TTS Moduł 13

Światłowód kwarcowy jako medium transmisyjne zrewolucjonizował technikę transmisji informacji na długich dystansach. O tym już wiemy. Czy jednak nie można wykorzystać opracowanej techniki i zbudować łącze optyczne pracujące w wolnej przestrzeni? Oczywiście, że można, znamy takie urządzenia, to przecież pilotem włączamy telewizor i przełączamy jego kanały. To jest łącze najprostsze, wręcz prymitywne. Można znaleźć inne możliwości, jednak najpierw poszukajmy jego właściwości aby dojść do obszarów zastosowań.

---

Materiał wykładu nie jest obszerny. Składają się na niego opisy systemów dalekiego zasięgu oraz prezentacja systemów stosowanych w pomieszczeniach zamkniętych. Na koniec, jak zwykle, krótkie podsumowanie.

---

Przyjrzyjmy się rysunkowi. Pokazano na nim rozmaite struktury telekomunikacyjnych sieci satelitarnych, których satelity połączone są między sobą łączami optycznym o dużej przepustowości. Także połączenia z Ziemią mogą być realizowane z użyciem częstotliwości optycznych. Traktujmy taki system jako koncepcję, gdyż żaden (cywilny) rzeczywisty system satelitarny z łączami optycznymi jeszcze nie powstał. Na rysunku tym zaznaczono między innymi: Łącza optyczne ziemia-ziemia realizowane na duże odległości między szczytami górskimi, a także na mniejszych odległościach między wysokimi budynkami w centrum miasta. Łącza ziemia-samolot wykorzystywane są do transmisji objętych tajemnicą danych. W takich przypadkach pasmo transmisji nie jest na tyle szerokie, by koniecznym było sięganie po nośną z pasma optycznego. Decydującym argumentem jest możliwość skupienia wiązki optycznej, co utrudnia, lub wręcz uniemożliwia podsłuch. Łącza samolot-samolot wykorzystywane są z powodu wymienionego wyżej. Łącza optyczne satelita-ziemia kierują strumień danych do systemu sieci satelitarnej i odbierają go od niej. Pasmo transmisji powinno być szerokie w takim przypadku.

---

Na rysunku zilustrowano jedną z możliwości: transmisja danych miedzy budynkami w City, gdy przepustowość sieci kablowej nie wystarcza. Zobaczymy, że łącza optyczne posługują się bardzo wąskimi wiązkami sygnału i dlatego nie obserwujemy przesłuchów między łączami długich dystansach, łącza optyczne nie przeszkadzają sobie wzajemnie, podczas gdy łącza mikrofalowe, nawet w pasmach milimetrowych interferują między sobą.

---

Łącza optyczne krótkiego zasięgu cieszą się wielką i rosnącą popularnością. Wykorzystywane są do transmisji danych wewnątrz pomieszczeń, między rozmaitymi składnikami sieci komputerowej. W ten sposób stają się przydatne do tworzenia sieci LAN. Łącza optyczne tego typu niosą zupełnie inna grupę problemów, inne moce, inne zasięgi i inne szybkości transmisji. Użyteczność tego typu łączy jest bardzo duża. Na rysunku pokazano rozmaite możliwości pracy łącz optycznych małego zasięgu, przeznaczonych do transmisji danych na odległość kilka, kilkadziesiąt metrów, zwykle wewnątrz pomieszczeń biurowych, czy też laboratoryjnych.

---

Przyjmiemy, że soczewki skupiające i rozpraszające mają wytworzyć wiązkę równoległą. Efekty ugięcia, zależne od długości fali $\lambda$, powodują zmianę średnicy wiązki z wartości $d_t$, równej średnicy soczewki, do wartości $d_z$ po przebyciu drogi $z$, zgodnie z zależnością podaną na stronie. Równanie pokazuje wpływ dyfrakcji na kąt rozbieżności wiązki. Powyższa zależność ma wielką wagę, gdyż pokazuje jak rozbieżność wiązki promieniowania zależy od rozmiarów $d_t$ anteny (soczewki) i długości fali $\lambda$. W polu bliskim, gdy $(\lambda z/{d_t}^2)<<1$, wiązka jest równoległa i ma średnicę $d_t$. W polu dalekim, gdy $(\lambda z/{d_t}^2)>>1$, otrzymujemy falę płaską o kącie rozbieżności ${\theta }_t$: Drugie równanie podaje wzmocnienie idealnej anteny w zależności od wymiarów anteny i długości fali.

---

Wykorzystując zależność na wzmocnienie narysowano rodzinę charakterystyk pokazaną na rysunku. Interpretacja prostych otrzymanych na tej podstawie jest łatwa i czytelna. Przewaga optycznych układów ogniskujących nad antenowymi układami mikrofalowymi jest widoczna. Dzięki zmniejszeniu długości fali wzmocnienie optycznych układów ogniskujących jest o kilkadziesiąt decybeli większe. Dzięki temu poziomy mocy wyjściowej nadajników mogą być znacznie mniejsze, przy tych samych zasięgach.

---

Punktem startu rozważań o propagowanej mocy są oczywiście równania Maxwell'a, które opisują pole EM w każdym punkcie przestrzeni. Dla prostoty pomijamy wyprowadzenie szczegółowe podając krótko: zależność na moc odbieraną przez odbiornik o powierzchni $A$, oddalony o $z$ od źródła mocy $P_S$ wypromieniowanej przez antenę/soczewkę o wzmocnieniu $G_T$, definicję wzmocnienia $G_S$ anteny odbiornika, końcowe wyrażenie na moc $P_R$ odbieraną przez odbiornik. Ostateczna forma zależności zawiera tłumienie $L_P$ przestrzeni, uwzględniające takie efekty, jak: mgła, opady deszczu lub śniegu, absorpcja promieniowania przez cząsteczki gazu atmosfery.

---