. Sisteme de Comunicatii Optice

CUPRINS

=== sisteme de comunicatii optice ===

CUPRINS

INTRODUCERE

Sfârșitul mileniului doi și începutul mileniului trei sunt caracterizate, printre altele, de o evoluție fără precedent a sistemelor moderne de calcul, a rețelelor de comunicație care pun în legătură toate aceste sisteme de calcul și de comunicație.

Necesitatea creșterii volumului de date, a vitezei de transfer, a distanței sau a numărului de canale la nivelul cerințelor actuale a fost o provocare prea mare pentru tehnica tradițională. Logica bazată pe tranzistoare, memoriile magnetice, comunicațiile prin conductoare metalice, au atins practic limita posibilităților de perfecționare din punct de vedere al vitezei, gabaritului și distanțelor.

Astfel sistemele optice și-au făcut apariția și s-au dezvoltat, realizând trecerea firească spre domeniul frecvențelor tot mai înalte impusă printre altele de nevoi de canale de bandă tot mai largă și de numărul de canale tot mai mare.

În toate armatele moderne s-au dezvoltat sisteme de transmisiuni proiectate să răspundă cât mai bine cerințelor actuale ale ducerii războiului, caracterizat prin situații rapide și frecvent schimbătoare, prin întrebuințarea unor arme cu înalta precizie de ajungere la țintă și mare putere de distrugere, prin volumul, din ce în ce mai mare de informații necesare conducerii și în care lupta radioelectronică este considerată, ca o formă de asigurare, un factor deosebit de important în întreaga dinamică a luptei.

Sistemul de conducere actual a impus cerințe deosebite sistemului de transmisiuni în ce privește volumul și calitatea informațiilor ce circula prin acesta:

asigurarea transmiterii integrale a volumului de informații cu realizarea protecției;

acces imediat al surselor de informare la rețeaua de transmisiuni și constituirea instantanee a canalelor de legătura;

utilizarea multiplă a canalelor telefonice;

viteză mare de transmitere a informației pe canalele de legătură;

timp minim de întârziere a informației în sistemul de transmisiuni;

autenticitate ridicată a informației transmise pe canale;

inexistența pierderilor de comunicări intrate în sistem;

fiabilitate ridicată a echipamentelor tehnice și structurilor organizatorice care să asigure circulația oportună a informației;

protecția informației împotriva accesului neautorizat;

asigurarea controlului formării si distribuirii canalelor de legatură, precum și a circulației informației prin rețeaua de transmisiuni;

Noua generație de arme inteligente încorporează microprocesoare și diferite traductoare, cu care se pot detecta anumite tipuri și nivele de energie calorică, mecanică, acustică, magnetică sau electromagnetică. Semnalele generate pe câmpul de luptă de aceste surse de energie sunt analizate de microcalculatorul ce se găsește încorporat în mijlocul de lupta respectiv, existând posibilitatea de recunoaștere și selecție a unei ținte din varietatea infinită de obiecte dispuse în jurul ei. După ce ținta a fost localizată, distrugerea este sigură, ca urmare a autodirijarii precise pe partea finală a traiectoriei.

Înlocuirea sau completarea sistemului actual de transmisiuni cu sisteme de comunicații optoelectronice este determinată de următoarele avantaje:

posibilitatea de transmitere a radiației laser;

diametrul foarte mic al fibrelor optice (sub 100 µm);

atenuarea relativ mică;

consumul de materii prime la un cost redus și în volum mic, fapt ce constituie un avantaj net față de cablurile coaxiale;

posibilitatea instalării în medii periculoase (explozive, corozive) în câmpuri electromagnetice foarte intense;

permite lucrul în condiții meteo grele sau medii periculoase;

posibilitatea de transmitere a radiației laser;

nu necesită adaptare de impedanță pe linie;

pot lucra într-o gamă largă de temperatură fără modificări apreciabile ale proprietăților de transmisie;

bandă de transmisie foarte mare (rezultă deci și o viteză de transmisie foarte mare);

lungimea spectrală foarte îngustă;

imunitate mare la zgomote și la câmpuri electromagnetice perturbatoare;

diafonie redusă, atenuare mică (de regulă);

izolare electrică ideală;

posibilitatea redusă a interceptării nedorite, mare imunitate la zgomote și câmpuri electromagnetice exterioare;

Lucrarea se adresează potențialilor utilizatori și celor care exploatează/ folosesc sistemele de comunicații optice și care trebuie să posede un minim de cunoștințe pentru a putea realiza managementul sistemului. Consider că acest minim de cunoștințe oferit de lucrare este suficient celor care realizează managementul unui astfel de sistem pentru a putea flexibiliza sistemul, pentru a-l putea exploata la parametrii optimi, pentru a putea remedia în timp util defecțiunile minore și pentru a putea depista cauzele unor eventuale defecțiuni mai mari ce pot apărea în acest sistem.

De asemenea se adresează și viitorilor ofițeri de transmisiuni care vor fi puși în situația de a exploata Sistemul de Transmisiuni al Armatei României (STAR), sistem integrat ce folosește ca medii de transmisie și fibrele optice.

Lucrarea este structurată pe șase capitole, pe parcursul cărora se analizează sistemele de comunicații optice utilizate în rețelele de comunicații, precum și pentru interconectarea calculatoarelor:

Capitolul I cuprinde evoluția și dezvoltarea sistemelor de comunicații optice, rolul acestora în domeniul militar, precum și elemente de analiză a sistemului optic.

Capitolul II analizează problema emisiei optice, tipurile de surse optice (LED, DIODĂ LASER), tipuri de emițători optici, metodele de modulație și tipurile de coduri de linie utilizate într-un sistem de comunicații pe fibră optică.

Capitolul III conține caracterizarea detaliată a mediului de transmisie optic, transmisia ghidată, respectiv neghidată, o descriere a fibrelor optice,precum și modalitățiile de amplificare/regenerare a semnalului optic.

Capitolul IV analizează receptorul optic respectiv fotodetectorul (în principal fotodioda PIN, fotodioda cu avalanșă), preamplificatorul (integrator, de transimpedanță), și metodele de demodulare optică.

Capitolul V prezintă o modalitate de proiectare a unui sistem optic pe fibră optică, aparate de testare și verificare a legături optice(OTDR), precum și câteva măsuri de siguranță în lucrul cu fibrele optice.

Capitolul VI este destinat prezentării, în mod selectiv, a unor aplicații ale sistemelor optice de transmisii de date care relevă importanța folosirii dispozitivelor optoelectronice folosind programul MATLAB (utilitarul SIMULINK) și a programului PSpice(ORCAD). Pe de altă parte, am prezentat schema electrică și modul de funcționare a montajului pe care l-am realizat practic.

CAPITOLUL I

ASPECTE GENERALE PRIVIND SISTEMELE DE COMUNICAȚII OPTICE

1. Necesitatea apariției sistemelor de comunicații optice și perspective ale acestora.

Apariția și dezvoltarea sistemelor de comunicații prin fibre optice a constituit, trecerea firească spre domeniul frecvențelor tot mai înalte impusă printre altele de nevoi de canale de bandă tot mai largă și de numărul de canale tot mai mare.

Optoelectronica este acea parte a științei și tehnicii care studiază utilizarea în comun a metodelor optice și electrice de producere, transmitere, recepție și păstrare a informației. Baza ei fizică se referă la procesele de transformare a semnalelor electrice în semnale optice și invers, la cele de propagare a radiației în diverse medii optice, precum și la acțiunea reciprocă dintre lumină și substanță. Optoelectronica se dezvoltă la granița dintre electronică și optică, una din direcțiile de dezvoltare cele mai rapide fiind cea a comunicațiilor optice. Se fac chiar aprecieri în sensul că optoelectronica, în dezvoltarea ei rapidă, în viitor va ajunge din urmă electronica, iar în perspectivă o va îngloba cu totul.

Tehnica tradițională de informatică, adică logica bazată pe tranzistoare, memoria magnetică, comunicația prin conductori metalici au atins practic limita posibilităților de perfecționare din punct de vedere al vitezei, gabaritului și distanțelor.

De la optoelectronică se așteaptă atingerea nivelului biologic de dezvoltare a tehnicii informaționale și de măsură. Se pot profila următoarele performanțe: viteza de transmitere a informației pe canale de comunicație – 108-1011 bit/s, viteza de prelucrare a acesteia în procesoare – 1010-1011 bit/s, volumul de memorie – 1012-1014bit, din această ultimă perspectivă fiind interesantă comparația cu volumul de memorie al creierului omenesc, de ordinul a 1013 bit.

Există posibilități recunoscute de realizare a calculatoarelor numai cu dispozitive optice. Elementul de bază al comunicațiilor prin fibră optică este sticla de cuarț care poate fi trasă în fire cu grosimea cât cea a firului de păr, printr-un singur fir optic putându-se transmite mii de canale telefonice la distanțe de zeci de km.

Un domeniu de viitor al optoelectronicii îl constituie optica integrată, ea deschizând noi căi în realizarea circuitelor electronice și a celor optice integrate. Această nouă direcție în electronica modernă se bazează pe folosirea și aplicarea într-un singur circuit integrat a celor două mijloace de prelucrare și transport a informațiilor pe cale electrică și pe cale optică.

Optica integrată apare astfel ca o evoluție firească a circuitelor optoelectronice hibride în care dispozitivele optice a diodelor laser, fotodiodelor PIN și componentelor electronice miniaturale din structurile "cip" sunt interconectate pe același suport.

Cercetările în domeniul comunicațiilor pe purtătoare laser și celor din domeniul calculatoarelor optice demonstrează necesitatea realizărilor la scară largă a acestor circuite. Se preconizează astfel, îndeplinirea obiectivului primordial al cercetărilor în optoelectronică: realizarea sistemelor de prelucrare și transmisie a informațiilor pe purtătoare laser cu o enormă capacitate de informație.

Telecomunicațiile au devenit astfel mijlocul de comunicare indispensabil activității umane și cunoașterea temeinică a acestora de către specialiștii în domeniu, iar într-o măsură însemnată și de către utilizatori, a devenit o necesitate obiectivă.

În armatele moderne se acordă atenție deosebită încorporării cunoștințelor științifice actuale atât în fundamentarea unor soluții eficiente de realizare sau perfecționare a armamentului și tehnicii de luptă, cât și în elaborarea unor sisteme automatizate complexe. În aceste condiții a apărut necesitatea ca și sistemele de transmisiuni să fie supuse unor perfecționări și modernizări continue. Această acțiune a devansat măsurile întreprinse pentru dezvoltarea a noi sisteme tehnice de luptă complexe care impuneau atât volume mari de informație cu autenticitate sporită, cât și viteze ridicate de transmitere pe canale.

Principalele cauze care impun modernizarea sistemelor de transmisiuni actuale, în vederea satisfacerii cât mai complete a cerințelor conducerii trupelor și a tehnicii de luptă în războiul modern sunt:

1. aglomerarea benzilor de frecvență utilizate curent;

2. insuficienta flexibilitate și posibilitate de a-și modifica permanent structura în funcție de situațiile schimbătoare de pe câmpul de luptă;

3. insuficiente interconexiuni între centrele de transmisiuni;

4. rezistența mică la bruiajul inamicului;

5. imposibilitatea prelucrării și distribuției automate a comunicaților după un criteriu stabilit;

6. întârzieri mari în executarea traficului de informații;

7. imposibilitatea de a asigura transmiterea oportună a unor volume foarte mari de informații tactic–operative;

8. ocuparea redusă a capacitații reale de transmitere a canalelor;

9. structura sistemului nu se stabilește în funcție de valoarea fluxurilor de informație.

Într-un cadru mai larg optoelectronica reprezintă pasul esențial pentru așa numita “magistrală informațională” aflată în construcție în toată lumea.

2. Avantajele comunicațiilor optice

Avantajele transmisiei optice în raport cu alte modalități de a transmite informații la distanță sunt:

banda utilă de frecvență, B ( sau debitul simbolurilor binare, D) pentru un sistem optic este foarte mare. Purtătoarea optică în domeniul 1013-1016 Hz, permite realizarea unui produs debit distanță ( DL) de ordinul 109-1012 bit/sKm în comparație cu 103-106 bit/sKm pentru un sistem care transmite prin medii metalice în condițiile unui BER mai mare.

Utilizarea mai multor purtătoare optice cu lungimi de undă si mesaje diferite care se propagă pe aceeași fibră optică, DWDM(dense wavelength-division multiplexing), conferă o capacitate de transmisie mult mai mare sistemului, permițând în același timp utilizarea unor coduri detectoare și corectoare de erori pentru a reduce probabilitatea de eroare.

dimensiunea și greutate redusă a cablurilor optice în comparație cu mediile metalice.

izolare electrică între echipamentele terminale (emițător și receptor) și între acestea și echipamentele de linie (regeneratoare) neexistând probleme de cuplaj între diferitele blocuri electrice.

imunitate la interferențe electromagnetice și lipsa "diafoniei". Propagarea prin fibra optică nu este afectată de câmpurile electromagnetice exterioare permițând instalarea acesteia în medii puternic poluate electromagnetic, iar lipsa "diafoniei" face posibilă folosirea mai multor fibre vecine într-un același cablu fără ca acestea să se influențeze reciproc.

securitatea semnalului este asigurată de posibilitatea redusă de extragere a informației dintr-o fibră optică.

pierderi reduse în putere optică prin propagare, mai ales dacă sistemul lucrează în "fereastra a III-a, λ=1,55 μm ", fiind astfel permise distanțe importante între regeneratoare, un avantaj major în comparație cu mediile metalice. În plus, din punct de vedere al semnalului ce modulează în intensitate lumina, fibra se comportă ca un filtru trece-jos cu frecvența de tăiere foarte mare, având o caracteristică de transfer constantă în banda de trecere spre deosebire de cablul coaxial a cărui atenuare crește cu frecvența (neliniar ~ fl/2) impunând astfel egalizarea în receptor.

fiabilitate, mentenanță simplă, cost (potențial) redus.

posibilitatea instalării în medii periculoase(explozive, corozive).

permite lucrul în condiții meteo grele.

pot lucra într-o gamă largă de temperatură fără modificări apreciabile ale proprietăților de transmisie.

nu necesită adaptare de impedanță de linie.

atenuare relativ mică.

3. Scurt istoric al sistemelor optice.

Comunicarea cu ajutorul luminii nu este un concept foarte nou. Sistemele de comunicatie pe cale optică sunt folosite de secole întregi, sub forma unor bine cunoscute metode: semnale fumigene, focuri, etc. Chiar si conceptele mai moderne ca sisteme optice de comunicații pentru telefonie, sunt departe de a fi idei noi. În 1880, Alexander Graham Bell a construit fotofonul, un dispozitiv capabil să transmită vocea la o distanță de câteva sute de metri folosind raze de lumină. Deși sistemul lui Bell poate fi considerat rudimentar privit de la nivelul cerințelor actuale, el a constituit punctul de plecare al cercetarilor privind folosirea radiației luminoase pentru transmiterea informației.

Un pas important în impunerea comunicațiilor optice l-a constituit descoperirea fibrei optice care a cunoscut un progres fenomenal în a II-a jumătate a secolului XX. Primele fibre în totalitate din sticlă aveau mari pierderi ale semnalului optic pe măsură ce acesta parcurgea fibra optică, limitându-se în felul acesta distanța de transmisie.

În 1957 Gordon Gould a făcut cunoscută ideea utilizării laserului, care a cunoscut mai multe generații de dezvoltare incluzând laserii cu rubin și laserii cu heliu-neon, în 1960, iar doi ani mai târziu laserii semiconductori și laserii acordabili, ei fiind cei mai des folosiți în zilele noastre. Datorită bunei capacității de modulare în frecvență, importanța laserilor ca transport al informației nu a rămas neobservată de inginerii în comunicații, lumina având o capacitate de transport a informației cu mult mai mare decât cea mai ridicată purtătoare de radio-frecvență(~10000 ori) . Însă și laserii aveau limitele lor în ceea ce privește transmisiile în aer liber și aceasta datorită condițiilor de mediu(ploaie,zăpadă,ceață etc).

În 1966, în căutarea unui mediu de transmisie altul decât aerul, Charles Kao și Charles Hockham, susțineau că fibrele optice ar fi un mediu de transmisie optim pentru radiația laser dacă s-ar reuși coborârea atenuării sub 20 dB/Km. La vremea acestei propuneri fibrele optice aveau pierderii de aproximativ 1000 dB/Km. Intuitiv s-a descoperit că pierderile mari erau rezultatul impurităților din sticlă și nu sticla propriu-zisă, urmărindu-se obținerea unei sticle foarte pure. În 1970 s-a reușit obținerea unei fibre de sticlă cu atenuarea sub 20 dB/Km.

Cercetarile efectuate în anii urmatori au facut posibilă coborarea pierderilor sub l dB/km, simultan cu apariția laserilor semiconductori capabili să lucreze în mod continuu la temperatura camerei. La mijlocul deceniului șapte, fibrele optice erau deja recunoscute ca fiind un mediu de transmisie bun, și a început să se pună serios problema utilizării lor in infrastructura sistemelor de comunicații.

În ultimii 20 de ani, calculatoarele au început să fie prezente peste tot, iar fibrele optice au devenit și ele o alternativa din ce în ce mai serioasă la firele de cupru.

În zilele noastre tehnologia DWDM(multiplexarea în lungimea de undă) continuă să se dezvolte și aceasta datorită dezvoltării fenomenale a Internet-ului, implementarea rețelelor pe fibre optice fiind obiectivul primordial al tuturor aplicațiilor.

Datorită imensului potențial de bandă de lucru oferit de tehnologiile de transmisie pe fibre optice, 50 THz și mai mult, s-au creat posibilități de dezvoltare a aplicațiilor cu fibre optice, servicii de bandă largă, transmisii de date, audio, video în special, fiind deja implementate direct la locuința utilizatorului.

Astfel că printre ultimii pași în domeniul fibrelor optice sunt FTTH (Fiber To The Home), fibrele directe la domiciliul utilizatorului pentru servicii de bandă largă, respectiv FTTC(Fiber To The Curb), fibre optice către o vecinătate de unde se divid în mai multe legături către utilizatori. Aceste aplicații au permis unui alt serviciu să devină realitate VOD(video on demand).

3.1. Generații de sisteme optice

Sistemele de transmisie pe fibrele optice s-au dezvoltat de-a lungul anilor în mai multe generații, care pot fi strâns legate de lungimea de undă:

1. Prima generație de sisteme de comunicații pe fibre optice, corespunzătoare ferestrei 1, elaborate și introduse în practica în anii '70 este caracterizata de următoarele: λ=0,8-0,9 μm , atenuarea fibrei optice α=2-10 dB/km , frecvența maximă 34 – 144 Mhz , lungimea de regenerare Lmax =5-15 km , fibrele sunt de tipul multimod de cuarț cu gradient și salt al indicelui de refracție. Prima fereastră a fost considerată la început atractivă datorită faptului ca tehnologia surselor de emisie optică era deja dezvoltată o dată cu apariția LED-urilor, iar detectori de siliciu erau ieftini.

2. A doua generație, corespunzătoare ferestrei 2, introdusa în anii '80 este caracterizata de următoarele: λ=l,3 -1,5 μm , fibre optice monomod cu atenuare α=0,2 – 0,5 dB/km , banda de trecere pâna la 1Ghz , lungimea de regenerare Lmax= 50 – 200 km , utilizează ca sursa optica dioda laser iar ca fotodetector fotodiode cu avalanșa. Cu sisteme din această generație, s-a ajuns la debite de 2.5Gbit/s la distanțe de ordinul a 2500 km.

3. Sistemele de transmisiuni din generația a treia, corespunzătoare ferestrei 3, funcționează la lungimea de undă de 1550 μm și se bazează pe minimul de atenuare al fibrelor optice monomod, situată în jurul la 0,2 – 0,3 dB/km. Pentru a putea păstra și o dispersie nulă la această lungime de undă, profilul indicelui de refracție este modificat, obținându-se fibre optice cu dispersie deplasată și fibre optice cu dispersie plată. Prin utilizarea fibrelor cu dispersie plată se poate crește enorm capacitatea de informație transportată printr-o fibra optică , prin utilizarea multiplexării în lungimea de undă. Ca surse optice sunt utilizate LED-uri si diode laser pe bază de InGaAs precum și dispozitive de fotodetecție, fotodiode PIN pe bază de InGaAs cu sensibilitate în jur la 0,8 A/W și într-o mai mică măsură fotodiodele cu avalanșă din Ge. Recent pentru această generație de sisteme s-au dezvoltat și amplificatoare optice bazate pe fibre optice dopate cu erbiu, cu ajutorul cărora se pot amplifica semnale optice de 20-30 dB. Aceste dispozitive oferă posibilitatea legăturilor la foarte mare distanță și de foarte mare capacitate, de exemplu legăturile transoceanice .

Se disting realizările coerente cu modulație optică având salt de fază /frecvență de tip (D)PSK (differential) phase shift keying ,(CP)FSK (continous phase) frequency shift keying, detecție coerentă heterodină sau homodină, amplificare optică în fibre optice dopate cu Erbium (EDFA), circuite optoelectronice (optice) integrate (OEIC) și sisteme optice integrate. În această generație sunt incluse și sistemele optice cu solitoni în care impulsul propagat pe fibra optică neliniară își păstrează forma inițială.

4. Comunicațiile optice în domeniu militar

Comunicațiile optice sunt de o importanță deosebită în domeniul militar, acolo unde noile tehnici electronice și informatice – încorporate în mijloace tehnice mereu mai complexe și mai peformante – se interpun între obiectul și sub acțiunea microelectronicii, a automaticii, ciberneticii și informaticii. De aceea comunicațiile trebuie evaluate în contextul mai cuprinzător al interdependenței dintre știința modernă și sfera acțiunii militare.

Ca urmare a evoluției sale, evoluție marcată în a doua jumătate a secolului nostru de apariția, dezvoltarea și proliferarea tehnologiilor de vârf, știința a devenit unul din elementele hotărâtoare pentru cucerirea victoriei pe câmpul de luptă modern.

Se estimează că pe teatrul de luptă al viitorului forțele inamicului vor fi localizate, urmărite și lovite aproape simultan datorită utilizării legăturilor informaționale, evaluării și procesării datelor, informațiilor prin intermediul calculatorului precum și controlul automat al focului. O dată cu apropierea de certitudine a posibilității de distrugere corespunzătoare primei lovituri și datorită sistemului de supraveghere care poate urmări în mod continuu inamicul, nevoia de forțe umane numeroase va fi mai puțin importantă. În această evoluăție electronica, informatica, automatica vor deține un rol important.

Este de la sine înțeles faptul că, în contextul amintit, proliferarea și diversificarea instalațiilor, sistemelor și aparaturii de naturș energetică, electrotehnică și electronică, impun accentuarea activităților pentru crearea unor premise viabile și sigure, astfel încât echipamentele respective să funcționeze la parametrii proiectați în medii poluate perturbativ, interferențele dintre aparate fiind anihilate sau cel puțin atenuate. Dintr-o asemenea confruntare rezultă și importanța fără precedent a stabilității, respectiv protecția la perturbații inclusiv în ceea ce privește calitatea conducerii eficiente a acțiunilor militare.

Principalele caracteristici ale sistemelor informaționale sunt precizia de funcționare, capacitatea de rezoluție (separarea), stabilitatea la perturbații, viteza de lucru sau capacitatea de transmitere, raza de acțiune. În afară de aceste caracteristici, sistemele cu destinație specială trebuie să îndeplinească următoarele cerințe: să funcționeze fără să se demaște, să nu poată fi descoperite, iar decriptarea semnalelor transmise să nu se poată face ușor, să aibă greutate și volum reduse, să funcționeze sub acțiunea factorilor externi distructivi.

