radiační bezpečnost v optických komunikacích

radiační bezpečnost v optických komunikacích

RADIAČNÍ BEZPEČNOST V OPTICKÝCH KOMUNIKACÍCH
Mgr. Maciej.Kucharski, CSc.
1.ÚVOD
Při přenosu informací na optických kmitočtech se především používají
jako zdroje záření lasery nebo svítivé diody LED o poměrně velkých výkonech a tudíž toto záření může ohrožovat zdraví obsluhy. Při normálním
provozu je optická vláknová kabelová síť zcela bezpečná, protože optické
záření je uvězněno v optickém vlákně a nemůže ohrožovat okolí. Jiné situace nastávají při výstavbě sítě, její údržbě nebo při měření, kdy často optické
záření vystupuje z optického vlákna do volného prostoru a může dojít
k ozáření obsluhy. Toto riziko se zvětšuje tím, že běžně používané vlnové
délky pro přenos informace nejsou vnímané lidským zrakem a obsluha přichází do styku pouze s optickým vláknem, přičemž zdroj záření může být
značně vzdálen od místa údržby nebo měření a nepoučený montér se může
nechtěně vystavovat působení nebezpečného záření.
V dobách před nasazováním vlnového multiplexu, kdy byly poměrně
malé hustoty optického výkonu ve vlákně, byly optické vláknové komunikační systémy celkem bezpečné [1]. Z hlediska radiační bezpečnosti je velmi
příznivá situace v tom, že optický výkon vystupující z optického vlákna je
rozbíhavý a se zvětšující se vzdáleností od konce vlákna rychle klesá jeho
hustota. Tento fakt umožňuje používat podstatně větší výkony v optickém
vlákně než v případě laserových svazků šířících se volným prostorem, aniž
by bylo ohrožováno zdraví obsluhy.
V poslední době, kdy se systémy s hustým vlnovým multiplexem stávají
běžnou součástí optických sítí, se situace rapidně změnila a otázka bezpečnosti nabývá na významu. Při šíření se více, dnes už běžně desítek a výhledově až stovek vlnových délek optickým vláknem, se musí počítat s tím, že
na výstupu z optického vlákna se celkový výkon skládá z optických výkonů
jednotlivých kanálů. Je nezbytné uvažovat o kumulativním účinku na lidský organismus.
Dalším významným faktorem WDM přenosů je využívání zcela nových
prvků, hlavně vláknových zesilovačů. Tyto zesilovače konstruované jak na
bázi erbiem dopovaného vlákna EDFA, tak i vláknové zesilovače využívající
nelineární stimulovaný Ramanovský rozptyl, umožňují dosahovat v optickém vlákně dříve nepředstavitelných optických výkonů. Tyto prvky jsou opticky čerpané a pro svoji funkci vyžadují výkonové zdroje čerpacího záření
o vlnových délkách 980 nm, 1480 nm nebo zdroje z pásma 1420 až 1500 nm.
Jsou to další zdroje nebezpečného záření vyskytující se v optických sítích.
Použití vláknových zesilovačů a optických přepínačů vede také k tomu, že
se v různých místech optické sítě můžeme setkat se značně rozdílnými optickými výkony ve vlákně.
2. PŮSOBENÍ LASEROVÉHO ZÁŘENÍ
Optické záření z laseru se díky své vysoké koherenci a malé rozbíhavosti svazku odlišuje od záření pocházejících z klasických zdrojů záření jako
jsou například žárovky nebo zářivky. Při větším výkonu může optické záření
vyvolat poškození nechráněných částí kůže nebo oka.
Reakce kůže na laserové záření je velice komplexní problém. V případě
velkých výkonů se velká část optického záření absorbuje v tenké povrchové
vrstvě a dochází k popáleninám pokožky. Při menších výkonech laserové
záření proniká skrz pokožku do přilehlých tkání, kde interaguje s molekulemi tkáně a může vyvolávat různé fotochemické reakce. Hloubka průniku
a typ interakce závisí na vlnové délce záření.
