Fibra Optica

FIBRA OPTICĂ

5.1. GENERALITĂȚI

Fibra optică (FO) este o fibră de sticlă sau plastic care transportă lumină de-a lungul său [Wikipedia]. FO sunt folosite pe scară largă în domeniul telecomunicațiilor, unde permit transmisii pe distanțe mai mari și la lărgimi de bandă mai mari decât alte medii de comunicație.

Fig. 5.1. Cablu audio din FO tip TOSLINK, iluminată la un capăt

Fig. 5.2. Structura FO monomodale:1-miez ϕ8μm 2-teacă ϕ125μm, 3-tampon ϕ250μm, 4- inveliș 400μm

Fibrele sunt utilizate în locul cablurilor de metal deoarece semnalul este transmis cu pierderi mai mici, fiind imune la interferențe electromagnetice. FO sunt utilizate și pentru iluminat și transportă imagine, permițând astfel vizualizarea în zone înguste. Unele fibre optice proiectate special sunt utilizate în diverse alte aplicații, inclusiv senzori și laseri

O fibră optică este un ghid de undă dielectric cilindric ce transmite lumina de-a lungul axei sale, prin procesul de reflexie internă totală. Fibra constă dintr-un miez înconjurat de un strat de substanță (teacă). Pentru a păstra semnalul optic în miez, indicele de refracție al miezului trebuie să fie mai mare decât cel al tecii. Limita dintre miez și teacă poate fi fie abruptă, în fibra cu salt de indice, fie gradat, în fibra cu indice gradat.

Conectarea FO una de alta este mai complexă decât cea a cablurilor electrice. Capetele fibrei trebuie atent tăiate și apoi unite mecanic sau prin sudare cu arc electric. Pentru conexiuni demontabile se folosesc conectori speciali.

Fig. 5.3. Refracția luminii la intrarea în fibră și reflexia totală în interiorul fibrei

5.1.1. Parametrii Fibrei Optice

Unghi de acceptare:

Atunci când o lumină este injectată într-o deschidere a unei fibre (Fig.5.4), aceasta este refractată în raport cu normala, producând o valoare ceva mai mare pentru acest unghi incident, numit unghi de acceptare. Deoarece această deschidere în fibră este în realitate tridimensională, unghiul de acceptare este unghiul de con, numit conul de acceptare.

Fig. 5.4. Conul de acceptare al fibrei

(5.1)

Apertura numerică:

Valoarea sinusoidală a unghiului de acceptare este definită ca apertura numerică (NA) și se calculează cu ajutorul indicelui de refracție al celor două materiale implicate.

(5.2)

(5.3)

Frecvența normalizată. Moduri:

O trăsătură distinctivă importantă a diferitelor tipuri de fibre optice este frecvența normalizată (V) și numărul de moduri (N):

(5.4)

Unde:λ este lungimea de undă în μm, iar k – număr de lungimi de undă de lumină pe 2π unități de lungime.

Nr. de moduri, care pot trece prin miezul fibrei depinde de parametrul V și poate fi aproximată de fibre cu salt de indice (step index). Nr. de moduri de N este aproximat prin:

(5.5)

Pentru o fibră cu salt de indice cu g = ∞, numărul de moduri N este aproximat prin:

(5.6)

Pentru o fibră cu indice gradat cu g = 2 (normal parabolică), nr. de moduri N este aproximat prin:

(5.7)

OBS: Dacă nr. de moduri s-ar reduce (se reduce parametrul V), unul sau mai mulți dintre următorii parametri trebuie să fie schimbați, așa încât:

Diametrul miezului este micșorat,

Apertura NA este micșorată,

Lungimea de undă a luminii este mărită.

Frecvența de tăiere a modului fundamental (LP01-modul) :

Într-o fibră cu un profil cu salt de indice (g = ∞), care asigură transmiterea luminii într-un singur modul, modul fundamental, impune ca V ≤ 2.405 = Vc. O fibră care îndeplinește această cerință se numește o fibră unimodală.

Constanta Vc = 2.405 este valoarea obținută atunci când x modul fundamental al funcției Bessel J0(x) face prima trecere prin zero. Funcțiile Bessel arată că curbe sinusoidale atenuate sunt comune în descrierea de propagare a undei în ghiduri de undă simetric cilindrice, cum ar fi cablu coaxial, ghiduri de undă cu goluri (microunde) și fibră optică.