Stabilitatea la perturbații reprezintă capacitatea sistemului de a-și menține valorile parametrilor funcționali în condițiile existenței și acțiunii perturbațiilor. Ele se suprapun peste semnalul ce reprezintă mesajele, efectele acestei suprapuneri constând în alterarea formei de variație în timp a semnalelor utile, în apariția la ieșirea sistemului a unor semnale suplimentare, neinteresante, inutile ce pot compromite funcționarea sistemului informațional. Pe măsura dezvoltării sistemului informațional, stabilitatea la perturbații prezintă o importanță tot mai mare, pe de o parte datorită înmulțirii surselor de perturbații, iar pe de alta parte ca urmare a sporirii cerințelor față de calitatea sistemelor informaționale.

Se disting două tipuri de stabilitate la perturbații a sistemelor informaționale: una potențială (teoretică) care reprezintă limita maximă posibilă de stabilitate în condițiile de semnal perturbator și una reală adică aceea în condițiile acțiunii semnalelor perturbatoare exterioare al cărei număr, intensitate și caracter se modifică mult în procesul funcționarii sistemului.

La rândul sau, protecția la perturbații reprezintă un ansamblu de măsuri adoptate în scopul asigurării și funcționarii sigure a diferitelor instalații și sisteme informaționale în medii cu o accentuată poluare perturbativă de natură electromagnetică. Activitatea desfășurată în acest domeniu, de un interes major în prezent, vizează ridicarea robusteții și imunității la perturbații a diferitelor configurații și echipamente electronice de calcul și de automatizare, în paralel cu reducerea emisiei perturbative a eventualilor perturbatori.

Apreciate de pe poziția protecției la interferențe si perturbații, optoelectronica se dezvolta sub aspecte inedite deosebit de interesante și utile din punct de vedere aplicativ.

În acest context general, între alte domenii de vârf care trebuie abordate se află și cel al transmisiunilor prin purtătoare optică cu performanțe deosebite privind stabilitatea la perturbații și interceptare. Acest domeniu fructifică și stimulează totodată dezvoltarea celor mai noi tehnologii microelectronice, a căror extindere vizează tot mai mult planurile și domeniile de natură militară și industrială.

Configurația câmpului de luptă modern este afectată puternic de performanțele deosebite ale tuturor categoriilor de tehnică și armament puse la dispoziție de industriile de apărare, sub impactul revoluției tehnologice actuale. Acestea duc la creșterea fără precedent a dinamicii și compexității acțiunilor militare, iar sub raportul optimizării conducerii impun cu necesitate introducerea si utilizarea sistemelor de automatizare a conducerii trupelor pentru prelucrarea în timp cât mai scurt (apropiat de cel real) a volumului de informații în creștere permanenta, în scopul reducerii duratei ciclului de conducere, creșterii preciziei și eficienței acesteia.

Asemenea sisteme de conducere impun cerințe deosebite și sistemului de transmisiuni (ca element esențial al sistemului informațional) referitoare la: viabilitate, capacitate de mascare, stabilitate, fiabilitate, interoperabilitate, operativitate, capacitate de restructurare etc.

Tehnica de transmisiuni, prin implicațiile sale în conducerea acțiunilor de luptă moderne și prin conexiunile intime cu tehnica de luptă, reprezintă un domeniu în care electronica și informatica au o miză extrem de mare. Din acest motiv cei care concep și exploatează această tehnică sunt preocupați de acest lucru.

Dezvoltarea și perfecționarea în ritm rapid a echipamentelor, programelor și procedurilor informaționale, sudura domeniului prelucrării automate a datelor cu ale telecomunicațiilor au dus la teleinformatică, la sistemele informatice în timp real, cu ajutorul cărora se pote controla un anumit mediu(un proces un fenomen, o acțiune, etc.) prin primirea datelor operaționale în ideea de a influenta în timp util funcționarea mediului.

Dezvoltarea domeniului transmisiilor de date a fost puternic impulsionat în ultimii ani de posibilitatea de stocare, prelucrare si transmitere a unei cantități imense de informații sub forma de date datorate progreselor tehnologiei electronice moderne și a calculatoarelor precum și de dinamica mare a câmpului de luptă care suferă transformări mari în perioade de timp scurte. Domeniul transmisiilor de date s-a constituit ca un ansamblu de concepte, principii și metode care oferă posibilitatea realizării unor sisteme de teletransmisie a datelor cu viteze și precizii corespunzătoare cerințelor actuale ale duceri moderne a luptei.

Puternicul progres înregistrat în cercetarea și dezvoltarea fibrelor optice și componentelor opto-electronice a determinat un transfer rapid în stadiul producției de astfel de componente. Ca urmare a acestei situații, în majoritatea țărilor au fost dezvoltate experimente și încercări de introducere a fibrelor optice în rețelele proprii de telecomunicații, astfel că, viitoarele dezvoltări în domeniu se vor realiza pe baza fibrelor optice. De altfel, numai fibrele optice oferă posibilitatea realizării practice a rețelei de servicii integrate de bandă largă, pe care se vor dezvolta în viitor rețelele de telecomunicații ale ale unor țări dezvoltate .

5. Schema bloc a unui sistem de comunicații optic

Modelul general al unui sistem de comunicații care utilizează lumina ca suport purtător este:

Fig. 1.2. Sistemul de comunicație optic

Informația analogică sau digitală furnizată de sursa de date este transpusă pe purtătoarea optică în blocul modulator. Blocul de emisie optică prelucrează semnalul modulat în vederea transmiterii sale pe canalul optic (colimare, adaptare).

Canalul optic poate fi mediul deschis (spațiul liber) sau ghidul optic. În afara comunicațiilor cosmice, de regulă se utilizează transmisia ghidată pe fibre optice (deoarece propagarea este independentă de condițiile de mediu).

La recepție, după prelucrarea optică în blocul de recepție optică (filtrare optică, focalizare, filtrare spațială, colimare, mixare cu oscilatorul local) semnalul optic ajunge la fotodetector, determinând apariția unui semnal electric, care este prelucrat ulterior electronic pentru extragerea informației utile

CAPITOLUL II

EMISIA ÎN SISTEMELE OPTICE

1. GENERALITĂȚI PRIVIND GENERAREA RADIAȚIEI OPTICE

Sursele de radiație sunt acele dispozitive optoelectronice ce au rolul de a transforma o altă formă de energie (de regulă de natură electrică) în radiație optică.

Sursele optice folosite sunt semiconductoare care emit radiație, fie diode electroluminiscente (Light Emitting Diodes – LED-uri), fie diode laser. Aceste surse întrunesc o combinație de proprietăți utile în mărime, lungimi de undă disponibile, putere, liniaritate, simplitate în modulație, costuri reduse și fiabilitate fiind foarte potrivite pentru aceste tipuri de aplicații.

Dispozitivele sunt constituite din joncțiuni PN semiconductoare polarizate direct. Materialele folosite la construcția diodelor sunt selectate dintre semiconductoarele care permit tranziția directă și sunt, de obicei, mult mai dopate cu impurități decât diodele electronice. Mecanismul de producere al radiației necesită valori ale densității de curent mult mai mari în comparație cu alte dispozitive electronice. Sarcinile purtătoare din fluxul de curent tind să se îndepărteze unele de altele în timp ce trec prin joncțiune, micșorând astfel densitatea de curent. Pentru a contracara acest efect de împrăștiere, fluxul de curent trebuie concentrat într-o porțiune mică, iar pentru aceasta alte straturi dopate sunt atașate de o parte și de alta a joncțiunii PN. Joncțiunile care rezultă, numite homojoncțiuni sau heterojoncțiuni în funcție de compoziția lor materială, au servit la creșterea eficienței tuturor operațiilor dispozitivului.

1.1. Modalități de generare a purtătorilor

Ca rezultat al absobției radiației în corpul solid au loc următoarele modalități de generare a purtătorilor prin:

l . Absorbție intrinsecă. Electronii de valență preiau de la radiație energia fotonilor și cu ajutorul acesteia, trec din banda de valența în cea de conductie, generându-se astfel în cristal perechi electron-gol. Acest fenomen este util în optoelectronică și se produce numai dacă energia fotonului este mai mare decât banda interzisă. Fenomenul poate avea loc atât în domeniul infraroșu al spectrului, cât și în domeniul radiațiilor vizibile funcție de lărgimea benzii interzise.

Absorbția pe purtători mobili. Energia fotonilor este preluata de purtătorii liberi existenți în cristal, care în felul acesta își măresc energia cinetică sub acțiunea componentei de câmp electric a radiației luminoase.

Absorbția cu emisie de electroni. Când energia fotonilor este suficient de mare pentru a genera electroni liberi, a căror energie este mai mare decât energia de reținere, atunci electronii părăsesc corpul solid, realizându-se emisia fotoelectronică.

Absorbția proprie în rețeaua cristalină. Radiația intră în interacțiune cu vibrațiile termice ale rețelei, iar energia fotonilor este convertită în fononi pe care îi preia rețeaua cristalină. Această energie nu produce fenomene optice și de aceea absorbția apare ca un fenomen nedorit care reduce intensitatea fenomenelor optoelectronice.

1.2. Modalități de recombinare a purtătorilor

Când un sistem fizic trece de la o stare cu energie mai mare la o stare cu energie mai mică, se eliberează o cantitate de energie egală cu diferența dintre energiile celor două stări.

În cazul corpurilor cu bandă interzisă directă, recombinările electron-gol se fac prin tranziții „verticale" cu păstrarea momentului mecanic al corpului, deci fără apariția fononilor; în acest caz, energia eliberată prin recombinare se transformă în lumină conform relației:

υh=ΔWS.

Radiația produsă are:

frecvența: υ=ΔWS/h;

lungimea de undă: λ=hc/ΔWS ,

unde h reprezintă constanta lui Bolzman, c viteza luminii, ΔWS energia benzii indirect

În cazul corpurilor cu bandă interzisă indirectă, recombinările electron-gol se fac prin tranziții „înclinate", în care se modifică momentul mecanic al sistemului. Prin restabilirea momentului mecanic al corpului, energia eliberată prin recombinare se transformă în fononi, de aceea aceste corpuri nu sunt apte a fi folosite pentru dispozitive generatoare de lumină.

Emisia fascicolelor de fotoni în semiconductoare este atribuită recombinărilor radiative ale purtătorilor excedentari de sarcină(emisie spontană sau stimulată).

Fig.2.1. Trei procese fundamentale ce pot apare între două nivele energeticeale unui atom(E2,E1): absorbția, emisia spontană și stimulată.

Radiația poate fi generată ca urmare a combinării radiative a unui electron cu un gol în interiorul semiconductorului. Electronii și golurile se pot, de asemenea, combina non-radiativ, producând căldură în interiorul semiconductorului, dar fără emisie de radiație. Raportul tuturor recombinațiilor care au loc cu emisie de radiație este exprimat de indicele intern de eficiență ηi al dispozitivului sau randamentul cuantic.

ηi=

Rr este numărul de recombinații radiative pe secundă

Rnr este numărul de recombinații non-radiative pe secundă

Din acest punct de vedere un semiconductor eficient (indicele intern de eficiență este mare) va avea mult mai multe combinații radiative decât cele non-radiative. Aceasta se realizează prin alegerea potrivită a materialelor semiconductoare și prin inundarea regiunii de emisie cu sarcini purtătoare. Această inundare cu sarcini purtătoare se face cu ajutorul barierelor de energie pentru a limita purtătorii în vecinătatea unei joncțiuni PN.

Energia E produsă în urma recombinărilor este aproximativ egală cu energia benzii interzise Ei a materialului. Dacă energia E rezultată în urma recombinărilor radiative corespunde unei frecvențe optice (E=hν), atunci există emisie de radiație. Pentru o sursă optică este de dorit ca tranzițiile radiative să domine total emisiile non-radiative.

1.3. Fenomene care stau la baza generării radiației optice

Sursele de radiație sunt acele dispozitive optoelectronice ce au rolul de a transforma o altă formă de energie (de regulă de natură electrică) în radiație optică. La baza generării de radiație stau două fenomene:

Incandescența care reprezintă emisia de radiație de către un corp încălzit, în virtutea efectului termic, electronii materialului trec din starea fundamentală într-o stare energetică suplimentară iar revenirea la nivelul de bază se face prin generarea de fotoni;

Luminiscența care reprezintă orice modalitate de producere a radiației optice prin excitarea sistemelor atomice, ionice, moleculare, alta decât prin încălzire. Luminiscența poate fi de două feluri și anume:

fluorescența la care emisia apare după un interval foarte scurt de timp de la apariția excitației (de ordinul ns, zeci de ns) și durează atâta timp cât este aplicată excitația, și

fosforescența unde emisia de radiație apare cu întârziere;

Cauzele luminiscenței:

Catodoluminiscența când se realizează bombardarea cu electroni a unui ecran al tubului catodic;

Fotoluminiscența care reprezintă proprietatea unor materiale (cristale) care atunci când sunt iluminate, emit o radiație optică cu altă lungime de undă decât cea incidentă;

Electroluminiscența care reprezintă conversia directă a energiei electrice în radiație ca urmare a aplicării asupra unor solide a unui câmp electric;

Chemiluminiscența ce constă în eliberarea de fotoni ca urmare a unor reacții chimice;

Triboluminiscența reprezentând proprietatea unor materiale de a genera fotoni la apariția unor solicitări mecanice;

Sonoluminiscența este un fenomen în care prin stimulare ultrasonică se emite lumină în impulsuri foarte scurte.

2. TIPURI DE SURSE DE RADIAȚIE

În realizarea sistemelor optice de comunicații se utilizează ca (surse) generatoare ale radiației optice, atât surse coerente de radiație (laseri), cât și surse necoerente (LED). Atunci când propagarea radiației se realizează prin mediul deschis (atmosfera), este necesar să se asigure monocromaticitatea fascicului, buna colimare a acestuia cât și o mare intensitate a radiației. La transmisia ghidată se pot utiliza și surse optice parțial coerente (diode laser) sau necoerente (LED). Pentru cablurile optice se utilizează aproape în exclusivitate diode laser si LED-uri. Funcționarea diodelor semiconductoare utilizate ca surse de radiație, optica se bazează pe fenomenul de recombinare radiativă a purtătorilor ce apare ca urmare a injecției acestora în joncțiunile polarizate direct (semiconductoare cu banda interzisă directă). În funcție de materialele utilizate, respectiv de lărgimea benzii interzise, acestea pot acoperi un domeniu spectral larg, de la ultraviolet la infraroșu. Alegerea lungimii de undă utilizate în comunicațiile optice este determinată în special de proprietățile de atenuare și dispersie a fibrei optice (a mediului de transmisie).

2.1. Diode electroluminiscente (LED-uri)

2.1.1. Generalități

Diodele electroluminescente(Light Emitting Diode) sunt joncțiuni semiconductoare p-n din materiale cu bandă interzisă directă care polarizate direct emit radiație electromagnetică în gama optică. Lipsa cavității rezonante și injecția relativ mică de purtători prin joncțiune au ca rezultat o emisie de radiație incoerentă și de intensitate mică în comparație cu diodele laser.

Fig. 2.2. Puterea de ieșire în funcție de Fig. 2.3. Spectru radiației emise

curentul injectat într-o diodă LED

2.1.2. Principiul de funcționare

La echilibrul termic în cristalul p se găsesc goluri notate cu gv provenite din doparea cu impurități. Prin polarizare directă electronii minoritari din cristalul n sunt rejectați în cristalul p. Prin recombinarea electron-gol energia de recombinare este eliberată sub forma de radiație în domeniul optic, în urma proceselor de recombinare, sistemul nu revine la starea de echilibru termic, procesul fiind întreținut de bateria de polarizare. Practic energia cedată în urma recombinărilor nu este transformată în fotoni ci în fononi (cuante de energie mecanică). Rezultă de aici că randamentul conversiei energiei electrice în energie radiantă este mult sub 100%.

Fig. 2.4. Principiul de funcționare a LED-ului

Pentru construcția LED-urilor se utilizează de obicei GaAs (acest material are o bandă interzisă directă) care este caracterizat de o frecvență mare a radiației emise, practic se lucrează pe domeniul infraroșu.

Pentru a se converti radiația din domeniul infraroșu în domeniul vizibil se utilizează compuși de genul GaAs + P, astfel încât să se creeze nivele de energie suplimentare în banda interzisă astfel încât recombinarea să se facă în două etape.

LED-urile generează radiație optică sub formă necoerentă deoarece energia de recombinare nu este strict constantă pe de o parte ea depinzând de tehnologia de fabricare, și în plus, stratul energetic suplimentar datorat fosforului asigură în banda interzisă nu un nivel de energie strict, ci un interval de plasare suficient de larg.

Pentru obținerea unor structuri de diode electroluminiscente cu radianță ridicată se utilizează, ca și în cazul diodelor laser, heterojoncțiunile.

2.1.3. Tipuri de LED-uri

Sunt cunoscute trei mari tipuri de LED-uri a căror caracteristică este prezentată în figura 2.5. :

SE- LED cu emisie frontală sau de suprafață.

EE (ELED)- LED cu emisie laterală.

DSL-diode superluminiscente. Cele cu emisie de suprafață au deschiderea unghiului de suprafață mai mare decât cele cu emisie laterală, care au o emisie mult mai coerentă.

A) LED-urile cu emisie de suprafață

LED-urile cu emisie de suprafață sunt reprezentate în figurile care urmează, figura 2.6. și figura 2.7.:

Dispozitivele sunt constituite din duble heterojoncțiuni în jurul regiunii active. Radiația este emisă dintr-o regiune plană centrală a regiunii active, având un diametru între 20 – 50 µm. Așa cum este menționat mai înainte, este de dorit ca densitatea curentului să fie cât mai mare posibil în regiunea activă, iar aceasta este făcută vertical prin heterojoncțiune.

B) LED-urile cu emisie laterală

LED-urile cu emisie laterală reorientează radiația de-a lungul unei axe transversale pe direcția fluxului de curent.

Una dintre cele mai reprezentative structuri de LED-uri cu emisie laterală, este reprezentată în figura 2.8., de mai jos. Cele patru straturi care sunt deasupra substratului sunt similare dispozitivelor cu emisie de suprafață. Stratul izolator din SiO2 este prevăzut cu un orificiu care are rolul de a ghida fluxul de curent spre regiunea activă, având drept urmare concentrarea acestuia. Lățimea

regiunii active pentru un emițător lateral este de obicei 50 – 70 µm, iar lungimea regiunii este 100 – 150 µm.

Heterojoncțiunile de pe ambele laturi ale regiunii active au un rol suplimentar în cazul emițătorilor laterali, ele acționând ca și ghiduri de undă care ajută la concentrarea radiației. Regiunea activă este proiectată să aibă un indice de refracție mai mare, iar materialele de-o parte și de alta a regiunii un indice mai mic. Substratul și stratul P+, fiind și mai departe de regiunea activă, vor avea un indice de refracție și mai mic. Din structura combinată a celor cinci straturi rezultă un ghid de undă optic. Radiația generată de regiunea activă este concentrată în această regiune cu ajutorul stratului activ și al celor două straturi adiacente. Această concentrare a radiației optice, împreună cu cea a sarcinilor purtătoare realizată de heterojoncțiuni, măresc eficiența procesului de generare a radiației optice.

Din cauza asimetriei, regiunea activă având o formă rectangulară, în partea de emisie a dispozitivului, caracteristica de radiație în câmp îndepărtat va fi eliptică, așa cum se vede în figura 2.9., iar cele două unghiuri sunt necesare pentru a putea descrie unghiul de divergență al dispozitivului. Din cauza efectelor difracției, unghiul perpendicular pe joncțiune va avea o divergență mai mare, care corespunde dimensiunii mai mici, de obicei 60o, iar unghiul paralel cu joncțiunea va avea valorarea mai mică, de 30o. În afară de această asimetrie, emițătorii transversali produc puteri mai mici, aproximativ 1/2-1/6, față de emițătorii de suprafață.

C) Diode superluminiscente

Atunci când într-o diodă electroluminiscentă se produce atât emisie spontană cât și emisie stimulată de radiație, diodele se numesc superluminiscente. O structură de diodă superluminiscentă este la fel cu cea a unei diode laser cu geometrie de bandă și dublă heterojoncțiune, exceptând faptul că regiunea activă este mai scurtă decât cea a cristalului, în scopul eliminării unei reacții optice de cuplaj între cei doi pereți de clivați care sunt semireflectorizanți, ai cristalului semiconductor.

Fasciculul optic emis printr-o fațetă laterală este necoerent și constă dintr-o emisie fotonică ce este amplificată printr-o singură trecere prin regiunea activă a joncțiunii. Din acest motiv diodele superluminiscente pot fi situate între diodele luminiscente cu emisie laterală și diodele laser cu geometrie de bandă.

Cu toate ca puterea emisa de LED este mică, iar divergența fascicolului este mare, acestea sunt larg utilizate datorită faptului că sunt ușor de construit, modulat și cu o bună fiabilitate. Sunt utilizate atât LED-uri cu emisie laterală cât și de suprafață (emisie frontală). Pentru a mări eficiența cuplării cu fibra optică se utilizează fie microlentile de cuplare, fie, din fabricație, se fixează o porțiune de fibră în apropierea suprafeței emisive (structură pig-tail).

Diodele electroluminescente de mare radianță au o costrucție apropiată de cea a diodelor laser, mai puțin cavitatea rezonantă. Pentru obținerea unei radianțe mari s-a restrâns aria emisivă la o suprafață foarte mică, sub aria miezului fibrei. Se mai numesc si emițătoare de tip Burrns după numele celui care le-a realizat.

Din marea diversitate de tipuri de diode electroluminescente în domeniul comunicațiilor optice se folosește un număr restrâns cu emisie în infarosu. Fiind ușor de construit, ușor de modulat si cu fiabilitate buna aceste surse de radiație prezintă interes pentru comunicațiile optice în măsura în care puterea optică cuplată din fibră este acceptabilă. Ea este limitată din două considerente principale: pe de o parte puterea emisă de o diodă electroluminescentă este mai mică decât cea a unui laser cu injecție, iar pe de altă parte eficiența cuplării este mică datorită divergenței fascicolului emis.

2.2.Dioda laser

2.2.1. Introducere

Diodele laser produc mai multă putere decât LED-urile și au un spectru mai coerent. Structura unei diode laser este asemănătoare cu cea a unui LED cu emisie transversală. Principala diferență între un LED cu emisie transversală și un laser cu emisie transversală, este aceea că, în cazul laserului, regiunea activă este mult mai subțire în plan vertical și mai îngustă în plan orizontal. În plus, sunt adăugate sisteme de oglinzi la capetele structurii care să asigure un feed-back optic (acest feed-back optic are rolul de a mări puterea câmpului optic, astfel încât emisiile stimulate să domine emisiile spontane ale unui laser). Structura de oglinzi mai are rolul de a reduce divergența unghiului radiației emise și de a îngusta spectrul acesteia. Heterojoncțiunile sunt folosite pentru a concentra, atât sarcinile purtătoare, cât și câmpurile optice pe direcție verticală.

2.2.2. Amplificarea ghidată la diodele laser

În cadrul structurii unei diode laser pot fi folosite mai multe tehnici de concentrare a sarcinilor purtătoare într-o zonă mai îngustă. În figura 2.10., de mai jos, este reprezentată structura straturilor unei diode laser. Așa cum se poate observa, în cadrul stratului de SiO2 a fost introdusă o fâșie îngustă, după care a fost depus stratul de metal. Regiunea activă, din cadrul stratului activ, este cu puțin mai mare decât fâșia.

În regiunea de emisie de sub fâșie, indicele de refracție este cu puțin mai

mare decât în regiunile adiacente, din cauza prezenței sarcinilor purtătoare în această regiune. Această creștere ușoară a indicelui de refacție duce la formarea unui ghid de undă lateral. Astfel, radiația generată este ghidată atât vertical, cât și lateral, și este mult mai concentrată pe măsură ce se propagă în jos, de-a lungul diodei. Mecanismul de producere a undelor ghidate lateral datorită schimbării indicilor de refracție cu ajutorul sarcinilor purtătoare, se numește amplificare-ghidată.

