Bezdrátová a vláknová optika

Katedra elektromagnetického polelogo.jpg
Technická 2
166 27 Praha 6
Tel.: 224 352 280, Fax: 233 339 958
 

Kdo jsme?

Výzkumný tým zabývající se vláknovou optikou, optickou detekcí, vláknovými lasery, šířením optických svazků v zástavbě i uvnitř budov a vlivem atmosféry na bezdrátové optické spoje (free-space optics, FSO) a v neposlední řadě i komunikací ve viditelném světle - visible-light communication (VLC). V současné době je naše vědecká činnost zaměřena jak na základní výzkum, tak i na spolupráci s průmyslem v oblasti aplikovaného výzkumu a experimentálního vývoje.

Stanislav Zvánovec STANISLAV ZVÁNOVEC

Koordinuje výzkumné aktivity týmu v oblasti vláknové optiky, bezdrátové optiky a komunikace ve viditelné oblasti i s přesahem do submilimetrové oblasti.

  Matěj Komanec MATĚJ KOMANEC

Vede část týmu zabývající se optickými vláknovými senzory. Zabývá se dále nelineárními optickými jevy pro celooptické sítě, pulzními lasery, mikrostrukturními vlákny či analýzou optických jevů v simulačním software.

           
Petr Dvořák PETR DVOŘÁK

Zabývá se měřicími metodami v optických systémech a mikrovlnnou radiometrií.

  Jan Bohata JAN BOHATA

Je zaměřen na vývojové práce u optických vláknových prvků a na testování vlivů hazardních prostředí na moderní vláknové systémy.

           
PETR CHVOJKA

Zabývá se komunikací ve viditelné oblasti (Visible Light Communications, VLC).

  TOMÁŠ NEMĚČEK

Je zaměřen na vývoj vláknových senzorů pro detekci kapalin a plynů.

           
JAN ŠÍSTEK

Zabývá se vláknovou optikou a mikrovlnnou technikou.

  PETR PEŠEK

Zabývá se LTE přesnosem přes optické infrastruktury (vláknové a FSO).

Michael Písařík
Je zaměřen na nové vláknové lasery, senzorovou optiku a technologické postupy ve vlnovodné optice a pasivní nelineární optické prvky.

Pavel Škoda
Zabývá se fotonickými službami, vláknovou optikou, tvarováním optických signálů a vláknovými lasery.

Martin Mudroch
Jeho náplní práce jsou simulace chování systémů za využití neuronových sítí a programování FPGA.

Dmytro Suslov
Je zaměřen na generaci superkontinua v mikrostrukturních optických vláknech.

Redwan Ahmad
Zabývá se mikrostrukturními vlákny.

Jan Spáčil
Návrh elektronických řídicích obvodů pro optické sensory.

Norhanis Aida Mohd Nor 
Diverzitní techniky v bezdrátových optických sítích (doktorandka na Northumbria university, školitel prof. Ghasemlooy, specialista prof. Zvánovec)

Navid Bani Hassan
Komunikace mezi automobily pomocí VLC  (doktorand na Northumbria university, školitel prof. Ghasemlooy, specialista prof. Zvánovec)

 

Externí (či hostující) členové týmu:

  • Joaquin Perez (Universitat Politècnica de València , Northumbria University), 2013
  • Paul Anthony Haigh (University of Bristol), 2014
  • Mojtaba Mansour Abadi (Northumbria University, Newcastle upon Tyne), 2014
  • Hatef Nouri (Ozyegin University, Istanbul), 2014
  • Amalia Nallely Castro Martínez (Universidad Nacional Autónoma de México), 2015
  • Hassan K. Bakir Al-Musawi (Northumbria University, Newcastle upon Tyne), 2015
  • Tamas Cseh, (Budapest University of Technology and Economics,Budapest), 2015
  • Svetlana Korsakova, (Saratov State University,Saratov), 2015

 

 

Jakým výzkumem se zabýváme

Náš tým se zabývá řadou oblastí výzkumu šíření a přenosu optických signálů.

