Optinen tiedonsiirto vapaassa tilassa

Optinen tiedonsiirto vapaassa tilassa (engl. free space optics eli FSO eli optical wireless, jossain myös vapaatilaoptinen datansiirto tai optinen langaton viestintä) tarkoittaa keinoja viestittää ja siirtää informaatiota avoimessa tilassa näkyvän valon, infrapunavalon tai ultraviolettivalon avulla käyttäen hyväksi valoherkkiä ja valoon vaikuttavia elektronisia ja sähkömekaanisia komponentteja kuten moduloitavia valonlähteitä, valon sulkimia tai valon suuntaajia. Lisäksi valon käsittelyyn voidaan käyttää optisia komponentteja kuten linssejä, peilejä, optisia suodattimia (värisuotimia eli aallonpituuden rajoittimia), prismoja tai hiloja. Viestintään käytetty valo voi kulkea ilmakehässä maan pinnan tasolla kilometrien välimatkan, huoneen sisällä, lentokoneiden välillä (jopa satoja kilometrejä), lentokoneen ja maan välillä, satelliittien välillä, satelliitin ja maa-aseman välillä, lentokoneen ja satelliitin välillä tai kirkkaassa vedessä sukeltajien välillä.
Termissä optinen tiedonsiirto vapaassa tilassa "vapaa tila" tarkoittaa vastakohtaa valokaapelia hyödyntävälle datansiirtomenetelmälle, jossa valo on suljetussa tilassa kaapelin sisällä.

Historia

1800-luvun lopulla Alexander Graham Bell kokeili tiedonsiirtoa valon avulla. Hän käytti kahta laitetta, joiden välissä puhesignaali kulki valonsäteen sisällä jopa satoja metrejä. Bell antoi laitteellensa nimen "photophone" ja piti sitä itse merkittävimpänä keksintönään, koska tiedonsiirto oli langatonta.
Yhdysvaltojen armeija aloitti FSO-tekniikan kehittämisen 1960-luvulla ja otti FSO-linkkejä käyttöönsä jo 1960-luvulla. FSO-laitteiden pioneerina pidetään saksalaista Dr. Erhard Kubea, joka laati 1960-luvun lopussa FSO-tekniikasta tiedettävästi ensimmäisen White Paperin. FSO:ta kehittivät tämän jälkeen lähinnä eri maiden armeijat sekä NASA. 1960-luvun puolessavälissä NASA aloitti FSO-kokeilun Goddardin avaruuskeskuksen ja Gemini 7 -avaruuskapselin välillä. Vaikka kokeilut epäonnistuivat aluksi, NASA onnistui myöhemmin samalla vuosikymmenellä ottamaan yhteyden helium-neonlaserilla maassa olevasta asemasta satelliittiin.
Kaupalliset markkinat aukesivat käytännössä 1980-luvun lopussa. Valokuitukaapelien yleistyessä FSO jäi kuitenkin taka-alalle, mutta on jälleen alkanut nostaa suosiotaan yhä kehittyneempien laitteiden ilmestyessä markkinoille.

Tekniikoita

Valo voi olla syntyessään itsessään katkonaista tavalla, joka moduloi bittejä. Valon etenemistiellä voi myös olla suljin, joka päästää enemmän tai vähemmän valoa läpi tai valittuun suuntaan sen mukaan, onko viestitettävänä oleva bitti ykkönen vai nolla.
Itsessään moduloidusti katkonaisen valon lähteenä voi olla laser, LED tai erityinen loisteputki. Esimerkiksi RONJA-standardi perustuu LEDien käyttöön.
Mekaanisella tai optoelektronisella sulkimella katkottavan valon lähteenä voi olla myös Aurinko tai Kuu kun käytössä on heliografi, tai vastaanottajalta tuleva lasersäde, joka on suunnattu lähettäjän takaisinheijastusprismoihin – jollainen on myös heijastin.
On paljon tutkimusta siitä, kuinka LEDeillä toteutettua valaistusta voi käyttää myös datansiirtoon. Nopeus 100 megabittiä sekunnissa on mahdollinen. Siemens kertoi saavuttaneensa nopeuden 500 megabittiä sekunnissa. Menetelmän etuna verrattuna Wi-Fi- ja muihin WLAN-tiedonsiirtomenetelmiin ainakin se, että kuuluvuusalue rajoituu huoneen sisään eikä häiritse naapuria. Joissain loisteputkivaloissa on spektrissä isoja aukkoja, joita hyväksi käyttäen LEDeillä voidaan siirtää tietoa vähäkohinaisesti. On tutkimusta myös siitä miten samanlaista järjestelmää voi käyttää automatisoitujen ajoneuvojen liikenteenohjaukseen LED-liikennevalojen avulla.
Valaistusta varten tehdyt LEDit pyritään valmistamaan koko näkyvän valon spektrin kattavaksi ja näkyvän valon alueelle rajoittuviksi, mutta tiedonsiirtoon käytettävän valon pitäisi olla mahdollisimman kapeakaistaista, jopa monokromaattista ja mielellään vielä polarisoitunuttakin, jotta kohina voitaisiin suodattaa pois mahdollisimman hyvin.  Laserin on hyvänä puolena kapean säteen lisäksi, että sen säteilemä valo on monokromaattista, joten hyvin erikoisella ja kalliilla valosuodattimella lähes kaikki kohina saadaan pysäytettyä ennen valovastaanotinta. Laserin huono puoli LEDiin verrattuna on huonompi hyötysuhde. LEDin valo leviää laajemmalle eli sen keilan kulmaläpimitta on suurempi kuin laservalon, mutta se voidaan kollimoida sitä kapeammaksi keilaksi mitä isompi linssi tai parabolinen peiliantenni on käytössä ja mitä parempilaatuinen se on.
Laserlinkin tekniikka muistuttaa laseretäisyysmittaria ja LIDARia. Joitakin alun perin tai pääasiassa laseretäisyysmittareiksi tarkoitettuja laitteita onkin käytetty myös optiseen viestintään vapaassa tilassa.
Yleensä tarvitaan suora vapaa linja lähettäjän ja vastaanottajan välille, mutta tietyin edellytyksin valonsäteen voi suunnata myös vuoreen, pilveen tai satelliitin tai ilma-aluksen takaisinheijastuspintaan, johon vastaanottajalla on suora näköyhteys sopivasta kulmasta. Ilmakehä sirottaa aina valoa ja sitä enemmän mitä pienempi aallonpituus, joten pimeällä myös sitä ilmiötä voi hyödyntää tietoliikennemaston korvikkeena maastoesteiden yli viestimisessä, tosin pienellä nopeudella.

