Radiačná bezpečnosť v optických komunikáciách Zdenko Kamenský http://generalmont.sk | generalmont@generalmont.sk

Témy Základné pojmy a princípy Pôsobenie laserového žiarenia Všeobecné zásady laserovej bezpečnosti Bezpečnosť komunikačných prístrojov s optickým vláknom Bezpečnosť komunikačných systémov vo voľnom priestranstve

Spektrum žiarenia

Fotón Je to kvantum elektromagnetického poľa základná jednotka svetla a všetkých ostatných foriem elektromagnetického žiarenia Názov je odvodený od gréckeho slova Fos (svetlo) Značka – gama (γ) Rozlišujeme podľa vzniku Ak sú generované z jadra atómu hovoríme o fotóne GAMA „gama žiarenie“ Ak vznikajú pri prechode elektrónu z vyššej energetickej hladiny na nižšiu sú generované z elektrónového obalu, nazývajú sa „röntgenové žiarenie“ Ktoré vznikajú zbrzdením elektrónov v pevnom terčíku (Volfrámová mriežka) – nazývame ich „brzdným žiarením“

Fotón – Gama lúče Vznikajú pri prerozdelení elektrického náboja v jadre Jediný rozdiel, ktorý je medzi takýmto fotónom a viditeľným fotónom (vytvorený napríklad pri svietení žiarovky) je ich vlnová dĺžka Lúč γ má vlnovú dĺžku oveľa menšiu Ak dochádza k prerozdeleniu jadra (protónov, neutrónov), lúče γ sú emitované pri tejto zmene Pri tomto vyžiarení nedochádza k zmene hmotnostného ani atómového čísla

Fotón – Gama lúče Atóm v kľudovom stave Atóm vo vybudenom stave

Fotón – Röntgenové žiarenie Vznik fotónu skokom elektrónu do základného stavu

Fotón – Brzdné žiarenie Ak je fotónka osvetlená farebným svetlom, ktorého intenzitu meníme. Pri danej intenzite osvetlenia budeme meniť napätie U, kým sa na zbernú elektródu nedostane žiaden elektrón. Dôjde k prudkému zabrzdeniu elektrónu, v tom okamihu vznikne fotónové žiarenie. Ďalší spôsob vzniku brzdného žiarenia dochádza k prechodom elektrónov na nižšie energetické hladiny.

Bel – decibel Decibel je bezrozmerná jednotka zlogaritmovaného pomeru dvoch hodnôt Je to univerzálna pomerová jednotka Spôsob výpočtu Vypočítame podiel dvoch rovnakých jednotiek hodnota výstupná : hodnota vstupná Tento pomer zlogaritmujeme (dekadický logaritmus) Vynásobíme číslom 10 – pre výkon (W) 20 – pre napätie alebo prúd (U, I) Tento pomer >1 – ide o zisk – kladné znamienko =1 – zisk je 0 <1 – ide o útlm – záporné znamienko Prepočet dBm = 10.Log mW mW = 10×dBm / 10

Prepočet dBm - mW dBm mW -30 dBm 0,001 mW 4 dBm 2,5 mW -20 dBm 0,01 mW

Laser Je zdroj koherentného žiarenia Koherencia je vlastnosť dvoch alebo viacerých súčasne sa uskutočňujúcich procesov, ktoré sa môžu pri skladaní zosilňovať (prípadne zoslabovať), v tomto prípade ide o rovnakú amplitúdu, frekvenciu a fázu

Laser v tuhej forme Rubínový laser Al2O3+Cr3 - model 1-monokrištál rubínu; 2-pulzná xenónová výbojka; 3-polopriepustné zrkadlo (alebo s otvorom); 4-nepriepustné zrkadlo; 5-pevný valec, ktorý z vnútornej strany je vyleštený do zrkadla; 6,7-koniec napájania výbojky; 8-otvor žiarenia

Polovodičový laser Polovodičový laser funguje na princípe procesu stimulovanej emisie. Aktívne prostredie je prechod PN. Prechodom el. prúdu v oblasti N do P sa v prechode uvoľňuje energia – kedy sa emitujú fotóny. Prechod PN sa stáva zdrojom svetla a svietivosť tohto zdroja je priamo úmerná prechádzajúceho prúdu.

