Fibre Optice ȘI Componente Optice

=== Fibre optice si componente optice ===

LUCRAREA NR. 2

FIBRE OPTICE ȘI COMPONENTE OPTICE

1. Scopul lucrării

Obiectivul acestei lucrări este cunoașterea fibrelor și componentelor optice și calculul bugetului optic.

2. Considerații teoretice

2.1 Fibre și componente optice

Odată cu scăderea accentuată a prețului fibrei optice, și a echipamentelor de comunicație corespunzătoare, aceasta a devenit mediul preferat pentru noile conexiuni de exterior, de mare viteză, folosindu-se uneori și în interiorul clădirilor.

Fibra optică conține un fir foarte subțire numit miez, de ordinul zecilor de microni (μ), care constituie un ghid de undă pentru lumină, realizat din sticlă obținută dintr-o combinație de dioxid de siliciu și alte elemente. În cazul fibrei multimod indicele de refracție al sticlei scade de la centru spre exterior. Acest tip de sticla se numeste sticlă cu index variabil sau gradat și permite diferitelor moduri luminoase să ajunga la receptor in același moment. În cazul fibrei monomod indicele de refracție al sticlei este constant. Acest tip de sticlă se numește sticlă cu index pas. Miezul este învelit de un material realizat din dioxid de siliciu având un indice de refracție mai mic decât al miezului numit imbrăcăminte. Pentru a proteja îmbrăcămintea, aceasta este învelită într-un material plastic. Acest inveliș se numește protecție și este învelit la rândul său de un material întăritor, de obicei Kevlar, care conferă rezistență fibrei în momentul instalării. Ultimul inveliș este mantaua care protejează fibra împotriva materialelor abrazive, a solventilor și a altor factori. Culoarea mantalei în cazul fibrei optice multimod este de obicei portocaliu și în cazul fibrei optice monomod este de obicei galben. Fiecare cablu de fibră optică este compus din doua fibre invelite separat, o fibră fiind folosită pentru transmisie și alta pentru recepție, asigurându-se în acest mod o legatură full-duplex. Un cablu de fibră optică poate contine de la 2 până la 48 de fibre separate invelite într-o teacă. Figura 2.1 prezintă o secțiune transversală prin fibra optică.

Figura 2.1 Secțiune transversală prin fibra optică

Pentru ca semnalul luminos să fie reflectat fără pierderi trebuiesc îndeplinite următoarele două condiții:

fibra optică trebuie să aibă un indice de refracție mai mare decât materialul care o înconjoară;

unghiul de incidență al semnalului luminos trebuie să fie mai mare decât unghiul critic al fibrei și al materialului care o inconjoară. Unghiul de incidenta al semnalului luminos poate fi controlat cu ajutorul următorilor doi factori:

apertura numerică a fibrei este gama unghiurilor semnalului luminos pentru care reflexia este totală;

modurile reprezintă căile pe care semnalul luminos le poate urma.

Miezul fibrei multimod are diametrul suficient de mare încât să permită mai multe moduri (mai multe căi) semnalului luminos. Cablurile de fibră optică multimod standard folosesc miezul cu diametrul de 62,5μ sau 50μ și îmbrăcămintea cu diametrul de 125μ. Acestea sunt de obicei referite ca și fibre optice de 62.5/125μ sau 50/125μ. De obicei, sursele de lumina folosite cu fibra multimod sunt Infrared Light Emitting Diode (LED) sau Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL). LED-urile sunt mai ieftine și necesită mai puține măsuri de siguranță decât laserele. Dezavantajul LED-urilor este că nu pot transmite semnalele luminoase la distante la fel de mari ca și laserele. Fibra multimod de 62.5/125 poate transmite date la distante de până la 2000m. Pierderea pe km de fibră optică multimod este specificată de producător și are valori cuprinse în intervalul 1-2dB/km.

