2016-04-05

1

1

Nertracdiciniai optinio ryšio taikymai

Šiandien apžvelgsime keletą netradicinių optinio ryšio taikymų:

Patalpų apšvietimo optinis tinklas.

Galia ir signalas per šviesolaidį.

Kosminis liftas.

2

Patalpų apšvietimo optinis tinklas.

Tarkime, kad norime patalpoje sukurti

“bevielį” ryšį kuris nekeltų trukdžių ir

nesąveikautų su kitomis patalpomis. Atrodo

galima sumontuoti kiekvienoje atskiroje

patalpoje po bevielį maršrutizatorių ir viskas

veiktų. Tačiau per didelis kiekis imtuvų ir

siųstuvų nedidelėje erdvėje tikrai būtų

problema. Reiktų arba platesnės dažnių

juostos arba lėtinti ryšį.

Gana originalus sprendimas yra “atviras”

optinis tinklas per patalpos apšvietimą.

Sprendžiamos kelios problemos. Galima

užtikrinti aukštą izoliavimą tarp patalpų.

Nereikia dalinti radijo kanalų. Galima taikyti

netgi ten, kur būtina radijo dažnio tyla.

2016-04-05

2

3

Patalpų apšvietimo optinis tinklas energetinis efektyvumas

Akivaizdu, kad įgyvendinus 8b/10b ar panašų protokolą (nėra

nuolatinės dedamosios) galima palaikyti nemirksinčią nuolatinę

moduliuotą šviesą. Atrodo viskas būtų gerai, nes net ir

papildomos energijos signalui perduoti nereikia. Panaudojama ta

energija kuri šiaip ar taip būtų naudojama patalpai apšviesti.

Tačiau technologijos kūrėjai nutyli, kad moduliuoti signalą 500

MHz dažniu reikia gana daug energijos.

Alternatyvi idėja yra tiesiog spalvų atskyrimas. W-LED ir IR-

LED spektrai nepersikloja.

4

Spektrinės charakteristikos

Baltas LED LCW W5SN

IR fotodiodas SFH214FA

IR LED SFH4750

IR LED charakteristikos

2016-04-05

3

5

Patalpų apšvietimo optinis tinklas

Galimas ir dar “platesnis” variantas:

Ryšio signalas perduodamas maitinimo tinklo linijomis ir

iššviečiamas patalpos apšvietimo LED.

6

Patalpų apšvietimo optinis tinklas

Tyrėjai prognozuoja, kad numalšinus aukšto dažnio atspindžius

maitinimo linijose sumontavus banginę varžą suderinančias

apkrovas galima pasiekti iki 1 Gb/s perduodamų duomenų srautą.

Man pačiam tai atrodo mažai tikėtina.

2016-04-05

4

7

Patalpų apšvietimo optinis tinklas Patalpos modelis sukurtas remiantis prielaida, kad patalpa tolygiai

apšviesta keleto šaltinių. Prognozės taip pat itin optimistinės – netgi

antriniai atspindžiai nesutrukdytų pasiekti to paties 1 Gb/s pralaidumo.

Kas žino, gal taip ir bus?

8

Patalpų apšvietimo optinis tinklas

Galima apibendrinti, kad toks sprendimas patrauklus nes:

• Galima perduoti signalą visiems patalpoje esantiems multimedia

įrenginiams

• Nėra radijo užterštumo

• Signalui perduoti naudojama energija kuri ir šiaip būtų panaudota

patalpos apšvietimui

Nepatrauklu nes:

• Neveiks jei išjungta šviesa

• Netinka miegamosioms patalpoms

• Energijos sąnaudų mažinimas tik deklaratyvus

• Kelių amperų srovės šaltiniai bus kartu ir stiprūs RF šaltiniai –

nėra radijo tylos nebent specialiai ekranuojama, tačiau nėra ir

sąveikos per RF

Tinka tik sandėliuose arba specialiuose gamybos procesuose

kur RF tyla būtina. Vis dėlto IR kanalo įrengimas būtų

patrauklesnis.