Fig. 5.5. Graficul funcției Bessel

Indicele c al constantei Vc reprezintă lungimea de undă de tăiere. La calculul lungimii de undă de tăiere, valoarea Vc trebuie să fie calculată pentru profilul indicelui fibrei existente. Pentru o fibră unimodală, Vc = 2.405. Lungimea de undă de tăiere se poate calcula cu formula:

(5.8)

5.1.2. Fabricarea Fibrei Optice

Proiectarea și execuția FO este aproape similară cu cea a cablului de cupru. În general se face prin 2 metode: metode continui și discontinue, iar mai nou se utilizează metode aditive de depunere din stare de vapori.

a. Metode continui de fabricare a FO:

Metoda celor 2 creuzete: creuzetele au dimensiuni diferite având partea inferioară profilată conform fig.5.6, cel mai mic în interiorul celui mai mare. Între cele 2 creuzete "picură" materialele din care se face miezul și învelișul. Cuptorul are rolul de a topii materialele, după care fibra este trasă pe un tambur rotitor.

Fig. 5.6. Metoda celor 2 creuzete

Metoda creuzetului rotitor: prin cele 2 brațe ale creuzetului se introduc amestecurile de gaze menționate in fig.5.7, care reacționează în regiunea de temperatură mare a lămpilor cu oxihidrogen.

Fig. 5.7. Metoda creuzetului rotitor

Rotirea cuptorului se realizează astfel încât SiO2+B (materialul de înveliș) să se depună deasupra compoziției SiO2+Ge+P (miez), după care fibra se trage similar cazului precedent pe un tambur rotitor.

b. Metoda discontinuă de fabricare FO:

Pe un tub cilindric cu o lungime dată se depun mai multe starturi de SiO2 (eventual inițial SiO2 dopat cu B peste care se depune SiO2 dopat cu Ge, P), în timp ce o lampă cu oxihidrogen amorfizează fiecare strat, obținându-se astfel fibra ce are un profil dorit, dar de dimensiune foarte mare. Apoi, fibra se poate trage, similar cu cazurile anterioare, pe un tambur rotitor topind un capăt al ei.

Fig. 5.8. Metoda discontinuă de fabricare a FO

c. Metoda depunerii din stare de vapori:

Depunerea chimică de vapori modificată (MCVD): constă în depunerea de SiO2 ultrapur (dopat cu Ge pentru miez) pe suprafața interioară a unui tub de sticlă, apoi transformând tubul prin creșterea căldurii utilizând flacără de gaz sau microunde, astfel încât prin contractările tubului să se obțină o bară solidă de sticlă de aproximativ 20-40 mm în diametru și 1000 mm lungime.

Fig. 5.9. Procesul tehnologic de obținerea a FO utilizând metoda MCVD

Depunerea exterioară de vapori (OVD): este un proces cu durată mai scurtă și mai eficient ca cel MCVD, cuprinzând 3 etape:

Faza 1-a, Depunerea: are loc depunerea pulberii de SiO2 pe o bară subțire. Un flux fierbinte de funingine trece peste suprafața barei, dintre care unele aderă la bară, care în timpul rotirii se deplasează axial o dată cu trecerea arzătorului. Se constituie un semifabricat (preformă) poros prin depuneri succesive de straturi, unele dintre particule fiind sinterizate. Procesul se încheie când este depus pe miez și teacă o cantitate suficientă de material, iar bara de pornire este atent extrasă din preformă.

Fig. 5.10. Procesul OVD – faza 1-a de obținere a preformei FO

Faza a 2-a, Procesul de sinterizare: preforma poroasă este preîncălzită într-o atmosferă de gaz Cl2, prin care se evaporă apa, apoi se încălzește într-un cuptor electric la 1600-2000oC, unde se face solidificarea și eliminarea bulelor din bara de sticlă într-o atmosferă controlată. Adâncitura din bara de pornire, în general, se prăbușește și siguranțele în timpul acestei faze.

Fig.5. 11. Procesul OVD – faza a 2-a, preforma poroasă este transformată într-o bară solidă de sticlă

Faza a 3-a, Tragerea fibrei în cablu: Preforma, cu sau fără centrul său gol, se încălzește la 1800-2300°C, moment în care o fibră poate fi trasă din preforma, având loc laminarea FO.

