Transmiterea Datelor Prin Medii Optice

CAPITOLUL 1

FIBRA OPTICA

Istoric

Tehnologia fibrelor optice, este una simplă și relativ veche.Ghidarea luminii prin refelexi repetate este principiul ce sta la baza fibrelor optice. Acest principiu a fost demostrat pentru prima data de Daniel Colladon și Jacques Babinet la Paris la începutul anilor 1840. În Londra un deceniu mai tarziu John Tyndal a inclus o demonstratie în cursurile sale publice, acesta a scris și despre proprietatea de reflexia internă totala.

Aplicațiile practice au apărut la începutul secolului al XX-lea astfel:

În anul 1920 Transmisia imaginii prin tuburi a fost demonstrată independent de Clarence Hansell și de pionierul televiziunii John Logie Baird.

 În anul 1952, fizicianul Narinder Singh Kapany a efectuat experimente ce au condus la inventarea fibrei optice.

În 1963 japonezul Jun-ichi Nishizawa, om de știință de la Universitatea Tohoku, a fost primul care a propus utilizarea fibrei optice în telecomunicații.

În 1964 tot japonezul Jun-ichi Nishizawa, a inventat fibra optică cu indice de refracție gradat acesta serveste canal de transmisie a luminii de la laserii cu semiconductor pe distanțe lungi cu pierderi mici

În 1965 George A Hockman și Charles K. Kao au fost primii care au promovat ideea ca atenuarea în fibră optică poate fi redusă sub pragul de 20 decibeli pe kilometru (db/km) permițând utilizarea fibrelor optice în telecomunicații.

În anul 1991 studiile în domeniul cristalelor fotonice a dus la dezvoltarea fibrei optice cu cristal fotonic.

În anul 2000 a devenit disponibilă pe piață prima fibră din cristal fotonic. [1]

Descriere generală

Fibra optică este o fibră de plastic sau sticlă figura 1 ce transportă lumină de-a lungul său. Fibrele optice sunt folosite în domeniul telecomunicațiilor, deoarce permit transmiterea informațiilor pe distanțe mari, si la lărgimi de bandă. Aceste fibre optice sunt utilizate în locul cablurilor de metal deoarece semnalul transmis are pierderi mai mici, și sunt imune la interferențe electromagnetice

Figura 1

1.2.1 Constructia fibrelor optice

Fibrele optice sunt făcute din sticlă pură, iar firul de sticlă este foarte subțire (puțin mai gros decat un fir de păr) astfel are o flexibilitate foarte bună. Flexibilitatea sticlei este mărita substanțial, datorită stratului de vopsea de deasupra care are rol de protectie și de identificare ( fiecare fir este vopsit in diferite culori pentru a putea fi usor de identificat atunci cand se face instalarea).

Ca si construcție, fibra optica figura 2 este alcatuită dintr-un miez transparent de sticla, invelit de un alt strat de sticlă ce are un index de refracție mai mic decât cel al miezului. In acest fel, lumina este pastrată în miezul de sticlă datorită reflexiei interne totale. Aceasta face ca fibra să se comporte ca un ghid de unda.

Figura 2

1.2.2 Funcționalitatea fibrelor optice

Prin fibrele optice circulă lumină și nu curent electric, la ambele capete ale cablului de fibra optica există cate un echipament electronic care transformă semnalul optic in cel electric si vice versa, semnalul electric in semnal optic, pentru a putea fi procesat (ințeles) de calculatoare.

Intrucat fibrele optice sunt imune la interferentele electromagnetice, avand pierderi mult mai mici decat cablurile de cupru, acestea au avntajul prin faptul ca semnalul optic poate circula prin ele la distante de zeci de kilometri pana la 150 km fara a fi nevoie de amplificarea semnalului. [2]

Principiu transmisiei cu fibră optică

Fibra optică are avantajul și reprezintă mediul ideal pentru rețelele de mare viteză, întindere medie și mică datorită unor avantaje date de caracteristicile sale de transmisie. O schemă de principiu a unei linii ce transmiste informația folosind fibra optică este indicată în figura 3

Cablul de fibră optică este alcatuit dintr-un fir subtire de material sticlos ce este acoperit cu un inveliș numit manta. Fibra optică are proprietatea de a transmite lumina pe principiul refelxiei interne totale. Razele de lumină ajunse la suprafața de separație dintre două medii optic transparente ce au densități diferite suferă o refracție, schimbându-și direcția conform legii lui Snell:

n1 sin(q1)= n2 sin(q2) 1

În care n1si n2 sunt indicii de refracție ale celor doua medii. La o anumită valoare a unghiului q1 va aparea o refracție cu unghiul q2=90 astfel razele de lumină rămân în mediul inițial de propagare. Acest unghi limita este egal cu:

sin 2

În figura urmatoare principiul refelexiei interne [4]