Miezul fibrei monomod are diametrul suficient de mic încât să permită doar un singur mod (o singură cale) semnalului luminos, acesta fiind transmis în linie dreaptă prin mijlocul miezului. Cablurile de fibră optică monomod folosesc miezul cu diametrul între 8μ și 10μ. Cele mai folosite fibre optice monomod au diametrul de 9μ și îmbrăcămintea cu diametrul de 125μ. Acestea sunt de obicei referite ca și fibre optice de 9/125μ. Sursa de lumină folosită cu fibra monomod este laserul infraroșu. Se recomandă precauție atunci când se folosește laserul ca și sursă de lumină deoarece acesta poate afecta ochii. Fibra monomod poate transmite date la distanțe de până la 3000m. Pierderea pe km de fibră optică monomod este specificată de producator și are valoarea de aproximativ 0,5dB/km.

În fibra optică lumina suferă pe lângă propagare două fenomene principale: atenuare și dispersie. Atenuarea sau absorbția se datorează în principal prezenței ionilor hidroxil -OH și a diferiților ioni de metale. Lumina poate fi de asemenea împrăștiată de microcristale, mai mici decât lungimea de undă, care se formează la răcirea sticlei. Atenuarea limitează utilizarea fibrei

optice în lungime. Dispersia sau lărgirea lățimii impulsurilor se datorează în fibra multimod lungimii diferite pe care o au diferitele moduri. O altă dispersie cea cromatică este datorată variației indicelui de refracție în funcție de culoarea sau lungimea de undă a luminii. Dispersia limitează utilizarea fibrei optice în frecvență sau lărgime de bandă. Cele două limitări înmulțite caracterizează cel mai corect o fibră optică. Valori de 20MHz-km se obțin pentru fibra cu index pas, de 1GHz-km pentru cea cu index variabil și de 1000GHz-km pentru cea monomod la care nu există dispersie modală.

Transmițătoarele pentru fibra optică convertesc semnalele electrice în pulsuri luminoase echivalente. Există două tipuri de surse de lumină folosite de transmițătoarele pentru fibra optică:

LED-ul care produce lumina în infraroșu având lungimea de undă de 850nm sau 1310nm. Acestea sunt folosite cu fibre multimod. Cuplarea la fibra optică poate fi îmbunătățită prin utilizarea unei lentile sferice;

dioda semiconductoare LASER care produce lumina în infrarosu având lungimea de undă de 1310nm sau 1550nm. Acestea sunt folosite cu fibre multimod sau monomod.

Există două tipuri constructive de bază pentru LED-uri: cu emisie pe suprafață și cu emisie pe muchie. La LED cu emisie pe suprafață, emisia luminii are loc perpendicular pe planul joncțiunii printr-un strat subțire transparent. Acestea emit într-un spectru geometric radial. La LED cu emisie pe muchie lumina este emisă într-un plan paralel cu joncțiunea la muchia semiconductorului. Materialele cel mai des utilizate sunt compuși III-V ca GaAs sau AlxGa1-xAs pentru lungimi de undă de 0,8-0,9 μm și GaxIn1-xPyAs1-y pentru lungimi de undă de 1,3-1,6 μm. Spectrul de emisie a unui LED este cuprins între 25-40 μm pentru lungimi de undă mici și 50-100 μm pentru lungimi de undă mai mari.

Diodele semiconductoare LASER, diode laser (LD), se obțin prin introducerea unui LED într-o cavitate rezonantă optic. Efectul de LASER apare numai la existența unui curent direct suficient de mare pentru a se realiza o inversare de populații a electronilor și a golurilor din cele două benzi energetice de conducție și de valență. Valoarea de curent de la care apare acest efect se numește curent limită. Sub acest curent dispozitivul se comportă ca un LED obișnuit. Deoarece lumina emisă de un laser este mult mai coerentă decât cea emisă de un LED, eficiența de cuplare la fibra optică este superioară. De asemenea puterea optică captată de la un laser este mai mare decât cea emisă de LED.

O analiză comparată între cele două tipuri de emițătoare este clar în favoarea LD prin posibilitatea de utilizare la frecvențe mai mari, spectru mai restrâns și în favoarea LED ca preț și stabilitate mai mare a puterii în raport cu temperatura.

Timpul de viață al ambelor dispozitive este egal și de ordinul a 10 milioane ore.

