Передача через атмосферу высокоскоростного сигнала формата 1000BASE-SX/LX вихревыми пучками ближнего ИК-диапазона при помощи модифицированных SFP-трансиверов DEM-310GT

Одним из основных приложений световых пучков является беспроводная оптика ( Free-Space Optics , FSO), когда оптический канал проходит через случайную среду или вакуум. Практически неограниченный трафик сигнала на оптических частотах является выигрышной особенностью, которая отличает оптический канал [1–3] от классической линии связи (радиочастотной).

Однако дальнейшему развитию этих систем связи мешает стохастичность среды, в которой передается сигнал. В атмосфере присутствуют как твердые, так и жидкие взвешенные частицы, движения потоков воздуха, тепловой градиент. Все это приводит к появлению эффектов естественных сред [4–9], таких как случайные мерцания ( scintillation ) и блуждания лучей ( beam wander ) у изначально детерминированных лазерных световых пучков. Наиболее часто для преодоления этих явлений для связи используют лазерные пучки со специальной структурой – вихревые и безди-фракционные [10, 11]. Обзор по исследованию и применению вихревых пучков в случайных средах можно найти в работах [12– 14].

Успехи в теоретическом исследовании оптической связи в свободном пространстве позволяют перейти к ее практическому освоению с использованием существующих на данный момент компонент. С технической точки зрения наиболее простой вариант построения атмосферной линии связи состоит в адаптации компонент волоконно-оптических линий связи к работе с участками свободного пространства.

В данной работе выполнено экспериментальное исследование возможности встраивания в стандартный набор «медиа-конвертер плюс трансивер» пары коллиматоров для волоконной оптики и спиральной фазовой пластинки, формирующей вихревой пучок. Реализация экспериментов выполнялась с использованием медиаконвертеров сигнала формата 100 Base -TX/1000BASE-T в формат 1000BASE-SX/LX с SFP-трансиверами DEM-310GT.

1.    Доработка стандартного оборудования для проведения эксперимента

Комплект пары медиаконвертеров сигнала формата 100Base-TX/1000BASE-T в формат 1000BASE-SX/LX с SFP-трансиверами DEM-310GT предназначен для двусторонней волоконно-оптической связи по одномодовому волоконному кабелю SM 9/125 LSZH c коннекторами типа LC. Для ввода-вывода излучения из воздуха и в воздух мы использовали коллима- торы F810FC-1550. Данный коллиматор совмещается с оптико-механическими компонентами Thorlabs, рассчитанными на крепление оптических элементов стандарта диаметра 1″, при помощи адаптера для цилиндрических компонентов AD15F с резьбой SM1. Коллиматор рассчитан на патчкорд с коннектором типа FC. И если коллимация выходящего из световода излучения не вызывает труда, то обратный ввод излучения в одномодовый световод с диаметром сердечника 9 мкм при помощи такого коллиматора наталкивается на серьезные трудности. Дело в том, что никакие юстировки собирающей линзы относительно световода не предусмотрены, а юстировка путем управления падающим пучком в этом случае весьма затруднительна. Специальное оборудование для ввода в одномодовые световоды [15–17] не предназначено для подключения стандартных патчкордов.

Выход может быть найден в использовании на этом участке многомодового оптического кабеля типа FANOUT TUBING FTB900 SN-Y4, коннекторы которого совместимы с FC-коннекторами. Таким образом, подсоединение к коллиматору не представляет трудности, а вот совмещение с LC-коннектором требует некоторой доработки. Опытным путем было установлено, что небольшое осевое смещение коннектора LC в разъеме не приводит к потере связи, и, следовательно, несоответствие диаметров LC и FC в данном случае не является препятствием для их стыковки. Для осуществления предложенной доработки на многомодовый кабель с коннектором типу FC-коннектора была закреплена наружная часть LC-коннектора. В результате, хотя торец кабеля и не достигал штатного положения в коннекторе, поглощение в коннекторе оказалось небольшим и слабо влияющим на качество связи.

Для формирования вихревого пучка использовалась спиральная фазовая пластинка, подробно изученная в [18]. Выходящий из коллиматора пучок диаметром 8 мм проходит через пластинку, установленную на штатном механическом трансляторе из комплекта Thorlabs. Как показано в [18], при этом на длине волны 1310 нм формируется вихрь первого порядка. Замеренная мощность излучения в канале передачи данных после спиральной фазовой пластинки составила 0,2 мВт. Измерения проводились измерителем мощности Thorlabs – PM122D с германиевым детектором S122C (700 –1800 нм).

• 2.    Исследование воздействия атмосферной турбулентности на скорость передачи информации

  Для исследования атмосферного канала связи был собран стенд на основе медиаконвертеров сигнала формата 100Base-TX/1000BASE-T в формат 1000BASE-SX/LX с двухволоконными SFP-трансиверами DEM-310GT, использующими длину волны 1310 нм. Внешний вид и коммутация

устройств, входящих в комплект стенда, показан на рис.1 a, его схема представлена на рис. 1 б .

Рис. 1. Экспериментальный стенд: а) внешний вид установки, б) схема экспериментальной установки

Медиаконвертеры обозначены на схеме экспериментальной установки МК1 и МК2 с SFP-трансиверами (SFP).