Zvlášť citlivým orgánem na laserové záření je oko. Lidské oko je svou
stavbou přizpůsobeno pro vnímání obrazu tvořeného viditelnou částí spektra, tj. optickým zářením o vlnových délkách v rozsahu 400 nm až 720 nm.
Jiné části optického spektra, tj. ultrafialové nebo infračervené, mohou při
překročení jistých limitů negativně působit na jednotlivé tkáně oka. Působení optického záření závisí na jeho vlnové délce. Záření o vlnových délkách
menších než 400 nm je silně absorbované na vstupních částech oka a vyvolává zánět rohovky a šedý zákal.
Ve spektrálním rozsahu 400 nm až 1400 nm jsou vstupní části oka
transparentní a nejvíce je pak ohrožena sítnice, na kterou se soustřeďuje
optické záření. Záření o větších vlnových délkách než 1400 nm ohrožuje
především rohovku a vyvolává šedý zákal.
3. KLASIFIKACE LASERŮ
Základním parametrem pro rozdělení laserů do bezpečnostních tříd je
limit přístupné energie AEL (Accessible Emision Limit), který vyjadřuje maximální úroveň emise povolené v dané třídě.
Pro rozdělení laserů do tříd z hlediska bezpečnosti obsluhy je rozhodující maximální přípustná dávka ozáření MPE (Maximum Permissible Exposure), která udává úroveň laserového záření, jemuž mohou být za normálních
okolností vystaveny osoby, aniž by se u nich projevily nepříznivé vlivy ozáření.
Hladiny MPE jsou maximální úrovně záření, při kterých mohou být oči
nebo kůže ozářeny bez okamžitého nebo po dlouhém čase následujícího
výsledného poškození. Hladiny MPE jsou závislé na vlnové délce, délce trvání impulzu nebo době ozáření, druhu ozářené tkáně a pro vlnové délky 400
nm až 1400 nm i na velikosti obrazu na sítnici.
Lasery jsou rozděleny do následujících bezpečnostních tříd [2]:
Třída 1 - lasery o malém výkonu, které jsou bezpečné za všech podmínek.
U těchto laserů není riziko překročení MPE při přímém pohledu do svazku jak holým okem, tak i s pomocí optických pomůcek ( např. mikroskopu, dalekohledu apod.);
Třída 2 - lasery o nízkém výkonu vyzařující viditelné záření (světlo) a bezpečnost je zajištěna fyziologickými reakcemi oka včetně mrkacího reflexu. Nebezpečné mohou být při přímém pohledu do svazku po dobu
delší než 0,25 s;
Třída 3A - bezpečné lasery při sledování nechráněným zrakem; přímý pohled do svazku pomocí optických pomůcek může být nebezpečný;
Třída 3B - přímý pohled do svazku je vždy nebezpečný; nebezpečný může
být i zrcadlový odraz;
Třída 4 - lasery o velkých výkonech, nebezpečné nejen pro oko, ale i pokožku, jsou nebezpečné zrcadlové, ale i difuzní odrazy.
4. BEZPEČNOST OPTICKÝCH KOMUNIKAČNÍCH SÍTÍ
Výše uvedená klasifikace laserů do bezpečnostních tříd je plně použitelná a dostačující pro optické komunikační systémy založené na přenosu informací volným prostorem, kde mezi vysílačem a přijímačem je laserový
svazek volně přístupný.
Zásadně jiná je situace v případě optických vláknových komunikačních
sítí. Při správném používání takového systému je optické záření zcela uzavřeno v optických kabelech a pak při striktním pohledu by se mohla považovat celá vláknová síť za zcela bezpečnou a zařadit ji do třídy 1. Platí to
však pouze pro kompletní uzavřený systém. To však neodpovídá realitě,
protože při provozu a údržbě optické sítě dochází k přerušování optické
trasy nebo k rozpojování optických konektorů a optické záření může vystupovat do volného prostoru a může ohrozit zdraví obsluhy. Je také důležité si
uvědomit to, že optické vlákno má velmi malý útlum a nebezpečné optické
záření může vystupovat z vlákna i v místech značně vzdálených od zdroje
záření. Potenciální riziko zvyšuje i fakt, že se pro přenosy po optických vláknech využívá neviditelné optické záření z blízké infračervené oblasti.
