p(0 1) + p(0) p(1 0) με p (1) + p(0) =1 (6α) Αν δεχτούμε ότι σε μια ακολουθία bits η πιθανότητα να έχουμε bit 1 και bit 0 είναι ισόποση τότε η προηγούμενη έκφραση γίνεται: 33

1 BER = p + p 2. (6β) Χρησιμοποιώντας κάποιους υπολογισμούς (δεν αποτελεί σκοπό της παρούσας έκθεσης η διατύπωση τους) καταλήγουμε σε μια απλή έκφραση για τον BER: όπου Q είναι: ο παράγοντας Q (Q-factor) και ο οποίος είναι ίσος με το πηλίκο της διαφοράς των φωτορευμάτων ( i i ) προς τη διαφορά των διασπορών αυτών ( σ σ ), όπου οι διασπορές εκφράζουν κάθε θόρυβο που μπορεί να σχετίζεται με τα αντίστοιχα bits. Οι δείκτες 1 και 0 σε κάθε προαναφερθέν μέγεθος εκφράζουν τη σύνδεση με τα bit 1 και bit 0 αντίστοιχα. Επίσης η συνάρτηση erfc(), ονομάζεται συμπληρωματική συνάρτηση 2 2 t σφάλματος και ορίζεται από την σχέση: erfc( x) = e dt. π 3.3.2 ΦΩΤΟΡΕΥΜΑΤΑ (j=0,1) Υποθέτοντας μια φωτοδίοδο PIN με αποκρισιμότητα R, το φωτορεύμα που παράγει δίνεται από την έκφραση: όπου ( (0 1) (1 0) ) 1 Q 1 1 i1 i 0 BER = erfc erfc 2 = 2 2 2 σ1 σ0 i = RP + I j r, j d P r, j 1 0 1 0 i j η οπτική ισχύς που μεταφέρει το j-bit στο δέκτη και I d το ρεύμα σκότους. x (6γ) (7) Σύμφωνα με τη διάταξη που έχει προταθεί για το σύστημα μας προηγουμένως, και απαρτίζεται από δυο ενισχυτές, έναν ενισχυτή ισχύος με συνολικό κέρδος (και των δυο βαθμίδων) G 1 και ισχύς ASE: P ASE(1) και έναν προενισχυτή χαμηλού θορύβου με συνολικό κέρδος βαθμίδων G 2 και ισχύς ASE: P ASE(2), ο υπολογισμός της ισχύος την εξής έκφραση: ( ) P = G P + P = G L G P + P + P r, j 2 j ASE(2) 2 FSO 1 t, j ASE(1) ASE(2) P r, j δίνεται από (8) Τα μεγέθη που αναφέρονται παραπάνω (εξίσωση (8)) γίνονται περισσότερα κατανοητά με τη συνδρομή του ακόλουθου σχήματος. 34