Fig. 5.12. Procesul OVD – faza a 3-a, tragerea fibrei în cablu

Depunerea în fază axială de vapori (VAD): metoda este similară cu cea OVD, prin care particulele de funingine sunt depozitate axial în această metodă, nu radial ca în metoda OVD.

Fig. 5.13. Procesul tehnologic de obținere a FO utilizând metoda VAD

Procesul de fabricație constă într-un mecanism de deplasare axială a semifabricatului (preforma), cameră de reacție, arzător, unitate vaporizarea pentru materia primă constitutivă, și o unitate de control. Semifabricatul este tras încet, pe verticală, în sus, prin echipamentul de fabricație. Materiile prime (SiCI4, GeCl4 și POCI3) sunt injectate în același mod ca în metoda OVD; un arzător de gaz oxigen-hidrogen este utilizat și particule de sticlă extrem de fine, formate în reacții de hidroliză la flacără se depun pe suprafața de capăt a unui material de umplutură deja depus, care funcționează ca un substrat de creștere. Semifabricatul poros creste axial și este deplasat axial la rata de creștere. Semifabricatul este deshidratat și consolidat într-o bară transparentă într-o formă de inel cuptor de rezistență din grafit încălzită electric. Pentru depunere se pot utiliza unu până la trei arzătoare, obținându-se indexuri cu profile diferite prin varierea nr. de arzătoare și conținutul̸proporția de materii prime utilizate. În timpul consolidării, preforma este deshidratată într-o atmosferă controlată de gaz de Cl2. O teacă mai groasă se poate obține printr-o depunere suplimentară pe suprafața barei preformei sinterizate, rezultând preforme foarte mari.

5.2. TIPURI DE FIBRĂ OPTICĂ

Lumina este dirijată prin miezul FO cu ajutorul reflexiei interne totale. Aceasta face fibra să se comporte ca un ghid de undă. După nr. căilor de propagare sau a modurilor transversale, FO se clasifică în:

Fibre monomodală (SMF) – suportă un singur mod transversal de propagare. Se utilizează pentru comunicații pe distanțe de peste 550m.

Fibre multimodale (MMF) – suportă mai multe căi de propagare sau moduri transversale. Au în general un diametru mai mare al miezului, fiind utilizate în comunicații pe distanțe mai scurte și în aplicații ce necesită un transfer mare de putere:

Cu salt de indice (multimode step index),

Cu indice gradat (multimode graded index).

Fig. 5.14. Tipuri de fibră optică

Dacă indicele de refracție pentru un ghid de unde optică este perceput ca o funcție de raza ghidului de undă lui, expresia "profil index" poate fi folosit pentru a descrie modul în care lumina este condusă prin ghidul de undă. Profilul de index indică modul în care indicele de refracție se schimbă de la axa centrală a ghidului de undă de la periferia sa, sau armătură (cladding). Lumina va fi condusă și/sau refractate în conformitate cu acest profil. Indicele de refracție este dat ca o funcție de raza: n=n(r). Propagarea modurilor de lumină într-un ghid de undă depinde de profilul de index.

Fig. 5.15. Reprezentarea grafică a trei moduri diferite, cum acestea pot schimba indicele de refracție în miezul unei fibre optice

Fig. 5.16. Profilul indicelui de refracție printr-o fibră optică

Indicele de profil (index profile) se poate exprima prin formulele, cu numeroase semnificații practice, în special pentru fibrele multimodale:

(5.9)

Unde pentru teaca FO (cladding): , iar: n1 – indicele de refracție pentru teaca FO; n2 – indicele de refracție pentru miezul FO (ghid de undă); Δ – diferențială pentru indicele de refracție normalizat; r – distanța de la axa centrală a fibrei în μm; a – raza fibrei în μm; g – index de profil.

Expresia indicelui de refracție normalizat este legat de apertura numerică (NA), sau ambii indicii de refracție n1 și n2, după cum urmează:

, pentru (5.10)

Pentru indexul de profil "g", există o serie de cazuri speciale demn de reținut:

g = 1, pentru indexul de profil triunghiular,

g = 2, pentru indexul de profil parabolic,

g = ∞, pentru indexul de profil cu salt de indice (rectangular step index profile).