Z těchto důvodů se klasifikace optických vláknových komunikačních
sítí zakládá na jiné filozofii. Podle mezinárodních (IEC) a evropských norem
(EN) [3] se předpokládá, že komunikační systém nelze z hlediska bezpečnosti klasifikovat jako celek jedním bezpečnostním stupněm a musí se stanovit na jednotlivých místech komunikační sítě lokální úrovně potenciální
nebezpečí. V praxi to znamená znát pro každý optický výstup (optickou
bránu) možné riziko laserového záření.
Kromě toho se přistoupilo ke klasifikaci prostor, ve kterých je umístěn
komunikační systém a přitom velká část komunikačního systému může být
považovaná za nepřístupnou za přiměřeně předvídatelných okolností.
4.1 Úrovně nebezpečí
Úroveň nebezpečí vyjadřuje potenciální nebezpečí na kterémkoliv
přístupném místě optického vláknového komunikačního systému. Je založena na úrovni optického záření, které by mohlo být přístupné za přiměřeně
předvídatelných okolností. Přiměřeně předvídatelná událost je událost, jejíž
existenci je za daných okolností možno dostatečně přesně předvídat a jejíž
pravděpodobnost výskytu nebo frekvence výskytu není nízká nebo velmi
nízká. Příkladem takovéto události může být přerušení optického kabelu,
rozpojení optického konektoru, chyba operátora nebo nevěnování pozornosti bezpečným pracovním postupům.
Úroveň nebezpečí úzce souvisí s výše uvedenou klasifikací laserů
a z praktického hlediska je stanovena nová k x 3A úroveň nebezpečí.
Úroveň nebezpečí 1 je přiřazena každému místu možného přístupu ke
komunikačnímu systému, u kterého, za přiměřeně předvídatelných okolností, nenastane vystavení lidského těla laserovému záření s limitem přístupné emise přesahujícím úroveň pro třídu 1 pro použitelnou vlnovou délku a dobu trvání vyzařování.
Úroveň nebezpečí 2 je přiřazena každému místu možného přístupu ke
komunikačnímu systému, u kterého, za přiměřeně předvídatelných okolností, nenastane vystavení lidského těla laserovému záření s limitem přístupné emise přesahujícím úroveň pro třídu 2 pro použitelnou vlnovou délku a dobu trvání vyzařování.
Úroveň nebezpečí 3A je přiřazena každému místu možného přístupu
ke komunikačnímu systému, u kterého, za přiměřeně předvídatelných okolností, nenastane vystavení lidského těla laserovému záření s limitem přístupné emise přesahujícím úroveň pro třídu 3A pro použitelnou vlnovou
délku a dobu trvání vyzařování.
Úroveň nebezpečí k x 3A je přiřazena každému místu možného přístupu ke komunikačnímu systému, u kterého, za přiměřeně předvídatelných
okolností, nenastane vystavení lidského těla laserovému záření s limitem
přístupné emise přesahujícím úroveň pro třídu k x 3A pro použitelnou vlnovou délku a dobu trvání vyzařování. Pro hodnocení této úrovně nebezpečí
se používá výpočet jako pro třídu 3A, přičemž se minimální vzdálenost měření musí zvětšit na 250 mm od zdánlivého zdroje a použitý základní čas
musí být 10 s, protože větší doba ozáření není odůvodněně předvídatelná.
Faktor k není konstanta a nelze ho vypočítat.
Úroveň nebezpečí 3B je přiřazena každému místu možného přístupu
ke komunikačnímu systému, u kterého, za přiměřeně předvídatelných okolností, nenastane vystavení lidského těla laserovému záření s limitem přístupné emise přesahujícím úroveň pro třídu 3B pro použitelnou vlnovou
délku a dobu trvání vyzařování.
Úroveň nebezpečí 4 je přiřazena každému místu možného přístupu ke
komunikačnímu systému, u kterého, za přiměřeně předvídatelných okolností, nastane vystavení lidského těla laserovému záření s limitem přístupné
emise přesahujícím úroveň pro třídu 3B pro použitelnou vlnovou délku a dobu trvání vyzařování.