První oblastí je vláknová optika, kde pracujeme na výzkumu a vývoji vláknových senzorů, vláknových laserů, širokospektrální generace optického signálu a komponent celooptických sítí. K tomuto využíváme nejmodernějších přístupů a technologií. Testujeme speciální optická vlákna (mikrostrukturní, dopovaná, ze speciálních materiálů) jak pro účely detekce kapalin, tak z hlediska nelineárních jevů a generace superkontinua. Dále vyvíjíme pulzní vláknové lasery, vyhodnocujeme dlouhodobé vlivy na optická vlákna, navrhujeme struktury vláken pro rozličné aplikace a mnoho dalších.  K tomuto využíváme nejmodernější simulační softwary a přístupy. Pracujeme ve spolupráci s předními světovými univerzitami, Ústavem fotoniky a elektroniky AV ČR a řadou technologických společností působící v oblasti fotoniky.

   

Další oblastí výzkumu a vývoje je oblast bezdrátové optiky (Free-space optics, FSO), kde provozujeme v kampusu ČVUT několik bezdrátových optických spojů tvořících jednoduchou síť. Měříme parametry atmosféry, máme speciální turbulentní komoru, dále pak i odvozujeme modely chování atmosférických turbulencí, vlivu deště, atd. na kvalitu FSO spojů. . Jsme mimo jiné členy evropského projektu COST IC 1101 OPTICWISE.

 

Poslední oblastí zájmu je bezdrátová optická komunikace uvnitř budov ve viditelném světle (indoor visible light communications, VLC), kde již bylo dosaženo přenosů okolo 7 Gbit/s. Zde je naším cílem analýza současného pokrytí LED technologiemi jak k osvětlení místností, tak i k přenosu dat.  Dále testujeme v mezinárodní spolupráci využítí technologií organických LED (OLED) pro komunikační účely. 

image026.jpg

K čemu to je

Rozvoj optických vláken v posledních desetiletích umožnil extrémní nárůst přenosové kapacity sítí, ale rovněž také využití optických vláken v dalších oblastech, jako je např. senzorika. Optická vlákna jsou izolanty, chemicky odolná a imunní vůči rušení – to z nich činí ideální kandidáty pro senzory v nebezpečných prostředích. Speciální vláknové struktury pak umožňují generaci širokospektrálních signálů, jejichž využití v lékařství a chemické analýze je nedocenitelné hodnoty. Bezdrátové optické spoje pak mohou umožnit vysokorychlostní přenos dat na mnoha místech, kde nelze pokládat vláknové spoje (historická centra měst), či kde standardní vysokofrekvenční přenosy jsou kapacitně nedostačující. Navíc pro VLC již LED osvětlení je celosvětově masivně nasazováno jak v místnostech, tak i ve veřejných prostorech. Oproti radiové oblasti poskytují o několik řádů vyšší přenosové rychlosti. 

 

Na čem konkrétně pracujeme

 

Vláknově optická detekce kapalin

Projekt je zaměřen na vývoj vláknově optických senzorů se zvýšenou citlivostí pro detekci kapalných analytů. Detekce je založena na překryvu evanescentní vlny s kapalinou, čili se v principu jedná o refraktometrické měření. V rámci projektu vyvíjíme různé typy vláknových detekčních jednotek využívajících pro detekci kapalin (např. uhlovodíků) nejen křemenných konvenčních vláken, ale také mikrostrukturních optických vláken. Tento projekt je řešen ve spolupráci s SQS, Vláknová optika.