Fibra monomod (Single-Mode Fiber SMF):

Fibra monomodală se utilizează de obicei la transmisii de telecomunicații pe distanțe lungi. Pentru o fibră de tip SMF standard avem cea mai mică dispersie în jur de 1310nm, iar cea mai mică atenuare în jur de 1550nm. Valorile tipice ale fibrei SMF sunt: 2a (diametrul miezului) = 5-12μm, D (diametru tecii) = 125μm, n2 (miez) = 1,4485, n1 (teacă) = 1,4440, indicele refractiv diferențial 0,003 (0,3%). Fig.5.17 arată profilul index (albastru) și refracția luminii dintr-o fibră monomodală. Pentru diametru miezului d=2a=8,5μm, NA=0,11 se poate determina λc:

nm.

Fig. 5.17. Drumul energiei într-o fibră monomodală (SMF)

Fibra multimodală cu salt de indice (MMF with step index):

Dacă o fibră cu profil rectangular al indicelui (fibre din material plastic, fibră de sticlă sau simplu, cu miez de cuarț și placare plastic) va fi utilizată la transmiterea luminii folosind principiul reflexie totală, indicele de refracție n2 al miezului trebuie să fie mai mare decât cel al tecii n1. Dacă indicele de refracție al miezului este constant pe întreaga rază a miezului, fibra se numește fibră cu salt de indice. Fig.5.18 arată profilul index (albastru) și refracția luminii dintr-o fibră cu un profil de salt de indice. Valorile tipice acestei fibre sunt: 2a = 100μm (sticlă) ̸ 980μm (plastic), D = 140μm (sticlă) ̸ 1000μm (plastic), n2 = 1,48, n1 = 1,45, NA intre 0,2 și 0,5. Se utilizează în aplicații pe distanțe mici. Principalul dezavantaj al acestor fibre este banda mică datorită dispersiei multimodale.

Fig. 5.18. Drumul energiei într-o MMF cu salt de indice. Unghiul (90º-α)<β

Fibra multimodală cu indice gradat (MMF with graded index):

O fibră multimod cu profil dreptunghiular transmite un nr mare de moduri, fiecare dintre acestea are o lungime de drum diferită prin fibrei, deci, fiecare ajunge la un moment ușor diferit (denumită dispersie modală) la celălalt capăt al fibrei. O fibră care are un profil de index ce variază quadratical cu g = 2 este denumit MMF cu indice gradat. În fig. 5.19 s-au prezentat 4 unde de lumină (moduri): una care trece de-a lungul axei centrale a fibrei, unde indicele de refracție este la maxim; una de ordin inferior de undă a luminii (modul) și două unde de ordin superior (moduri). Dacă variația indicele de refracție din fibră poate fi făcută cât mai aproape de o variație parabolică din centrul miezului spre teacă, atunci dispersia modal va fi foarte mică, astfel încât acesta are un maxim n2 în centrul fibrei și scade la minim n1 la punctul de cuplare, pentru teacă. Dispersia în MMF cu indice gradat determină o diferență de timp mai mică de 1ns la peste 1km de fibră.

Fig. 5.19. Drumul energiei într-o MMF cu indice gradat.

Fibra MMF cu indice gradat reprezintă un compromis între eficiența de cuplaj și bandă largă. Ea se construiește dintr-un miez având un profil neuniform al indicelui de refracție. Valorile tipice acestei fibre sunt: 2a = 50μm sau 62,5μm, D = 125μm, n2 = 1,46, indicele refractiv diferențial 0,010 (10%), NA = 0,2.

5.3. ATENUAREA PRIN FIBRA OPTICĂ

Atenuarea într-o fibră din silica, la frecvențe joase, are trei cauze:

Împrăștierea Rayleigh

Absorbția

Pierderile de curbură.

La frecvențe mari, aceste pierderi sunt legate de banda fibrei. La debite mici atenuarea (fiber loss) determina in principal lungimea unui tronson de amplificare iar la debite mari, dispersia fibrei limitează lungimea unui tronson de regenerare.

Împrăștierea Rayleigh este cauzată de neuniformitățile microscopice și de indicii acestora de refracție. O rază de lumină este parțial împrăștiată în toate direcțiile, astfel încât o anumită parte din energia ei se pierde, atenuarea sa fiind proporțională cu 1̸ λ4.

Absorbția depinde de materialele nedorite din fibră. Apa (ionii OH) este absorbantul cel mai important în majoritatea fibrelor, creând un maximum de pierderi optice la 1.25 și 1.39μm. Peste 1.7μm sticla începe să absoarbă energia datorită rezonanței moleculare a SiO2. Astfel la proiectarea sistemelor de comunicații pe fibră să se prefere lungimile de undă de 1300 nm și 1550 nm.