Poněkud odlišný přístup byl zvolen v USA [4], kde je celý optický komunikační systém klasifikován v normě ANSI Z136.2-1997 do servisních
skupin SG (Service Group) SG1, SG2, SG3a, SG3b a SG4, které se shodují s třídami laserů, avšak maximální limity přístupné emise nejsou totožné s doporučením podle evropské normy.
Doporučované maximální limity optických výkonů pro systémy
s jednovidovými vlákny o průměru vidového pole 11 mm jsou v tabulce 1 [3].
V posledním řádku jsou uvedené maximální limity podle doporučení ANSI
(USA) [4].
Tabulka 1
Vlnová délka
Třída 1
Třída 3A
k x 3A
Třída 3B
980 nm
0,81 mW
(-1dBm)
1,5 mW
(-1,8 dBm)
7,15 mW
(+8,5 dBm)
500 mW
(+27dBm)
1300 nm
8,85 mW
(+9,5 dBm)
24 mW
(+13,8 dBm)
83 mW
(+19,2 dBm)
500 mW
(+27dBm)
1550 nm
10 mW
(+10 dBm)
50 mW
(+17 dBm)
54 mW
(+17,3 dBm)
500 mW
(+27dBm)
1550 nm
12,9 mW
(+11,1 dBm)
64,6 mW
(+18,1dBm)
-----
500 mW
(+27dBm)
4.2 Klasifikace prostorů
S rozšiřováním využití optických vláken pro přenos informací jsou instalované tyto systémy jak pro dálkové telekomunikační přenosy, tak i v přístupových a datových sítích. Vede to k tomu, že do kontaktu s optickým vláknem mohou přijít osoby o velmi rozdílných technických znalostech a riziko
poškození zdraví neúměrným laserovým ozářením se zvyšuje. Z tohoto důvodu normy rozlišují tři typy prostorů, ve kterých jsou instalované optické
vláknové komunikační systémy.
Prostory s volným přístupem jsou prostory, kde je přístup k optickým
rozvaděčům volně přístupný. Jsou to prostory v obytných domech, průmyslové komerční prostory, volně přístupná veřejná prostranství jako parky,
ulice atd. nebo veřejnosti přístupné prostory ve vlacích, lodích a jiných dopravních prostředcích.
Prostory se zakázaným přístupem jsou prostory, kde je přístup k optickým rozvaděčům zakázán a není volně přístupný pro veřejnost. Jsou to
uzavřené oblasti v průmyslových prostorech uzavřených pro veřejnost, uzavřené oblasti v obchodních prostorech uzavřené pro veřejnost (např. telefonní ústředny, počítačové sály, apod.), prostory v rozvodných centrech
nebo vyhrazené oblasti uzavřené pro veřejnost v dopravních prostředcích.
Prostory s kontrolovaným přístupem jsou prostory, ve kterých je přístup
k optickým rozvaděčům kontrolován a je možný pouze pro pověřené osoby,
které byly patřičně proškoleny z bezpečnosti laserových zařízení s údržbou
souvisejících systémů. Jsou to kabelové kanály, rozvodné skříně, kabelové
šachty nebo vyhrazené oblasti distribučních center sítě.
Povaha požadovaných bezpečnostních opatření záleží na typu prostorů. Například při rozpojování optického konektoru v domácnosti nesmí
překročit úroveň nebezpečí třídu 1, v prostorech s omezeným vstupem mohou být přípustné podstatně větší vyzařované výkony.
Přehled technických požadavků na vláknové komunikační systémy
v různých prostorech je uveden v tabulce 2.