Širokospektrální optický zdroj na bázi vláken z měkkých skel

Cílem projektu je vytvoření prototypu širokospektrálního optického zdroje (tzv. zdroj superkontinua). Zdroj superkontinua se skládá z pulzního laseru a nelineárního prostředí – optického vlákna. Nelineární prostředí vyvíjíme na bázi konvenčních a mikrostrukturních vláken z měkkých skel (fluoridová, olovnatá, chalkogenidová vlákna). Paralelně vyvíjíme pulzní vláknový laser v oblasti 1550nm a rovněž 2000nm. Tento projekt je řešen ve spolupráci s SQS, Vláknová optika, vývoj pulzního laseru na 2000nm pak taktéž s Ústavem fotoniky a elektroniky AV ČR.

Optický paketový přepínač

Projekt se zabývá vývojem přepínače (switch), který pracuje na bázi směrování optických paketů. Hlavní předností je zachování dat v čistě optickém formátu a pouze hlavička . IP adresa . je zpracována elektronicky a vyhodnocena. Tím dosahujeme datových rychlostí vyšších nežli je limit čistě opto-elektronických přepínačů. Pro samotné přepínaní využíváme speciálních vláken a nelineárních jevů.

 

Vláknové lasery

Vyvíjíme vláknové lasery s pasivní vidovou synchronizací, který využívá komerčně dostupné erbiem-dopované optické vlákno a pomocí nelineární rotace polarizace ve smyčce dochází k pulznímu chování laseru. Lze dosáhnout pulzů s pološířkou až 200fs a vysokou energií. Naším cílem je smyčku maximálně optimalizovat, abychom docílili vysokých opakovacích frekvencí.

Výzkum okolních vlivů na nové širokopásmové bezdrátové optické systémy

Hlavním cílem tohoto projektu je v součinnosti s mezinárodní spolupráci v rámci COST projektu IC1101 OPTICWISE odvození nové metodologie pro rozpoznání atmosférických parametrů na základě měření bezdrátových optických systémů využívajících adaptivní přístupy. Je prováděna rozsáhlá měřicí kampaň zahrnující dva optické spoje WaveBridge 500 od Plaintree, čtyřsvazkový optický bezdrátový spoj FlightStrata G od LightPointe (1.25 Gbps, VCSEL na 850 nm) a cca 400 m dlouhý spoj MRV Telescope 700. Paralelně probíhají měření v mikrovlnné oblasti (5 GHz spoj Mikrotik), jsou měřeny parametry atmosféry pomocí dvou meteorologických stanic a turbulentní prostředí v blízkosti budov je analyzováno na základě měření teplotních gradientů pomocí speciální senzorové linky a dále pak na základě radiometrických měření šumové teploty. Dále je v analýzách využita meteoradarová databáze obsahující vývoj rozložení intenzit deště na území 250x250 km (pokrytí ČR) s rozlišením 1 km a časovým krokem 1 min po dobu 3 let.

  

 

Komunikace ve viditelném světle (VLC)

V posledních letech se jeví v celosvětovém měřítku vysoce perspektivní komunikace ve viditelném světle (VLC, visible light communications). Jedná se o novou technologii pro budoucí vysoko kapacitní komunikační sítě využívající viditelnou část elektromagnetického spektra (rozsah vlnových délek 370 – 780 nm), jejíž výhodou je, že nepodléhá žádným licenčním nárokům a navíc není spektrum těchto frekvencí tak zarušené jako u radiových služeb. VLC využívá LED (light-emitting diodes), které jsou vysokorychlostně modulovány, čímž poskytují jak přenos dat, tak i zároveň osvětlení místnosti. Jednou z největších překážek je omezená šířka pásma LED, která je limitována do oblasti jednotek MHz. I presto již bylo dosaženo gigabitových přenosů.