Pot fi folosite și alte tehnici pentru a se produce o fâșie de curent îngustă. Bombardarea cu protoni a materialului semiconductor, poate fi folosită pentru a se crea o zonă puternic rezistivă în jurul regiunii în care dorim să realizăm concentrarea de curent.

2.2.3. Ghidarea radiației cu ajutorul indicilor de refracție la diodele laser

Alte tipuri de structuri pentru diodele laser presupun o schimbare de materiale pe lateralul regiunii active pentru a se forma un ghid de undă. Schimbarea indicilor de refracție ai materialelor formează acest ghid de undă, care va concentra radiația într-o zonă mai îngustă. Pentru aceasta au fost realizate mai multe structuri:

Figura 2.11., de mai jos, prezintă o diodă laser cu heterostructură îngropată, unde regiunea activă de emisie de tip N – InGaAsP este înconjurată:

spre dreapta și spre stânga cu straturi de tip P – InP. Schimbarea materialelor este urmată de o schimbare în trepte a indicilor de refracție rezultând un ghid de undă lateral. Ghidul de undă vertical este, din nou, realizat de către heterojoncțiuni;

un canal îngropat în cadrul substratului diodei laser care este prevăzut cu un șanț în formă de V în cadrul substratului. Regiunea activă „alunecă” în acest șanț izolându-se, fizic, în lateral, porțiunile regiunii active care emit radiație de către pereții șanțului;

o diodă laser cu heterostructură îngropată cu două canale va avea un canal construit în fiecare din cele două părți ale regiunii active care emit radiație, care va izola regiunea și va forma un ghid de undă.

Toate aceste diode laser au o schimbare în trepte a indicilor de refacție. Mai este posibil ca radiația să poată fi ghidată printr-o schimbare mai graduală, cu formă conică, a indicilor de refracție. Aceste structuri realizează, însă, concentrări de sarcini mai mici. Figura 2.12., de mai jos, prezintă o diodă laser cu nervuri inversate. În această diodă laser, primul strat care se află sub regiunea activă, are un canal, în structura lui determinând, astfel, un spațiu îngust, iar efectele acestei schimbări geometrice asupra regiunii active se manifestă ca o variație graduală a indicilor de refracție. Această variație a indicilor determină o ghidare laterală a radiației. O altă variantă este dioda laser la care regiunea ascuțită se află deasupra regiunii active, producând o variație a indicilor datorită efectelor de crestă asupra regiunii active.

În general, diodele laser cu ghidare a indicilor sunt superioare diodelor laser cu amplificare ghidată. Aceasta deoarece necesită curenți de prag mai mici, au o stabilitate mai bună când operează cu impulsuri și au un spectru de frecvență mai îngust decât la diodele laser cu amplificare ghidată.

2.2.4. Proiecția fascicolului

Pentru majoritatea diodelor laser, partea de ieșire a regiunii de emisie are o lungime de 150 – 500 µm, cu 5 – 20 µm lățime și 0,1 – 0,2 µm înălțime. Rezultă astfel, că proiecția radiației în câmp îndepărtat va avea o formă asimetrică, cu o divergență perpendiculară pe lățimea regiunii de emisie de 30 – 50o, iar cea paralelă de 5 – 10o. Această din urmă valoare este de cinci ori mai mică decât în cazul diodelor electroluminiscente, radiația emisă de diodele laser fiind mult mai coerentă.

2.2.5. Dependența de temperatură a diodelor laser

Una dintre problemele majore ale diodelor laser, este dependența temperaturii de curentul de prag. Sursele de lungime de undă lungă – InGaAsP, sunt mult mai sensibile la variația temperaturii decât sursele de lungime de undă scurtă – GaAlAs.

Diodele laser sunt construite cu radiatoare (cooler), pentru a se obține o temperatură de operare constantă, sau pot avea radiator termoelectric încorporat care să elimine căldura din cadrul diodei laser. Capacitatea cooler-ului trebuie să fie suficient de mare pentru a putea menține o temperatură de operare constantă în timpul funcționării diodei laser.

O altă metodă prevede includerea unui circuit de compensare a temperaturii care să minimizeze efectele variației termice. Acest circuit este alcătuit dintr-un fotodetector care captează o mică parte din radiația emisă și produce un curent proporțional cu puterea diodei laser. Printr-un mecanism de feed-back, curentul prin dispozitiv poate fi ajustat astfel încât să se obțină un nivel al puterii de emisie constant.

2.2.6. Date caracteristice (date de catalog)

Puterea radiantă: -o diodă laser cu homojoncțiune de GaAs furnizează o putere în impuls de până la 100W,la temperatura camerei,și impulsuri de 10-8s;

Curentul de prag: – reprezintă curentul minim care trebuie aplicat diodei pentru a se produce radiație coerentă. Deoarece puterea radiată crește liniar cu curentul prin dispozitiv rezultă simplitatea modulării fasciculului optic prin modularea curentului direct (figura 2.13.);

Caracteristica spectrală – reprezintă caracteristica intensității radiației față de lungimea de undă (bandă foarte îngustă în comparație cu LED-urile );

Diagrama de directivitate – de regulă, se reprezintă distribuția spațială a intensității radiației generate în planul secțiunii și perpendicular pe aceasta;

Randamentul cuantic -reprezintă suma randamentelor ce caracterizează dioda laser:

randament cuantic intern (eficiență cuantică) – care este raportul dintre numărul de fotoni generați prin recombinări radiative și numărul de electroni de injecție

randament cuantic extern – care este raportul dintre numărul de fotoni generați sau obținuți în exteriorul diodei și numărul de electroni incidenți.

3. Tipuri de emițătoare optice

3.1.Analiza unui emițător pentru fibra optică

Transmițătorul realizeză conversia semnalelor electrice în semnale optice. Acesta conține un driver, o sursă de lumină și un dispozitiv de conectare la cablul de fibră optică.

Driverul realizează trei funcții:

Realizează o optimizarea a semnalului luminos prin controlul câștigului și al condiționării de semnal;

Asigură o compensare cu temperatura, astfel încât să fie depășită capacitatea de curent a sursei de lumină, în special la LD;

Permite reglarea curentului de alimentare pentru a proteja sursa de lumină și pentru a optimiza răspunsul optic;

Fig. 2.14. Schema bloc a unui transmițător pentru fibră optică

Sursa de lumină poate fi realizată cu diodă electroluminiscentă(LED) sau cu diodă laser(LD).

Transmițătorii analogici realizează modificarea amplitudinii (intensității), a fazei sau frecvenței undei luminoase într-o manieră continuă. Transmițătorii digitali modifică parametrii semnalului optic între două stări distincte. Tipul de modulare și codare utilizată într-un sistem de comunicații prin fibre optice depind de o serie de factori, dar în majoritatea cazurilor, un anumit tip de sursă de radiație este mai adecvată unei anumite aplicații. De exemplu, radiația optică de spectru larg al unui LED nu este potrivită pentru un tip de modulație care necesită un front de undă stabil și momocromatic (modulația în frecvență sau fază). Pentru LED-uri, ca transmițători optici prin fibră, cea mai potrivită metodă de modulare este modulația în intensitate. Această observație este valabilă și pentru diodele laser cu o coerență scăzută. În plus apariția unor DL stabile, acordabile, monocromatice au stimulat dezvoltarea sistemelor de comunicații coerente, modulate extern în frecvență sau fază.

În cazul LD se utilizează o reacție negativă cuplată optic printr-o diodă de recepție. Realizarea blocului electronic de comandă (driver) depinde substanțial de dispozitivul de emisie, de particularitățile legăturii optice.

Din punct de vedere al dispozitivului de emisie, trebuie considerate următoarele limitări:

Puterea electrică de comandă

Puterea electrică de comandă este aproximativ comparabilă pentru LD și LED fiind necesar curenți (ID) între 20 și 300mA (tipic pentru anumite LD se poate ajunge la 1-2 A) iar tensiunea pe dispozitivul de emisie de 1.5-2.5V.

LD este un dispozitiv cu prag (Ip) încât comanda trebuie să-1 ducă în domeniul emisiei coerente (peste prag) pentru puteri optice uzuale între 1-10 mW. LED-ul poate genera puteri optice similare (ca nivel) cu LD-ul, dar datorită necoerenței cuplajul cu FO este mult mai slab (1 – 10 %). Astfel dacă un LD poate cupla puteri de ordinul mW, LED-ul nu poate ajunge cel mult decât la câteva sute de μW (cu 10-20dB sub LD). Aceasta constituie un motiv serios ca LD-ul să fie ales pentru aplicații de distanță mare.

Liniaritatea

Liniaritatea este o cerință importantă mai ales în sistemele analogice sau digitale multinivel care transmit mesaje prin modificări de amplitudini (intensitate) ale purtătoarei optice.

Comportarea termică

Încălzirea dispozitivelor de emisie (fie LD fie LED) le limitează performanțele. Variația termică a curentului de prag pentru un LD poate constitui o problemă a emițătorului. Această problemă nu poate fi evitată (uzual) prin simpla răcire a laserului, ci trebuie făcut un astfel de driver care să mențină constantă puterea optică medie emisă.

Și pentru LED puterea optică emisă scade când temperatura crește (câțiva dB pentru 0-70 °C).

Răspunsul în timp

Viteza de răspuns este dictată de mecanismele radiative de emisie. Emisia spontană a LED-lui depinde de timpul de viață a purtătorilor minoritari în materialul semiconductor.

Lărgimea spectrală

Lărgimea spectrală a sursei "pune în evidență" dispersia fibrei optice cu toate consecințele ce, apar în privința produsului DL (pentru o pereche, sursă fibră).

Raportul de stingere

Când sursa este intenționat prepolarizată (de exemplu la DL) se emite o anumită putere optică și pe mesaj „0". Tipic raportul de stingere între puterea optică pe un mesaj „1" și puterea emisă pe „0" este în domeniul 0,05 – 0,1 și conduce la penalitate de putere în sistemele optice (mai ales în cele limitate de zgomotul cuantic) în domeniul 1 – 2 dB. Orice curent de întuneric va crește acest raport.

3.2. Analiza unui emițător cu LED

Transmisia de bandă largă necesită în principiu un emițător optic format dintr-un modulator de curent și un LED rapid sau o diodă laser. Din punct de vedere economic, precum și al performanțelor LED-urile actuale, în legăturile dintre calculatoare sunt preferate LED-urile în locul diodelor laser.

Obținerea performanțelor maxime necesită două tehnici simple:

prepolarizare în curent continuu;

preaccentuarea salturilor.

Prepolarizarea constă în aplicarea unui curent continuu prin LED atât în starea de emisie cât și în starea blocată. Acest curent previne descărcarea completă a capacității totale a LED-ului pentru a-l trece în starea de conducție.

Accentuarea salturilor este realizată de driver prin creșterea curentului de injecție în timpul salturilor. Dacă constanta de timp a circuitului de accentuare este aproximativ egală cu timpul de viață al purtătorilor minoritari al LED-ului, creșterea curentului prin LED va transfera sarcina cu o viteză care îmbunătățește timpul de creștere și de cădere a luminii emise fără a produce suprasalturi excesive în impulsuri optice.

Deoarece LED-ul este o componentă cu caracteristică neliniară este de presupus că un driver cu o impedanță neuniformă va oferi avantaje în comutarea LED-ului. Comutarea LED-ului mai greu la blocare față de conducție duce la apariția fenomenului cunoscut ca răspuns de coadă. Acest fenomen este mai evident când se folosește un comutator simplu serie cu LED-ul. De aceea se utilizează în general un driver paralel cu LED-ul care-l șuntează. O astfel de combinație driver-LED duce la îmbunătățirea timpilor de comutație ai LED-ului și reduce distorsiunile în lățimea impulsului, iar coada de răspuns este micșorată.

În atenția proiectării unui emițător optic având ca sursă optică un LED trebuie să stea și faptul că acesta prezintă o modificare de aproximativ 2 dB a puterii optice emise când temperatura de lucru variază în gama 1000 C ÷ 5000 C. Acest neajuns se elimină fie prin proiectarea linie cu o margine de 2 dB în bugetul acesteia, fie prin compensarea acestei variații prin driver.

Compensarea constă în creșterea curentului prin LED când temperatura de lucru crește. Pentru aceasta se utilizează proprietatea joncțiunii de siliciu a cărei temperatură variază direct cu tensiunea directă (-2.5 mV/0C). Micșorarea impedanței driverului va contribui și la o mai bună imunitate la zgomot și la variațiile tensiunii de alimentare. O cale de rezolvare a acestei probleme este utilizarea unei surse de curent constant, compensată cu temperatura, ca în figura 2.15.:

Fig. 2.15. Susă de curent constant compensată cu temperatura

Tensiunea bazei tranzistorului T1 este dată de relația:

VB= R1 (R1+R2)*(VC-3VBE)

unde: V≈0.7 V la temperatura camerii, iar amplificarea în curent a tranzistoarelor B este mai mare de 50. În această situație, curentul prin LED este aproximativ egal cu curentul de colector al tranzistorului T2.

ILED = IC ≈ IE = R1/ ( R1+R2 ) (VC – 3VBE)/ R3 – 2VBE/ RB

Determinările practice au condus la concluzia că variația circuitului de emitor cu temperatura, IE / T este de +1mA / 0C. O astfel de variație a curentului poate corecta puterea optică a unui LED de tip GaAlAs.

3.3. Analiza unui modul de emisie optică cu diodă laser

Schema de principiu conține o diodă laser cu dublă heterostructură, o fotodiodă prin care traduce o parte din semnalul optic emis de laser în semnal electric de reacție pentru stabilizarea funcționării acestuia o fibră optică intermediară având un capăt sudat pe o suprafața emițătoare a diodei laser și celălalt capăt prevăzut cu un conector optic, și electronica de comandă și stabilizare a funcționării diodei laser.

3.3.1. Principiul de funcționare.

Curentul generat de fotodioda PIN este injectat în două bucle de control: una pentru polarizarea diodei laser la o putere optică medie și alta stabilizează excursia de curent pe caracteristica statică a acestuia. Polarizarea laserului se realizează printr-o buclă de reacție conținând fotodioda receptoare, un amplificator A , un comparator C , și un amplificator de curent.Componenta continuă a fotocurentului detectat de fotodioda FD este convertită în tensiune de către amplificatorul A , care apoi se compară cu o tensiune de referință în comparatorul C .Tensiunea de eroare AU rezultată este integrată de către filtrul RsC , amplificată de T1 și comandă prin T2 și T3 curentul de polarizare al diodei laser. Stabilizarea excursiei de curent presupune controlul atât a puterii de vârf cât și a puterii minime a diodei laser. Pentru aceasta componenta alternativă a fotocurentului detectat este amplificată și injectată în două detectoare de vârf, unul de maxim și altul de minim. Semnalul diferență este la rândul său amplificat și comparat cu o tensiune de referință. Semnalul de eroare este apoi filtrat, și prin intermediul lui T1 determină valoarea amplificării cu circuitul de comandă al diodei laser.

3.3.2. Controlul puterii optice

Controlul puterii optice emise de o diodă laser necesita o circuistică destul de sofisticată. în toate cazurile este necesar un monitor de curent la ieșirea dispozitivului prin care se culege o parte din semnalul optic și care prelucrat corespunzător controlează printr-o cale de reacție funcționarea diodei laser. Controlul automat se poate referi fie la puterea medie emisă de laser fie la puterea de vârf, la curentul de polarizare, la temperatură sau combinat. De aici rezultă o diversitate de scheme. O schemă simplă de stabilizare a puterii medii se prezintă astfel:

Fig. 2.16. Circuit de stabilizare a funcționării diodei laser cu o singură cale de reacție

Aici o parte din semnalul optic de ieșire al diodei laser este detectat de o fotodiodă, amplificat de un amplificator integrator și comparat cu un semnal de referință. Semnalul eroare rezultat se aplică circuitului de comandă al diodei laser.

4. Modulații numerice folosite în transmisiile de date

4.1. Generalități despre modulații

Modulația este procesul prin care informația numerică conținută în biți codificați este transferată asupra unui semnal purtător cu caracteristici convenabile (putere, frecvență, etc.) propagării prin mediul de transmitere utilizat. Prin modulație unul sau mai mulți parametrii ai semnalului purtător (care este descris printr-o funcție continuă în timp și are un număr finit de parametrii) se modifică în ritmul semnalului numeric, obținându-se semnalul modulat. În sistemele de comunicații numerice caracterul particular constă în acea că semnalul modulator este în majoritatea cazurilor (0,1).

În general există trei tehnici digitale de bază pentru modulație: modulația în amplitudine (MA), modulația în frecvență (MF) și modulația în fază (MΦ).

Pe de altă parte, fiecare dintre tehnicile digitale de bază pentru modulație are un mare număr de variante. Tehnicile digitale hibride sunt de asemenea posibile și li s-a acordat o atenție sporită în ultimii ani datorită faptului că utilizează economic spectrul.

4.2. Modulația digitală în amplitudine (Amplitude Shift Keying)

Modulația în amplitudine – este metoda de modulație liniară prin care semnalul este translatat din banda de baza în doua benzi situate simetric în raport cu frecvența purtătorului

Modulația digitală în amplitudine este numită și ASK (Amplitude Shift Keying). Forma de undă ASK poate fi detectată fie coerent, fie necoerent. Totuși, există o ușoară diferență în performanță, comparativ cu creșterea în complexitate necesară pentru a menține coerența de fază între semnalul transmis și purtătoarea locală.

Spectrul semnalului manipulat în amplitudine, prezentat în figura 2.17., corespunde transmiterii periodice în canal a “zerourilor” și “unităților”.

Avantaje:

Utilizare eficienta a benzii canalului;

Viteza mare pe canale cu banda limitata

Dezavantaje:

Raport semnal-zgomot mic;

Echipament de recepție complex;

La recepție nu oferă o îmbunătățire a ratei erorilor.

4.3. Modulația în frecvență (Frequency Shift Keying)

Modulația în frecvență (FSK) – constă în modularea în frecvență a unui semnal purtător sinusoidal, în funcție de valoarea logică a bitului ce trebuie modulat. Astfel, se va transmite un semnal sinusoidal de frecvență f1 pentru bit de informație “1” și unul de frecvență f2 pentru bit de informație “0”. Frecvența semnalului purtător va fi păstrată constantă pe întreaga durată a unui bit.

Modulația în frecvență poate fi, în funcție de faza semnalului modulat, continuă – atunci când trecerea de la un simbol la altul se face cu păstrarea fazei semnalului modulat, sau discontinuă – când se produce schimbarea fazei semnalului modulat. Datorită eficienței mai mari a modulației în frecvență cu fază continuă, aceasta se folosește mai mult

Reprezentarea grafică a modulației FSK este realizată în figura 2.18.:

Avantaje:

Raportul semnal-zgomot este mare;

Echipament simplu.

Dezavantaje:

Banda largă.

Recomandări:

Când nu este necesară o utilizare eficientă a benzii

În comunicații cu viteze până la 1200b/s

Deoarece amplitudinea semnalului modulat este constantă, FSK este recomandată în sistemele în care puterea de vârf a semnalului modulat trebuie să fie limitată și independentă de semnal modulator.

4.4. Modulația în fază (Phase Shift Keying)

Modulația în fază (PSK) – constă în modificarea fazei unui purtător în funcție de valoarea logică a bitului ce trebuie modulat. Astfel, se va transmite un semnal sinusoidal de frecvență f1 pentru un bit de informație “0”, și același semnal dar cu faza modificată cu 1800 pentru un bit de informație “1”.

Sistemele cu modulație de amplitudine (ASK) utilizează eficient banda ocupată, dar sistemele de recepție sunt mai complicate datorită recepției coerente (recuperarea purtătoarei). Sistemele cu modulație de frecvență (FSK) ocupă o bandă mai largă, dar pot fi demodulate și necoerent. Avantajele celor două modulații sunt regăsite în modulația cu deplasare de fază PSK. Semnalele PSK ocupă o bandă redusă comparabilă cu semnalele ASK și pot fi demodulate atât coerent cât și necoerent.

Reprezentarea grafică a semnalelor PSK este prezentată în figura 2.19.:

Avantaje

Banda îngustă;

Simplitatea echipamentului;

Protecție la zgomote.

4.5. Modulația de fază în cuadratură (Quadrature Phase Shift Keying)

Dacă transmițătorul folosește modulația în fază cu m = 4 nivele ale semnalului digital modulator, la ieșirea transmițătorului se obține semnal modulat în cuadratură QPSK.

Fiecare din cele patru faze posibile ale purtătoarei reprezintă doi biți de date. Astfel sunt doi biți pe simbol. Întrucât rata simbolului pentru QPSK este jumătate din rata bitului, poate fi transmis un volum dublu de informații în aceeași cantitate de lărgime a benzii canalului, comparativ cu PSK. Aceasta este posibil pentru că cele două semnale i si q sunt ortogonale între ele și pot fi transmise, neinterferându-se reciproc.

Semnalul QPSK este echivalent cu două semnale PSK, unul folosind o purtătoare sinusoidală, iar celălalt una cosinusoidală

Avantaje

Banda îngustă;

Volum mare de informații;

5. Coduri de linie utilizate în sistemele optice digitale

5.1.Generalități

În toate sistemele de comunicații, transmisia simbolurilor (binare) pe linie(mediu) se face după ce acestea au fost codate în acest scop. Astfel în fluxul de date transmis se introduc informații suplimentare de control și corecție a erorilor, de supraveghere a transmisiei, etc. Semnalul este codat pentru a fi cât mai ”adaptat” canalului prin care este transmis, iar codul trebuie să îndeplinească câteva cerințe cum ar fi: transparență, decodare univocă, eficiență, detecție și corecție a erorilor, spectru favorabil, conținut adecvat pentru extragerea ceasului, conținut cu privire la nivelul semnalului, etc.

În comunicațiile optice numerice se folosesc impulsuri optice unipolare. Totuși în linia optică componenta continuă, în sensul strict al cuvântului, lipsește și de aceea impulsurile se pot reprezenta ca fiind bipolare. Semnalul informațional liniar ce urmează a fi transmis pe fibra optică, fie că este modulat în impulsuri (Pulse Code Modulation – PCM), sau delta (MΔ), etc., nu este adaptat canalului optic.

Adaptarea semnalului optic la particularitățile mediului de transmisie se face prin utilizarea unor anumite coduri de linie prin care:

– se elimina succesiunile mari de 1 sau 0 care pot încărca neuniform sursa de radiație optica și îngreunează refacerea tactului la recepție;

– se asigură o rezervă de semnal necesară detecției și eventual corectării erorilor.

5.2. Coduri corectoare de erori

Codurile corectoare de erori constau în transmiterea unor informații redundante pentru ca receptorul să sesizeze o eroare și să o poată deduce.

De exemplu, un cadru conține m biți de informație la care se adaugă r redundanți, lungimea totală n=m+r este lungimea cuvântului de cod. Între două cuvinte de cod pot apare mai multe diferențe, numărul acestora fiind distanța Hamming (de exemplu între 10001001 și 10110001 distanța Hamming este d=3), acest parametru indicând câte erori de 1 bit există pe 1 cuvânt de cod.

În multe aplicații de transmitere a datelor reprezentarea celor 2m mesaje posibile se poate face prin cel mult 2n (m<n) cuvinte de cod(se poate ca nu toate cuvintele de cod disponibile să fie utilizate, rămânând o parte care devin „cuvinte interzise”).

