Föreläsning i kursen Kommunikationssystem (SMS005)Luleå Tekniska universitet

2002-03-27

OPTISK KOMMUNIKATION

Emil Hällstig, Totalförsvarets forskningsinstitutemil@foi.se

FOI, Totalförsvarets forskningsinstitut

INFO APRIL 01

Om myndigheten FOI.ppt1

• Myndighet under Försvarsdepartementet

• Finansieras med uppdrag och anslag

• 1220 anställda varav 860 forskare

FOI i SverigeUMEÅ;

NBC-skydd

STOCKHOLM, BROMMA;Flygteknik, FFA, FLSC

GD, Stab

STOCKHOLM, GÄRDET;Försvarsanalys

STOCKHOLM, URSVIK;Systemteknik

STOCKHOLM, GRINDSJÖN;Vapen och skydd

LINKÖPING;Ledningssystemteknik

Människa-System-Interaktion, MSISensorteknik

UMEÅ

STOCKHOLMLINKÖPING

Om myndigheten FOI.ppt4

GRINDSJÖN

INFO APRIL 01

FOI’s uppdragsgivare

Utrikesdepartementet, UD 1 %

Övriga

Försvarets Materielverk, FMV

Försvarsdepartementet 19 %

Statens Räddningsverk, SRV 1 %Överstyrelsen för Civil Beredskap, ÖCB 2 %

Försvarsmakten

Om myndigheten FOI.ppt5

14 %

15 %

48 %

INFO APRIL 01

Optisk korrelation för mål-IK

z1 z2

komplexkonjugatav filter för IK

z3 z4

utsignal = autokorrelation

mellan filter och insignalinsignal som skallanalyseras

SLM 2SLM 1

Assistent C.S.Tanner

Bells ”Photophone”År 1881

Solljus

Graham Bell

Membran

Selendetektor

Exempel • Gamla grekerna (Polybios 200 BC) –

eldar och kodsystem

• Optisk semafor (Claude Chappe)

Optisk kommunikation hos

de gamla grekerna

8 tecken/min

bithastighet – 0.7 bit/s

σσσσρρρρθθθθππππ4

5

3

2

1

οοοοννννµµµµλλλλκκκκ

ϕϕϕϕιιιιηηηηγγγγφφφφ

εεεεδδδδχχχχββββαααα

54321

Höger

Vän

ster

Optisk fiber

WDM - Wavelength Division Multiple Access

1540 – 1560 nm

• Kommersiella system går mot 40

Gb/s

• 22/3 2002 – LUCENT 64 kanaler a

40 Gb/s = 2.56 Tb/s över 400 mil

Optical free space communication

• Combines the benefits of optical and wireless

communication

• High data rates• Low interference• Hard to evesdrop• Jamming insensitive

• Portable

Optical data link versus

radio links

Optical free space links:• Low power consumption• Low weight• Small• High data rates

Radio links• No requirement of line-of-sight• Weather insensitive• Insensitive to vibrations• Communication with moving objects• Not only point to point communication

Short range communication, 0-10 m

• Remote controls for TV, HiFi, Cars, Garage doors, ...

• Between laptops, calculators, cellular phones, ...

• Personal area networks

• Often diffuse and always eyesafe• Up to 4 Mbit/s

• Typically LED – 0.85-0.9 µm, ~1mW, 30-60o

Medium range communication, 10 m - 5 km

• Links between LAN in different buildings

• Communication with temporary

stations• Link to moving object

• Point-to-point, 0.5-6 mrad• Up to 1 Gbits/s• LED or Laser diode – 750-950

nm, 1550 nm, 1-100 mW• Not always eyesafe• Disturbances from the

atmosphere

Absorption i atmosfären• Absorption i gasmolekyler och aerosoler

• Mätningen är utförd genom 1820 km

atmosfär vid havsnivå

Turbulens

Tid

Sign

al

10 ms

Long range communication, 5 km – 36 000 km

• Ground to aircraft• Ground to low-earth orbit or

geostationary satellite• Between satellites

• Up to 1 Gbits/s• Laser diodes, CO2, Nd-YAG, ~

1W• Hard to point and track• Large influences of the

atmosphere

SILEXSemiconductor Intersatellite Link EXperiment

ESA – European Space Agency

LEO – SPOT 4 (1998)GEO – ARTEMIS telecomm (21/7 2001)

• Första lyckade uppkoppling 22/11 2001

• NRZ modulation (No Return to Zero)

• Under hösten 26 lyckade länkningar

• CCD för tracking

• Fri sikt 5 gånger per dygn

• Tamperatur stabilisert till +-0.2 grader C

• 50 Mbit/s – BER: 8.9 10-9

• Bilden till höger är Lanzarote

Acquisition1) Modeller över banorna för grov

inriktning2) ARTEMIS skannar en ljusfyr

bestående av 19 dioder – 750 urad3) SPOT 4 hittar fyren och riktar sin

telekomm stråle (10 urad) mot ARTEMIS

4) ARTEMIS känner av telekomm

strålen, stänger av fyren och riktar

in sig

SILEXSemiconductor Intersatellite Link EXperiment

Standard avvikelse i riktning ~0.10 urad

Informations- och Ledningsöverläge

Exempel på systemkoncept

Handhållet systemretromottagare på UAV

PlattformsplaceratExempel: UAV, strf, hkp

Kommunikation mellan fordonÖverföring av information TV/IR, kombinera med avståndsmätning, laser radar

Mark till UAV alt . UAV

till markÖverföring av information från

marksensorer till UAV samt vice versa

Kommunikation mark-luftÖverföring av t.ex. målinformation, spaningsdata etc.