Paralelně je velký význam přikládán organickým LED (OLED), které mají oproti klasickým anorganickým mnoho výhod jako jsou velmi levné náklady na výrobu, mechanická flexibilita či velká vyzařovací plocha. Proto se výzkumné týmy zabývají OLED technologií, jež nabízí velký potenciál, ačkoli disponují mnohem menší šířkou pásma o tři řády menší než klasické LED. Náš optický tým vyvíjí VLC spoje využívající jak LED, tak OLED a zabývá se implementací moderních modulačních formátů jako OFDM (Orthogonal frequency division multiplexing) nebo CAP (carrier-less amplitude and phase modulation). Spolupracujeme s mnoha zahraničními a špičkovými pracovišti v oblasti VLC, jako například Northumbria University v Newcastlu, University College London (UCL) v Londýně či University of Bristol.

   

 

Kdo financuje náš výzkum

  • COST project IC1101 Optical Wireless Communications - An Emerging Technology, OPTICWISE, http://www.cost.eu/domains_actions/ict/Actions/IC1101
  • COST project MP1401 Advanced Fibre Laser and Coherent Source as Tools for Society, Manufacturing and Lifescience
  • Širokospektrální optický zdroj na bázi vláken z měkkých skel (ve spolupráci s SQS, vláknová technika a.s), TACR  grant TA04010220
  • Vláknově optická detekce kapalin  (ve spolupráci s SQS, vláknová technika a.s),  TAČR projekt TA03010060
  • Optický paketový přepínač (ve spolupráci s SQS, vláknová technika a.s, ÚFE AV ČR), TAČR projekt TA01011105
  • TACR – Centrum kompetence TE02000202 Pokročilé senzory a metody zpracování senzorových dat  (náš team vede pracovní balíček 6), spolupráce s ČZU Plzeň, VUT, AZD Praha, Honeywell International s.r.o., SQS, vláknová technika a.s, LESIKAR, a.s. a Safibra 
  • Výzkum okolních vliv. na nové širokopásmové bezdrátové optické systémy, (Research of Ambient Influences on Novel Broadband Optical Wireless Systems - RAINBOWS), MŠMT COST_CZ projekt LD12058
  • Centrum pro kvazioptické systémy a terahertzovou spektroskopii KVASTES, projekt LC06071 (s VŠCHT, VUT)
  • Kvadrupólové interakce jako účinný nástroj pro konformační a strukturní analýzu biochemicky a astrofyzikálně důležitých molekul (s VŠCHT), GAČR projekt GAP206/10/2182
  • Vliv atmosféry na šíření elektromagnetických vln u širokopásmových stratosférických spojů, GAČR projekt GP102/08/P346
  • Optické a mikrovlnné detekční systémy, ČVUT projekt SGS14/190/OHK3/3T/13

S kým spolupracujeme

Tuzemské výzkumné týmy a průmysloví parteři

  • SQS Vláknová optika a.s.
  • Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR, v. v. i.
  • SITEL, spol. s.r.o.
  • T-Mobile Czech Republic a.s.
  • Kabelovna Kabex a.s.
  • PROFiber Networking s.r.o.
  • Vysoké učení technické v Brně
  • Vysoká škola báňská-Technická univerzita Ostrava
  • Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
  • Czech Metrology Institute

Zahraniční týmy

  • Northumbria University, Newcastle UK
  • University of Southampton
  • University of Bristol
  • University College London
  • Ecole Centrale Marseille, Institut Fresnel, Francie
  • University of Edinburgh
  • Fraunhofer HHI, Germany,
  • University of Oxford
  • RWTH Aachen
  • Politecnico di Milano
  • Hong Kong Polytechnic University
  • Ozyegin University Turecko
  • Cork Institute of Technology
  • University of Technology Graz
  • OSRAM BmbH