Fig. 5.20. Atenuarea în dB̸ km într-o FO funcție de lungimea de undă

Puterea optică scade exponențial în lungul fibrei:

(5.11)

Unde: P(x) – puterea optică la distanța x de la intrare, P0 – puterea optică la intrarea fibrei, iar α′ – coeficientul de atenuare [1̸ km].

Relația (5.11) se poate exprima și în dB (α=4,35 α′), iar α – coeficientul de atenuare [dB ̸ km]:

(5.12)

Fig. 5.21. Atenuarea intr-o FO funcție de lungimea de undă

5.4. DISPERSIA PRIN FIBRA OPTICĂ

Lumina de traversare printr-un ghid de undă este supusă la distorsionarea, iar lumina emisă va fi eșalonată în timp. În domeniul fibrei optice aceasta se numește dispersie.

Există două tipuri diferite de dispersie:

Dispersia intermodală – apare în fibrele multimodale,

Dispersia intramodală (cromatică) – apare în fibrele unimodale, precum și în cele multimodale.

Dispersia se exprimă de obicei în ps/nm/km și permite aflarea întârzierilor apărute între moduri (lățirea impulsurilor) pentru o anumită lățime spectrală și o anumită distanță parcursă:

(5.13)

, unde L = kλ.

Dispersia Intermodală:

Un puls de lumina ce se propagă într-o fibră multimodală trebuie considerată ca un nr. mare subpulsuri, având fiecare propriul sau unghi de incidență. Deci, aceste impulsuri luminoase vor urma căi diferite prin fibră, iar lungimea traseului razei variind funcție de unghiurile de incidență și refracție. Astfel, lumina emisă simultan va ajunge la capătul fibrei puțin diferit, acestea fiind descrise ca o lărgire a impulsului datorate creșterii sale în durată. Fenomenul este extrem de dăunător în comunicarea fibrei optice.

Fig. 5.22. Deoarece diferitele moduri urmează căi diferite prin fibra, un puls de lumină este extins proporțional cu lungimea fibrei.

Spre ex.: o lumină se propagă printr-o FO cu lungimea de 1km în aproximativ 5μs, iar diferența de timp va fi δt = 50 ns. Deci, întârziere de moduri individuale distorsionează semnalul original sau puls de lumină.

Dispersia modală poate cauza:

O reducere a capacității de transmisie (Mbit̸ s),

O reducere a distanței de transmisie.

Există o anumită reducere "naturală" ale efectelor dispersiei modale într-o fibră. Modurile individuale cooperează între ele și asigură transferul de energie la și de la alții. Regimurile de ordin inferior (modurile cu unghi mai mic față de axa fibrei) devin moduri de ordin superior (moduri cu unghi mai mare față de axa fibrei) după transferul de energie. Modul de cuplare are loc la punctele de impurități în miezul, la suduri, sau la coturile fibrei.

Dispersia modală poate fi complet eliminată prin reducerea diametrului miezului, astfel încât un singur mod, modul LP01 să poate fi propagat în fibră, o fibră unimodală.

În fibrele moderne, a fost posibilă reducerea modului de cuplare prin creșterea calității fibrei, materializat printr-o anumită neutralizare a diferenței de timp δt. Această diferență nu crește liniar cu lungimea fibrei L, ci conform relației:

(5.14)

Dispersie Intramodală sau Cromatică:

Acest tip de dispersie într-o fibră poate fi de 2 feluri:

Dispersie de material

Dispersia ghidului de undă.

Chiar dacă dispersia intermodală este complet eliminată, permițând propagarea prin fibră monomodală doar a modului fundamental, există totuși încă dispersie în acest mod. Această denaturarea se numește dispersie intramodală și dispersie modală de polarizare (MPD).

Dispersia de material și dispersia ghid de undă tind să se anuleze reciproc în lungimi de undă apropiate de 1310 nm, unde dispersia cromatică este zero. Pentru lungimi de undă mai scurte, dispersia cromatică este negativă, iar pentru lungimi de undă mai lungi este pozitivă. Dispersia materialului poate fi schimbată doar prin modificarea compoziției de sticlă în miezul fibrei și elementele. Dispersia ghid de undă este datorată de profilul ghidului de undă și poate fi modificată doar prin schimbarea profilului indicelui de refracție.