Vyžiarené svetlo je takmer monochromatické – ide o jednu vlnovú dĺžku Polovodičový laser Vyžiarené svetlo je takmer monochromatické – ide o jednu vlnovú dĺžku

Polovodičový laser Laserová dióda 1-zrkadlo nepriepustné; 2-zrkadlo polopriepustné; 3-napájanie; 4-prechod PN

Podstata polovodičového laseru Ak atóm prijme vhodnú dávku energie – prechádza do vzbudeného stavu Prechod smerom nahor sa uskutočňuje pohltením fotónu. Ide o absorciu žiarenia. Ak atóm prechádza z vyššej energetickej hladiny na nižšiu – odovzdá energiu svojmu okoliu. Vyžiarenie energie okrem iných možností môže byť vyžiarenie fotónu. Energia fotónu sa rovná rozdielu energií vo východiskovom a výslednom stave. Toto žiarenie nazývame emisiou žiarenia. Druh žiarenia - spontáne – vzniká náhodne pri prechode atómu z vyššej energetickej hladiny na nižšiu , náhodný charakter . - stimulované indukované – v tomto prípade fotón priamo spustí ďalšie vyžiarenie. Proces budenia nazývame čerpanie .

Braggova mriežka Rozptylový Braggov reflektor Vlnitá dielektrická štruktúra

Braggova mriežka Fotón sa odráža od jednotlivých mriežok. Vzniká optický rezonátor . Braggova mriežka môže byť rôzne veľká a taktiež môže byť rôzna kombinácia mriežok. Záleží od potreby výkonu lasera. Môže byť od niekoľko mW až po desiatky W .

Legislatíva a normy STN EN 60825-1 ed.2:2008 Bezpečnosť laserových zariadení Časť 1: Klasifikácia zariadení a požiadavky STN EN 60825-2 ed.2:2005 Bezpečnosť laserových zariadení Časť : Bezpečnosť komunikačných systémov s optickými vláknami

Pôsobenie laserového žiarenia na ľudský organizmus Prečo je laserové žiarenie nebezpečné? Pôsobenie na oko Pôsobenie na pokožku

Prečo je laserové žiarenie nebezpečné? Laser je vlastne zdroj svetla. Svetlo je definované od vlnovej dĺžky λ 100nm do 1mm. Laserové žiarenie patrí medzi elektromagnetické žiarenia. Od 100nm do 400nm sa jedná o ultrafialové žiarenie UV. Viditeľné žiarenie je od 400nm do 780nm – časť spektra, ktorú vidíme okom. Od 780nm do 1mm je infračervené žiarenie IF

Prečo je laserové žiarenie nebezpečné? Laser sa od klasického zdroja svetla (žiarovka, výbojka a pod.) líši tým, že má optický rezonátor (napr. umiestnenie zdroja svetla medzi dve zrkadlá) Úzka spektrálna čiara (ak ide napríklad o jednu vlnovú dĺžku a je to svetlo napr. modrej farby, zelenej farby a pod.) Sústredenie do bodu Selektívne ovplyvňovanie molekúl (kvôli tejto vlastnosti nie je žiadny laser bezpečný – využitie v zdravotníctve a pod.) Malá rozbiehavosť zväzku Lepšie sústredenie energie Prenos na veľkú vzdialenosť

Pôsobenie na oko Spektrálna závislosť Každá vlnová dĺžka má iný vplyv na ľudské oko a organizmus. U dlhších vlnových dĺžok sa spektrálna závislosť stráca. UV žiarenie Sú to fotóny o najväčšej energii. Viditeľné žiarenie (svetlo) Najnebezpečnejšie je viditeľné žiarenie nakoľko je oko na tieto vlnové dĺžky najcitlivejšie. Infračervené žiarenie Je bezpečnejšie, ale vlnové dĺžky od 850nm po 1310nm sú relatívne blízke citlivosti oka na tieto vlnové dĺžky. Preto môže dôjsť k spáleniu sietnice.

Pôsobenie na pokožku Je odolnejšia než oko Spektrálna závislosť Optické žiarenie pokožka neabsorbuje Pri zvýšení energie sa poškodzuje tkanivo v pokožke a pod pokožkou nakoľko energia vyžiarená sa nemôže stratiť a dochádza k jej premene na teplo. Pri teplote nad 60°C dochádza k spáleniu buniek, čo je vlastne poranenie s popáleninami. Pri zvýšení energie dochádza až k odpareniu tkaniva (v chirurgii laserový skalpel). UV žiarenie vo väčších dávkach môže spôsobovať rakovinu kože ale v tomto prípade nejde o energiu ale o vlnovú dĺžku. Infračervené žiarenie má najmä tepelné vlastnosti čo môže spôsobiť spálenie kože a tkaniva.