Din lista de cuvinte permise se găsesc cele cu distanța Hamming cea mai mică care devin prin definiție distanța Hamming a codului. Pentru a detecta și corecta d erori, distanța Hamming trebuie să fie cel puțin d+1, deoarece nu există nici o modalitate ca d erori de un singur bit să poată modifica un cuvânt de cod corect tot într-un cuvânt de cod corect.

5.3. Coduri detectoare de erori

Codurile corectoare sunt utilizate uneori pentru transmisia unidirecțională a datelor, când nu se pot cere (de către receptor) retransmisii. De obicei este preferată detecția erorii urmată de retransmisie din considerente de eficiență(redundanță mai mică mai ales, în cazul unor erori izolate(~10-6~ 10-12 ).

Cel mai des utilizate sunt codurile polinomiale CRC(Coduri cu Redundanță Ciclică- cyclic redundancy).

Acestea se bazează pe tratarea șirurilor de biți ca reprezentări de polinoame cu coeficienții 1 sau 0. De exemplu, 110001 are 6 biți și ei reprezintă un polinom cu câte 6 termeni: x5+x4+1.

Ideea este de a crea o sumă de control la sfârșitul cadrului astfel încât polinomul reprezentat de cadrul cu sumă de control să fie divizibil prin polinom. Dacă se obține rest, a avut loc o eroare de transmisie.

Trei polinoame au devenit standarde internaționale:

CRC 12 =x12+x11+x3+x2+x+1

CRC 16 =x16+x15+x2+1

CRC CCITT =x16+x12+x5+1.

Toate, îl conțin pe (x+1) ca factor prim, lucru care duce la posibilitatea depistării tuturor erorilor ce constau dintr-un număr impar de biți inversați, deasemenea permit depistarea tuturor erorilor simple și duble.

5.4.Câteva coduri practice

În transmisiile optice aceasta se realizează prin mărirea frecvenței de succesiune a impulsurilor de cod, lucrul facilitat de banda de frecvență mare a canalului optic. Se utilizează de regulă coduri de bloc mBnB prin care o grupă de m simboluri binare informaționale se transformă într-o grupă de n simboluri binare (cu n > m). Prin aceasta frecvența de tact crește cu raportul m/n.

În sistemele de transmisiuni optice urbane unde lungimea traseului optic este mică (sub 8 – 10 Km), iar viteza informațională relativ mică (sub 8,448 Mbps) se utilizează de regulă coduri 1B2B pentru care regula de codare este mai simplă. În liniile optice interurbane și pe magistralele de date, unde vitezele sunt mari (zeci, sute Mbps), iar distanța între regeneratoare mare (zeci Km), codul de linie, de exemplu 5B6B prin care frecvența de tact crește la m/n = 6/5 = 120%. În felul acesta, frecvența de tact crește la grupul secundar PCM de la 8,448 MHz la 10,148 MHz, iar la grupul terțiar de la 34.368 MHz la 41.242 MHz.

Semnalele numerice în cod 1B2B se mai numesc și semnale biimpuls, pentru că pe durata unui impuls inițial corespund două impulsuri transformate. În toate cazurile, de la început s-a considerat că folosirea biimpulsurilor este un caz limită al modulației de fază, în care perioada purtătoarei corespunde cu un interval de tact.

În cadrul transmisiilor de date una din problemele cele mai importante constă în extragerea (refacerea) tactului și regenerarea datelor. Pentru comunicațiile prin fibre optice această problemă apare atât la emițătorul de linie cât și la receptorul de linie.

Procesul de regenerare este de fapt un proces de decizie, având două componente: decizia în amplitudine și decizia în timp asociat cu un proces de refacere a tactului. Cele două tipuri de decizie se referă la niște praguri bine stabilite: un prag de amplitudine și un prag de timp. Pragul de amplitudine este sesizat cu ajutorul unor amplificatoare diferențiale, iar pragul de timp cu ajutorul

unor bistabili de tip D, comandați de frecvența tactului obținut în urma refacerii.

În transmisiile de date, în funcție de mediul de transmisie se utilizează diferite tipuri de coduri.

Codul binar

Biții dintr-un semnal binar pot avea numai două valori discrete notate simbolic cu „0“ și „1“.

Codul binar poate apărea în două forme și anume:

– cod NRZ (Non Return – to – Zero code)

– cod RZ (Return – to – Zero code)

În cazul codului NRZ biții individuali se succed fără nici o pauză, cu alte cuvinte, elementul binar își menține valoarea pe toată durata T a unei perioade de tact (figura 2.20.)

În cadrul codului RZ, elementul binar își menține valoarea (0 sau 1) numai pe o semiperioadă a semnalului de tact, luând în mod obligatoriu valoarea 0 pe durata celeilalte semiperioade (figura 2.21.)

Un semnal în cod binar (NRZ sau RZ) este inadecvat pentru a fi transmis pe o linie, pe o pereche simetrică deoarece:

– conține o componentă continuă care nu poate traversa transformatoarele de linie; în plus, această componentă ar complica considerabil etajele de egalizare existente în regeneratoarele intermediare;

– reconstituirea semnalului de tact este îngreunată de succesiunile lungi de „zerouri“ care pot apărea atât la NRZ cât și la RZ; în plus, la forma NRZ, aceeași problemă se poate pune și în cazul succesiunilor lungi de biți cu valoarea binară 1.

Neajunsurile arătate mai sus pot fi evitate prin folosirea codurilor „ternare“ (fiecare bit poate lua nu două, ci trei valori distincte notate simbolic cu +1, -1 și 0).

Codul AMI (Alternate Mark Inversion)

Conversia unui semnal AMI se realizează astfel:

– biții de valoare 1 din semnal sunt redați în AMI prin impulsuri de tensiune care au alternativ polaritate pozitivă și negativă;

– biții de valoare 0 din semnal sunt redați în AMI prin tensiune nulă.

Astfel componenta continuă se anulează, iar succesiunea de simboluri cu valoarea 1 nu se realizează; în consecință se poate reface semnalul de tact. Inconvenientul este nerezolvarea succesiunii lungi de simboluri cu valoarea binară 0, ceea ce face ca în sistemele moderne să fie preferat codul AMI modificat.

Codul HDB3 .(High Density Bipolar of the Third Order)

Este un cod bipolar, fiind materializat prin impulsuri pozitive si negative, față de potențialul 0V având aceiași durată, stabilită în conformitate cu frecvența de tact utilizată. Este un impuls RZ (return to zero), astfel că, după fiecare impuls pozitiv sau negativ cu durata indicată, urmează o pauză (0 V) de aceiași durată. Acesta este definit de trei potențiale: potențial pozitiv, potențial zero și potențial negativ. Potențialul pozitiv este egal în modul cu cel negativ având valoarea standard de 1V (pe 75 ohm).

Denumirea acestui cod (High Density Bipolar) indică faptul că el asigură o densitate (frecvență) ridicată a impulsurilor cu polaritate alternativă. Cifra 3 indică faptul că într-un semnal prelucrat după acest cod nu apar niciodată mai mult de trei simboluri zero consecutive. Codul HDB3 este identic cu codul AMI atâta timp cât în semnalul codat nu apar aceste trei simboluri de zero consecutive.

Codarea unui semnal binar se realizează după următoarele reguli:

a) se asociază elementelor binare 1 impulsuri în linie de polarități alternând ca semn, cu o durată egală cu a elementului binar; elementului binar 0 îi corespunde absența semnalului;

b) dacă există o secvență de 4 zerouri succesive, atunci cel de-al patrulea zero se înlocuiește cu un element redundant V care poate fi recunoscut și poate fi eliminat la recepție deoarece are aceeași polaritate cu elementul de semnal 1 anterior.

Elementele redundante V trebuie să alterneze ca semn, așa cum se poate observa și în figura 2.23.

Atunci când regula nu poate fi aplicată direct se va introduce pe poziția primului element din secvența de 4 zerouri succesive un element redundant de tip B care are polaritatea opusă cu elementul de semnal anterior. (figura 2.24.)

Pe poziția celui de-al patrulea zero se introduce elementul redundant de tip V care are aceeași polaritate cu elementul B, deci se produce înlocuirea a 4 zerouri cu „B00V“.

Cele două elemente redundante vor fi recunoscute de receptor pentru că au aceeași polaritate și intervalul de timp dintre ele este egal cu durata a două elemente binare.

Codul MCMI (Modified Code Mark Inversion )

Codul MCMI este un cod unipolar ,având 2 nivele de potențial (potențial pozitiv și potențial de zero ), deci este un cod binar. În linia optică, aceasta înseamnă prezența luminii și respectiv absența luminii, fapt care este foarte convenabil din punct de vedere tehnic. În sistemele de transmisiuni de date (în special cele cu viteza de 34,368 Mbps), codul MCMI prezintă următoarele avantaje:

– conversia HDB3/MCMI foarte simplă;

– inversa MCMI/DB3 foarte simplă;

– circuite simple, cu consum redus de energie și fiabilitate ridicată (nu necesită scrambler);

– nu apar erori de multiplicare;

– refacere facilă a tactului.

Conversia HDB3/MCMI

Aceasta are loc în emițătorul de linie. Legea de conversie este indicată în tabelul 1:

HDB3-MCMI

Tabelul 1. Legea de conversie HDB3-MCMI

Conversia MCMI/HDB3

Aceasta conversie are loc în receptorul de linie și este o operație inversă conversiei prezentate anterior.

CAPITOLUL III

MEDIUL DE TRANSMISIE AL RADIAȚIEI OPTICE

Transmisia semnalelor optice se poate face ghidat sau neghidat. În cazul transmisiei ghidate canalul este format dintr-un ghid optic – fibra optică. Transmisia neghidată utilizează ca mediu de propagare spațiul liber (vid, atmosferă, apă).

1. Transmisia neghidată a radiației optice

Transmisia neghidată a fascicolelor optice este utilizată îndeosebi în cazul transmisiilor cosmice (spațiale) unde mediul de transmitere este vidul. În ceea ce privește transmisia prin atmosferă a fascicolelor optice, aceasta este utilizată mai rar fiind preferată transmisia ghidată datorită distanțelor mari de transmisie realizate și datorită atenuării mici. De obicei transmisia fascicolelor optice prin atmosferă se utilizează pe distanțe scurte (datorită atenuării fascicolului), iar majoritatea aplicațiilor de acest gen se întâlnesc la interconectarea rețelelor locale de calculatoare (LAN) aflate în clădiri diferite unde există vizibilitate directă.

Recent se studiază posibilitatea propagării neghidate a fascicolelor optice utilizând ca mediu de transmisie apa, folosindu-se acele game de frecvență ale radiației optice care suferă o atenuare și o absorbție minimă în acest mediu (cum ar fi radiația verde pentru apă).

Particularitățile esențiale ale atmosferei ca mediu de transmisie sunt determinate de fenomenele de turbulență, împrăștiere și absorbție, fenomene ce perturbă puternic fascicolele optice modulate. De asemenea utilizarea atmosferei ca mediu de transmisie necesită selectarea acelor lungimi de undă care sunt cel mai puțin perturbate de canalul de propagare.

Radiațiile laserilor uzuali sunt în parte absorbite de atmosferă, de aceea folosirea lor este strâns legată de cunoașterea caracteristicilor optice de transmisie ale mediului atmosferic. Este preferată utilizarea uneia din ferestrele de mică absorbție ale atmosferei – care oferă o bună transmitanță și este puțin influențată de condițiile meteorologice.

În cele ce urmează se vor prezenta unii din principalii factori care influențează directivitatea și coerența fascicolului optic precum și efectele mediului de transmisie asupra propagării acestor radiații.

Influența mediului atmosferic asupra propagării radiației laser

Atmosfera terestră constituie principalul canal optic utilizat pentru transmisiile neghidate, între două sau mai multe puncte situate pe pământ sau în aer. Particularitățile acestui mediu de transmisie sunt fenomenele de turbulență,

împrăștiere și absorbție. În cazul laserilor de mare putere mai apar efecte de modificare a proprietăților mediului prin ionizări, străpungeri, evaporări locale, gradienți termici, etc.

Folosirea atmosferei drept mediu de transmisie, necesită selectarea acelor lungimi de undă care sunt cel mai puțin perturbate de canalul de propagare. În calculul puterii recepționate, în funcție de puterea transmisă, trebuie să se țină seama de împrăștierea fascicolului prin difracție, la distantă mare de transmițător.

1.2. Atenuarea atmosferică a semnalelor optice

Atenuarea atmosferică a semnalelor optice modulate se datorează atât fenomenului de absorbție cât și fenomenului de difuzie. Absorbția atmosferică se explică prin existența unor largi benzi de absorbție care aparțin diferiților constituenți atmosferici. Practic atmosfera terestră (de altfel ca orice canal de transmisie) poate fi caracterizată complet prin determinarea caracteristicilor de frecvență (funcției de transfer). Aceste efecte (turbulență, împrăștiere, absorbție) pot fi luate în considerare prin definirea unui coeficient de atenuare.

1.3. Turbulența atmosferică

Turbulența contribuie la diminuarea transmitanței și este legată de neomogenitatea indicelui de refracție. Ea se manifestă cel mai mult în straturile subțiri – până la altitudinea de 100 m față de sol și la circa 3 Km sub limita troposferei, unde temperatura aerului și viteza vântului produc fluctuații ale indicelui de refracție, relativ mari.

Canalul optic cu turbulență este caracterizat de variații aleatoare ale indicelui de refracție al mediului (fluctuații temporale și neomogenități spațiale) de-a lungul traseului de propagare al fascicolului optic, cauza fiind gradienții de temperatură din atmosferă care apar ca urmare a mișcării turbulente a acesteia.

Influența mediului turbulent asupra fascicolului optic se manifestă prin fenomene de interferență locală, degradarea polarizării fascicolului și fluctuații aleatoare ale amplitudinii și fazei, care determină deteriorarea coerenței spațiale și temporale a fascicolului.

2. Transmisia ghidata a fascicolelor optice

2.1. Introducere

Ghidul de undă optic este o structură dielectrică alcătuită dintr-un canal optic cu indicele de refracție nr care permite transmisia luminii la distanță printr-un proces continuu de reflexie internă totală la suprafața de separație canal-reflector. Principalele tipuri de ghiduri optice sunt reprezentate de ghidurile optice cu simetrie plană (straturi subțiri dielectrice) și fibrele optice (ghiduri optice cu simetrie cilindrică).

2.2. Ghiduri optice cu simetrie cilindrică

2.2.1. Construcția unei fibre optice

Fibra optică este un ghid de undă dielectric în gama optică, având secțiunea circulară, aceasta fiind utilizată pentru transmiterea ghidată la distanță a purtătoarei optice modulate. Din punct de vedere practic, fibra optică este alcătuită dintr-un canal (miez) având indicele de refracție n1 și diametrul 2a, un înveliș reflectorizant având indicele de refracție n2 și unul sau mai multe straturi de protecție. Diametrele miezului și al învelișului exterior sunt standardizate având dimensiuni de ordinul micronilor (zeci de microni) pentru miez și sute de microni pentru înveliș.

Fig. 3.1. Construcția fibrei optice

Canalul – reprezintă mediul în care are loc propagarea. Acesta are o secțiune circulara, având diametrul (2a) de: 4-6 microni la fibrele monomod; 50-60 microni la fibrele multimod; sute de microni la fibrele realizate dîn plastic. Acest miez (canal) trebuie să fie cât mai uniform ca dimensiuni transversale și compoziție materiala și să aibă un coeficient de atenuare cât mai mic.

Reflectorul – are un rol de ghidare a luminii prin reflexie internă totală și de atenuare a radiației care părăsește miezul și pătrunde în înveliș. Grosimea sa nu prezintă importanță din punct de vedere al propagării (2b fiind de regula de sute de microni).

Învelișul de protectie – este format din unul sau mai multe straturi cilindrice în care fibra propriu-zisă poate fi fixată rigid sau nu. Diametrul exterior al învelișului prezintă importanță atunci când trebuie realizată joncționarea fibrelor.

2.2.2. Principiul transmisiei radiației prin fibre optice

Fibrele optice realizează concentrarea radiației optice de-a lungul unei fibre de sticlă. În forma lor cea mai simplă, sunt ghiduri de undă dielectrice cu simetrie cilindrică, alcătuite dintr-un ghid de sticlă central care are un indice de refracție, înconjurat de un alt ghid cu un indice de refacție mai mare.

Procesul care concentrează radiația în cadrul fibrei și îi permite acesteia să se propage de-a lungul ei, se bazează pe principiul reflexiei interne totale la interfața a două medii dielectrice. Se consideră o undă optică incidentă pe suprafața care separă două medii dielectrice cu indici de refracție diferiți. Direcția de propagare a undei optice face un unghi de incidență θi cu normala la suprafață, după cum se observă și în figura 3.2. Indicele de refracție n al unui mediu este dat de formula:

;

unde: c este viteza luminii în vid (3∙108 mps), iar v este viteza radiației în mediu. Pentru ca să se realizeze reflexia internă totală, indicele de refracție al mediului care conține unda incidentă trebuie să fie mai mare decât indicele de refacție al celuilalt mediu. Legea lui Snell referitoare la transmisia undei incidente are următoarea formă:

n1sinθi = n2sinθt;

unde θi este unghiul de incidență, iar θt este unghiul de transmitere. Din această relație se observă că θt=90o, când θi are valoarea:

;

unde: θc este unghiul critic de incidență. Pentru valori ale unghiului de incidență egale sau mai mari decât unghiul critic, energia undei incidente este reflectată total înapoi în mediul 1. Această reflexie internă totală este aceea care permite propagarea radiației fără nici o pierdere. Radiația care este incidentă la un unghi mai mic decât unghiul critic, este parțial transmisă și parțial reflectată, pierzându-se astfel o parte semnificativă din putere.

2.3. Tipuri de fibre optice

La ora actuală se construiesc și există pe piață un număr mare de tipuri de fibre optice cu caracteristici geometrice, optice și de transmisie diferite, în funcție de destinație și de condițiile cerute de utilizare. Ele se pot clasifica după mai multe criterii:

A. După numărul modurilor de propagare existente în fibră se întâlnesc următoarele tipuri de fibre optice:

fibre optice monomod. Acestea permit propagarea unui singur mod de oscilație electromagnetica(HEn) și sunt caracterizate de: dimensiuni mici ale miezului, apertură numerică mică și bandă de trecere (cea mai) mare.

fibre optice multimod. Acestea permit propagarea simultană a unui mare număr de moduri, au dimensiuni transversale mai mari, apertura mare și banda de trecere relativ mică.

Împărțirea în aceste mari categorii este dictată în primul rând de diametrul miezului, valoarea acestuia fiind comparabilă cu lungimea de undă a radiației laser incidente, în cazul fibrelor optice unimod. Fibrele optice unimod nu se pot cupla însă decât cu surse de radiație laser coerente de intensitate comparabil mai mare decât cea a surselor de radiație folosite împreuna cu fibrele multimod.

Fibrele optice multimod au diametrul miezului mult mai mare decât lungimea de undă a radiației incidente rezultând toleranțe mai mari în dimensiunile lor, ale elementelor de cuplare cu sursa și chiar ale surselor de radiație. De asemenea, ele permit utilizarea unor surse de radiație incoerente, ieftine și sigure în exploatare (LED-uri) și ușurează problemele de manipulare și îmbinare. Din acest motiv ele sunt mai bine studiate și mult mai larg folosite în practică. Pe lângă numeroase avantaje, fibrele optice multimod prezintă însa inconvenientul unei creșteri a duratei impulsurilor ce se propaga prin ele, creștere datorată fenomenului de dispersie a impulsului de radiație multimod în interiorul fibrei. Acest dezavantaj poate fi însa inlăturat în mare parte printr-o distribuție corespunzătoare a indicelui de refracție n, al materialului dielectric în secțiunea circulară a miezului fibrei.

B. După legea de variație a indicelui de refracție în miez și în înveliș fibrele optice pot fi:

fibre optice discontinue (FOD). Acestea sunt fibre cu salt al indicelui de refracție, acești indici având valori constante în miez (n1) si in invelis (n2), trecerea de la miez la învelis producându-se prin salt;

fibre optice gradate (FOG) sau fibre cu gradient al indicelui de refracție. La aceste fibre indicele de refracție se modifică continuu de la centru spre periferie, după o anumită lege numită funcție de profil.

Ambele fibre optice au diametrul miezului mult mai mare decât lungimea de undă a radiației incidente în ele, ele sunt fibre optice multimod. Cele mai răspândite fibre optice utilizate în prezent sunt și cele mai simple, fibrele de tip FOD la care indicele de refracție al miezului n1 , este mai mare decât indicele de refracție al învelișului n2, unde n2= n1 (l-A). FOD-urile pot fi atât fibre unimod cât si multimod, în funcție de diametrul miezului.

În fibrele optice gradate -FOG, menținerea și ghidarea radiației în miez se face prin scăderea radială continuă a indicelui de refracție în miez, după o lege arbitrară. Fibrele optice gradate prezintă proprietatea de autofocalizare a fascicolului optic (SELFOC).

După natura materialelor din care sunt construite, fibrele pot fi:

cu miez și învelis din sticlă;

cu miez de sticlă și înveliș din plastic;

cu miez și înveliș din plastic.

Utilizarea unui tip de fibră optică este determinată de specificul aplicației (de parametrul sistemului ce trebuie realizat).

Cele mai bune performanțe sunt realizate de fibrele optice monomod (atenuare mică -0,1 dB/Km, bandă mare de trecere -zeci GHz), dar având dimensiuni transversale mici sunt greu de excitat (de introdus energia optică în canal), iar racordurile greu de realizat. Fibrele optice multimod au banda de trecere mică și atenuare mare însă se poate lucra mai ușor în practică cu ele.

2.4. Mecanisme de atenuare în fibra optică

Un fascicol de radiație laser care se propagă printr-o fibră optică suferă o atenuare datorată în general fenomenelor de absorbție, difuzie și difuzie stimulată. Și alte fenomene de atenuare sunt încă specifice fibrei optice, ca de exemplu difuzia în înveliș sau efectul de radiație datorat curbării fibrei optice.

Atenuarea radiației laser în fibra optică este dată de:

– absorbția de material în fibra optică;

– difuzia de material;

– difuzia geometrică a ghidului de undă;

– radiația de curbură a fibrei optice;

– radiația externă și diafonia optică.

Absorbția de material în fibra optică.

Absorbția de material este principalul fenomen de atenuare a radiației laser în fibrele optice. Ea este datorată benzilor de absorbție ale ionilor de impurități existenți în fibra optică. Astfel, în sticla optică sau cuarțul din care este confecționată fibra optică se găsesc numeroși ioni metalici care au benzi de absorbție în domeniul spectral 0,5 – 1m. Se poate deduce că intensitatea de absorbție a acestor benzi depinde de conținutul în impurități al fibrei optice.

În plus numărul de electroni de valență al ionilor metalici influențează lungimea de undă maximă de absorbție ca și forma benzii de absorbție a radiației incidente. Procesul de fabricație al sticlei optice poate influența mult atenuarea prin absorbție a radiației transmise prin fibra optică. O absorbție puternică se datorează ionilor OH+ produși de incluziunile cu vapori de apă din interiorul fibrei optice. Banda de absorbție datorată ionilor OH- are două vârfuri de absorbție pentru 0,95μm și 0,72μm, dar are maximul de absorbție la 2.7 μm.

Pentru a avea o atenuare redusă a radiației laser incidentă este deci necesară o mare puritate a sticlei optice. Au fost realizate fibre optice fără înveliș cu atenuări prin absorbție de numai 2 -3 dB/Km

B. Difuzia de material

Radiația laser suferă într-o fibra optică diverse procese de difuzie pasivă sau activă incluzând difuzia Rayleigh, difuzia Mic, difuzia Raman stimulată și difuzia Brillouin stimulată.

Coeficientul de atenuare prin difuzie Rayleigh nu depinde de intensitatea câmpului de radiație incident. Ea poate fi cauzată de diferența de compoziție și densitate, de separație de fază. O sticlă optică bună produce atenuări prin difuzie Rayleigh mai mici de 0.9 dB/Km, pentru lungimea de undă de 1 μm.