Vybrané publikace

  • Z. Ghassemlooy, L. Nero Alves, S. Zvanovec and M. Ali Khalighi, Visible Light Communications: Theory and Applications, CRC Press, in print, 2016.
  • J. Bohata, S. Zvanovec, P. Pesek, T. Korinek, M. Mansour Abadi, Z. Ghassemlooy, Experimental Verification of LTE Radio Transmissions over Dual-polarization Combined Fibre and FSO Optical Infrastructure,  Applied Optics, vol. 55, Issue 8, pp. 2109-2116, 2016.
  • A. N. Castro Martinez, M. Komanec, T. Nemecek, S. Zvanovec, S. Khotiaintsev, Fiber Optic Refractometric Sensors Using a Semi-ellipsoidal Sensing Element,  Applied Optics, vol. 55, Issue 10, pp. 2574-2579, 2016.
  • M. M. Abadi, Z. Ghassemlooy, M. Khalighi, S. Zvanovec, M. Bhatnagar, FSO Detection Using Differential Signaling in Correlated Channels Condition, Photonics Technology Letters, vol.28, no.1, pp.55-58, 2016.
  • D. Wu, Z. Ghassemlooy, W. Zhong, M.A. Khalighi, H. L. Minh, Ch. Chen, S. Zvanovec, A.C. Boucouvalas, Effect of Optimal Lambertian Order for Cellular Indoor Optical Wireless Communication and Positioning Systems, Optical Engineering, vol. 55, no. 6, p. 066114-1 - 8, 2016.
  • M. M. Abadi,  Z. Ghassemlooy, S. Zvanovec, D. Smith, M. R. Bhatnagar, Y. Wu, Dual Purpose Antenna for Hybrid Free Space Optics/RF Communication Systems, IEEE Journal of Lightwave Technology, accepted, 2016.
  • T. Nemecek, M. Komanec, T. Martan,  R. Ahmad, S. Zvanovec, Suspended-core microstructured fiber for refractometric detection of liquids, Applied Optics, vol. 54, no. 30, pp. 8899-8903, 2015.
  • P. A. Haigh, A. Burton,  K. Werfli, H. L. Minh, E. Bentley, P. Chvojka, W. O. Popoola,  I. Papakonstantinou, S. Zvánovec, A Multi-CAP Visible Light Communications System with 4.85 b/s/Hz Spectral Efficiency, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 33, no.9, p. 1771-1779, 2015.
  • J. Bohata, S. Zvanovec, T. Korinek, M. Mansour Abadi, Z. Ghassemlooy, Characterization of Dual-polarization LTE Radio over a Free-space Optical Turbulence Channel,  Applied Optics, vol. 54, no. 23, p. 7082-7087, 2015.
  • P. A. Haigh, S. T. Le, S. Zvánovec, Z. Ghassemlooy, P. Luo, T. Xu, P. Chvojka, T. Kanesan, E. Giacoumidis, P. Canyelles-Pericas, H. L. Minh,  W. O. Popoola,  S. Rajbhandari, N.J. Doran, I. Papakonstantinou, I. Darwazeh, Multi-band Carrier-less Amplitude and Phase Modulation for Bandlimited Visible Light Communications Systems, IEEE Wireless Communications, vol. 22, no. 2, p. 2-9, 2015.
  • P. Chvojka, S. Zvanovec, P.A. Haigh, Z. Ghassemlooy, Channel Characteristics of Visible Light Communications within the Dynamic Indoor Environment, IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 33, p. 1719 - 1725, 2015.
  • J. Libich, M. Komanec, P. Pesek, S. Zvánovec, W. O. Popoola, Z. Ghassemlooy, Experimental Verification of All-optical Dual Hop 10 Gbit/s FSO Link under Turbulence Regimes, Optics Letters, vol. 40, no. 3, p. 391-394, 2015.
  • M. Komanec, T. Martan, T. Nemecek, S. Zvanovec, Multimode Fiber Tapers for Reproducible Refractometric Liquid Detection, Optical Engineering, vol. 54, no. 4, p. 047102.1-6, 2015.
  • S. Zvanovec, P. Chvojka, P. Haigh,  Z. Ghassemlooy, Visible Light Communications towards 5G. Radioengineering, vol. 24, no. 1, p. 1-9, 2015.
