Studium vlivu zakončení optických vláken na distribuci světla v prostoru pro vláknové segmentové vysílače

Jan Látal

Doctoral thesis

Study of the Optical Fiber Ends Influence on Light Distribution in Space for Fiber Segment Transmitters

Abstract:

Tato práce pojednává o možnostech využití optických vláken jako vysílačů pro mobilní optické bezvláknové sítě pro vnitřní použití technologií VLC (Visible Light Communications). VLC v současné době podporuje dvě hlavní funkcionality, osvětlení a komunikaci. Práce je systematicky rozdělena do několika kapitol. Jednotlivé kapitoly mají za cíl uvést do problematiky přístupu a návrhu optického segmentového vysílače. Práce je rozdělena na část teoretickou, která se věnuje na svém začátku úvodu do bezdrátových rádiových systémů až po postupný vývoj v oblasti komunikací a hledání alternativních možností budoucích komunikací a přechodu na optické bezvláknové komunikační systémy. U obou komunikačních technologií jsou uvedeny historické milníky a současný stav vývoje. V rámci dalších kapitol je pozornost soustředěna na optické bezvláknové systémy a jejich využití jako vysílačů. K tomu, aby se dala zvládnout problematika návrhu optického vysílače je využito softwarové aplikace LightTools. V softwarové aplikaci LightTools jsou studovány a simulovány vlastnosti, jak najít vhodné uspořádání segmentového optického vysílače do geometrického obrazce tvořeného optickými vlákny, volbu typu vlákna, počtu vláken, vychýlení vláken, zakončení vláken a v neposlední řadě i volba měření v prostoru. Všechny uvedené parametry musely v konečném důsledku splňovat kritérium efektivního pokrytí části místnosti s rovnoměrným rozložením optické intenzity v prostoru, kdy míra kolísání hustoty optického výkonu nepřesáhne 3 dB. Při volbě optického vlákna bylo zjištěno, že lepších parametrů z pohledu vykrytí plochy místnosti s rovnoměrným rozložením optické intenzity či výkonu bude dosaženo za pomocí mnohovidových optických vláken. Hlavní část práce se pak zabývá simulacemi v softwarové aplikaci LightTools ohledně návrhu modelů optických segmentových vysílačů na bázi optických vláken a vyhodnocením jejich optických parametrů. Simulované modely optických vysílačů jsou předlohou pro tvorbu reálných prototypů optických segmentových vysílačů proměřených v temné místnosti. Hlavním přínosem práce je pak simulace a konstrukce různých prototypů optických vysílačů pro rovnoměrné ozáření definované plochy. Práce ve svém závěru shrnuje hlavní přínosy a budoucí směr vývoje optických segmentových vysílačů na bázi optických vláken.

Abstract:

This thesis deals with possibilities of optical fibres utilization as transmitters for mobile indoor optical fibreless networks through the Visible Light Communications (VLC) technology. The VLC currently includes together two main functions, illumination and communication. This thesis is systematically divided in several chapters, individual chapters introduce approach and design of optical segment transmitter. The thesis is divided in the theoretical part, which at the beginning deals with the wireless radio systems State of Art, then with development in communications and its transition to optical fibreless communication systems. The historic milestones and current state of art are described for both communication technologies. In the following chapters, the attention is directly led to optical fibreless systems particularly with regard to optical fibres utilizing for transmitters construction. In order to manage the task of this complicated transmitter design, the software LightTools was used. In LightTools software were studied and simulated conditions how to find an usable arrangement of fibres in geometric pattern compound of optical fibres, choice of optical fibres types, number of optical fibres, a misalignment of optical fibres, shapes of optical fibres ends and finally choice of measurement in space. All these mentioned parameters had to, in the final consequence, fulfil the criterion of effective coverage of a part of room with uniform optical intensity distribution in space when the optical power fluctuation does not exceed 3 dB. During selection of used optical fibre was found that better parameters, from the point of view of uniform optical intensity distribution in space, were obtained with multi-mode optical fibres. The main thesis part is devoted to simulations. The model design of optical segment transmitter on the basis of optical fibres was created in the LightTools software, which was followed by evaluation of its optical properties. Designed models of optical transmitters were then ground for fabrication of real optical segment transmitters prototypes measured in the dark room. The pivotal assets of this thesis are then simulations and different prototypes fabrication of optical transmitters for uniform elimination of defined area. Thesis in its conclusion summarise main benefits and feasible future development directions of optical segment transmitters on the basis of optical fibres.

Keywords

Optické bezvláknové sítě, LED, LD, vysílač, přijímač, optické vlákno, PDMS, infračervený přenos, mnohovidové vlákno, segment, osmina.

Keywords

Optical wireless communications, LED, LD, transmitter, receiver, optical fiber, PDMS, infrared transmission, multimode fiber, segment, octant.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 10. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 30. 5. 2016
• Supervisor: Vladimír Vašinek
• Reader: Čestmír Vlček, Karel Sokanský, Jan Maschke

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Doctoral programme / field:
Informatika, komunikační technologie a aplikovaná matematika / Komunikační technologie