Difuzia Rayleigh apare atât în miez cât și în învelișul fibrei optice.

Difuzia Mic este datorată imperfecțiunilor materialului dielectric comparabil ca dimensiune cu lungimea de undă a radiației incidente. Ea a fost observată la majoritatea fibrelor optice studiate.

Atât difuzia Rayleigh cât și difuzia Mic sunt efecte liniare, pasive. Spre deosebire de acestea difuzia Raman și difuzia Brillouin sunt efecte neliniare, datorate interacției radiației incidente cu atomii de material ai fibrei optice. Ele se caracterizează prin absorbția unei părți din energia radiației incidente de frecvența și emisia stimulată sau spontană a unei radiații de frecventă diferită care difuzează în fibra optică.

Difuzia Raman este un efect de difuzie dependent de polarizarea electrică a radiației incidente. Sub o anumită densitate energetică a radiației incidente, acest efect produce o difuzie spontană redusă și deci atenuări neglijabile. Peste un anumit nivel de prag al radiației energetice a radiației incidente, radiația difuzată Raman are un anumit grad de coerență și lungimea de undă centrală deplasată față de lungimea de undă a radiației incidente (difuzia Raman stimulată).

Deoarece fibrele optice concentrează o densitate de putere a radiației ridicată pe o secțiune redusă, se observă deseori efecte neliniare, chiar la puteri medii ale radiației incidente. Aceste efecte produc atenuări importante ale fascicolului incident. Deci, pentru distanțe mari de transmisie care necesită puteri de radiație incidentă ridicate, aceste efecte neliniare introduc o limitare superioară a nivelului de putere al fascicolului laser incident.

Difuzia Brillouin stimulată este un fenomen de interacție optoacustică. Ea este predominantă când puterea radiației incidente depășește un anumit prag, care depinde de natura sursei de radiație, monofrecvență sau multifrecvență.

În fibrele optice multimod, destinate să lucreze cu diode electroluminiscente, lățimea miezului este de 50 μm, iar fenomenele neliniare sunt total neglijate în astfel de fibre.

Difuzia geometrică a ghidului de undă

Acest efect este caracteristic fibrelor optice multimod subțiri al căror diametru prezintă variații. Variațiile geometrice ale diametrului unei fibre optice multimod produc un transfer de putere între modurile electromagnetice ale radiației incidente sau între aceste moduri și câmpul electromagnetic ambiant. Acest efect de difuzie poate produce o atenuare suplimentară a fascicolului de radiație. Coeficientul de atenuare depinde de lungimea de undă a radiației incidente, de propagarea modurilor radiației și de geometria fibrei optice printr-o reflexie în care intervine C și care este o constantă geometrică a fibrei optice iar Lc este numită lungimea de corelație a fibrei optice care caracterizează propagarea modurilor de radiație în fibra optică. Are forma α=C x Lc.

Acesta este unul din motivele pentru care diametrul fibrelor optice multimod este mult mai mare decât lungimea de undă a radiației incidente. Practic, se recomandă ca fibra optică să fie executată cu secțiune constantă, fară neuniformități.

Radiația de curbură a fibrei optice

Orice fibră optică va radia în exterior dacă nu este rectilinie. Acest lucru poate fi justificat în felul următor: deoarece câmpul electric din înveliș se extinde spre valori ale lui R mari (R fiind raza fibrei), aceasta implică o creștere a vitezei de grup a undelor electromagnetice pe direcția de propagare. Distribuția exponențială a coeficientului de atenuare inseamnă practic că coeficientul de atenuare poate lua valori extrem de diferite pentru variații mici ale razei de curbură R. Pentru un indice D sub 0.001 atenuările datorate curbării fibrelor optice subțiri sunt neglijabile, când raza de curbură depășește 1 cm.

Radiația externă și diafonia optică

În procesul de propagare a radiației printr-o fibră optică o parte a radiației nu se propagă în înveliș. În același timp, o parte însemnată a radiației difuzate în miez este captată de înveliș unde suferă efecte de atenuare. Acesta este motivul pentru care trebuie luate în considerare atât atenuările radiației în înveliș, cât și pierderile de radiație în exteriorul fibrei optice.

Pierderile externe de radiație se pot reduce prin depunerea pe suprafața fibrei optice a unui strat subțire antireflex. Acest lucru va produce atenuarea prin absorbție a unei părți a radiației dar va împiedica difuzia radiației în exterior și diafoniei optice cu alte fibre optice alăturate.

S-a constatat că se pot reduce astfel la minim diafoniile optice datorate radiației ce se propagă în înveliș. Totuși, pentru reducerea pierderilor prin absorbția suplimentară în depunerea absorbantă exterioară se preferă în general o dimensionare corespunzătoare a grosimii învelișului dielectric în locul acestei depuneri.

2.5. Dispersia semnalelor în fibrele optice

Dispersia sau distorsiunea de întârziere sau de durată este principalul fenomen care limitează banda de trecere a fibrei optice. Fenomenul este mai evident în cazul propagării impulsurilor și se manifestă prin lățirea impulsurilor de ieșire în raport cu cele de intrare. Dacă viteza de transmitere a informației este prea mare, impulsurile de ieșire încep să se suprapună și să apară interferențele (distorsiunile) intersimbol.

Cauzele dispersiei sunt diverse: variația indicelui de refracție cu frecvența, propagarea simultană a mai multor noduri cu viteze diferite, imperfecțiuni de material, mecanice și constructive, curburi și microcurburi ale fibrei care apar pe timpul instalării, exploatării sau a variațiilor de temperatură.

Dispersia reprezintă abaterea medie a duratei impulsului pe unitatea de lungime a fibrei optice:

,

unde τ ste durata impulsului la un moment dat iar τ- reprezintă durata medie a impulsului.

Dispersia în fibra optică are trei componente: cea materială, cea de ghid și cea modală. Primele două sunt specifice numai unui mod de propagare, celelalte fiind prezente atât la fibrele monomod cât și la cele multimod.

Dispersia materială (de material) este prezentă în toate mediile optice și se datorează variației indicelui de refracție cu lungimea de undă, care determină variația constantei de fază β și deci a timpului de propagare de grup cu lungimea de undă. Dispersia materială este semnificativă în special la fibrele optice mononod unde lipsește dispersia modală. Tipic dispersia este de 1% pentru LED-uri și 0,1-0,001% pentru diode laser

Dispersia de ghid se datorează dependeței constantei de fază β de constanta de structură v. Ca valoare este destul de mică și în general se poate neglija mai ales în cazul fibrelor multimod.

Dispersia modală se datoreză diferenței vitezelor de propagare a modurilor existente în fibră. Prin urmare ea este prezentă numai în fibrele multimod în care caz are o valoare semnificativă mai mare față de celelalte tipuri de dispersii. Tipic are ordine de mărime de 10-10 – 10-12s/km.

Deoarece majoritatea sistemelor optice de comunicare transmit informația în formă digitală, constând în impulsuri de radiație, efectul dispersiei modale a întârzierii limitează capacitetea fibrei de a transporta impulsuri care să poată fi recunoscute. Aceasta deoarece dispersia modală lărgește impulsurile în domeniul timp.

Efectul dispersiei impulsurilor constă în dificultatea sau imposibilitatea unui receptor optic de a distinge un impuls de altul, la o anumită distanță de transmisie. Astfel, după o distanță de transmisie predefinită, o fibră multimod fie determină o rată foarte mare a erorii, fie exclude posibilitatea recunoașterii impulsului și anulează posibilitatea de utilizare a cablului de comunicații. Au fost generate diverse profile de indice de refracție pentru a rezolva diferite probleme, cum ar fi reducerea dispersiei cromatice. Astfel, indicele de refracție variază lin de-a lungul diametrului miezului, dar rămâne constant în înfășurare. Această proprietate reduce dispersia intermodală, deoarece razele care se deplasează de-a lungul unei fibre cu indice gradat au întârzieri egale.

2.6. Caracteristici ale fibrelor optice

Caracteristicile optice ale fibrelor optice sunt și ele indicate de către constructor pe lângă caracteristicile fizice iar cunoașterea lor este necesară în instalarea lor.

2.6.1. Caracteristici optice

A. Profilul indicelui de refracție

Este definit ca repartiția indicelui de-a lungul unei drepte ce trece prin axa fibrei optice. În cazul fibrelor optice cu profil gradat avem: , = indice de profil .

În fibrelor optice cu profil gradat avem: , unde Δ = diferență normată a indicilor de refracție, iar n1 și n2 sunt indicii de refracție al miezului respectiv al reflectorului.

Din acest motiv, aceste profile sunt denumite „ profile cu indice gradat". Această denumire a fost special adoptată pentru profilul parabolic (cu g = 2), deoarece aceste fibre optice au proprietăți tehnice bune în ghidarea luminii.

Apertura numerică(AN)

Definește conul de recepție al radiației incidente pe capătul fibrei, în funcție de valorile indicilor de refracție n1 și n2, există o valoare maximă a unghiului de incidență pentru care în punctul M are loc fenomenul de reflexie internă totală și ghidarea radiației în interiorul miezului.

Figura 3.5 Apertura numerică a unei fibre

Exprimînd legea refracției în punctul I și M se obține: ,

Pentru ca în punctul M să avem reflexie internă totală valoarea limită pentru unghiul , va fi de 90°. Se definește apertura numerică (ANL) care este:

Se observă că valoarea ANL depinde numai de indicii de refracție. Prin urmare, ANL se poate defini ca unghiul de acceptare al unei fibre optice și reprezintă valoarea numerică maximă θlim, dintre direcția razei incidente și axa fibrei pentru care avem reflexie internă totală.

2.6.2. Caracteristicile de transmisie ale fibrelor optice

De obicei și aceste caracteristici sunt indicate de către constructor și de asemenea în instalarea și intreconectarea fibrelor optice e necesar a fi cunoscute. Pe baza acestor caracteristici precum și a datelor despre semnalul de intrare se pot determina datele despre semnalul de ieșire.

A. Coeficientul de atenuare:- reprezintă atenuarea radiației optice pe unitatea de lungime. Astfel pentru o unitate de lungime avem expresia uzuală: A(λ)=10lgP1/P2[dB], unde P1 și P2 reprezintă puterile optice corespunzătoare celor două secțiuni ale fibrei (intrare, ieșire).

Dacă fibra are caracteristica uniformă pe lungimea fibrei, se lucrează cu coeficientul de atenuare: a(λ)=A(λ)/L[dB/m] ;

În practică datorită valorilor foarte mici ale atenuării se folosește ca unitate de măsură dB/Km. Mărimea atenuării este necesară pentru determinarea distanței dintre repetori optici.

B. Caracteristica de frecvență (K(ω))-se determină de obicei în banda de bază, K((ω))=H(jω). Cunoașterea caracteristicilor de frecvență permite determinarea spectrului semnalului rezultat la ieșirea fibrei.

C. Banda de trecere (B)-se determină la -3 dB adică 1/2 din valoarea maximă a lui K(ω). De regulă se utilizează banda de trecere a unei secțiuni de lungime fixă (l Km).

D. Răspunsul la impuls (g(Z))-este o mărime care caracterizează distorsionarea formei, a semnalului rezultat la ieșirea fibrei precum și a întârzierilor de propagare.

E. Viteza de transmisie a informației-este proprie sistemelor numerice și este egală cu viteza de tact atunci când se transmit semnale binare și este aproximativ egală cu banda de trecere.

3. Amplificatoare și regeneratoare ale semnalului optic

Transmiterea unui semnal luminos la mare distanță printr-un ghid de undă optic presupune depășirea a două probleme: atenuarea și dispersia semnalului. Tehnicile clasice, utilizate pentru a reface semnalul optic, atât ca amplitudine cât și ca formă, presupun convertirea acestuia în semnal electric, prelucrarea și apoi, transformarea lui în semnal luminos. Aceasta presupune existența, din loc în loc, de-a lungul ghidului optic, a unor echipamente electronice, care pe lângă creșterea costurilor, constituie puncte sensibile la perturbații magnetice și defecțiuni.

3.1. Repetoarele clasice(cu conversie optic-electric-optic).

Aceste repetoare erau folosite în sistemele clasice de comunicații optice din prima generație și parțial din a doua generație. Principiul de funcționare este similar cu cel folosit în comunicațiile pe cabluri din cupru însă în cazul de față este necesară o conversie a radiației detectate, în semnal electric, regenerarea la puterea maximă și apoi reconversia electric-optic.

Dezavantajele majore ale acestor sisteme sunt în principal date de eficiența scăzută a procesului de regenerare și de banda de lucru/trecere relativ îngustă a repetorului. Eficiența scăzută este dată în primul rând de pierderile de radiație în conectorii optici de la interfețele fibră-detector și emițător optic-fibră. La aceste pierderi de radiație se adaugă și eficiențele de conversie ale detectorului și sursei de radiație. Banda de lucru/trecere a repetorului este limitată de banda amplificatorului care, fizic, nu poate atinge benzile de lucru disponibile ale fibrelor optice.

Cu toate aceste dezavantaje, aceste sisteme se mai folosesc încă, aria lor de utilizare constituind-o practic acele dispozitive rămase încă în funcțiune pe liniile de comunicații optice mai vechi.

3.2. Aspecte și comparații privind amplificatoarele integral optice

Impactul amplificatoarelor pe bază de erbiu (EDFA-Erbium Doped Fiber Amplifier) și a tehnologiilor de multiplexare cu diviziune în lungime de undă(WDM) este resimțit asupra construcției, funcționării și economicității în sistemele de comunicații la foarte mare distanță.

Folosind și tehnicile de multiplexare hiperdensă în lungime de undă (hyperdense wavelength division multiplex-HDWDM) și de compensare a dispersiei pentru rețelele terestre de transmisie la mare distanță s-au ajuns la viteze de 1,2 Tb/s și posibilitățile sunt încă deschise.

Amplificatoarele pe fibră au revoluționat tehnologia comunicațiilor optice mărind distanța între regeneratoare în sistemele de comunicații la mare distanță. Fibrele optice dopate cu praseodim (praseodymium Pr) pot produce radiație coerentă sau pot amplifica în regiunile de 1550nm, 1310nm și 1060nm, depășind astfel limitările inerente ale amplificării electronice convenționale.

Din cauza eliminării regenerării semnalului, creșterii distanței între conexiuni și transparenței față de viteza semnalelor, amplificatoarele pe fibră au depășit extrem de rapid faza de laborator fiind introduse în uzul practic. Modulele de dimensiuni mici ale acestor amplificatoare sunt atașabile pe plăci/circuite și sunt compacte..

Amplificatoarele pe bază de fibră dopate cu erbiu (EDFA) au câștig mare, putere mare de ieșire și nivel scăzut al zgomotului caracteristic la 1550nm. Selecția diodelor laser de pompaj rămâne o problemă din cauza puterii de pompaj și afectării operațiilor EDFA de către lungimea de undă. Performanțele câștigului mare, puterii de ieșire mare ale amplificatorului pentru cablurile ce utilizează ca surse de pompaj diode laser de GaInAsP la 1480nm nu sunt afectate de lungimea de undă de pompaj, în timp ce funcționarea amplificatoarelor cu câștig mic pentru cabluri submarine are o mare dependență de lungimea de undă de pompaj.

În EDFA au fost obținute câștiguri de semnal de 33 dB la 1535nm folosind ca surse de pompaj diode laser de mare putere din AlGaInP ce emit pe lungimea de undă de 670nm. Radiația de pompaj de 670nm este mai atractivă din cauza puterii mari de ieșire a diodelor laser și costului de producție scăzut.

Între timp amplificatoarele pe bază de fibre cu fluor dopate cu praseodim (praseodymium doped fluoride fiber amplifier -PDFFA) câștigă teren în fața EDFA.

Amplificatoarele pe bază de fibră dopate cu praseodium (PDFA) pot avea și un avantaj comercial față de EDFA din cauză că ele lucrează la 1,3 µm fereastra atmosferică utilizată de majoritatea celor care produc și instalează sisteme de comunicații optice.

O altă problemă cu care se confruntă utilizatorii este dificultatea îmbinării (legării) amplificatoarelor pe fibră cu fibrele convenționale sau cu cele cu dispersie deplasată. Normal la transmisiile lungi pierderile survin din cauza nepotrivirilor (mode field diameters) între fibra amplificatoare și fibra sistemului de transmisie.

Oricum, controlând curentul și parametrii în domeniul timp ai dispozitivului de sudură cu arc electric, este posibil să se realizeze o zonă de tranziție conică la contactul fibrelor, rezultând o pierdere acceptabilă destul de scăzută (< 0,1 dB).

Multiplexarea în lungime de undă (wavelength-division multiplexing – WDM) este una dintre cele mai promițătoare tehnologii pentru transferurile de date de mare viteză între multipli utilizatori. În WDM fluxurile de date sunt purtate de mai multe lungimi de undă transmise simultan de-a lungul fibrei optice. Sistemul tipic este alcătuit din 4-16 lungimi de undă diferite ce conțin canale de date cu diferența între lungimi de undă de la 0,8 la 4nm. Această apropiere critică între lungimile de undă crește capacitatea de transmitere a sistemului, permițând rutarea optică dependentă de lungimea de undă.

Amplificatoarele pe bază de fibră dopată cu erbiu (EDFA) reprezintă cheia tehnologică pentru sistemele WDM. Aceste amplificatoare oferă mai multe avantaje, printre care:

câștig mare,

nivel al zgomotului aditiv foarte mic,

compatibilitate cu fibra.

Cel mai relevant pentru aplicațiile WDM este proprietatea de a amplifica mai multe lungimi de undă până la o lărgime de bandă de 1 THz.

Un dezavantaj al EDFA, totuși, este neuniformitatea câștigului cu lungimea de undă și, ca urmare, canalele cu câștig mic își pierd progresiv din putere, față de canalele cu câștig mare. Lanțurile de amplificare permit o putere semnificativă și un raport semnal/zgomot diferențiat, de-a lungul mai multor canale, limitând semnificativ distanța de transmisie și banda de lucru a amplificatorului.

Puterea canalului individual poate varia semnificativ, corespunzător cu natura dinamică și distributivă a rețelelor cu WDM și pentru că neuniformitățile câștigului EDFA variază cu sarcina dinamică de intrare.

3.3. Sisteme soliton –transmission

Impulsurile ultrascurte implică timpi de rezoluție foarte mari. Ratele de transfer de mare capacitate din comunicații la lungimi de undă de 0,8; 1,3 și 1,5 µm sunt deja posibile în sistemele actuale de comunicații optice.

Cu ceva timp în urmă producerea acestor impulsuri ultrascurte la lungimea de undă de 1,5 µm necesitau un dispozitiv laser cu centru cromatic mare care era scump, complicat și greu de întreținut. Odată cu recentele descoperiri în domeniul laserilor pe fibră, aceste impulsuri pot fi produse de un laser de mici dimensiuni ce poate fi încapsulat standard.

3.3.1. Laserul pe fibră cu solitoni (fiber soliton lasers)

Dispozitivele laser cu solitoni (soliton lasers) produc solitoni – impulsuri ultrarapide ce pot fi transmise pe lungimi foarte mari de fibră cu o atenuare foarte mică, dar fără a suferi perturbații în durată, formă sau lungime de undă. Construcția specifică a laserului cu solitoni depinde de aplicație, dar cu o gamă largă de componente momentan disponibile, pot fi obținute impulsuri cu durata de la 100 ps la 100 fs și frecvențe de repetiție de la 10 kHz la 10 GHz Ca sursă de putere poate fi folosit un număr de diode laser diferite. Cel mai utilizat este laserul cu Titan: safir (Ti: sapphire) operând la 980 nm care este tocmai lungimea de undă de absorbție a erbiului.

Laserii pe fibră cu sincronizarea modurilor au nevoie de modulatoare ca să producă impulsuri scurte. Modulatoarele active asigură regimuri de repetiție stabile dar produc impulsuri mai lungi decât cele posibile cu tehnicile de sincronizare pasivă a modurilor.

Au fost deja utilizate mai multe tipuri de modulatoare active integrate sau modulatoare de volum / cantitate cum ar fi modulatoarele acusto-optice, electro-optice în amplitudine sau fază. Astfel laserii cu modulatoare active au produs impulsuri cu durate de la 100 ps la 900 fs și frecvențe de repetiție de la 10 kHz la 20 GHz.

Dezvoltarea laserilor pe fibră cu moduri sincronizate constituie un domeniu de activitate promițător. În plus utilizând absorbanți saturabili monocromatici cu structuri de tip quantum well (QW) se poate folosi indicele de refracție neliniar al fibrei, pentru a furniza echivalentul tehnicii de sincronizare a modurilor prin însumarea impulsurilor (additive-pulse-modelocking). Până acum au fost puse la punct două tehnici de bază pentru a realiza sincronizarea modurilor prin însumarea impulsurilor.

Prima utilizează un drum (cale) optic similar unui inel antirezonant sau interferometru Sagnac. Simetria căilor de propagare opuse din buclă este perturbată fie folosind o divizare inegală, fie introducând un amplificator pe bază de fibră dopată cu erbiu (EDFA), aproape de unul din capetele inelului această instabilitate determină o schimbare de fază (defazare) a impulsului în funcție de intensitate. Deoarece impulsurile se combină la splitterul central, porțiunile de mare intensitate/densitate ale impulsurilor rămân în cavitate, în timp ce porțiunile de joasă intensitate/densitate sunt rejectate.

Cea de-a doua tehnică folosește o divizare inegală a intensității optice pe axele de birefringență ale fibrei. Deoarece impulsurile se propagă prin fibră, starea de polarizare instantanee a unei porțiuni de impuls se poate modifica în funcție de intensitatea lui. Dacă este introdus un element de polarizare, această rotație a planului de polarizare poate fi modificată dând naștere la un impuls modulat în amplitudine. Cu o modificare corespunzătoare a birefringenței liniare nete a cavității, poate fi obținută o atenuare dependentă de intensitate

CAPITOLUL IV

RECEPȚIA ÎN SISTEMELE OPTICE

1. Generalități despre fotodetecția optică

Funcția unui receptor optic este de a converti puterea optică pe care o primește în semnal electric. Receptorul joacă un rol esențial în performanțele unui sistem optic. Detectorul (aproape întotdeauna un dispozitiv semiconductor) convertește fluxul optic în curent care apoi este amplificat și convertit în tensiune. Fotodetectorul trebuie să îndeplineasca o serie de cerințe pentru a crește performanțele globale ale receptorului:

sensibilitate, eficacitate ;

fidelitate (pentru a păstra în răspuns forma semnalului optic);

răspuns rapid sau bandă largă (sute de MHz, GHz);

zgomot propriu redus;

stabilitate a performanțelor la variația condițiilor exterioare , variații în timp, etc;

dimensiuni convenabile (compatibile cu miezul fibrei);

tensiuni reduse de polarizare;

fiabilitate și cost minim.

Analiza cantitativă a proceselor specifice fiecărui tip de fotodetector și caracterizarea acestora necesită definirea unor parametri de "performanță" ai dispozitivelor după cum urmează:

Eficiența cuantică (QE) reprezintă numărul de fotoelectroni ce apar în joncțiunea fotodiodei sub acțiunea unui foton incident pe unitatea de timp și suprafață activă. Ea depinde de energia fotonilor, de tipul de semiconductor, de coeficientul de absorbție al luminii și are în general valori cuprinse între 50-90%.

Curentul de întuneric – reprezintă curentul fotodetectorului în lipsa oricărei radiații la intrare. El apare datorită purtătorilor generați termic, depinde de materialul din care este confecționat fotodetectorul și poate lua valori într-o gamă largă de la zeci de pA la GaAS până la zeci, sute de nA la Ge.