  • P. Koska, Y. Baravets, P. Peterka, J. Bohata, M.  Pisarik, Mode-Field Adapter for Tapered-Fiber-Bundle Signal and Pump Combiners, Applied Optics, vol. 54, no. 4, p. 751-756, 2015.
  • S. Rajbhandari, Z. Ghassemlooy, P. A. Haigh, T. Kanesan, , Experimental Error Performance of Modulation Schemes under a Controlled Laboratory Turbulence FSO Channel, IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 30, art. no. 1, p. 244-250, 2015.
  • P. Dvorak, M. Mazanek, S. Zvanovec, Fire Emissivity Detection by Microwave Radiometer, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, vol. 12, no. 11, p. 2306-2310, 2015.
  • V.Weinzettl, G. Shukla, J. Ghosh, R. Melich, R. Panek, M. Tomes, M. Imrisek, D. Naydenkova, J. Varju, T. Pereira,  R. Gomes, I. Abramovic,  R. Jaspers, M. Pisarik, T. Odstrcil, G. Van Oost, High-resolution Spectroscopy Diagnostics for Measuring Impurity Ion Temperature and Velocity on the COMPASS Tokamak, Fusion Engineering and Design, Vol. 96, pp 1006–1011, 2015.
  • R. Ahmad, M. Komanec, S. Zvanovec, Modified octagonal photonic crystal fiber for residual dispersion compensation over telecommunication bands, Optik, submitted...
  • M. Bhatnagar et al., Quantized Feedback Based Differential Signaling for Free-Space Optical Communication System, IEEE Transactions on Communications, submitted...
  • J. Perez, S. Zvanovec, Z. Ghassemlooy, W. O. Popoola, Experimental characterization and mitigation of turbulence induced signal fades within an ad-hoc FSO network, Optics Express, vol. 22, no. 3, p. 3208-3218, 2014.
  • M. Pisarik, P. Peterka, S. Zvanovec, Y. Baravets,F. Todorov, I. Kasik, P. Honzatko, Fused fiber components for „eye-safe“ spectral region around 2 micrometers, Optical and Quantum Electronics, vol. 46, pp. 603-611, 2014.
  • J. Bohata, M. Pisarik, S. Zvanovec, P. Peterka, Reliability of Aircraft Multimode Optical Networks, Optical Engineering, vol. 53, no. 9, 096102, 2014.
  • M. Mudroch, S. Zvanovec, Artificial Neural Network Utilization for FSO Link Performance Estimation, Radioengineering, vol. 23, no. 1, p. 474-479, 2014.
  • S. Zvanovec, J. Perez, Z. Ghassemlooy, S. Rajbhandari, J. Libich, Route diversity analyses for free-space optical wireless links within turbulent scenarios, Optics Express,  vol. 21, Issue 6, pp. 7641-7650, 2013. 
  • P. Dvorak, M. Mazanek, S. Zvanovec, Short-term Prediction and Detection of Dynamic Atmospheric Phenomena by Microwave Radiometer. Radioengineering. 2012, vol. 21, no. 4, p. 1060-1066. ISSN 1210-2512.  
  • J. Libich, P. Dvorak, P. Piksa, S. Zvanovec, Correction of Thermal Deviations in Fabry-Perot Resonator Based Measurements of Specific Gases in MillimeterWave Bands. Radioengineering. 2012, vol. 21, no. 1, p. 459-463. ISSN 1210-2512.
  • J. Libich, S. Zvanovec, Influences of Turbulences in Near Vicinity of Buildings on Free Space Optical Links, IET Microwaves, Antennas & Propagation, 2011, vol. 5 , issue 9, p. 1039 - 1044.
  • M. Komanec, P. Honzatko, S. Zvanovec, Single-shot All-optical Sampling Oscilloscope Using a Polarization-maintaining Resonator for Pulse Replication, Microwave and Optical Technology Letters. 2010, vol. 52, no. 11, p. 2452-2456. ISSN 0895-2477.