Figura 4

Tipuri de fibre optice

Fibrele optice sunt de doua tipuri:

Fibre monomodale (simple) folosite la transmiterea unui singur semnal pe fibră (utilizate în special la telefoane și cablu TV)

Fibre multimodale (multiple) folosite la tranmiterea mai multor semnale pe aceași fibră ( utilizate la rețelele de calculatoare) [3]

Fibre optice speciale au în componența lor în special miez necilindric si/sau cu teaca necilindrică de regulă cu secțiune transversală, eliptică sau dreptunghiulară: astfel de fibre folosesc efecte de difracție pe langă cele de refelexie internă totală pentru a păstra lumina în miezul fibrei.

1.4.1 Fibre monomodale

Structura unei fibre optice monomodale este prezentată în figura 3 aceasta fiind alcatuită din:

Miez : 8 μm diametru;

Teacă: 125 μm diametru;

Tampon: 250 μm diametru;

Înveliș: 400 μm diametru.

Figura 3

Cel mai folosit tip de fibră monomodală are un diametru la miezului cuprins între 8-10 micrometri și este construit pentru a fi utilizat la lunigimi de undă vizibile apropiate de infraroșu.

1.4.2 Fibre multimodale

Fibra multimodală este o fibră ce are diametru mare al miezului (mai mare de 10 micrometrri) și poate fi analizată cu ajutorul opticii geometrice. Deci cablul fibrei multimodale are un miez mai gros decat cablul monomodal. este mai ușor de fabricat, poate folosi surse de lumină mai simple (LED-uri) și funcționează bine pe distanțe de cațiva kilometri sau mai puțin. Fibrele optice multi-mode transmit lumina în infrarosu de la LED-uri (lungimea de undă de la 850nm la 1300nm) [4]

În figura următoare este prezentată propagarea luminii în acest tip de fibra multimodală

Figura 4 Propagarea luminii în fibra optică multimodală

Deci în concluzie exixtă cateva diferențe între fibrele optice multimodale si monomodale. Diferența principala intre cele doua tipuri de fibre este metoda de transmisie a luminii prin miezul fibrei.

Un miez de fibră multimodală poate transmite mai multe moduri simultan (pentru simplificare fascicule cu aceasi lungime de undă). Propagarea acestor fascicule creeaza o dispersie modală, ce scade semnificativ distanța și viteza maximă de transmistere. Semnalul se extinde în timp deoarece viteza sa de propagare nu este aceeasi pentru fiecare fascicul în parte, astfel spus, acestea parcurgand distanțe diferite între transmițător și receptor, rezultând în unghiuri diferite de reflecție.

În fibra optică monomodală fenomenul de dispersie este eliminat, prin acesta se transmite doar un singur fascicul de lumină cu o lungime de undă specifică. În cazul fibrei monomodala fasciculul se transmite aproape paralel la axa fibrei.

Diametru miezului acestor fibre ar fi o alta diferenta astfel, miezul fibrelor monomodale si multimodale si difera ca . Miezul fibrelor monomodale are 62.5 sau 50 micrometri , pe cand diametrul fibrelor monomodale are intre 8 si 10 (de obicei 9μm) . In ambele cazuri, stratul protector are diametrul de 125 micrometri.

Marele avantaj al cablurilor cu fibra optică monomodala ar fi posibilitatea transmiterii semnalelor (făra regenerare) pâna la 120 de kilometri. În cazul fibrelor multimodale, raza de transmisie maxima este de aproximativ 2 km. Desigur, distanța reala de transmisie este determinată de dispozitivele optice aplicate și capacitătile lor. Există numeroase firme care oferă o gamă de echipamente monomodale si multimodale – de la dispozitive active cum ar fi media și convertoare video la variate accesorii cum ar fi conectori, adaptori, atenuatori și diverse accesorii precum conectori, adaptoare, atenuatoare si patchcord-uri. [6]

1.5 Avantajele si dezavantajele fibrei optice

Odată cu dezvoltarea stiintei si a tehnicii a crescut brusc cererea pentru suporturi de informații performante. În special pentru distanțe mari. Solutia ideală pentru aceste cerințe o reprezintă cablurile de fibră optică.

Din punct de vedere al vitezei și al calității fluxului de informații, cablurile de fibră optică s-au ridicat cu mult deasupra celorlalte metode de transmisie a semnalelor. Acest lucru a vut loc datorită faptului că transmisia luminii nu este sensibilă la niciun fel de influențe perturbatoare ale câmpului electromagnetic.