Puterea echivalenta de zgomot PEZ (noise equivalaent power-NEP) -reprezintă puterea semnalului luminos care aplicat la intrarea fotodetectorului produce la ieșirea sa un semnal egal cu valoarea zgomotului la o banda semnalului de l Hz. Puterea echivalentă de zgomot este un parametru foarte important pentru că la o bandă dată a receptorului arată puterea minimă a semnalului optic ce se poate aplica la intrare pentru care raportul semnal zgomot este supraunitar.

Responsivitatea – reprezintă raportul dintre valoarea medie a fotocurentului și valoarea medie a puterii optice care 1-a produs. Ca ordin de mărime este de aproximativ 0,01-0,01 A/W si depinde de mai mulți factori, printre care tipul de material, lungimea de undă, eficienta cuantică, etc.

Sensibilitatea – reprezintă raportul dintre curentul mediu si iluminarea care l-a produs, relație în care intră aria suprafeței fotodetectoare.

Detectivitatea – se definește ca raportul semnal-zgomot pe unitatea de putere incindentă. Se mai definesc detectivități care țin seama de aria suprafeței receptoare și de unghiul de incidență sub care cade radiația.

Răspunsul spectral reprezintă variația sensibilității cu lungimea de undă. Orice tip de fotodetector are o bandă spectrală de răspuns dată și un răspuns maxim pe o anumită lungime de undă de vârf.

Timpul (viteza) de răspuns reprezintă timpul scurs din momentul aplicării unui impuls optic la intrare și până când fotocurentul de ieșire atinge un anumit procent din valoarea maximă (de regula 90%). Timpul de răspuns are două componente:

tî – timpul de întârziere a purtătorilor fotogenerați pentru a străbate regiunea activa prin câmp si difuzie;

tr – timpul de creștere dat de constanta de timp a circuitului echivalent.

2. Componentele unui receptor

Receptorul optic constă într-o combinație a detectorului optic, a preamplificatorului electronic și a elementelor de procesare electronică, care recuperează informația transmisă de semnalul optic. Proiectarea și implementarea porțiunii receptoare a sistemului este foarte dificilă, deoarece receptorul poate detecta semnale optice foarte mici și nu este de dorit contaminarea semnalului cu zgomote.

Proiectarea unui receptor optic depinde fundamental și de tipul de modulație utilizat pentru a transmite informația cu ajutorul luminii. Un receptor pentru semnal digital OOK are o schema bloc ca în figura 4.1.

Receptorul este format dintr-un fotodetector cu circuitul de polarizare, un preamplificator cu zgomot mic, un amplificator principal cu AGC, urmat de un FTJ și un circuit de decizie comandat de un circuit care recuperează tactul din semnal.

Fig. 4.1. Schema bloc a unui receptor optic de tip OOK

1.„Front end"

Partea de „Front end" este construită dintr-o fotodiodă și un preamplificator (de zgomot mic).

Alegerea unui tip de preamplificator și proiectare lui corectă trebuie să răspundă unor cerințe contradictorii:sensibilitate bună, dinamică mare,liniaritate bună și reproductibilitate suficintă în fabricare.

Preamplificatorele cu impedanță mare de intrare sunt foarte sensibile și sunt indicate în modulațiile numerice unde nu este necesară o liniaritate chiar așa de mare. De multe ori se utilizează un egalizor care ridică (relativ) frecvențele mari din spectru în comparație cu cele joase.

O alta variantă este amplificatorul transimpedanță ce realizează o configurație ce permite obținerea simultană a benzii și a senzitivității ridicate, și în plus o dinamică superioară, având o mare liniaritate și fiind indicate în modulațiile analogice

2. Canalul liniar.

Canalul liniar constă într-un amplificator cu câștig ridicat (amplificator principal) și un filtru trece jos (FTJ). De multe ori, între front end și acest amplificator se interpune un circuit de egalizare pentru a corecta caracteristica de frecvență a preamplificatorului. Câștigul preamplificatorului principal este controlat automat (AGC – Automatic Gain Control) pentru a limita tensiunea medie de la ieșire la un nivel fixat indiferent de nivelul optic de la intrare. FTJ are rolul de a "forma" impulsurile de ieșire pentru a reduce interferența între simbolurile vecine – "ISI" (InterSymbol Interference).

Egalizatorul este de forma unui circuit de diferențiere simplu, care atenuează componentele de joasă frecvență și care va adăuga și el o cantitate mică de zgomot celui provenit de la etajul de intrare.

3. Recuperarea datelor

Recuperarea datelor se realizează într-un circuit de decizie cu ajutorul unui semnal de tact (ceas), recuperat din fluxul de date (Tb = l/D , fb= l/T).

Spectrul semnalului de date în varianta RZ(return to zero) are o componentă spectrală pe frecvența fb = D care poate fi separată printr-un filtru trece bandă ascuțit. Mai dificilă este recuperarea ceasului dintr-o secvență NRZ din spectrul căreia lipsește componenta spectrală pe frecventa fb. În această variantă se folosește componenta fb/2 care este extrasă și apoi dublată. Circuitul de decizie compară semnalul de ieșire provenit de la "canalul liniar" cu un prag fixat. Comparația are loc în momente bine precizate. Circuitul de decizie este acela care furnizează în fiecare moment de decizie un bit la ieșire cu valoarea "1" sau "0" după cum, în momentul deciziei semnalul de intrare (tensiunea) este deasupra sau sub prag. De multe ori pentru a obține o detecție optimală se utilizează un filtru adaptat ( în raport cu forma semnalului) care urmărește să sesizeze prezența sau absența unui impuls cu o eroare cât mai mică.

În unii receptori optici cu rată scăzută de transmitere a datelor, detectarea se face asincron, folosindu-se un comparator pentru a decide dacă există sau nu impuls. Acest tip de recuperare a datelor presupune că impulsurile au perioade de maxim și perioade de minim ascuțite. Pentru a se obține performanțe optime în legăturile cu rate mari de transfer de date, frecvența de tact este codată în semnalul transmis și este recuperată la recepție de circuitul de recuperare al tactului. Frecvența recuperată este introdusă în circuitul de decizie, unde se decide dacă avem 1 logic sau 0 logic, la timpul de prelevare optim dat de frecvența recuperată. Pe baza rezultatelor deciziei, la ieșire va rezulta un fluxul de date recuperat, care poate conține și câteva erori.

În cazul semnalului recuperat, problema zgomotului are o importanță foarte mare, pentru că prezența acestuia duce la apariția erorilor în cadrul datelor recuperate. În sistemele de comunicații, zgomotul poate fi produs de emițător, de canal, de detector și de elementele electronice de procesare a semnalului. În cazul transmiterii informației pe fibră optică, se presupune că zgomotul produs este zero, datorită impermeabilității fibrei optice față de interferențele electromagnetice. Zgomotul produs de un detector optic, este diferit de cel produs de detectori radio sau de alte tipuri de detectori electronici, pentru că este dependent de semnalul optic recepționat

3. Tipuri de fotodetectori

Un detector optic sau un fotodetector realizează conversia puterii optice de intrare într-un curent de ieșire. Fotodetectorul ideal trebuie să aibă eficiență maximă, să nu producă nici un zgomot, să răspundă uniform la toate lungimile de undă, să nu limiteze viteza semnalului și să fie perfect liniar. În plus, ar trebui să aibă dimensiuni reduse, să fie compatibil, din punct de vedere electronic, cu circuitele integrate, să fie fiabil și ieftin. Din gama de fotodetectori disponibili, care include și fotoconductori, fototranzistori, dispozitive vidate fotoemisive și dispozitive piroelectrice, fotodioda semiconductoare este singura care îndeplinește și ultimele proprietăți dintre cele menționate mai sus.

3.1. Fotodioda

Fotodioda este o joncțiune PN polarizată invers, așa cum se vede în figura 4.4.:

Radiația incidentă trebuie să penetreze regiunea golită a materialelor P și N golite de purtători. Radiația este absorbită de această regiune golită și cedează energia materialului. Dacă energia absorbită este suficientă, se creează o pereche electron-gol. Sarcinile vor fi separate de câmpul electric existent în cadrul regiunii golite și atrase spre cele două părți opuse ale regiunii. Mișcările perechilor de sarcini purtătoare sunt simțite de circuitul exterior, iar efectul global constă în deplasarea sarcinii totale spre exterior. Numărul de perechi electron-gol eliberați astfel, este liniar dependent de puterea câmpului optic și, astfel, curentul electric este proporțional cu puterea optică.

3.1.1. Răspunsul spectral

Cantitatea de energie necesară eliberării unei perechi electron-gol este energia benzii interzise a materialului(Eg). Având în vedere că energia unui foton este hν, unde h este constanta lui Planck [6,63∙10-34 j∙s], iar ν este frecvența optică, rezultă:

Din această condiție rezultă că orice material va prezenta o lungime de undă de tăiere, atâta timp cât protonii nu vor avea suficientă energie pentru a elibera o pereche electron-gol de fiecare dată când lungimea de undă prezintă o valoare maximă λmax, unde:

Din această relație rezultă că toate materialele prezintă o reducere abruptă a performanțelor pentru lungimea de undă maximă λmax.

Având în vedere că siliciul are λmax=1,13µm (Eg=1,1eV), el este un detector potrivit pentru sursele de lungimi de unde scurte, dar nu și pentru sursele de lungimi de unde lungi. Cu toate că mai există și alte materiale potrivite (Ge, InGaAs, GaSb, GaAlSb, și altele), siliciul este folosit cu precădere în regiunea lungimilor de unde scurte din cauza proprietăților sale superioare. În partea de spectru de lungime de undă lungă, siliciul nu poate fi folosit, iar detectorii sunt făcuți, în principal, din InGaAs.

Penetrarea radiației în regiunea de golire este guvernată de proprietățile de absorbție ale materialului. Coeficientul de absorbție, α(λ), pentru câteva materiale se poate vedea in figura 4.5., de mai jos. Se poate observa diminuarea valorii lungimii de undă de tăiere, efect care la lungimile de undă lungi are un coeficient de absorbție neglijabil. Însă, la lungimile de undă scurte valoarea coeficientului de absorbție crește considerabil.

Cantitatea de putere incidentă absorbită de regiunea de golire, care are adâncimea w, presupunând că stratul începe la o adâncime d, sub suprafața instrumentului, poate fi calculată cu formula:

P(w)=Pie-αd(1-e-αw)(1-Rf);

unde: P(w) este puterea absorbită de regiunea golită, Pi este puterea incidentă, α este coeficientul de absorbție al lungimii de undă pentru care se calculează, w este adâncimea regiunii golite, iar Rf este puterea reflectată de suprafața detectorului. O valoare mare a coeficientului de absorbție α, pentru lungimile de undă scurte cauzează ca foarte puțină putere să penetreze regiunea golită. Drept urmare, pentru lungimile de undă scurte rezultă un răspuns diminuat al diodei, datorat absorbției de suprafață mari.

3.2. Fotodioda PIN

O soluție pentru a crește puterea absorbită de regiunea golită este acea de a mări adâncimea efectivă (w), a regiunii, lucru care se poate realiza prin adăugarea unui strat de material ușor impurificat, între straturile P și N ale materialului. Acest strat își adaugă adâncimea la stratul golit, pentru a crește considerabil regiunea activă a diodei. Acest lucru are și un beneficiu secundar, acela de reduce capacitanța diodei. Prin adăugarea acestui strat, dioda devine o diodă PIN, după cum se vede în figura 4.6. Eficiența crescută a acestor dispozitive le-a făcut mult mai populare, ca și receptoare optice, decât fotodiodele PN.

Structurile PIN se caracterizează printr-o zonă intrinsecă ce separă zonele p și n+. Structura unei astfel de diode și forma câmpului electric intern sunt prezentate în figura 4.7.

Fig.4.7. Câmpul electric intern în dioda PIN

Dioda lucrează invers polarizată fiind astfel creată (în structură) o zonă de sarcină spațială a cărei lățime depinde de tensiunea inversă și de doparea zonelor. Perechile electron-gol pot fi create în interiorul sau în afara (zona de difuzie) acestei regiuni. Purtătorii creați în zona de difuzie se deplasează încet (prin difuzie) către regiunea de sarcină spațială, și răspunsul fotodiodei este lent. Se preferă ca absorbția să aibă loc în zona de sarcină spațială pentru a face răspunsul mai rapid. Zona intrinsecă "lărgește" zona de sarcină spațială pentru a face mai probabilă absorbția fotonilor în această parte a dispozitivului. Aceasta are ca urmare creșterea eficienței conversiei și micșorarea timpul de răspuns.

3.2.1. Timpul de răspuns

Timpul de răspuns a unei diode PIN este limitat prin: timpul de drift tdr al purtătorilor prin zona de sarcină spațială, timpul de difuzie tdif al purtătorilor generați în exteriorul regiunii de sarcină spațială și constanta de timp rezultată din capacitatea internă și rezistența de sarcină.

Răspunsul unei diode PIN la un semnal optic (de putere) dreptunghiular poate avea diverse forme, fig. 4.8.:

3.2.2. Sensibilitatea

Detectorii optici realizează conversia puterii optice de intrare în curentul de ieșire din detector. Sensibilitatea unei diode detector este măsurată de responsivitatea(R), a dispozitivului, dată de formula:

unde:Iies este curentul de ieșire al detectorului,iar Pint este puterea optică incidentă.

3.2.3. Indicele de eficiență

Un alt parametru care ajută la determinarea eficienței detectorului este indicele de eficiență η, care este raportul dintre numărul de perechi electron-gol generate și numărul de fotoni. O valoare subunitară indică faptul că nu fiecare foton generează o pereche electron-gol. Știind că numărul de fotoni incidenți într-o secundă este Piλ/hc, iar numărul de perechi electron-gol generate într-o secundă este I/q, rezultă:

Astfel, capacitatea de reacție este:

Figura 4.9., de mai jos, prezintă dependența responsivității de lungimea de undă. Indicele de eficiență este reprezentat ca o valoare constantă, cu ajutorul liniilor punctate. Scăderea capacității de reacție a lungimilor de undă lungi se datorează deficienței de energie a fotonilor; scăderea pentru lungimile de undă scurte se datorează efectelor de mărire a absorbției de suprafață.

3.3. Fotodioda cu avalanșă

La fotodioda avalanșă straturile P și N sunt mult mai impurificate (se pot observa straturile P+ și N+, din figura 4.10., și încorporează o regiune îngustă P între regiunea intrinsecă și regiunea N+. După cum se vede în figură, câmpul electric în zona P este mai mare decât în celelalte zone ale regiunii golite, datorită faptului că cea mai mare parte a polarizării inverse aplicate afectează această regiune. Această structură particulară este numită fotodiodă avalanșă cu străpungere („Reach-through Avalanche PhotoDiode – RAPD”). În această structură radiația intră prin regiunea P+ și este absorbită (ideal) în regiunea I. Purtătorii generați se separă și difuzează prin regiunea I. Când electronii intră în regiunea P, ei sunt accelerați și intră în coliziune cu alți atomi, generând mai mulți purtători. Acești purtători sunt accelerați și, la rândul lor, generează și mai mulți purtători, producându-se, astfel, efectul de avalanșă.

Eficiența unui gol sau a unui electron de a crea o nouă pereche de electron-gol, este exprimată prin rata de ionizare a golurilor și rata de ionizare a electronilor. Pentru a minimiza generarea zgomotului, s-a demonstrat că este preferabil să existe o diferență cât mai mare între aceste două rate de ionizare. Este de preferat să avem doar un singur tip de purtători responsabili pentru majoritatea proceselor de generare prin avalanșă.

Efectul procesului de generare prin avalanșă este concretizat printr-o multiplicare a curentului la terminalele de ieșire. Factorul de multiplicare M, este dat de formula:

;

unde: IM este curentul de ieșire multiplicat, iar I este curentul de ieșire fără multiplicare. Deoarece factorul de multiplicare este controlat de curentul invers, așa cum se observă și în figura 4.11., de pe pagina următoare, curentul final este determinat în condiții de polarizare scăzută. Trebuie scos în evidență faptul că amplificarea sau factorul de amplificare este o valoare aleatoare, M fiind valoarea medie a factorului de multiplicare.

Timpul de răspuns al APhD poate fi limitat prin 3 factori:

timpul de tranzit prin zona de absorbție (de sarcină spațială);

timpul procesului de avalanșă;

constanta RC determinată de capacitatea joncțiunii și rezistența de sarcină a fotodetectorului
La câștig mic a) și c) sunt mecanisme dominante, pe când în cazul câștigului ridicat este dominant b), dar în principiu odată cu creșterea câștigului scade banda (~ 100 GHz), așa încât produsul amplificare-bandă pentru aceste dispozitive poate fi considerat constant.

Adesea, se obține o formă asimetrică a pulsului electric, lucru care se explică prin timpul de creștere relativ scurt în care electronii sunt colectați (150 – 200 ps) și un timp de cădere dictat de tranzitul mai lent al golurilor (~ 1 ns sau mai mult).

Câteva dezavantaje (AphD / PIN):

dificultăți de realizare datorită structurii mai complexe (cost ridicat);

mecanismul aleator de multiplicare creează zgomot în exces (față de PIN);

tensiuni de polarizare în general ridicate (40 – 500 V) și dependența de lungimea de undă folosită;

variații termice ale câștigului și astfel necesitatea unor compensări termice pentru a stabiliza funcționarea.

4. Zgomotul detectorului

Pentru a caracteriza performanțele de zgomot ale detectorului optic, se va utiliza raportul semnal-zgomot. Semnalul constă în puterea semnalului livrată unei rezistențe de către curentul de semnal. Zgomotul este dat de puterea de zgomot livrată pe aceeași rezistență. Astfel, raportul semnal-zgomot poate fi scris ca:

;

se observă că valoarea rezistenței se simplifică la numitor și la numărător, raportul semnal-zgomot fiind, astfel, independent de valoarea acesteia, și este necesar să se calculeze doar pătratul curenților.

4.1. Zgomotul de alice

Zgomotul de alice poate fi asociat cu cuantizarea sarcinii în multiplii de q, sau echivalent cu cuantizarea energiei luminoase în fotoni. Sosirea fotonilor, sau echivalent, generarea de purtători de sarcină, este caracterizată de statisticile Poisson. Pătratul curentului de zgomot asociat sursei de zgomot este:

;

unde: I este curentul de ieșire mediu al dispozitivului, iar B este lărgimea de bandă a dispozitivelor electronice care acceptă zgomotul (spre exemplu: preamplificatorul, măsurătorul de zgomot). Din formulă rezultă că puterea zgomotului în regiunea centrală a benzii de frecvență depinde de valoarea curentului la ieșire. De asemenea, pentru că (iz2) nu depinde de frecvența centrală, rezultă că zgomotul este un zgomot alb, având o distribuție uniformă a frecvenței.

Curentul unei diode PIN are trei componente:

I=IL+Ifundal+Iîntuneric

unde: IL este curentul rezultat ca urmare a radiației incidente, Ifundal este curentul datorat surselor de iluminare de fundal (care în cazul fibrelor optice se presupune a fi zero), iar Iintuneric este curentul de întuneric al dispozitivului. Curentul de întuneric al dispozitivului este curentul rezultat la ieșire fără a exista radiație la intrare, și se datorează în principal generării termice a sarcinilor purtătoare în regiunea golită și curenților de suprafață scurși datorită defectelor de suprafață din apropierea marginilor semiconductorului.

Valorile mari ale curentului de întuneric, pentru detectorii de lungime de undă lungă, determină valori inferioare ale zgomotului, în comparație cu dispozitivele de lungime de undă lungă bazate pe siliciu.

4.2. Zgomotul termic

Cea de-a doua sursă importantă de zgomot dintr-o fotodiodă este zgomotul termic. La temperatură finită, electronii se mișcă aleator într-un conductor(viteza lor are o componentă de drift și una termică, mult mai mare). Astfel, printr-o rezistență la bornele căreia se aplică o tensiune constantă apare un curent fluctuant. Rezistența de sarcină din zona „front end” a receptorului produce zgomot termic, la fel ca și preamplificatorul.

Zgomotul termic poate fi modelat ca un proces Gaussian a cărui densitate spectrală poate fi considerată uniformă(aproape zgomot alb)până în jurul frecvenței de 1 THz. La frecvențe superioare 300THz apare o atenuare puternică(-200dB) a zgomotului termic.

Orice aparat rezistiv, care are o rezistență asociată, va produce curentul de zgomot dat de:

;

unde: k este constanta lui Boltzman, T este temperatura de zgomot a dispozitivului, B este banda electronică în care este introdus zgomotul, iar R este valoarea rezistenței de intrare. Zgomotul nu depinde de semnalul optic.

5. Sensibilitatea receptorului

Sensibilitatea receptorului permite o apreciere comparativă a diverselor realizări. Un receptor mai sensibil realizează aceleași performanțe în raport cu unul mai puțin sensibil, dar primind o putere optică inferioara celui din urmă. Criteriul de performanță în receptoarele optice din sistemele digitale este BER (bit error rate) definită ca probabilitatea de a interpreta incorect un bit recepționat.

Sensibilitatea receptorului este definită ca puterea incidentă medie minimă necesară receptorului pentru a garanta un BER=10-9.

Sensibilitatea receptorului este probabil cel mai important parametru după care se caracterizează performanțele receptorului și reprezintă puterea optică minimă care poate fi detectată pentru a realiza viteza de transfer și rata erorilor pe bit dorită.

6. Metode de demodulare optică

Metodele de demodulare optică trebuie să asigure detecția diferitelor tipuri de modulație optică și extragerea semnalului modulator transmis. Principalele metode de demodulare sunt: detecția optică directă, mixarea optică și conversia tipului de modulație urmată de detecția optică.

6.1. Detecția optică directă

Permite obținerea la ieșirea fotodetectorului, a unui semnal proporțional cu intensitatea instantanee a purtătoarei modulate, în care intervine și puterea instantanee a semnalului optic la recepție.

Ținând seama de sursele de zgomot care intervin la recepție, răspunsul semnal-zgomot va fi

Din analiza acestei relații se observă că:

puterea semnalului crește cu pătratul puterii recepționate; componentele de zgomot cuantic și de bătăi cresc de asemenea cu pătratul acestei puteri, pe când celelalte zgomote nu depind de puterea recepționată;

în funcție de natura zgomotului acesta poate depinde sau nu de amplificarea internă a fotodetectorului.

Numărul mare de variabile ce afectează raportul semnal/zgomot face dificilă o analiză precisă a influențelor componentelor dependente sau independente de semnal. Prin determinări practice s-a putut aprecia că în domeniul semnalelor slabe la recepție între -70 dB și -30 dB predomină zgomotul termic; între -30 și -15 dB predomină zgomotul cuantic iar la valori mai mari zgomotul de bătăi. Practic majoritatea fotoreceptoarelor lucrează în condițiile unei puteri la recepție între -70 și -30 dB.

Detecția optică este metoda cea mai larg utilizată în demodularea semnalelor optice pentru că este cea mai simplă și asigură performanțe corespunzătoare. Ea reprezintă o metodă de detecție incoerentă, adică nu face distincție între factorii de semnal și cei ai radiației de fond și este întru totul asemănătoare detecției cu cristal din radiofrecvență.

6.2. Mixarea optică

Este fenomenul de însumare neliniară a două câmpuri de frecvențe optic diferite pe o suprafață fotodetectoare și obținerea la ieșirea detectorului a unui semnal egal cu diferența câmpurilor incidente. Mixarea optică este similară metodei heterodine din radiofrecvență și este posibilă datorită existenței surselor optice monocromatice, reprezentând o metodă coerentă la recepție. Cele două radiații care se însumează sunt purtătoarea laser modulată recepționată și o radiație laser generată local, jucând rol de oscilator local. Mixarea optică se poate face prin două metode: prin heterodinare și prin homodinare.