Fig. 5.23. Dispersii diferite de zero prin schimbarea fibrelor

Motivul principal pentru dispersia cromatică este sursa de lumină de transmisie. Un laser nu este în întregime monocromatic, ceea ce înseamnă că fiecare impuls luminos emis conține lumină care este atât spre capătul roșu, cât și spre sfârșitul albastru a spectrului de lungimea de undă utilizat. Aceasta se numește lățime spectrală, iar pentru o gamă de lungimi de undă din banda 1 – 1,5 μm, o diodă laser are o lățime spectrală de 0.1 – 1 nm și o diodă emițătoare de lumină (LED) cu o lățime spectrală între 50 – 100 nm.

Dispersia cromatică este zero, sau aproape de zero la 1310 nm pentru o fibră monomodală. Atenuarea minimă a fibrei are loc la 1550 nm. Acest lucru a condus la fibre speciale, fiind fabricate astfel ca dispersia de trecere prin zero să fie deplasată spre lungimi de undă mai mari.

Fig. 5.24. Dispersia cromatică este suma de dispersia de material și cea de ghid de undă

Fig. 5.25. Pulsuri lărgite prin dispersie. În fibra unimod, apare dispersia intramodală și PMD; în fibra multimod, dispersia modală produce cea mai mare cantitate de lărgire de puls.

5.5. TRANSMISII. PIERDERI

5.5.1. Transmisii prin Fibra Optică

Transmiterea informației în lungul unei fibre optice necesită un emițător capabil să transforme semnalele electrice în semnale luminoase. Aceste semnale electrice pot fi analogice, caz în care informația este reprezentată de variațiile intensității luminii, sau în impuls, caz în care informația este reprezentată de un tren de pulsuri luminoase. În comunicațiile digitale pe o fibră optică se utilizează un emițător optic în impuls care transformă impulsurile electrice în impulsuri luminoase.

Fig. 5.26. Transmisia optică

Receptorul optic în impuls convertește semnalele luminoase în pulsuri de tensiune. În funcționare normală, semnalele luminoase ajung ca impulsuri, dar cu o formă de undă diferită de cea dreptunghiulară datorită zgomotului sau atenuării. Durata impulsurilor generate este dictată de timpul cât pulsul de intrare depășește acea valoare prescrisă.

Avantajele comunicării prin FO:

Greutate și volum

Costul materialelor primare (SiO2 ̸ Cu)

Capacitatea de transmisie a informației (14 Tbit ̸ s la 160 km)

Lipsa conexiunilor electrice) bucle de masă (1-2V ̸km), siguranță în exploatare, imunitate la fulgere, lipsa scânteilor)

Imunitate la interferența electromagnetică

Distanța între receptoare 100km ̸ 2-5km

Posibilitatea de creștere a capacității de transmisie a informației

Securitate (interceptare dificilă și detectabilă, înserare de semnal practic imposibilă).

Dezavantajele comunicării prin FO:

Conexiuni complexe și esențiale (costul circuitelor integrate ridicat de cuplarea luminii la fibră)

Curbarea cablurilor optice

Dezvoltarea greoaie a standardelor

Optica folosită strict pentru transmisie (de aproape, EDFA Erbidium Dopped Fiber Amplifier)

Sensibilitate la radiațiile gama și câmpuri electrice intense

Rozătoare și termite.

Fig. 5.27. Cele mai importante tipuri de fibre utilizate la conexiuni de fibre optice

Fig. 5.28. Benzi de lucru în comunicațiile optice

5.5.2. Pierderi prin Fibra Optică:

Fig. 5.29. Pierderi prin fibra optică, benzi și lungimi de undă

Se referă la pierderile pe care le suferă fibrele optice conectate prin îmbinare, fiind datorate mai multor factori, dintre care cei mai importanți sunt următorii:

Apertura Numerică (NA): apare numai la trecerea de la apertură numerica mai mare (NAt transmisie) la apertură numerica mai mica (NAr recepție), în cazul fibrelor îmbinate:

(5.15)

Fig. 30. Pierderi prin fibră datorate NA

Diametrul Miezului: apare numai la trecerea de la un diametru mai mare la un diametru mai mic, în cazul FO îmbinate:

(5.16)

Unde ϕ1 și ϕ2 sunt diametrele de bază (miezuri) ale fibrelor multimod conectate.