Tabulka 2
Typ prostoru
Úroveň
nebezpečí
Volný přístup
Zakázaný přístup
Kontrolovaný přístup
1
Bez požadavků
Bez požadavků
Bez požadavků
2
1) Označení a
2) Třída 1
na výstupu
z konektoru nebo
konektor vyžadující
použití nástroje
Označení
Označení
3A
1) Označení a
2) Třída 1 na
výstupu z konektoru nebo konektor
vyžadující použití
nástroje
Označení
Označení
Není dovoleno
1) Označení a
2) Chráněný kabel
3)Třída 3A
na výstupu
z konektoru nebo
konektor vyžadující
použití nástroje
Označení
k x 3A
3B
Není dovoleno
Není dovoleno
1) Označení a
2) Chráněný kabel
3) Třída k x 3A
na výstupu
z konektoru nebo
konektor vyžadující
použití nástroje
4
Není dovoleno
Není dovoleno
Není dovoleno
4.3 Automatické omezení výkonu APR (Automatic Power Reduction)
Při zvětšujících se vzdálenostech přenosu WDM signálů je nutné zvyšovat výkon jednotlivých spektrálních kanálů. Požadavky na maximální výkony v optickém vlákně vyplývající z laserové bezpečnosti by mohly brzdit
technologický vývoj komunikačních systémů, a proto norma dovoluje použití systému automatického omezování výkonu.
Takový systém musí omezit optický výkon v daném čase na požadovanou bezpečnou úroveň, kdykoliv dojde k události, která může způsobit
kontakt osoby se zářením, například rozpojení optického konektoru nebo
přerušení kabelu. Rychlost omezení výkonu závisí na počátečním výkonu ve
vlákně a typu prostoru, ve kterém je umístěn vláknový systém. Pro prostory
s volným přístupem je maximální povolený výkon v jednovidovém vlákně
na vlnové délce 1550 nm 1,27 W, systém APR musí však maximálně během 1
s snížit výkon na úroveň nebezpečí 1. Pro kontrolovaný přístup je povolený
maximální výkon až 2,649 W, který během maximálně 3 s musí být omezen
na úroveň nebezpečí k x 3A.
5. BEZPEČNOSTNÍ OPATŘENÍ
Pro bezpečnou práci na vláknových komunikačních systémech se doporučuje dodržovat následující základní bezpečnostní postupy a opatření:
1. Nikdy nesledovat konec optického vlákna, pokud se nepřesvědčíme,
že tam není výkon.
2. Optické kabely musí být příslušně označeny pro odlišení od jiných
kabelů.
3. Každý optický konektor, kde může být větší výkon než úroveň nebezpečí 1 musí být označen výstražným štítkem. Pokud jsou konektory umístěny v rozvaděči, pak je vhodnější označit výstražnými štítky (jeden zvenku,
druhý uvnitř) rozvaděč. Pokud může být překročena bezpečná úroveň nebezpečí pro daný typ prostoru (viz tabulka 2), pak konektor nesmí být snadno rozpojitelný a musí vyžadovat použití nástroje.
4. Kde je to možné, musí být servis, údržba a opravy prováděny na vláknech bez výkonu, jinak musí být systém provozován na nejnižším možném
výkonu.
5. V prostorech s úrovní nebezpečí 3A, k x 3A nebo 3B, se musí používat
ochranné brýle s odpovídajícím útlumem a obsluha nesmí sledovat přímo
konce vláken nebo konektorů.
6. Na systémech s optickými vlákny s úrovní nebezpečí k x 3A nebo 3B
smějí pracovat pouze osoby, které absolvovaly školení o bezpečnosti optických vláknových systémů.
Literatura
[1] M.Kucharski: Radiační bezpečnost laserových zařízení v optických komunikacích, seminář Měření a údržba sdělovacích kabelů XXVI, České Budějovice, 3. – 4. 5. 1995.
[2] ČSN EN 60825-1 Bezpečnost laserových zařízení Část 1: Klasifikace zařízení, požadavky a pokyny pro používání, květen 1997 plus Změna A11, srpen
1998.
[3] ČSN EN 60825-2 Bezpečnost laserových zařízení Část 2: Bezpečnost komunikačních systémů s optickými vlákny, červen 1997 plus Změna A1, únor
1999.
[4] B.Koelbl, C.Hill, J.Youdes: Laser eye safety for DWDM networks, LIGHTWAVE, September 2000.