CAPITOLUL V

PROIECTAREA UNUI SISTEM OPTIC PENTRU TRANSMITEREA DE DATE

1. Generalități

Proiectare unui sistem optic constituie una din cele mai importante etape în realizarea efectivă a unui sistem optic. O proiectare eficientă poate asigura funcționarea sistemului la parametri maximi doriți având în vedere atât costurile componentelor, cât și bugetul avut la dispoziție.

Nu există o serie de algoritmi sau metode sigure care să rezolve problema proiectării unui sistem optic și care să ofere cea mai bună soluție. A proiecta un sistem optic reprezintă o artă de a alege din totalitatea alternativelor pe cea mai potrivită, punând în balanță avantajele și dezavantajele fiecărei alternative.

Am discutat anterior separat despre componentele principale ale unui sistem optic:emițător optic, mediu de transmisie, receptor optic, însă problema fundamentală constă în înglobarea lor într-un sistem care să funcționeze eficient.

2. Stabilirea cerințelor aplicației

Primul pas în proiectarea oricărui sistem pe fibră optică constă în analiza cerințelor aplicației, a parametrilor de de operare pentru fiecare componentă în parte, pentru a lua cele mai bune decizii în ceea ce privește costul și performanțele sistemului.

Principalele cerințe privind proiectarea sistemelor optice se referă la:

Viteza de transmitere a datelor;

Raportul semnal zgomot(RSZ)/rata erorilor pe bit(REB);

Distanta între care se realizează transmisia;

Tipul de informație: digitală sau analogică.

Pentru a exemplifica proiectarea și calculul unui sistem pe fibră optică am considerat următoarele cerințe:

Viteza de transmitere a datelor= 30 Mb/s;

Distanța de transmisie=1 Km

REB= 10-9;

RSZ= 12 dB(optic), 24 dB(electric);

Odată stabilite distanța de transmisie și viteza de transfer, trebuie avuți în vedere o serie de factori și influențele lor asupra sistemului:

Toate aceste considerații sunt strâns legate între ele, considerația principală rămânând distanța de transmisie. Distanța de transmisie influențează putere semnalului de ieșire al emițătorului dictând astfel tipul sursei optice care va fi utilizată. Distanța de transmisie influențează și alegerea tipului de fibră optică care va fi folosită în sistem, știindu-se că fibrele monomod sunt mai potrivite pentru transmisiile la distanță. Odată ce am stabilit tipul de emițător și tipul de fibră, tipul și sensibilitatea receptorului vor fi dictate de tipul emițătorului și a fibrei optice. Distanța de transmisie dictează și tipul de modulație care va fi folosit, știindu-se faptul că unele sunt mai potrivite pentru distanțe lungi decât altele.

Transmisiile pe fibre optice sunt foarte asemănătoare cu transmisiile de date pe suport electric. Calitatea datelor se referă de obicei la RSZ pentru semnalele analogice și la REB pentru semnalele digitale.

RSZ este raportul dintre nivelul semnalului și nivelul zgomotului în receptor și cel mai adesea este exprimat în dB:

RSZ=PS / PZ

REB-ul este în funcție de RSZ, formatul datelor și schemele de corecție a erorilor. O valoare a REB-ului pentru telecomunicații trebuie să fie foarte scăzută, altfel spus să avem un număr foarte mic de biți recepționați eronat în raport cu un număr foarte mare(majoritatea) a biților recepționați corect.

Rata erorii pe bit se definește ca fiind raportul între numărul de biți recepționați eronat și numărul de biți recepționați:

REB=Nr.biți recepționați eronat / Nr.biți recepționați

RSZ și REB sunt de obicei specificate și stabillite de catre proiectanți înainte de începerea proiectării sistemului.

3. Stabilirea mediului de transmisie

Alegerea tipului de cablu optic din multitudinea de variante oferite de firmele producătoare se face pe baza unei analize având în vedere: parametrii sistemului, mediul de funcționare, condițiile de instalare, prețul de cost, etc. În primul rând trebuie decis dacă se folosește drept ghid de undă o singură fibra optică sau un mănunchi de fibre. Alegerea este condiționată în principal de tipul de sursă optică utilizată în sistem. Ghidul optic monofibră are pierderi de cuplaj la intrare și nu poate fi excitat eficient decât de diode laser, sau de diode superluminiscente. Un mănunchi de fibre are apertura numerică mare, suprafața de intrare mare, pierderi de cuplare mai mici până aproape la valoarea fracțiunii de împachetare. Fascicolele optice au în schimb atenuare și dispersie mare, nu pot fi utilizate decât la distanțe scurte și viteze mici ale informației. Fibrele cu gradient sunt superioare celor cu salt al indicelui, dar mai scumpe. Fibrele monomod au cele mai bune proprietăți de transmitere a informației optice, au banda de trecere cea mai mare, dar sunt foarte greu de excitat.

Performanțele unei legături pe fibră optică sunt foarte important de analizat din perspectiva efectului pe care îl are cablul optic asupra performanțelor întregului sistem.

Criteriile de performanță ale unei fibre se bazează pe următoarele:

cantitatea de lumină ce poate fi cuplată în miez determinată în special de unghiul de acceptanță al fibrei;

valoarea atenuării fibrei asupra semnalului optic;

dispersia de timp a fibrei asupra semnalului optic;

Astfel cu cât este cuplată mai multă lumină și atenuarea este mai scăzută în miezul fibrei, cu atât mai multă lumină va ajunge la receptor, rezultând o rată a erorilor pe bit mai scăzută.

Viteza de transfer a datelor este cu atât mai ridicată cu cât dispersia fibrei este mai scăzută.

Având în vedere distanța de transmisie de 1 Km și viteza de transfer de 30 Mb/s, voi utiliza o fibră optică multimod din sticlă cu gradient cu următoarele caracteristici:

lungimea de undă de lucru λ=850 nm;

diametrul miezului și a mantalei fibrei: 62,5/125 μm;

atenuarea fibrei, a=4 dB/Km;

banda de trecere a fibrei B=200 Mhz/Km;

apertura numerică a fibrei ANL=0,27;

Următorul pas constă în aprecierea proprietăților mecanice ale cablului optic și a influenței mediului ambiant(temperatură, umiditate, acțiuni mecanice, agresivitate chimică, etc) asupra proprietăților de transmisie ale cablului.

4.Alegerea receptorului optic

Componentele receptorului trebuie să îndeplinească doua funcții principale:

să detecteze lumina de la ieșirea fibrei optice și să o convertească în semnal electric;

să demoduleze lumina pentru a determina identitatea informației transmisie;

Detecția luminii este realizată, în general, cu ajutorul unei fotodiode, care este urmată de unul sau mai multe etaje de amplificare. Pentru îmbunătățirea fronturilor de undă, receptorul poate conține egalizatoare și filtre.

Receptorul optic trebuie să îndeplinească o serie de condiții cum ar fi : sensibilitate ridicată, bandă de trecere ridicată și zgomot redus.

Sensibilitatea receptorului este probabil cel mai important parametru după care se caracterizează performanțele receptorului și reprezintă puterea optică minimă care poate fi detectată pentru a realiza viteza de transfer și rata erorilor pe bit dorită..

Sensibilitatea variază de la receptor la receptor și depinde în principal de tipul de fotodetector utilizat și de lungimea de undă la care se operează.

5. Alegerea emițătorului optic

Proiectarea transmițătorului trebuie să rezolve în principal problema alegerii sursei optice și a schemei de modulație cele mai convenabile.

Componentele transmițătorului trebuie să îndeplinească, în general, două mari funcții:

trebuie să reprezinte o sursă de lumină care să fie cuplată în miezul fibrei, aceasta fiind realizată, în general, cu ajutorul unei diode laser sau cu ajutorul unui LED.

trebuie să realizeze o modulare a purtătoarei optice astfel încât să reprezinte datele binare primite de la interfața calculatorului.

Transmițătorii optici pot fi văzuți, în general, ca o cutie neagră realizată astfel încât să satisfacă anumite cerințe legate de puterea de emisie, lungimea de undă,viteza de transfer a datelor, banda de trecere, etc.

Pentru a realiza o alegere potrivită din multitudinea de transmițători, trebuie să fim capabili să realizăm ceea ce dorim de la un transmițător, astfel încât acesta să se potrivească cerințelor legăturii.

5.1.Alegerea sursei optice

Pentru stabilirea sursei optice se au în vedere: puterea optică necesară, tipul de cablu optic, viteza informaționala, lungime de undă, lungimea liniei optice, atenuarea cablului optic, posibilitățiile de compensare cu temperatura, fiabilitatea, costul, etc.

În ceea ce privește sursele optice acestea trebuie să îndeplinească anumite cerințe cum ar fi:

dimensiunile sursei optice să fie compatibile cu dimensiunile cablului optic folosit, adică aceasta să emită lumina astfel încât aceasta să poată fi cuplată în interiorul fibrei optice.

să fie capabilă să genereze o putere optică suficientă astfel încât să fie obținut REB-ul dorit.

să aibă o eficiență ridicată în cuplarea luminii în fibra optică.

să prezinte o liniaritate ridicată pentru a preveni apariția armonicilor, a distorsiunilor de intermodulație care sunt foarte greu de îndepărtat, anulând practic avantajul pe care îl oferă folosirea fibrelor optice în ceea ce privește rezistența la interferență.

să fie ușor de modulat la viteze ridicate de modulație pentru a se justifica viteza de transfer a datelor oferită de fibrele optice.

Dacă semnalul de intrare m(t) este de forma impulsurilor dreptungiulare reprezentând informația binară, atunci semnalul optic rezultat va avea forma unor fronturi când m(t) reprezintă valoarea logică „1”, iar absența semnalului optic când m(t) reprezintă valoarea „0”.

Astfel funcția de demodulare a receptorului va trebui să constate prezența ori absența semnalului optic pe durata unui bit.

Situația pierderilor într-o legătură optică.

O cale logică în proiectarea unui sistem pe fibră optică presupune analiza situației pierderilor care pot apărea într-un asemenea sistem. Figura ilustrează soluția pentru calculele proiectării unei legăturii pe fibră optică. O astfel de legătură pusă în practică trebuie să tolereze un anumit nivel al pierderilor optice. Ideal ar fi să se lucreze cu fibre optice scurte pentru care această problema pierderilor nu ar avea o așa de mare importanță. În zilele noastre, însă, legăturile la distanță sunt de mare importanță, realizându-se legături pe fibră optică de mii de kilometri, în cazul cărora trebuie ținut seama și de pierderile la toate nivelele legăturii. Proiectanții pot adesea adjusta aceste variabile pentru a crea un produs care să corespundă cerințelor unei anumite aplicații avute în vedere.

Exemplu de calcul a situației pierderilor pe o linie optică:

Pierderi ce țin de sursa optică(diodă electroluminiscentă).

condițiilor de fabricare a LED =2dB;

efectul temperaturii asupra componentelor =2dB;

cuplarea cu fibra =2dB;

îmbătrânirea componentelor =2dB;

Pierderi la nivelul fibrei optice.

datorate atenuării fibrei 1x 4dB =4dB;

datorate conectorilor =2dB;

datorate temperaturii =1dB;

Pierderi la nivelul receptorului.

datorate cuplajului =2dB;

Marja de sigutanță (lipiri,reparații, etc.) =3dB;

Pierderi totale =20dB;

Sensibilitatea receptorului =-32dB;

Exces de putere =12dB;

În continuare am ilustrat grafic, în figura 5.1., situația pierderilor care apar la nivelul legăturii optice avute în vedere, plecând de la puterea optică tipică lansată în

fibră și adaugând pe parcurs toate modificările pe care le poate suferi aceasta pe parcursul parcurgerii mediului de transmisie, rezultând în final gama dinamică în care trebuie să varieze sensibilitatea receptorului pentru a se putea realiza recepția semnalului util transmis.

Graficul ilustrează legătura avută în vedere și situația pierderilor corespunzătoare acestei legături. Vom porni în analiza graficului începând din partea stângă, mai precis de la valoarea semnalului de ieșire din emițător. Valoarea acestui semnal, al puterii de lansare este de obicei -12,5 dBm. Semnalul la ieșirea LED-ului din cadrul emițătorului poate varia cu ±2dB, această variație poate proveni din fabricația LED-urilor, astfel că puterea de ieșire a semnalului poate fi mai mare(-10,5 dBm) sau mai mică(-14,5 dBm).

Alte variatii care pot să apară în cadrul unei transmisii pot rezulta din efectul temperaturii asupra componentelor electronice și electro-optice ( LED-uri sau laseri), valoarea acestor pierderi putând fi de ±2dB.

Cuplarea cu fibra la ieșirea emițătorului poate aduce alte posibile pierderi de ±2dB. Deasemenea, în cadrul proiectării sistemului pe fibre optice trebuie să se țină seama de efectul îmbătrânirii, care de obicei este de 1-3 dB.

Următorul factor care produce pierderi, de ±2 dB, în cadrul sistemului îl constituie conectorii optici care sunt montați de-a lungul legăturii optice. Pentru

aceast sistem ipotetic pierderile datorate fibrei optice în sine sunt considerate la valoarea de 4 dB/km, înmulțind această valoare cu lungimea totală a fibrei optice se obține pierderea totală datorată fibrei optice. Efectul temperaturii asupra majorității fibrelor optice se traduce într-o valoare uzuală de ±1 dB.

Următorul factor ține de receptor, de variațiile pierderilor ce pot apare în urma recepției, și care necesită un detector cu o suprafață de detecție cât mai mare pentru a elimina aceste variații. În proiectarea tuturor sistemelor pe fibre optice trebuie să se țină seama de marjele de siguranță de 3dB. Se observă cum banda neagră se lărgește cu fiecare pas. În partea dreaptă a graficului se observă cum receptorul are la intrare un semnal optic de valoare ridicată -5.5 dBm și de valoare mică -31,5dBm, cu alte cuvinte, sensibilitatea receptorului trebuie să varieze într-o gamă dinamică de 26 dB.

7.Calcularea timpului de răspuns (bandei de trecere).

Există o mulțime de sisteme de codare pentru informația digitală, dintre care cel mai simplu de utilizat în calcularea timpului de răspuns este codul NRZ (Non Return to Zero).

Durata unui bit în cazul codului NRZ este:

T=1/R unde R este viteza cu care este transmisă informația măsurată în biți pe secundă. Astfel, pentru R=30Mbit/s durata unui bit este: T=1/R=1/30Mbit/s=30ns.

Astfel un sistem care poate transmite 30 Mbit/s, trebuie să aibă un timp de răspuns mai mic decât 30 ns.

1.Calcularea timpului de răspuns al întregului sistem

Timpul de răspuns al întregului sistem este determinat de timpii de răspuns ai emițătorului optic, fibrei optice și ai receptorului optic. Joncționările fibrei sau conectorii au un efect neglijabil asupra timpului de răspuns, lumina trecând fără a fi întârziată.

Timpul de răspuns al întregului sistem este dat, în general, de următoarea formulă: t2=Σ t2i , unde ti este timpul de răspuns al componentelor unui sistem pe fibră optică pentru care utilizăm formula:

t2= t2tx+ t2f+ t2rx, unde :

ttx -timpul de răspuns al transmițătorului optic.

tf – timpul de răspuns al fibrei.

trx – timpul de răspuns al receptorului.

Astfel, dacă cunoaștem timpul de răspuns individual, putem calcula timpul de răspuns al întregului sistem pentru a decide dacă sistemul este destul de rapid pentru rata de biți pe care dorim să o transmitem. Timpii de răspuns al emițătorului și al receptorului sunt oferiți de către producător, pe când timpul de răspuns al fibrei trebuie calculat pentru că depinde de lungimea fibrei, care este diferit de la sistem la sistem.

2.Calcularea timpului de răspuns al fibrei.

Timpul de răspuns al fibrei este dat de formula:

t2 f= t2m+t2c

Timpul de răspuns al fibrei este compus din două componente:

timpul de răspuns modal ™ care este dat de formula:

tm=Dm x L, unde Dm –dispersia modală,

L-lungimea fibrei

Dispersia modală este dată de formula: Dm=1/BDP, BDP=produsul bandă-distanță.

Astfel pentru fibra utilizată, cu banda de trecere de 200 MhzKm, rezultă o dispersie modală de 5 ns.Km-1.

timpul de răspuns cromatic(tc)care este dat de formula:

tc=Dc x Δλ x L, unde Dc-dispersia cromatică,Δλ-gama de lungimi de undă lansată în fibră și L- lungimea fibrei.

În cazul fibrei utilizate în cadrul acestui sistem-fibră multimod cu λ=850nm, dispersia cromatică se poate neglija, rezultând în consecință un timp de răspuns cromatic egal cu zero.

Astfel timpul de răspuns pentru 1Km de fibră optică cu dimensiunile 62,5/125 este:

t2 f= t2m+t2c=(5 x 10 -9)2+0=5 ns.

Determinând timpul de răspuns al fibrei și având timpii de răspuns ai emițătorului și ai receptorului oferiți de producător este simplu de determinat timpul de răspuns al întregului sistem:

t2= t2tx+ t2f+ t2rx=(2,5 x 10-9)2+(5 x 10-9)2+(1 x 10-9)2= 5,67x 10-9 s=5,67 ns;

Se observă că timpul de răspuns al sistemului optic este mai mic decât durata unui bit rezultând că sistemul proiectat este destul de rapid pentru viteza de transfer dorită a se realiza.

8. Aparate de testare și verificare a sistemelor pe fibre optice

8.1 Generalități

OTDR-ul (Optical Time Domain Reflectometer – Aparat de măsurat în domeniul timp a reflexiilor optice) este principalul aparat folosit pentru joncționarea și întreținerea legăturilor cu fibre optice. Acesta permite ca o linie de legătură să fie măsurată de la un capăt la celălalt. OTDR-ul emite pulsuri de lumină de la o sursă cu diodă laser în fibră. Lățimea pulsului este de obicei selectabilă de către utilizator. Semnalele caracteristice de la joncțiuni și din fibra însăși se întorc reflectate la OTDR. De aici semnalul este îndreptat printr-un cuplor spre receptor unde este convertit în semnal electric și în final analizat și afișat pe ecranul OTDR-ului.

OTDR-ul măsoară diferența de timp dintre momentul transmiterii semnalului și momentul întoarcerii acestuia. Valoarea de timp este multiplicată cu viteza luminii în fibră pentru a calcula distanțe. Astfel OTDR-ul afișează puterea relativă a semnalului întors în funcție de distanță.

OTDR-ul primește și afișează nu doar semnalele de la discontinuități, dar și de la fibra însăși. Acest semnal este cunoscut sub numele de Pulsul invers (backscatter).

În timp ce străbate fibra, lumina este atenuată, acest efect numindu-se împrăștierea Rayleigh. Aceasta este cauzată de mici schimbări ale indicelui de refracție a sticlei care se găsesc continuu de-a lungul fibrei. O fracțiune din pulsul de lumină va fi întoarsă spre OTDR acesta fiind pulsul invers. Receptorul OTDR-ului este făcut să fie foarte sensibil deci poate să detecteze semnale foarte mici (normal detectează un semnal întors din fibră care a fost atenuat între (40-80) dB.

Este foarte important ca OTDR-ul să poată măsura pulsul invers deoarece schimbările în nivel ale acestuia determină pierderile de-a lungul liniei.

OTDR-ul măsoară pierderile pe joncțiuni prin comparația între pulsul invers măsurat inițial și după joncțiune. Pierderile pe joncțiune produc o scădere a nivelului pulsului invers după joncțiune față de nivelul de dinaintea joncțiunii. Oricum, dacă fibra după joncțiune are un coeficient de întoarcere mare, pulsul invers va fi mai mare după joncțiune decât înaintea ei.

b) Indicele de refracție

Indicele de refracție este un număr, n, utilizat pentru a exprima raportul dintre viteza luminii în vid și viteza luminii în fibră. Indicele de refracție al fibrei de măsurat trebuie să fie bine cunoscut și introdus în OTDR, fiind foarte important pentru calcularea cu exactitate a distanțelor.

Dacă valoarea indicelui de refracție este dată cu o toleranță de 0,1% distanța tuturor discontinuităților din fibră va fi aflată cu o toleranță de 0,1%.

8.4. Tipuri de discontinuități afișate de ecranul OTDR-ului

a) Discontinuități nereflexive

Joncțiunile sudate și îndoiturile fibrei cauzează pierderi, dar în general nu produc reflexii. Pe ecranul OTDR-ului acestea apar ca niște căderi bruște ale nivelului caracteristicii pulsului invers. Diferența de nivel reprezintă pierderile acelei discontinuități.

O joncțiune nu poate produce amplificare, poate produce doar pierderi, deoarece este pasivă, dar OTDR-ul, din cauza felului în care măsoară pierderile joncțiunilor, adesea afișează amplificări. Dacă o anumită joncțiune arată că produce o amplificare, totdeauna caracteristica va fi crescătoare în acel punct, indiferent de OTDR-ul folosit.

În acest caz singurul mod de a afla valoarea reală a pierderilor este să se măsoare joncțiunea cu OTDR-ul conectat și la celălalt capăt al fibrei și să se facă medierea celor două pierderi citite. În general dacă o joncțiune arată că produce amplificare înseamnă că pierderile prin ea sunt foarte mici.

b)Discontinuități reflexive

Conexiunile mecanice și crăpăturile din fibră cauzează pierderi și reflexii. Pierderile sunt determinate de schimbarea nivelului pulsului invers. Fluxul luminos întors spre OTDR (care permite aprecierea pierderilor) va fi determinat de amplitudinea reflexiei la suprafața discontinuității suprapus peste pulsul invers.

c) Sfârșitul de fibră

Sunt două posibilități de sfârșit de fibră:

Primul – dacă sfârșitul de fibră a fost tăiat pe o suprafață perpendiculară sau dacă a fost instalat un conector, reflexia va fi de 4%, aceasta fiind reflexia Fresnel.

Al doilea – dacă fibra este ruptă, suprafața neregulată provoacă dispersia luminii, deci nu va exista reflexie. în acest caz semnalul afișat are o simplă cădere de la nivelul pulsului invers până la nivelul de zgomot al OTDR-ului

Este posibil ca pentru o fibră ruptă să se producă reflexie, însă nu va avea o amplitudine așa de mare ca amplitudinea citită pentru o suprafață finală tăiată perpendicular și / sau lustruită după cum se poate vedea și în figura 5.6:

9. Măsuri de siguranță pe timpul lucrului cu fibre optice

Prevenirea rănirilor interne sau externe

Utilizați suprafețe de lucru elastice și închise la culoare pentru a realiza contrastul cu fibra și pentru a reduce pericolul acesteia de a sări în ochii.

Dispuneți toate resturile de fibră despicate într-un container special și nu într-un coș oarecare.

Folosiți penseta pentru a elimina imediat orice bucată de fibră ajunsă în piele. Realizarea acestei operații în timp reduce riscul infecțiilor și extragerea cu ușurință a resturilor de fibră din piele.

Evitați a servi masa sau a bea ceva pe timpul lucrului cu fibre optice sau cu diferitele tipuri de adezivi sau solvenți, eventualele fibre ingerate ar putea provoca răni interne.

Protecția ochiilor

Nu priviți în capătul unei fibre ori conector pentru a determina dacă fibra este conectată sau nu la o sursă optică.

Folosiți aparate de măsură pentru testarea cablurilor de fibră optică, pentru a determina atât prezența luminii în fibră, cât și pentru a evalua continuitatea și integritatea legăturii. Chiar dacă nu se folosește un aparat special pentru detectarea prezenței luminii în fibră, este recomandabil ca fibra să fie poziționată perpendicular pe o suprafață de contrast pentru a se detecta dacă avem sau nu lumină pe fibră.

Purtați ochelari speciali de protecție pentru protejarea ochilor, dar nu uitați că acești ochelari nu vă protejează ochiul(retina) de efectele distructive ale luminii.