Receptoarele pentru fibra optică convertesc pulsurile luminoase în semnale electrice echivalente. Dispozitivele semiconductoare folosite de obicei de receptoarele pentru fibra optică se clasifică în două tipuri: simple și cu câștig intern. Primele se mai numesc și fotodiode PIN după tipul de dopare (p intrinsec și n) iar cea de a doua categorie se numește APD (Avalanche Photo-Diodes). Aceste dispozitive sunt sensibile la lungimile de undă ale luminii de 850, 1310 și 1550nm, lungimi de undă folosite de transmițătoarele pentru fibra optică. Ca materiale semiconductoare sunt folosite Si pentru lungimi de undă de 800-900 nm și Ge sau InGaAsP pentru 1300 și 1500 nm. Si are sensibilitate optimă doar într-o zonă de frecvențe redusă pe când Ge are un curent de întuneric apreciabil și este mai sensibil la zgomot. Din acest motiv ultima variantă este cea mai bună dar necesită o tehnologie de fabricație mai sofisticată și în consecință are și un preț mai mare.

Pentru a conecta fibre, cu scopul realizării unei fibre mai lungi se folosesc joncțiuni. Joncțiunile sunt de două tipuri: mecanice și de fuziune. Atenuările introduse sunt de ordinul a 0.5dB la joncțiunile mecanice și de 0.1dB la cele de fuziune. La joncțiunile mecanice cele două capete de fibră, atent tăiate, curățate și șlefuite sunt prinse într-o montură mecanică rigidă care le fixează una față de cealaltă într-un ansamblu imobil. Joncțiunile de fuziune se execută prin încălzirea aproape până la punctul de topire. În acest moment cele două fibre sunt lipite una de alta și răcite. Aceste operații sunt precedate de operații de tăiere și finisare a capetelor și de aliniere prealabilă a celor două capete de jonctat. Joncțiunile de fuziune refac și rezistența la tragere/rupere a fibrei la aproximativ 90% din cea inițială.

Conectorii pentru fibra optică permit conectarea fibrelor la porturi. Cei mai folosiți conectori sunt SC (Subscriber Connector) pentru fibre optice multimod si ST (Straight Tip) pentru fibre optice monomod. Atenuarea introdusă de un conector optic, chiar de calitate superioară este mai mare decât cea introdusă de o joncțiune, având valori de aproximativ 1dB. Conectorii sunt echipamente mecanice de mare precizie și de obicei un capăt al fibrei se află în conector iar unul este liber. În acest caz atașarea unui conector se reduce la execuția unei joncțiuni. O astfel de soluție este de obicei mai avantajoasă decât montarea unui conector direct pe capătul fibrei deoarece conectorii prefabricați asigură o precizie de montare mult mai mare. Dacă fibra optică este terminată întrun terminator de fibră optică pentru redistribuire acest conector de capăt se mai numește și pigtail și este de tipul prefabricat. O categorie specială de conectori o constituie cordoanele optice de distribuire sau legătură. Acestea sunt fibre optice speciale cu conectori la ambele capete care permit raze de curbură a fibrei mici de ordinul 2,55 cm. Culoarea acestora este galben pentru fibra monomod și portocaliu pentru fibra multimod.

Repetoarele sunt amplificatoare optice care receptionează semnalele luminoase atenuate ca urmare a distanței parcurse prin fibra optică, refac forma, puterea și parametri de timp a acestor semnale și le transmit mai departe.

Patch panel-urile pentru fibră sunt similare patch panel-urilor pentru cablul de cupru mărind flexibilitatea rețelelor optice.

Instalarea incorecta a fibrelor optice are ca și rezultat creșterea atenuării semnalului optic. Intinderea sau curbarea exagerată a fibrei optice poate cauza mici fisuri ale miezului care vor dispersa semnalul luminos. Curbarea exagerată a fibrei optice poate avea ca urmare scăderea unghiului incident al semnalului luminos sub unghiul critic de reflexie totală. Pentru instalarea conectorilor capetele fibrei trebuiesc taiate si finisate. Dupa instalare, capetele fibrelor optice, conectorii și porturile de fibră trebuiesc păstrate curate pentru a nu introduce atenuări. Înaintea folosirii cablurilor de fibră optică, trebuie testată atenuarea introdusă de acestea. La proiectarea unei legaturi pe fibră optică, trebuie calculată pierderea puterii semnalului care poate fi tolerată. Aceasta se numeste bugetul de pierdere a legaturii optice. Pierderea puterii se masoara in decibeli (dB).