2016-04-05

5

9

Galia ir signalas per šviesolaidį

Yra nemažai taikymų kur reikia rinkti informaciją tačiau visai nesinori tiesti

maitinimo kabelių.

Tokie taikymai būtų:

Stebėjimo kameros ant aukštų pastatų

Stebėjimo kameros po vandeniu – gręžinių priežiūra

Atmosferos stebėjimo stočių duomenų surinkimas

Pavojingos aplinkos davikliai

Aukšto įtampos davikliai (500kV).

Pagrindinės kylančios problemos

tokiems uždaviniams yra

žalingas aplinkos poveikis

elektros tiekimo tinklams: didelis

slėgis, žaibavimas, korozija ir kt.

10

Galia ir signalas per šviesolaidį

Idėja yra paprasta – viename šviesolaidžio gale pastatyti lazerinį

diodą (~800 nm) ir imtuvą (pvz. 1300 nm), o kitame saulės bateriją

ir visą įrenginį su siųstuvu (pvz. 1300 nm).

Matėme, kad net 670 nm bangos ilgiu daugiamodžiu

šviesolaidžiu galima perduoti ~100 Mb/s. Uždavinys tinkamas net ir

didelės spartos uždaviniams tokiems kaip vaizdo kameros.

Laser810 nm

Solarpanell

Photo d.1300 nm

Laser d.1300 nm

PowerPower

Data

Data

2016-04-05

6

11

Galia ir signalas per šviesolaidį

Uždavinys nesunkiai sprendžiamas jei reikiama galia yra

nedidelė. Pavyzdžiui, optinių tinklų priežiūros elementai “vagia”

dalį energijos iš perduodamo signalo, bet ji itin maža ~μW.

Sudėtinga yra perduoti didelę elektrinę galią. Visų pirma

fotoelementų našumas yra viso labo ~40%. Viska kitka virsta

šiluma. Optimistiškai elektrinis našumas ~20-30%.

Kuo didesnę galią reikia perduoti tuo sudėtingiau yra izoliuoti

informacijos kanalo elementus. Pvz. jei optinė galia yra 2W (tai

nėra labai daug) tai FD gali nepriimti tinkamai signalo jei grįžta

galios signalo atspindys. Siuntimo lazeris gali taip pat sudegti jei

izoliavimas prastesnis nei –16dB.

Laser810 nm

Solarpanell

Photo d.1300 nm

Laser d.1300 nm

PowerPower

Data

Data

12

Galia ir signalas per šviesolaidį

Vaizdo kamera kurios maitinimas ir signalas per šviesolaidį.

2016-04-05

7

13

Galia ir signalas per šviesolaidį

Galia transformuojama 1mm

diametro GaAs fotoelementu.

Didžiausia problema yra ataušinti

puslaidininkį.

14

Galia ir signalas per šviesolaidį Applications

• Fiber power delivery is simpler, easier to install, immune to lightning strikes,

electromagnetic interference (in cellphone base stations, or in pacemakers) and

avoids transformer hazards such as oil spills and explosions.

• Safety is also a critical advantage of photonic power in mines and other

environments where explosive gases can accumulate, and a single spark can

bring disaster.

• The main uses of photonic power delivery are for sensors in environments

where electrical transmission is difficult or impossible.

• This method of transferring power can be highly advantageous in situations

where sparks or shorts can be a fatal problem.

• Photonic power transmission is also valuable in magnetic resonance imaging,

which exposes equipment to very high magnetic fields that cause problems with

electrical systems. Fiber transmission can withstand higher voltages, important

because they can improve resolution.

• Fiber can connect to sensitive instruments measuring electromagnetic

emission of consumer equipment during verification of compliance with emission

standards.

Drawback: safety !!! and price.

2016-04-05

8

15

Kosminis liftas – Space elevator

Jei galima perduoti energiją šviesolaidžiu tai gal galima jos

perduoti labai daug? O gal net nereikia šviesolaidžio?