Σχήμα 15: Η διαδιδόμενη ισχύς σε κάθε στάδιο της ζεύξης μεταξύ των τερματικών. Ο Τ x είναι το σύστημα του εκπομπού που εκπέμπει κάθε j-bit με οπτική ισχύς P t,j. H ισχύς αυτή ενισχύεται από τον ενισχυτή ισχύος (power-amplifier), αποκτώντας και θόρυβο με ισχύς P ASE(1), κατόπιν διαδίδεται στο ατμοσφαιρικό (FSO) κανάλι. Εκεί υπόκειται σε απώλειες με συντελεστή απωλειών ισχύος L FSO. Η ισχύς που τελικά φτάνει στην είσοδο του προενισχυτή είναι P j. Αυτή ενισχύεται και καθαρίζεται (λόγω φίλτρων) από τις βαθμίδες του προενισχυτή με συνέπεια η τελική ισχύς που προσπίπτει στο σύστημα του δέκτη να είναι G P + P. 2 j ASE(2) σ j 3.3.3 ΘΟΡΥΒΟΣ (j=0,1) Ο θόρυβος (noise) μπορεί να διακριθεί σε προσθετικό, που παραμένει ακόμα και όταν εξαφανίζεται το σήμα, και σε πολλαπλασιαστικό, που είτε είναι μια συμφυής τυχαιότητα μέσα στο ίδιο το σήμα ή παράγεται σε κάποια διάταξη όταν υπάρχει σήμα. Είδη προσθετικού θορύβου: Α) Θόρυβος ρεύματος σκότους (dark current noise- ): οφείλεται στην τυχαία παραγωγή ελευθέρων φορτίων στη φωτοδίοδο λόγω θερμικής διέγερσης ή λόγω φαινομένου σήραγγας: σ = 2qI B 2 dc e d w σ dc (9) σ th Β) Θερμικός θόρυβος (thermal noise- ) ή θόρυβος Johnson: εμφανίζεται στην ωμική αντίσταση εισόδου οποιουδήποτε ηλεκτρονικού ενισχυτή, που βρίσκεται εντός του δέκτη και βρίσκεται αμέσως μετά τη φωτοδίοδο, και οφείλεται στην τυχαιότητα της θερμικής κίνησης των ελευθέρων ηλεκτρονίων: σ = ktb 2 4 w th RL (10) 35

Γ) Ενισχυμένη αυθόρμητη εκπομπή (ΑSE): Παράγεται σε οποιοδήποτε οπτικό ενισχυτή κατά μήκος της ζεύξης. Διακρίνουμε δυο τύπους ΑSE: 1) θόρυβος λόγω της συμβολής του ηλεκτρικού πεδίου της αυθόρμητης εκπομπής με τον σ sp sp εαυτό της, : σ 2 2 2 2 hc sp sp = R nsp GG 1 2 fopt Bw Bw λ ( 1 2 ) ( ) (11) 2) θόρυβος λόγω της συμβολής του ηλεκτρικού πεδίου της αυθόρμητης εκπομπής με το σ s sp ηλεκτρικό πεδίο του σήματος, : hc R G Pn G B λ ( σ 2 ) 2 = 4 2 ( 2 1) s sp j j sp w (12) Δ) Θόρυβος ηλεκτρονικού ενισχυτή: εμφανίζεται στο εσωτερικό της ενισχυτικής βαθμίδας (εντός του δέκτη, που βρίσκεται μετά τη φωτοδίοδο) και οφείλεται στις διακυμάνσεις του φορτίου στα τρανζίστορ του ενισχυτή. Ο θόρυβος αυτός είναι συνήθως αμελητέος εμπρός στο θερμικό θόρυβο του ενισχυτή και δε λαμβάνεται υπόψη. Ε) Θόρυβος από την ακτινοβολία υποβάθρου: εμφανίζεται σε FSO συστήματα, εφόσον αυτά είναι εκτεθειμένα και σε άλλες πηγές ακτινοβολίας με κυριότερη τον ήλιο. Ο θόρυβος αυτός γίνεται αρκετά αισθητός όταν ένα από τα τερματικά (transceiver) είναι σε οπτική επαφή με τον ήλιο μια δεδομένη χρονική στιγμή. Η αντιμετώπιση τέτοιου προβλήματος λύνεται συνήθως με τοποθέτηση φίλτρων εμπρός από το δέκτη. Στη μελέτη μας δε θα ληφθεί υπόψη μια τέτοια πηγή θορύβου. Είδη πολλαπλασιαστικού θορύβου: Α) Θόρυβος στις οπτικές ίνες (Ο θόρυβος αυτός δε μας αφορά άμεσα καθότι το μήκος των οπτικών ινών στη διάταξη μας και εν γένει σε μια FSO διάταξη που χρησιμοποιεί οπτικούς ενισχυτές, πόσο μάλλον δε όταν δεν τους χρησιμοποιεί, είναι πολύ μικρό, μερικά δεκάδες 36