Pentru testarea unei legături prin fibră optică există mai multe procedee: procedeul de măsurare a puterii optice la ieșire, procedeul OTDR și testul BER de rată a erorilor.

Procedeul de măsurare a puterii optice la ieșire determină pierderile de putere prin legătura optică măsurând puterea la ieșire la o putere de intrare cunoscută. Unitatea de măsură pentru puteri optice este miliwattul (mW) insă din considerente practice se utilizează o altă unitate de măsură care măsoră câștigul (G) sau pierderea (L) într-un sistem și anume deciBell-ul (dB).

Procedeul OTDR Optical Time Domain Reflectometer este procedeul prin care se pot vizualiza caracteristicile de atenuare ale unei fibre optice precum și lungimea acesteia. Acest procedeu este singurul prin care se pot detecta pozițiile întreruperilor în fibra optică. OTDR afișează un grafic care are ca axă x lungimea fibrei și ca axă y atenuarea. Din graficul astfel afișat se pot deduce atenuarea fibrei, calitatea joncțiunilor și a conectoarelor. Deasemenea se poate determina poziția rupturilor în cablu dacă extern cablul nu este afectat.

Testul BER (Bit Error Rate) este testul final la care se supune o legătură de date prin fibră optică. Acest test sau criteriu arată la câți biți transmiși prin fibră se produce o eroare datorată fibrei. Testul BER trebuie să îndeplinească cerințele impuse de producătorii de echipamente DTE ce se cuplează la fibra optică. Pentru rețele de calculatoare acestea cer să fie mai mici decât 1 bit de eroare la 109 biți transmiși sau BER < 10-9. Pentru testare este nevoie de un generator de secvențe de bit aleatoare și de o interfață la fibra optică dacă se testează o buclă sau de două dacă se testează o singură fibră. Pentru a avea rezultate semnificative testul trebuie să se desfășoare pe o perioadă suficient de lungă astfel încât să se transmită un număr suficient de mare de biți. Perioade de testare de o zi sau două sunt obișnuite dacă se lucrează la rată de bit mare în utilizarea legăturii prin fibră optică și BER mic. Un numărător poate contoriza automat numărul de erori detectate.

2.2 Calculul bugetului de putere optică

Tabelul 2.1 Calcul buget de putere optica

Observații:

La punctul 3. nu se iau în considerare pierderile de conectare a emițătorului la fibra optică, acestea fiind incluse deja.

Valoarea calculată la punctul 8. trebuie să fie în intervalul de la punctul 9. pentru ca receptorul să funcționeze corect.

Valoarea calculată la punctul 11. trebuie să fie pozitivă pentru a avea o legătură de date optică funcțională.

Marginea de eroare se datorează luării în calcul a unor valori medii pentru toate componentele legăturii. Dispersia acestor valori în jurul valorii medii este cunoscută și se poate lua o margine de eroare suficient de mare ca aceasta să acopere deviațiile de la medie cu o probabilitate de 99,9% sau mai mare.

Cu cât numărul de elemente este mai mare și cu cât se dorește o probabilitate de acoperire mai mare cu atât se va lua o margine de eroare mai mare.

Puterea de emisie optică a emițătorului este o dată de catalog și conține în ea inclusă și pierderea de conectare la un capăt de fibră optică în cazul în care conectarea se face conform recomandărilor. Puterea este mai mare la diode LASER și mai mică la LED. În cazul utilizării de LASER este nevoie pentru distanțe relativ scurte chiar de un atenuator pentru a nu distruge receptorul.

Dinamica receptorului reprezintă plaja de puteri pe care un receptor le poate transforma în semnal electric fără pierderi de informație.

De asemenea este nevoie de o putere optică minimă necesară pentru îndeplinirea condiției de rată de erori tolerată care pentru rețele de calculatoare se situează la valoarea de 1 bit eronat la un miliard de biți transmiși.