Kosminio lifto idėja atėjo iš mokslinės fantastikos. Jos autorius

“1895 when Russian scientist Konstantin Tsiolkovsky was inspired

by the Eiffel Tower in Paris”, bet žinau, kad niekas rimtai į ją

nežiūrėjo. Tikslas buvo pastatyti tikrą elektrinį liftą jungiantį orbitoje

įtempiantį palydovą ar net jungtį į Mėnulį, kuri praeinama maždaug

kartą per dieną.

16

Kosminis liftas

Tačiau netikėtai idėja buvo atgaivinta, nes pasirodė jog galima

spręsti kelias nerealias ankstyvas idėjas.

Visų pirma pati idėja yra nenešti kuro su savimi iš paskos į

kosmosą. Nutiesti tempiančius kabelius ar elektros kabelius į viršų

yra nerealu.

Sukūrus lazerius ir saulės baterijas buvo pasiūlyta transportuoti

energiją ne laidais, bet besvore šviesa.

Liko pagrindinė problema – kopėčios. Sako, kad teoriškai šią

problemą galima išspręsti teoriškais anglies nanodarinių pluoštais.

2016-04-05

9

17

Kosminis liftas – viskas detalėse

18

Kas gi vyksta? Kažkada buvo paskelbti atviri konkursai asmeninei iniciatyvai

pakilti į kosmosą bei sukurti savaeiges transporto priemones.

Abu šie projektai, atrodę tokie beprotiški, jau įgyvendinti!

Buvo paskelbtas projektas ir kosmoso liftui. Jis tebevyksta. Yra

trys užduotys: 1) lipimo greitis 2 m/s (pasiekta) – 1 M$; 2) lipimo

greitis 5 m/s (2 M$ įvyko pakeitus sąlygas); 3) kabelis - 5 M$ -

kol kas nėra konkursantų.

Brian Turner, left, and Dan Leafblad preparing the KC Space Pirates

robotic climber for its run in the $2 million Space Elevator Games at the

NASA Dryden Flight Research Center. Picture: AP Source: AP Read more: http://www.news.com.au/technology/laser-powered-space-elevators-compete-for-nasa-prize-in-mojave-

desert/story-e6frfro0-1225794707528#ixzz1fmUQLwkD

2016-04-05

10

19

Pasiekimai Each competitor uses a strong laser – or "power beam" – to

send energy to a solar panel on the elevator platform, giving it

enough juice to climb a 1km cable.

The challenge is for the platform to climb the cable, stretched

between the ground and a helicopter in the sky, at a rate of 5m

per second.

No-one has completed this challenge for the past three years.

Space elevators pose an engineering problem, experts say, as

the theoretical model relies on a tethering cable that needs to be

150 times stronger than steel.

http://www.spaceelevatorgames.org/

This pictures says it all – LaserMotive

won the level 1 ($900 k) bracket for

driving a vehicle using power beaming

to a height of 1 km at more than 2 m/s.

Their average speed was about 4 m/s,

and they were clearly ahead of the

competition

To the winners, the spoils!

20

Pasiekimai

2016-04-05

11

21

Pasiekimai

Rimčiausia problema yra pagaminti “kabelį” junginatį Žemę ir

dangų. Užėję į konkurso tinklapį pamatysite, kad rezultatai

kasmet gerėja ir po kiek laiko galime tikėtis pamatyti medžiagą

tinkamą sujungimui.

22

Pasiekimai

The team envisages assembling the structure from a series of

modules constructed from Kevlar-polyethylene composite tubes

made rigid by inflating them with a lightweight gas such as

helium. To test the idea, they built a 7-metre scale model made

up of six modules (see image).

2016-04-05

12

23

Problemos autorių akimis: Supported by the NASA Institute for Advanced Concepts,

Edwards' work was expanded to cover the deployment scenario,

climber design, power delivery system, orbital debris avoidance,

anchor system, surviving atomic oxygen, avoiding lightning and

hurricanes by locating the anchor in the western equatorial

Pacific, construction costs, construction schedule, and

environmental hazards. wikipedia