Kommunikation mark-markÖverföring av information för enkla

handhållna system

Undervattenskommunikation

Frågeställningar• Våglängd• Synfält• Stabiliseringskrav• Räckvidd

Taktiska koncept• Fixa bojar• Avsökning• Simplex eller

duplex• Kombination med

fiber• Nätverk• ….

Avsökning efter boj på ytan

a

b

Reflektoryta Arefl

Flyghöjd H

φ

V m/s

R

Svepriktning

0 5 10 15 20 25 30

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Max

fly

ghöj

d fö

r sö

knin

g, S

NR

=10

, met

erY

tavs

ökn

ing

km

2 /h

Visuell sikt km

Max. flyghöjd meter Ytavsökningshastighet km2/h

• Lokalisering av boj• Sökfas vs. länkfas• Stabilisering under sändning

Ytareal 10*10

km230*30

km2100*100

km2

Reflektor på eller helt nära ytan

1 minut 9 minuter 100

minuter

Reflektor på 10

dämpningslängders

djup

8 minuter 72

minuter800

minuter

100x30 mradV = 100 m/s532 nm10 W

Reflektor under ytan

• Dämpningseffekter i vatten

• Partikelspridning

• Blå-grön laser

• 15-120 m räckvidd

beroende på dämpning

Kommunikation till boj under ytan(alternativt mottagare på ubåt)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

10

100

Yttre skärgård

Klart oceanvatten

Utomskärs Inomskärs

Dju

präc

kvid

d D

(m)

för

SN

R=

10

Stråldämpningskoefficient c/m

10 Mb/s 10 kb/s

Princip för retrokommunikation

OOK-kodning

Andra tekniker möjliga t.ex

fasmodulering

Försvarsmaktens fotonikprojektretrokommunikation

Deltagare:

FOI LasersystemACREO ABChalmers VätskekristallteknikChalmers Diffraktiv optik

Målsättning

• Teknik för icke-mekanisk strålstyrning• Utveckla kvantbrunnsmodulator• Princip för länketablering, låsning och

dataöverföring• Funktionsdemonstrator för

retrokommunikation

Demonstrator

Dataöverföringshastighet ~ 10 Mbit/s

Icke – mekanisk strålstyrning

Räckvidd upp till 1 km

Modulator Fysikalisk princip MaterialTids-respons Fördelar / nackdelar

Elektro-optisk

Pockels- eller Kerreffekt

t.ex. ADP, KTP, LiNbO3

1 MHz-25 GHz

Höga drivspänningar, effektkrävande,vågledarstruktur

Vätske-kristaller

Polarisationsvridning/fasförskjutning

NematiskaFerroelektriska

< 1kHz< 1MHz

Potential för snabba

modulatorer – liten

switchvinkel

Kvantbrunn Kvantbegränsad

StarkeffektAlGaAs/GaAs 0.1-40 GHz Integreras med Si-teknik

Akusto-optisk

Braggspridning TeO2, Ge 1 MHz Utvecklad teknik, kräver separat drivelektronik

Mekanisk Refraktiv eller reflektiv Spegel, prisma, kil

1-5 kHz Mekanisk, rörliga delar

Foto-refraktiv

Fotorefraktion LiNbO3, SBNGaAs, BaTiO3

1–100 kHz Komplicerad teknik, forskning

Vätskekristallmodulator

Polarisator

Polarisator

FLC-cell

V

+V

-V

Vätskekristaller-ferroelektriska (FLC)• Tidsrespons 20-100 µs• Utnyttjar polarisationseffekter• Stora aperturer• 500 < λ < 1500 nm• Kan integreras med Si-drivelektronik• Nya material studeras med sub-µs

responstid

+V -V

Celltransmission

DrivspänningOptisk respons

40 kHz

Kvantbrunnsmodulator

Kvantbrunnsteknik (MQW)• Kvantbegränsad Starkeffekt

• Elektro-absorption• Materialsammansättning och geometri

förändrar optiska egenskaper• ”Sandwich”-struktur (epilager)

• Tillverkning med MOVPE-teknik

Exempel-elektroabsorption

Eg GaAsEg AlGaAs

Valensband

Lednings-band

E

Kvantbrunnsstrukturt.ex. ~5-20 nmskiktjocklek

Kvantbrunnsmodulator• Fabry-Perotgeometri• Smal optisk bandbredd

• AlGaAs/GaAs, (InGaAs/GaAs)• 850 nm• Stor apertur

• 40 GHz möjlig (vågledare)

AlGaAs (x=0.33)

n-doped layer

AlGaAs (x=0.3)/

GaAsintrinsic layers

Quantum Wells

AlGaAs mirror (25 pairs)

(x=0.79/ 0.33)

p-doped layers

GaAs substrate

optical cavity

front mirror

back mirror

Exempel-struktur

Phase modulation

Altering the

phase of the

electromagnetical wave by changing

the optical path

Phase modulation

Spatial variations in the

phase delay – Alters the

direction of the light (the

shape of the wavefront)

Beam-steering

Beam-steering with stepped phase gratings

Beam-shaping

Phase distribution at SLM Intensity distribution in far-field