Nu atingeți fața sau ochii pe timpul lucrului cu fibre optice și spălați mâinile imediat ce ați terminat lucrul, mai ales când utilizați solvenți sau adezivi.

III. Citiți și respectați instrucțiunile de utilizare a diferitelor consumabile.

Nu fumați pe timpul lucrului cu diferiți adezivi sau sovenți, iar spațiile în care lucrați să fie în permanență ventilate pentru a reduce riscul apariției unor incendii. Chiar dacă materialele cu care se lucrează nu sunt inflamabile, fumatul crește probabilitatea ajungerii unor resturi de fibră de pe mâinii în cavitatea bucală.

Folosiți materialele de curățire(cârpe) doar o dată, pentru a elimina posibilele răniri la o refolosire a acestora, datorate resturilor de sticlă care pot rămâne în țesătură.

CAPITOLUL VI

PARTEA APLICATIVĂ

În cadrul părții teoretice a lucrării de față am abordat aspecte teoretice referitoare la o serie de fenomene ce apar la transmisia semnalelor prin fibra optică, de aceea în continuare voi încerca să modelez traseul semnalului de la emisie până la recepție.

În cadrul părții aplicative am simulat transmisia semnalului din două perspective: la nivel schemă bloc și la nivel de schemă electrică.

La simularea schemei bloc am folosit pentru modelarea semnalului programul SIMULINK din suita MATLAB 6.0.,iar la simularea schemei electrice am folosit programul PSpice din suita ORCAD.

6.1. SIMULARE MATLAB

Fig. 6.1. Schema bloc a simulării

Primul bloc al schemei de principiu este un generator de semnal numeric reprezentat cu culoare roșie.

Fibra optică este simulată cu ajutorul unui canal de comunicație care introduce un zgomot de tip gausian, unui atenuator de semnal și unui întârzietor care sunt reprezentate cu culoare albastră. Cu ajutorul acestor blocuri am încercat să simulez proprietățile reale ale unei fibre optice.

Cu culoare portocalie este reprezentat amplificatorul care are rolul de a ampifica semnalul la ieșirea din fibra optică.

Ultimul bloc al simulării este comparatorul de prag (culoare verde) care reprezintă regeneratorul de semnal.

Semnalul emis de generatorul de semnal parcurge traseul de la emițător la receptor suferind o serie de modificări începând cu fibra optică care îl atenuează și îl întârzie și terminând cu receptorul în cadrul căruia se realizează amplificarea și regenerarea acestuia.

Fig. 6.2. Analiza spectrală a semnalului emis

Fig. 6.3. Analiza spectrală a semnalului la ieșirea din fibra optică

Fig. 6.4. Analiza spectrală a semnalului amplificat și regenerat

Fig. 6.5. Comparație între semnalul la intrare (albastru) și la ieșire (verde) din fibra optică

Se pot observa atenuarea, distorsiunile și întârzierile introduse de mediul de transmisie.

Fig. 6.6. Comparație între semnalul la intrare în amplificator (albastru) și semnalul la ieșire (verde) din amplificator

Fig. 6.7. Comparație între semnalul de la ieșirea de pe fibra optică (albastru) și semnalul amplificat și regenerat (verde)

Fig. 6.8. Comparație între semnalul la ieșirea din amplificator (albastru) și ieșirea din regenerator (verde)

Fig. 6.9. Comparație între semnalul emis (verde) și semnalul amplificat regenerat (albastru)

Fig. 6.10. Comparație între semnalul emis (verde) și semnalul amplificat și regenerat (albastru)

6.2. SIMULARE ORCAD

Fibra optică, având o bandă de frecvență foarte mare, permite crearea mai multor canale, acestea putând fi utilizate fie pentru transmiterea semnalelor informaționale, fie a celor de sincronizare (impulsurile de ceas ale emițătorului).

În cadrul simulării de față am analizat transmisia prin ambele tipuri de canale (date și sincronizare), dar și modul în care este folosit semnalul de sincronizare în partea de recepție.

Deoarece nu am avut la dispoziție, în cadrul programului de simulare, mediul de propagare mai sus amintit, am ales soluția care se apropie cel mai mult, din punct de vedere constructiv, de fibra optică: un cuplor optoelecronic. Acesta are în componență o diodă laser (capătul de la emisie al fibrei optice) și un fototranzistor (capătul de la recepție al acesteia). Deosebirile între cele două dispozitive sunt: distanța la care este plasat fototranzistorul față de diodă; transmisia neghidată a radiației luminoase în cazul optocuplorului, față de cea ghidată, în cazul fibrei optice. Aceste diferențe vor provoca mici deosebiri ale semnalului de la recepție, care în cazul fibrei optice este mai atenuat și posibil – întârziat față de emițător (datorită distanței mari de propagare).

Din aceste motive am ales studiul cazului în care se transmite semnalul de ceas pe un canal dedicat (caz frecvent întâlnit în rețelele de comunicații), defazarea acestuia fiind aproximativ egală cu cea a semnalului de date.

Tot din aceste considerente am ales și codificări diferite ale semnalelor de date și a celui de ceas: datele NRZ, iar ceasul – RZ: frontul crescător al semnalului de ceas va fi aproximativ la jumătatea perioadei semnalului de date, moment în care eșantionarea are cea mai mare probabilitate să fie corectă.

Simulările au fost realizate cu ajutorul programului PSpice, un mediu de simulare în care am avut la dispoziție un cuplor optoelectronic care se comportă similar cu fibra optică. Pentru simularea lungimii fibrei optice se modifică valoarea rezistenței de polarizare a diodei laser. Pentru simularea de față am ales cazul când amplificatorul regenerator de semnal este amplasat pe fibra optică la o distanță astfel încât amplificarea și regenerarea semnalului să se facă fără pierdere de informație. În realitate amplificatoarele regeneratoare de semnal pe fibră optică sunt amplasate la distanțe diferite în funcție de tipul și calitatea fibrei optice.

LINIA DE TRANSMISIE:

Constituie primul bloc al simulării, toate semnalele, indiferent de natura lor parcurgând acest traseu:

Fig. 6.11. Drumul parcurs de semnale de la emițător prin fibra optică și amplificator până la receptor

Emițătorul este o sursă de semnal (de tact și de date).

Blocul „fibră optică” este format dintr-o diodă laser care transformă semnalul electric în semnal optic, mediul de transmisie (fibra optică propriu-zisă) prin care se propagă semnalul optic și un fototranzistor care transformă semnalul optic în semnal electric.

Blocul amplificator regenerator de semnal amplifică și regenerează semnalul preluat de pe fibra optică.

Semnalele transmise pe fibra optică de emițător sunt semnal de ceas și semnal de date, generate în cadrul aplicației de față de un editor de stimuli și care arată ca în figura următoare.

Semnalele de ceas și de date pot fi programate de utilizator din acest editor de stimuli în funcție de aplicația rulată.

Fig. 6.12. Semnalul de ceas și semnalul de date în editorul de stimuli

Semnalul de ceas are alocat un canal separat și parcurge în plus față de canalul de date un circuit de sincronizare.

Fig. 6.13. Traseul semnalului de ceas

Semnalul de ceas este emis de emițător, trece prin fibra optică unde este atenuat. Traseul semnalului continuă prin amplificatorul operațional U13A, cu rol de comparator. Prin stabilirea unui prag de decizie pentru comutator se execută și operația de regenerare a semnalului recepționat. La ieșirea comparatorului se obține un semnal dreptunghiular al cărui front descrescător nu este perfect abrupt:

Fig.6.14. Forma semnalului de ceas înainte de a intra în fibra optică

Fig. 6.15. Forma semnalului de ceas la ieșirea din fibra optică

Fig.6.16. Forma semnalului de ceas amplificat (la ieșire din amplificator)

Următorul bloc al simulării, specific numai canalului de sincronizare este monostabilul:

Fig.6.17. Blocul de sincronizare al semnalului de ceas

Monostabilul generază un semnal în impulsuri, defazat cu 1800 față de cel de intrare(frontul crescător al semnalului de ieșire coincide cu cel descrescător al semnalului de intrare). Durata impulsului de ieșire este stabilită prin rezistența R22 și condensatorul C7 (t=1,1*R*C),după care semnalul de ieșire revine în “0” până la apariția următorului front descrescător al semnalului de intrare. Am ales valorile rezistenței și condensatorului astfel încât tranziția semnalului de ieșire în “0” logic să corespundă cu tranziția semnalului de intrare în “1” logic.

Pentru obținerea unui semnal dreptunghiular, semnalul amplificat este adus în blocul de sincronizare la intrarea monostabilului (555B), la ieșirea căruia vom obține semnalul regenerat și sincronizat:

Fig.6.18. Forma semnalul de ceas sincronizat

În continuare voi compara semnalul de ceas aflat la intrarea în fibra optică cu cel de la ieșire din fibra optică și cu cel amplificat și regenerat. Cu galben este reprezentat semnalul de ceas la intrare pe fibra optică, cu verde la ieșirea din fibra optică iar cu mov la ieșirea din blocul de amplificare – regenerare – sincronizare. Se observă că la ieșirea din fibra optică semnalul este foarte atenuat și întârziat.

Fig. 6.19. Comparație între semnalele de tact.

Fig.6.20. Comparație între spectrele semnalelor de tact (pe perioada de 1 ms )

Se poate constata cu ușurință efectul lanțului amplificare – regenerare asupra semnalului: acceași formă, puțin defazat. Defazajul fiind constant (și egal cu cel al semnalului de date), iar codificarea RZ, semnalul de ceas obținut permite o eșantionare corectă a datelor: la jumătatea perioadei semnalului de date, codificat NRZ.

În continuare voi prezenta traseul semnalului de date:

:

Fig. 6.21. Traseul semnalului de date

Semnalul de date pleacă de la emițător, trece prin fibra optică unde este atenuat și deformat apoi intră în amplificatorul operațional unde este amplificat și regenerat.

În figura 6.12. a fost prezentat semnalul de date editat în editorul de stimuli iar în continuare voi urmări traseul acestuia de la emisie până la recepție.

Fig.6.22. Forma semnalului de date la intrarea în fibra optică

Fig.6.23. Forma semnalului de date la ieșirea din fibra optică

Fig. 6.24. Spectrul semnalului de date amplificat și regenerat

Fig. 6.25. Comparație între forma semnalelor de date la intrare pe fibra optică, la ieșirea din fibra optică și la ieșirea din blocul de amplificare regenerare (pe perioada de 10 ms)

Fig. 6.26. Comparație între forma semnalelor de date la intrarea și ieșirea din fibra optică și de la ieșirea din blocul de amplificare regenerare (pe perioada de 1 ms)

Cu galben este reprezentat semnalul de date la intrarea în fibra optică, cu verde la ieșirea din fibra optică iar cu mov semnalul amplificat și regenerat.

În acest mod au fost eliminate influențele liniei de transmisie asupra semnalelor ce se propagă prin acesta.

INTERCONECTAREA CALCULATOARELOR PRIN PURTĂTOARE OPTICĂ(MONTAJ PRACTIC)

Pentru realizarea practică a studiului transmisiilor de date pe purtătoare optică am construit un dispozitiv de emisie-recepție, care să simuleze legătura între două calculatoare fără utilizarea cablurilor de interconectare și a plăcilor de rețea.

Dispozitivul, propriu-zis, are o parte de emisie, reprezentată de un generator de impulsuri optice și o parte de recepție pentru detectarea impulsurilor optice.

Dispozitivul de emisie, reprezintă un generator de impulsuri realizat cu ajutorul circuitului integrat NE555 și al tranzistoarelor BD139 și 2N2222. În rolul sursei optice am utilizat un LED simplu ce emite în infraroșu pe 700nm, după cum se poate vedea și în schema circuitului prezentată în figura de mai jos:

Circuitul de emisie este conectat la o sursă de tensiune de 12 V curent continuu. În partea de emisie se realizează o transformare a semnalul electric în semnal optic, care este transmis cu ajutorul diodei electroluminiscente(LED-ului).

În partea de recepție am realizat un dispozitiv de fotodetecție a semnalului optic cu ajutorul unei fotodiode IRE5, ce recepționează între 650 nm și 900 nm, și al tranzistoarelor BC 171 și BF 245, după cum se poate vedea în schema circuitului de recepție prezentat în figura de mai jos:

Circuitul de recepție se conectează la o sursă de alimentare de 12V curent continuu, iar ieșirea de date se conectează la intrarea unui osciloscop cu ajutorul căruia se pot vizualiza impulsurile detectate ale semnalului util transmis.

În partea de recepție are loc o transformare a semnalului optic detectat cu ajutorul fotodiodei în semnal electric, care este amplificat și vizualizat cu ajutorul osciloscopului.

Deoarece sursa și detectorul de radiație optică, adică LED-ul și fotodioda utilizate în acest montaj experimental, nu sunt dintre cele mai performante care există la ora actuală pe piață, este necesar , în cazul de față, ca partea de emisie și cea de recepție să nu fie prea depărtate.

Amplitudinea semnalului vizualizat cu ajutorul osciloscopului se modifică odată cu modificarea distanței dintre emițător și receptor, până la o limită(~10cm) după care detectarea semnalului nu se mai poate realiza.

Cauzele pentru care detectarea semnalului la o anumită distanță nu mai este posibil, în cazul de față, sunt puterea optică scăzută debitată de LED și slaba directivitatea a fascicolului emis.

CONCLUZII

În contextul actual o lume fără comunicații nu este posibilă, evoluția este strâns legată de dezvoltarea tehnologiilor de comunicație. Nevoia de comunicații de bandă largă va caracteriza și în viitor evoluția tehnologiilor de comunicație pentru ca utilizatorul final să poată beneficia de cele mai moderne servicii ca video de înaltă definiție, video la cerere, învățare interactivă la distanță, acces internet bazat pe video de mare viteză.

La momentul actual domeniul comunicațiilor se află în pragul unei schimbări majore și anume liniile de cupru instalate în rețelele telefonice nu mai sunt suficiente pentru nevoia de lățime de bandă a utilizatorilor (în special firme) și de aceea vor fi înlocuite în viitorul apropiat cu fibra optică care va reprezenta în primă fază suportul fizic pentru implementarea serviciilor B-ISDN cu rate de transfer până la 600 Mbits.

Telecomunicațiile optoelectronice sunt o realitate atât pe distante mari (cabluri suboceanice), cât si între calculatoare la distante mici datorita imunității la perturbații mult mai ridicate. Optoelectronica este un domeniu actual si al anilor viitori, ea rezolvând multe din limitările actuale ale electronicii. Se aprecieaza ca, pentru secolul XXI optoelectronica va fi ceea ce a fost electronica pentru secolul XX. In acest sens, se poate menționa ca, actualmente, rata de creștere a veniturilor în optoelectronica este de 40-50% pe an, fata de 5-10% în electronica. Optoelectronica va produce puternice salturi tehnologice în industrie care se vor oglindi prin puternice mutații sociale. Totodată va contribui la creșterea nivelului de trai, material si cultural (comunicațiile optice, informatica, videodiscul, magnetodiscul, imprimante cu laser etc. sunt elemente ce justifica mutațiile sociale).

Odată cu creșterea densității traficului de telecomunicații sunt necesare canale de transmisie de banda tot mai larga. Necesitatea unor astfel de canale este impusa nu numai de extinderea rețelei telefonice, ci si de posibilitatea de a oferi utilizatorilor cât mai multe servicii, cum ar fi transmisiile de date, video-telefonul si transmisia de faximile .

Un sistem de comunicații optic, fie ca este analogic sau numeric, este intr-o prima analiza destul de simplu. El conține un transmițător optic în care elementul principal este o sursa de radiație(LED sau dioda laser) comandată prin intermediul unui etaj de comandă de către semnalul modulator; mediul de transmitere care constituie canalul optic este format în primul rând din fibre optice; receptorul care conține un element de conversie optic-electric, de regula o fotodioda PIN sau cu avalanșa urmat de un amplificator și o schema de prelucrare post detecție.

Performanțele maxime care se pot atinge în sistemele de comunicații optice alături de complexitatea acestora depind de alegerea corectă a elementelor sistemului, metodelor de modualție și detecție și de optimizarea raportului semnal/zgomot la recepție.

În orice direcție de dezvoltare tehnica se atinge la un moment dat o situație limită, un punct critic, dincolo de care nici un progres substanțial nu mai este posibil. Un astfel de punct critic apare de regula atunci când, prin modalități mereu mai perfecționate s-a reușit sa se atingă limitele fizice ale materialelor implicate in soluția respectiva. În acest caz soluția trebuie schimbată radical și astfel ia naștere o nouă direcție de dezvoltare. Aceasta este situația la care asistam astăzi în domeniul transmiterii semnalelor purtătoare de informații, unde soluția cu cabluri este unanim aceptată, fie că este vorba de transmiterea la distanțe mari și medii (cabluri de televiziune etc.), fie la distanțe mici, cum este cazul sistemelor de comandă prin calculator. Din păcate, pe această linie, principalele valori limită ale materialelor au fost deja atinse și nimic nu mai justifica speranța unor progrese spectaculoase . Astfel:

reducerea in continuare a dimensiunilor si greutăților pentru o lățime de banda data nu mai este posibila;

sensibilitatea in raport cu perturbatiile electromagnetice nu mai poate fi micșorată;

atenuarea introdusa de cablu nu mai poate fi scăzuta sub o anumita limita (circa 6 dB/km la 10 Mhz);

pierderile cauzate de calitatea izolației nu mai pot fi sensibil reduse;

Din motivele menționate a devenit clar că problema cabluri electrice nu mai poate fi scoasa din punctul critic, și aceasta cu toate că o ieșire din impas este tot mai mult cerută de progresul actual al sistemelor de prelucrare a informației.

Întrebarea care s-a pus și se pune cu tot mai mare acuitate este următoarea : exista o cale principală diferită care să sacrifice avantajele binecunoscute oferite până acum de sistemul de comunicație prin cabluri? În momentul de față nimeni nu se mai îndoieste că răspunsul la întrebare este afirmativ, cel puțin pentru transmiterea datelor la distante medii si mici si, totodata, ca singura soluție cu adevărat competitivă este cea cu fibre optice.

Puternicul progres înregistrat în cercetarea și dezvoltarea fibrelor optice și al componentelor opto-electronice a determinat un transfer rapid în stadiul producției de astfel de componente. Marile firme cu renume în domeniul sistemelor de comunicații și-au creat facilitați de producție a fibrelor optice, cablurilor optice si a componentelor opto-electronice specifice transmisiei prin fibre optice. Producerea de astfel de componente în mare serie a condus la scăderea simțitoare a prețului de cost, așa incat, sistemele de transmisiuni prin fibre optice au devenit competitive cu sistemele bazate pe cablu coaxial ,iar pentru viteze de transmisie mai mari de 34 Mb/s, sistemele cu fibre optice sunt net superioare din punct de vedere al performanțelor și costurilor.

Urmare a acestei situații, în majoritatea țărilor au fost dezvoltate experimente și încercari de introducere a fibrelor optice în rețelele proprii de telecomunicații, astfel că, viitoarele dezvoltări în domeniu se vor realiza pe baza fibrelor optice. De altfel, numai fibrele optice oferă posibilitatea realizării practice a rețelei de servicii integrate de banda larga , pe care se vor dezvolta in viitor rețelele de telecomunicații ale unor țări dezvoltate.

Aplicațiile electronicii si informaticii și, în strânsă legătură cu acestea, ale telecomunicațiilor în domeniul militar sunt numeroase aflându-se într-o continuă dezvoltare, în ritmul progresului tehnico-stiintific, în scopul de a fi permanent compatibile cu cerințele mereu mai complexe și diverse ale câmpului de luptă modern. O pondere însemnată în cadrul acestora, alături de o tehnică militară cu performanțe superioare, care încorporează organic cele mai recente cuceriri ale științei și tehnologiei contemporane, este deținuta de sistemele informatice pentru conducerea acțiunilor militare.

Principala problemă a sistemelor optice de transmisii de date o constituie lipsa standardelor care să permită interoperabilitatea dintre transportatorii la nivel de centrale și companiile telefonice. Cel mai important standard în acest domeniu este SONET (Sychronous Optical NETwork – Rețea Optică Sincronă), reprezentând un mijloc de transport capabil să ofere viteze de date în domeniul Gbps, interfețe optice, posibilitatea administrării rețelei și metode de testare și diagnosticare.

Lucrarea de față se adresează mai puțin celor din sectorul de cercetare/producție și mai mult celor din sectorul exploatare cărora le folosește pentru realizarea managementului sistemelor optoelectronice. Consider că această lucrare oferă suficiente cunoștințe celor care realizează managementul unui astfel de sistem pentru a-l putea flexibiliza, exploata la parametri optimi și pentru a putea remedia în timp defecțiunile minore și pentru a putea depista cauzele unor eventuale defecțiuni mai mar ice pot apărea în acest sistem.

Lucrarea se dorește a fi un îndreptar/ghid și pentru colegii mei din arma transmisiuni oferindu-le posibilitatea de a fructifica cele mai noi descoperiri în domeniul comunicațiilor pe fibră optică, comunicații care aparțin atât prezentului, dar mai ales viitorului.

În realizarea unui model intuitiv care să susțină parte teoretică a lucrării, am realizat o simulare a unei legături optice cu ajutorul utilitarului SIMULINK, din cadrul programului MATLAB, care conține în baza de date elementele necesare simulării unui sistem de comunicații optoelectronic: generatoare de funcții, diferite tipuri de filtre, analizor spectral, osciloscop etc.

În completarea părții teoretice și a simulării MATLAB am realizat un montaj practic care să reproducă într-un mod cât mai real comportarea unui sistem de transmisie optic pentru interconectare a două calculatoare

BIBLIOGRAFIE

Literatură românească de specialitate:

1. Constantin, I., Maghescu, I., „Transmisiuni analogice și digitale”, Editura Tehnică, București, 1995;

2. Doicaru, V., Pârvulescu, M., „Transmisii prin fibre optice”, Editura Militară, București, 1994;

3. Gancz, A., Tiponuț, V., Gancz, M., „Dicționar de electronică și domenii conexe”, Editura Albastră, Cluj-Napoca, 1995;

4. Manea, A., „Sisteme optice de comunicații”, Ed. Electus, 2000

5. Mihalcea, A., Șerbănescu, A., Tabarcea, P., „Sisteme moderne de comunicații”, Editura Militară, București, 1992;

6. Prahoveanu, I., „Transmisiuni optoelectronice”, Editura Militară, București, 1988;

7. Popa, M., „Comunicații opto-electronice”, Note de curs, Sibiu, 2002;

8. Tanenbaum, A. S., „Rețele de calculatoare”, Computer presss, 1998;

9. Compania națională de căi ferate ”CFR S.A.”, „Introducere în transmisiunile digitale-Fibra optică”, Note de curs, București 2002

Literatură străină de specialitate:

10. G.P. Agrawal, „Fiber optic Communications Systems”, John Wiley and Sons, New York 1997

11. Hecht, Jeff, „Introduction To Fiber Optics”,

12. Kahn, J. M., Barry, J. R., “Wireless Infrared Communications”, IEEE, 1997

13. Powers, J., „An Introduction to Fiber Opric System – Second Editon”, Monterey, California, 1997;

14. Senior, J. M., „Optical Fiber Communications – Principles and Practice” Prentice-Hall International, London, 1985;

15. Street, A. M., „Indoor Optical Wireless Systems – A Review,” Optical. and Quantum Electronics, IEEE, Piscataway,Arizona, 1997.

Internet:

16. http://www.corning.com/opticalfiber/discovery_center/tutorials/fiber_101/diameter.asp

http://users.pandora.be/educypedia/electronics/cablingfibers.htm

http://www.bell collage/ fiber optics courses/ system design.html

http://www.fiber-optics.info

http://www.intl-light/handbook/