Один приемо-передающий тракт формировался путем соединения передатчика одного трансивера с приемником второго стандартным одномодовым кабелем Corning Optical Fiber SM 9/125мкм с разъемами типа LC-LC (КО3). Передатчик второго тракта подключался к коллиматору лазерного пучка F810SMA-1550 (К1) с помощью кабеля оптоволоконного (КО1) типа LC-FC 9/125мкм. Гауссов пучок на выходе коллиматора преобразуется в вихревой пучок первого порядка при помощи спиральной фазовой пластинки (ДОЭ). Прошедший через атмосферу пучок заводится в приемник SFP-трансивера вторым коллиматором (К2), соединенным с оптоволоконным кабелем (КО2) типа Corning Fan-Out tubing FTB900SN c разъемами типа FC-FC, доработанными для подключения к трансиверу с соединением LC, как было описано ранее в предыдущем параграфе. Нагреватель (Н) использовался для моделирования условий турбулентности при передаче оптического сигнала через атмосферу.

Для наблюдения за пучками и проверки расходимости после коллиматора мы использовали ПЗС-видеокамеру VS320-BCL производства КБ Вита, позволяющую производить съемку изображений с частотой 50 Гц. В диапазоне длин волн 900– 1700 нм данная камера имеет очень высокую чувствительность. Для согласования меняющейся в широких пределах интенсивности пучка с динамическим диапазоном камеры, для ослабления пучка удобнее всего использовать поляризатор LPMIR050-MP2, имеющий поляризацион- ный контраст не хуже 1:2000 в диапазоне длин волн 1500–5000 нм.

В первой строке табл. 1 приведены зарегистрированные распределения интенсивности указанных пучков вплотную и на расстоянии 1 м от коллиматора, а также при смещении пучка от оси пластинки.

Табл. 1. Распределения интенсивности вихревого пучка оптического канала передачи данных через атмосферу (негативные изображения)

Вихревой пучок вплотную

На расстоянии 1 м

Со смещенным центром

Измерения диаметра пучка после прохождения расстояния 1 м показывают расходимость на уровне 0,016 град, что соответствует заявленному в описании коллиматора.

Атмосферная турбулентность, возникающая из-за тепловых потоков, – один из основных искажающих факторов на атмосферных трассах. Поэтому дальнейшие эксперименты проводились с целью установить влияние атмосферной турбулентности на скорость передачи информации. Эксперимент проводился в помещении, а для воспроизведения тепловых потоков [19] устанавливался спиральный нагреватель прямоугольной формы со сторонами 15×20 см и мощностью 600 Вт, на котором поддерживалась температура 530 – 580° С. Свет распространялся над нагревателем на расстоянии 15 см по направлению длинной стороны.

В эксперименте при передаче сигнала через атмосферу в условиях турбулентности, создаваемой нагревателем, измерялась потеря мощности информационного канала, которая составила величину около 3,5 %. При измерении проводилась отдельная оценка мощности ИК-излучения, непосредственно вносимая нагревателем в оптический канал, и мощность излучения при одновременной работе канала передачи данных с нагревателем. Наличие дополнительного ИК-излучения вызвано излучением молекул воздуха от конвективно переносимых от нагревателя и попадающих в угловое поле работы линии передачи в атмосфере. Измеренная вносимая дополнительная ИК-мощность от нагревателя в диапазоне длин волн 700– 1800 нм колебалась в диапазоне 15–20 мкВт. В результате воздействия нагревателя снижается скорость передачи данных на величину около 2%, которая при отсутствии помех составляет более 420 Мбит /с. Такое малое снижение мощности и скорости передачи объяснимо небольшими отклонениями центра масс пучка относительно входного зрачка приемного тракта, описано подробно в [19]. При этом измеренный диаметр пучка составлял порядка 5 мм по полуспаду, а диаметр входного зрачка имеет размер порядка

16 мм. При используемом в условиях эксперимента волокне FAN-OUT TUBING FTB900 SN-Y4 такие отклонения не приводят к существенной потере мощности, как это могло бы быть при использовании одномодового волокна стандарта 9/ 125 мкм.

Как видно, оно сравнимо со случайными изменениями скорости, всегда присутствующими в Интернете.

Заключение

Экспериментально исследовано применение стандартного телекоммуникационного оборудования для связи в свободном пространстве. Проведена адаптация коннекторной части для использования совместно с волоконно-оптическим коллиматором. В схему дополнительно установлена спиральная фазовая пластинка с возможностью точной юстировки для формирования вихревого пучка. Проведены измерения потерь мощности при воздействии на пучок тепловых потоков, имми-тирующих атмосферную турбулентность. Потери мощности составляют не более 3,5%, а снижение скорости передачи – не более 2%. Эксперименты показали применимость модифицированных трансиверов для связи в атмосфере и возможность устойчивой связи даже в условиях турбулентности, вызванной потоком теплого воздуха.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (МК-1797.2019.2) в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН в части расчета ДОЭ и гранта РФФИ (№18-29-20045 мк) в части экспериментальных исследований.