Folosirea unei benzi foarte largi este un alt motiv al utilizarii transmisiei optice. a semnalului

În cablurile de fibră optică, pentru transmisia de date, în locul curentului electric, este utilizat un fascicul luminos modulat corespunzător. Acesta permite atingerea unei benzi de transfer de ordinul a 3 Tb/s și crește în mod considerabil distanța de transmisie, fără a folosi vreun amplificator.[7]

1.5.1 Avantajele fibrei optice

Avantajele sistemelor de transmisie prin fibre optice pot fi împărțite în două categorii si anume:

Prima categorie este legată de particularitațiile ghidului dielectric și natura luminii, unde pot fi menționate urmatoarele:

Mare volum de informații transferate prin fibră unică. Acest număr ajunge până la 6000…30000 de canale;

Capacitate de transmitere a semnalelor la distanțe considerabile și pierderi mici

Posibilitatea trimiterii semnalului pe distante lungi datorita atenuarii scazute a fibrelor optice

Nu exista riscul de electrocutare

rezistenta la conditii nefavorabile de vreme si de mediu (umiditate, descarcari electrostatice si altele)

Dimensiuni și greutate redusă

Sunt tot mai rentabile – se menține tendința de scădere a prețurilor pentru fibra optică;

Fiabilitate ridicată;

Zgomotele intermediare mici între fibrele vecine;

 Diametrul mic și durabilitate înaltă a fibrei, diametru și masă mici a cablului flexibilitatea cablului și comoditatea lui de instalare. Posibilitatea de a micșora timpul și costul instalării cablului;

A doua categorie este legată de faptul că prin sistemele de transmisie prin fibre optice se transmit semnalele îi formă numerică, astfel sistemele prin fibră optica au urmatoarele avantaje:

Tehnologii înalte de producere a elementelor de bază a aparaturii – circuitele: digitale;

 Parametrii constanți a sistemei de transmisie și impedanță lor de oscilațiile atenuări în ghidul dielectric;

 Stabilitate înaltă la perturbații ce se datorează folosirii modulației codificată în impulsuri (PCM);

Utilizarea minimală a așa elemente netehnologice în aparatura după cum sunt bobinele de impedanță și filtrele de tipul LC;

 Comoditatea de creare a rețelelor de telecomunicații integrate, în care metodele numerice se folosesc nu numai pentru asigurarea multiplexării, însă și pentru scopurile de comutații a canalelor și liniilor;

Organizarea simplă a tranziturilor, introducerea și evidențierea grupelor de canale în punctele intermediare;

Simplicitatea elementelor de amplificare, deoarece de la ele nu se cere liniaritatea înaltă;

Independența caracteristicilor canalelor de numărul canalelor ce funcționează;

 Comoditatea de transmisie a informației numerice;

  Comoditatea de creare a rețelelor de telecomunicații integrate, în care metodele numerice se folosesc nu numai pentru asigurarea multiplexării, însă și pentru scopurile de comutații a canalelor și liniilor;

1.5.2 Dezavantajele fibrei optice

1. Apariția fenomenului de dispersie în fibrele optice multimod. Acest fenomen constă în lărgirea fluxului luminos ca urmare a separării diferitelor sale raze în timpul refracției. Aceste raze, din momentul dispersiei, se mișcă “independent” și nu ajung în același timp la receptor. Efectul secundar al dispersiei este limitarea lățimii benzii de transmisie. Acest lucru este un mare inconvenient în cazul cablurilor multimod, deoarece în acestea lățimea de bandă este oricum deja limitată de diferitele moduri, care diferă între ele prin timpul de parcurgere. În combinație cu dispersia, interiorul fibrei optice este destul de înghesuit și dominat de haos. Cea mai mică dispersie apare la o undă cu lungimea de 1,3 micrometri.

2.  Dispersia naturală a sticlei, care apare atât în fibrele optice monomod, cât și în cele multimod. Aceasta este efectul modificărilor indicelui de refracție al luminii în sticlă, modificări care rezultă, în principal, din micile defecte ale sticlei – lipsa de omogenitate a structurii, dar și din lungimea de undă.

3.  Atenuarea în funcție tipul și grosimea materialului și de lungimea de undă a fibrei optice. Cea mai mică atenuare apare teoretic la o undă cu lungimea de 1,55 mm și este de 0,1 6db/km.

4. Procesul de alcătuire a fibrelor optice, complicat și care necesită precizie: pentru îmbinarea diferitelor părți ale fibrei optice se folosesc conectoare speciale, a căror montare are loc în condiții de laborator, de mare precizie și într-un mediu fără niciun fel de pulberi. Acest lucru este deosebit de dificil pentru fibrele optice monomod, al căror miez este foarte subțire. Iar pentru ca fibra optică să fie funcțională, o parte a miezului trebuie să adere în mod ideal central la cealaltă parte a sa [7]