Sade ja ilma vaimentaa vähemmän kuin pienimpiä mikroaaltoja

Sade ja pelkkä ilma aiheuttaa tarpeeksi suuritaajuisille eli pieniaallonpituuksisille mikroaalloille tehon puoliintumisen lyhyemmällä matkalla kuin valolle. Hyvällä säällä jopa suunnilleen maan tasalla voi viestiä optisesti vapaassa tilassa 50 kilometrin päähän.

Suuntaustarkkuuden tarve

Koska päivänvalo, kuunvalo ja katuvalot aiheuttavat runsaasti ylimääräistä valoa, joka tässä yhteydessä on kohinaa, täytyy vastaanottimen anturi fokusoida tarkasti lähettimen valoon. Siksi optinen datansiirto vapaassa tilassa ei langattomuudesta huolimatta ole kovin mobiilia. Onneksi suuntaus voi tapahtua automaattisesti ja pienet suunnan korjaukset onnistuvat myös anturin kaukoputkea kääntämättä, esimerkikisi liikuttamalla pelkästään valoherkän osan sisältävää mikrosirua polttotasolla.

Sääriippuvuus

Koska tiedonsiirrossa käytetään ilmatilaa, tuottaa se omat ongelmatekijänsä. Kuten muissakin langattomissa tekniikossa, ovat sääilmiöt suurin ongelmatekijä. Sumu on FSO:n pahin vihollinen, koska käytetty laser ei pysty läpäisemään sitä, vaan vaimenee ja heijastuu. Vesi- ja lumisade eivät kuitenkaan tuota samoja ongelmia. Sateella kantama jää 1,3–5 kilometriin, räntä- tai lumisateella hiutaleiden koosta ja määrästä riippuen 500–3000 metriin ja tiheässä sumussa 200–400 metriin. Sumussa kantama riippuu enemmän lähettimen tehosta ja siitä, onko yö vai päivä. Sumu on yleensä yöllä jolloin kantama on pidempi. Sumussa optinen tiedonsiirto on huonompi kuin mikroaallot.
Myös suora auringonvalo lähettävään yksikköön saattaa häiritä signaalia. Tämän lisäksi kuuma nouseva ilma saattaa vääristää signaalia, eikä FSO-laitetta suositella sijoitettavaksi esimerkiksi tuuletuskanavien päälle. Sääilmiöitä vastaan voidaan toimia kasvattamalla lähetystehoja hetkellisesti huonon sään sattuessa. Myös muut fyysiset esteet, kuten puut ja rakennukset, tulee ottaa huomioon FSO-linkkiä rakennettaessa. Koska laitteiden välisen suoran näköyhteyden tulee olla jatkuvaa, tähän seikkaan on kiinnitettävä riittävästi huomiota. Esimerkiksi kaikenlainen seisminen toiminta tai tuulen aiheuttama korkean rakennuksen huojunta saattaa katkaista suoran linkin. Tällaisia tilanteita varten on olemassa erilaisia ratkaisuja, kuten laitteisiin asennettava Beam Tracking -komponentti, joka pitää aktiivisesti huolen yhteyden suuntauksesta.
Datansiirtonopeuden vähentäminen eli bittien pidentäminen lisää kantamaa jonkun verran.