2.3 Exemplu de calcul al bugetului de putere optică

Diametrul fibrei optice: Miez 62.5μm/Înveliș 125μm. Apertura numerică a fibrei NA:0,275. Lungimea de undă a echipamentului optic: 1310μm.

Tabelul 2.2

Puterea ajunsă la receptor se încadrează în dinamica receptorului, ceea ce face posibilă funcționarea sa, iar puterea rămasă disponibilă este pozitivă ceea ce ne asigură de o legătură viabilă.

Trebuie ținut cont și de faptul că în cursul vieții legăturii pot apare fenomene de îmbătrânire a materialelor, care duc la creșterea pierderilor de putere, precum și de faptul că fibra optică poate fi ruptă accidental și trebuie joncționată.

Un calcul făcut la limită periclitează durata de exploatare a unei legături prin fibră optică.

2.4 Analiza mediilor fizice

În analiza mediilor fizice se pot alege mai mulți factori de performanță cum ar fi: viteza de transfer, lărgimea de bandă, fiabilitatea sau rata de erori, durata de exploatare, durata medie între două defecte, toleranță la defecte, costuri directe, costuri indirecte, costul per port sau echipament conectat, costul per lărgime de bandă sau costul total per port per lărgime de bandă. Lărgimea de bandă, Lb este un factor de performanță intrinsec fiecărui mediu. Fiabilitatea sau rata de erori, F, este tot un factor de performanță intrinsec a fiecărui mediu și reprezintă raportul dintre numărul de biți transmiși eronat față de numărul total de biți transmiși. Durata de exploatare, De, este durata de timp după care mediul trebuie înlocuit el suferind fenomenul de îmbătrânire. Durata medie între două defecțiuni, DMDD, este timpul mediu statistic între două defectări succesive ale mediului pe perioada normată de viață. Toleranța la defecte, Td, este un factor de performanță indus asupra mediului fizic de tehnologia și arhitectura rețelei utilizate, în multe cazuri însă un anumit mediu nu permite realizarea unei arhitecturi tolerante la erori sau doar a uneia limitate. Costurile directe, Cd, sunt reprezentate de costul efectiv al mediului împreună cu conectori, materialele auxiliare necesare pozării corecte a acestuia și costul manoperei pentru realizarea mediului de comunicație și a testării mediului astfel realizat. Costul per port, Cp, este un factor sintetic care are o valoare de decizie mai mare, fiind un criteriu de decizie global si reflectând costurile totale pentru realizarea infrastructurii fizice raportat la numărul total de porturi sau echipamente conectate. Costul per port per viteză de transfer, Cpv, este un factor de performanță mult mai util și care ușurează luarea unei decizii corecte în realizarea unei retele locale de calculatoare el incluzând și posibilități de extensie viitoare fără a fi necesară schimbarea mediului. Costul total per port per viteză, Ctpv, este un factor de performanță complex care caracterizează o retea locala de calculatoare la nivel global încluzând de asemenea și costurile de echipamente sau tehnologie. O caracterizare din prisma factorilor de performanță mai sus menționați a mediilor fizice de comunicație prezentate anterior se află sintetizată în următorul tabel. Factorii de performanță, în special cei de tip cost, vor fi clasificați relativ fără a da valori absolute care pot fi alterate foarte rapid în timp.

Tabelul 2.3

3. Desfășurarea lucrării

3.1 Se vor discuta caracteristicile diferitelor tipuri de fibre și componente optice și aspectele legate de cablarea rețelelor de calculatoare folosindu-se acest mediu de transmisie.

3.2 Se consideră o fibră optică monomod de 9/125μ având lungimea de 2,5km și pierderea egală cu 0,5dB/km, care conectează două echipamente DTE. Atenuarea introdusă de joncțiuni și conectori este egală cu 0,5 și respectiv 1dB. Marginea de eroare luată în considerare este de 3dB. Puterea de emisie medie a emițătorului este de -15dB, sensibilitatea receptorului la o rată de erori dată BER 10-9 este de -25dB și dinamica receptorului este în intervalul -10 ÷ -30dB. Să se calculeze bugetul de putere optică.