Klasifikácia laserov Lasery sú rozdelené do 4 základných tried: Trieda 1 – lasery ktoré sú bezpečné za primeraných predvídateľných podmienok. Trieda 1M – tak ako 1 môžu byť nebezpečné pri použití optických prístrojov. Trieda 2 – lasery s nízkym výkonom vyžarujúce viditeľné žiarenie od 400nm do 700nm. Bezpečnosť je zaistená fyziologickými reakciami ako napr. „žmurkací reflex“. Trieda 2M – tak ako 2 môže byť nebezpečný pri použití optických prístrojov. Trieda 3R – lasery u ktorých u priameho sledovania vo zväzku môže byť nebezpečné (limit=5×limit pre 2 alebo 1 – maximálne do 5mW). Trieda 3B – lasery so stredným výkonom pri ktorých je nebezpečný priamy pohľad do zväzku aj do zrkadlového odrazu (výkon je v rozmedzí od 5mW do 500mW. Trieda 4 – lasery veľkého výkonu, ktoré sú nebezpečné nielen pre oko ale aj kožu. Je nebezpečné priame ožiarenie ako aj zrkadlový a difúzny odraz (výkon je väčší než 500mW, môže dôjsť k poškodeniu zraku nielen pri zrkadlovom a difúznom odraze, ale je nebezpečný pohľad aj na prebiehajúci lúč).

Klasifikácia laserov

Hodnotenie nebezpečia – maximálna dávka ožiarenia (MPE) Vlnová dĺžka žiarenia Doba trvania impulzu žiarenia Veľkosť obrazu (stopy) Intenzita ožarovania Dávka ožiarenia Rozbiehavé zväzky (limit 1M môže byť väčší než pri 3R)

Bezpečnosť Rozdelenie Optickú sieť nemôžeme klasifikovať ako celok Optický výkon prístupný vo veľkej vzdialenosti od zdroja Určenie úrovne nebezpečia Primerane predvidateľné udalosti (prerušenie kábla, napájací konektor a pod.) Povaha bezpečnostných opatrení závisí od typu priestoru (voľný prístup, obmedzený, kontrolovaný – STN EN ed. 2 60825-2 z.r. 2005)

Úroveň nebezpečia Potenciálne nebezpečie na ktoromkoľvek prístupnom mieste v komunikačnom systéme s optickým vláknom (v našom prípade to môže byť rozvádzač – hlavná stanica – vysielací bod). Je založená na úrovni optického žiarenia, ktoré by mohlo byť prístupné za primerane predvídateľných okolností napríklad pri prerušení optického kábla. Priamo súvisí s klasifikáciou laseru podľa STN EN 60825-1. Musí byť stanovená pre každý optický výstup (tieto podmienky stanovuje operátor ktorý musí podľa projektovej dokumentácie vedieť v ktorom bode je aký výkon).

Úroveň nebezpečia Úroveň nebezpečia 1 Úroveň nebezpečia 2 alebo 2M Úroveň nebezpečia 1M alebo 3R Úroveň nebezpečia 3B Úroveň nebezpečia 4

Typické inštalácie optických sietí Priestory s voľným prístupom (obytné a obchodné parky, učebne, kancelárie a pod.) Priestory s obmedzeným prístupom (miestnosti s uzavretým prístupom pre verejnosť – serverovne, ústredne, hlavné stanice a pod.) Priestory s kontrolovaným prístupom (rozvodné skrine, šachty, káblové kanály, rošty)

Rozdelenie optickej siete Aktívne prvky Pasívne prvky

Aktívne prvky - lasery Zdroje žiarenia – λ, ∆ λ, P (λ=vlnová dĺžka žiarenia, ∆ λ=spektrálna šírka, P=výkon) Lasery F-P – Fabri-Perot (rezonátor) DFB – Bragg (rezonátor s rozloženou spätnou väzbou) Plynové Pevnolátkové Čerpacie lasery (využitie najmä v zosilňovačoch ETFA a PDFA) LED, ASE