(5.17)

Unde w1 și w2 sunt diametrele modale de câmp ale fibrelor unimod conectate.

Fig. 5.31. Pierderi prin fibră datorate diametrului miezului

Nealinierea Axelor:

Fig. 5.32. Grafic de pierdere printr-un conector cu nealiniere radială între cele două fibre.

Fig. 5.33. Diferențele de diametrul miezului are un efect mai mare asupra unui racord mecanic decât pe o lipitură de fuziune.

Deviația unghiulară:

Fig. 5.34. Grafic de pierdere cauzată de deviație unghiulară între capetele de fibre de întâlnire.

Distanță:4

Fig.5. 35. Grafic de pierdere cauzat de separarea longitudinală

Suprafața finisată:

Fig. 5.36. O finisare slabă a suprafețelor de capăt ale fibrelor favorizează pierderile acestora la îmbinare

5.6. CABLURI. CONEXIUNI

Utilizarea fibrelor optice de poate face individual (cordon de fibră) sau grupate în cabluri. Elementele principale ale unui cablu din FO sunt: miezul cablului, înfășurările (material plastic, aramidă, kevlar), element central de rezistență, interstițiile cu aer sau gel, tuburi protectoare, fibrele optice, mantaua cablului, cablul din oțel (la cabluri aeriene).

Construcția cablului: în jurul elementului central de rezistență se răsucesc tuburi largi, protectoare cu FO. Elementul central se poate utiliza ca element de rezistență. Înfășurările (material plastic, Kevlar) se realizează peste elementul central și tuburile largi în așa fel încât să asigure miezului o formă rotundă. Tuburile protectoare largi sunt alcătuite dintr-o țeavă mică din plastic în interiorul căreia se află una sau mai multe FO. Mantaua se poate realiza din PE (polietilenă), PVC (policrorura de vinil), FEP (etilen propilenă flourată), EVA (copolimer etilen̸ acetate de vinil). Cablul de oțel reprezintă elementul de susținere aeriană a cablului cu FO.

Fig. 5.37. Fibra monomod cu acoperire primară Fig. 5.38. Cablu FO multifibră

La alegerea fibrelor optice si conductoarelor, în vederea utilizării acestora la fabricarea cablurilor de telecomunicații, se tine seama de:

geometria fibrei;

deschiderea numerica(NA)

atenuarea fibrei (dB/km);

lărgimea benzii de transmisie(MHz);

rezistenta mecanica maxima permisa la întindere

tipul conectorilor;

factorul de cuplaj;

natura sursei(LED sau LASER);

mediul de funcționare;

raza de curbură minimă admisă;

temperatura de funcționare;

rezistenta la șocuri si vibrații;

funcția de transfer.

Proprietățile tubului:

nedeformabil;

rezistent la întindere;

flexibil;

protecție împotriva influentei mediului;

ușor de denodat;

permite micșorarea fibrei în tub fără ca ea să fie supusa la tensiuni mecanice.

Fibrele optice sunt torsodate în tub, astfel că exista un exces de lungime față de lungimea cablului. Tuburile protectoare strânse sunt reprezentate de un înveliș solid de plastic lipit de fibra. În aceste tuburi fibra nu este lejeră. astfel că ea poate suferii la tracțiuni mari. Tuburile protectoare hibride-aceste tuburi combină tipul de protector larg cu tipul de protector strâns, iar între tipul de protector și fibra există un start alunecos.

Clasificarea cablurilor cu FO:

a. după tipul fibrei:

cabluri cu FO monomod

cabluri cu FO multimod

b. după modul de pozare:

cabluri subterane

pozate în canalizare

cabluri aeriene

cabluri subacvatice

cabluri de interior

c. după nr. de FO conținute: 1, 2, 6, 12, 24, 32, 48, 72, 144.

Fig. 5.39. Cablu FO cu miez circular

Fig. 5.40. Cablu FO cu miez în fante. Fluaj de FO datorită modificărilor de temperatură

Fig. 5.41. Placă de cupru format într-un tub Fig. 5.42. Cablu hibrid (Cu și FO) instalat

și sudată electric la o încapsulare impermeabilă de-a lungul căilor ferate

Fig. 5.43. Cablu panglică cu 864 de fibre

Fig. 5.44. Conectori utilizați la cabluri cu FO