Zapojenie vláknového laseru Fabri-Perot – rezonátor 1-nepriepustné zrkadlo; 2,4-väzobné členy; 3-aktívne vlákno; 5-polopriepustné zrkadlo; 6-výstupný signál laseru; 7-čerpanie; 8-neabsorvované čerpanie

EDFA 1,6-optický izolátor; 2,4-vlnový väzobný člen; 3-dopované vlákno; 5-filter; 7-monitorovanie úrovne čerpania; 8-monitorovanie úrovne signálu; 9-čerpací laser; 10-riadiaca jednotka

Ramanov – zosilňovač zjedodušené zapojenie 1,5-optický izolátor; 2-čisté vlákno; 3-vlnový väzobný člen; 4-filter; 6-čerpací laser

Kruhový rezonátor 1,2,3-väzobný člen; 4-aktívne vlákno; 5-neabsorbované čerpanie; 6-čerpanie; 7-výstup laseru; 8-izolátor

Aktívne prvky - zosilňovače EDFA – pásmo 1550nm (je tvorený vláknom od 500m do 1000m ktoré je dopované prvkom Erbium, do ktorého je vysielaný veľký výkon vlnovej dĺžky 980nm až 1400nm podľa konštrukcie zariadenia) PDFA – pásmo 1310nm (je tvorený vláknom od 500m do 1000m ktoré je dopované prvkom Prazeodym, do ktorého je vysielaný veľký výkon vlnovej dĺžky 980nm až 1400nm podľa konštrukcie zariadenia) Ramanov – používa čisté vlákno, nedopované, v dĺžke od 500m do 1000m, do ktorého je vysielaný veľký výkon vlnovej dĺžky o 100nm menej, než chceme zosilňovať (napr. zosilňujeme vlnovú dĺžku 1550nm a do vlákna vysielame veľký výkon vlnovej dĺžky 1450nm – využíva sa stimulovaný Ramanovský rozptyl Na výstupe každého optického zosilňovača je umiestnený optický izolátor ktorý zabraňuje vyžiareniu energie dopovacieho laseru. Ide o veľké výkony rádovo vo Wattoch.

Pasívne prvky Optické káble – NA (numerická apertúra – rozbiehavosť), ɸ jadro (priemer jadra) pásková štruktúra (Ribbon kábel, až do 1000 vlákien; viac nebezpečné, nakoľko sa sčítava výkon)

Pasívne prvky SM (rozbiehavosť: 0,1%)

Pasívne prvky MM (rozbiehavosť: 0,2%)

Pasívne prvky Optické konektory (konektory s krytkou, bez krytky; plastová krytka nie je ochrana – tlmí iba 2dB a je potrebné aspoň 30dB) Pasívne súčiastky (deličky, odbočovače, atenuátory) Káblové spojky Optické rozvádzače

Limity výkonu pre SM systém 1310nm Úroveň 1: max. 15,6mW Úroveň 1M: max. 42,8mW Úroveň 3R: max. 80mW 1550nm Úroveň 1: max. 10mW Úroveň 1M: max. 136mW

Limity výkonu pre MM systém 850nm Úroveň 1: max. 0,78mW Úroveň 1M: max. 7,8mW 1310nm Úroveň 1: max. 15,6mW Úroveň 1M: max. 156mW pri NA=0,18 ɸ jadra<150µm

Požiadavky na priestory v opt. sieťach Úroveň nebezpečia Voľný prístup Obmedzený prístup Kontrolovaný prístup 1 (max. 10mW) Bez požiadaviek 1M (na konektore max. 10mW) Trieda 1 pre konektory Bez označenia Označený 2 a 2M (platí pre plastové vlákna vlnovej dĺžky 653nm) Označený na Konektor triedy 2 alebo nástroj 3R Nie je dovolený Konektor musí byť triedy 1M 3B Konektor musí byť triedy 1M alebo 2M 4

Automatické obmedzenie výstupu (APR) Rýchlosť obmedzenia Počiatočný výkon Typ priestoru Priestory s voľným prístupom (1550nm) Do 1 sekundy sa musí obmedziť výkon na triedu 1 Priestory s kontrolovaným prístupom Do 3 sekúnd sa musí obmedziť výkon na triedu 1M

Označovanie Optické káble musia byť označované Konektory musia byť označené ak je úroveň signálu väčšia ako 1M Optické rozvádzače musia byť označené štítkom

Musí byť umiestnený na každom zariadení Výstražný štítok Musí byť umiestnený na každom zariadení

Informačný štítok, ktorý upresňuje druh nebezpečia Výstražný štítok Informačný štítok, ktorý upresňuje druh nebezpečia

Vzor textu informačného štítka napr. pre prostredie 3R Pre vlnové dĺžky od 400nm do 1400nm POZOR – PRI ODSTRÁNENÍ KRYTU SA VYSTAVUJETE LASEROVÉMU ŽIARENIU CHRÁNTE SI OČI PRIAMEMU OŽIARENIU Pre ostatné vlnové dĺžky NEVYSTAVUJTE SA OŽIARENIU

Všeobecné pracovné postupy Kontrola vlákna (mikroskop) Pomôcky pre kontrolu vlákna Koniec vlákna (musí byť zakrytovaný Páskové (Ribbon káble – pozor sčítavanie výkonu) Skúšobné káble (patchcord) Úlomky vlákna (nebezpečný odpad) Čistenie Zmeny (zaznamenanie do projektovej dokumentácie)

Všeobecné pracovné postupy Pracovné postupy pre triedu 3B Práca za prevádzky sa nedoporučuje Musí byť spracovaná a dodržovaná bezpečnosť a školiaci program Všeobecné bezpečnostné postupy Vypnutie zariadení generujúcich žiarenie (musí byť presne určené, kto môže na danom zariadení pracovať) Kontrola optického výkonu vo vlákne (vykonáva sa na tieto úkony určenými zariadeniami) Zakrytovanie všetkých koncov vlákien Môžeme používať zariadenia na nepriame sledovanie Pripájanie skúšobných káblov (patchcord) k zdroju žiarenia ako posledné a odpájať od zdroja žiarenia ako prvé

Pokyny pre údržbu a opravu Meranie Dodržiavanie schválených bezpečnostných postupov Používať meracie prístroje od triedy 1, 1M, 2, 2M alebo 3R podľa meraného výkonu Definované podmienky Kontrolované priestory s úrovňou nebezpečia 3B Osoby ktoré absolvovali školenia Výstražný a informačný štítok Značka, ktorá obmedzuje vstup osôb

Pokyny pre údržbu a opravu Osoby Poznať bezpečnostné postupy a pravidlá Okamžité upozornenie dozoru na možnosť poškodenia osôb alebo majetku Okamžité ohlásenie dozoru zariadenia o optickom ožiarení (v prípade poškodenia optického izolátora a pod.)

Povinnosti prevádzkovateľa Označenie miestnosti kde je rozvádzač (prostredie musí byť triedy 1 do 10mW) Zaistiť, aby neboli prekročené úrovne než triedy 1 do 10mW (byt, trieda, kancelária a pod.) Zaistiť, aby montáž a servis boli prevedené podľa platných noriem Zaistiť, aby prístup do priestoru s obmedzením alebo kontrolovaným prístupom bol riešený ohľadom na laserovú bezpečnosť Zaistiť, aby do priestoru s väčšími výkonmi mali prístup len technici s odpovedajúcou kvalifikáciou

Komunikačné systémy šírené vo voľnom priestranstve Priestory s voľným prístupom – 1 alebo 2 (voľný prístup rozumieme do výšky 3m) Priestory s obmedzeným prístupom – 1, 2, 1M alebo 2M (obmedzený prístup rozumieme do výšky 6m) Priestory s kontrolovaným prístupom – 1, 2, 1M, 2M, 3R alebo 4 (kontrolovaný prístup rozumieme priestor kde nesmie byť možné vstúpenie do vyžiareného zväzku) Neprístupný priestor – 1, 2, 1M, 2M alebo 3R (neprístupný priestor rozumieme nad 6m) EN 60025-12 2005

Komunikačné systémy voľným priestorom Povinnosti prevádzkovateľa Identifikácia typu umiestnenia vo všetkých častiach celej prenosovej cesty prístupných ľuďom Zaistiť, aby boli pre tieto typy umiestnenia splnené požiadavky na úroveň prístupu a podmienky montáže Zaistiť, aby inštaláciu, údržbu a servis vykonávali technici, ktorí sú schopní dodržiavať požadované normy

Ďakujem za pozornosť