Elemente de Calcul Si Proiectare a Retelelor de Fibra Optica
Scurt istoric
Din cele mai vechi timpuri, s-a utilizat lumina pentru transmiterea informațiilor. Era cazul marilor focuri aprinse drept semnale. Astăzi încă putem găsi acest tip de transmisie a informațiilor sub multiple forme. Pentru a nu cita decât câteva exemple, ne vom gândi la semafoarele marine, la faruri, la semafoarele pentru circulație sau la lămpile unui panou oarecare de control. De multă vreme, omul a elaborat metode utilizând lumina pentru transmiterea informațiilor la distanță.
Către anul 1790 în Franța, Claude Chappe a construit un sistem de telegraf optic compus dintr-un lanț de turnuri prevăzute cu brațe de semafoare mobile. Acest sistem permite transmiterea informațiilor la mai mult de 200 de km în mai puțin de 15 minute și nu a fost abandonat decât odată cu apariția telegrafului electric.
În anul 1880, americanul Graham Bell dezvoltă „fotofonul” grație căruia se pot transmite semnale vocale cu ajutorul luminii. Această idee nu a găsit aplicare practică pentru că influențele climatice și vizibilitatea reduceau calitatea transmisiei.
În 1870, cu puțin timp înaintea invenției lui Bell, fizicianul englez John Tyndall confruntat cu aceeași problemă, sugerează o soluție demonstrând că lumina poate fi ghidată printr-un jet de apă. Această experiență se bazează pe principiul „reflexiei totale” utilizat astăzi pentru fibrele optice.
După primele încercări ale lui Bell și Tyndall care se refereau la modularea și ghidarea luminii, a trebuit să așteptăm până în 1934 ca americanul Norman R. French să depună un brevet unde apare ideea unui telefon optic. În acest brevet, French descrie în ce mod semnalele vocale se transmit printr-o rețea de cabluri optice. El specifică: acestea vor fi din tije de sticlă sau dintr-un material comparabil, având o atenuare de linie scăzută, pentru lungimea de undă de funcționare corespunzătoare.
Realizarea practică a acestei concepții a fost desăvârșită 25 de ani mai târziu. A fost mai întâi dezvoltat un element emițător optic. În 1958, laureații premiului Nobel, Arthur Schawlow și Charles H. Townes, dezvoltau laserul pe care Theodor H. Maiman l-a utilizat pentru prima oară cu succes în anul 1960.
Posibilitatea de a fabrica lasere cu ajutorul materialelor semiconductoare este cunoscută din 1962. În paralel se dezvoltă elementele de recepție: diode semiconductoare. Era suficient să se găsească un mijloc adecvat de transmisie capabil să reunească emițătorul și receptorul.
A fost gândite în primă fază ghiduri circulare și reflectorizante care conțineau sisteme complexe de lentile. În 1966 Charles K. Kao și George A. Kokham sugerează utilizarea fibrelor de sticlă pentru ghidarea undelor. Totuși pentru a putea instala un sistem de transmisie optică acceptabil din punct de vedere al distanței aceste fibre ar fi trebuit să aibă atenuări maxime de 20 dB/km ori în acel timp atenuările lor erau mai mari (în jur de 100 dB/km). În medicină se utilizau deja din anii cincizeci fibre de sticlă pentru transmiterea imaginilor video pe distanțe foarte scurte.
În 1970 firma Corning Glass Works fabrica în Statele Unite fibre optice cu indice în treaptă și obținea atenuări mai mici de 20 dB/km pentru o lungime de unda de 633 de nm.
În 1972 se ating 4 dB/km pentru fibre optice cu indice gradat.
Astăzi tehnica modernă permite obținerea de atenuări de 0,4 dB/km pentru o lungime de undă de 1300 de nm. Simultan ameliorează puterea, sensibilitatea și durata de viață a elementelor emițătoare și receptoare. Astfel, grație tehnicilor dezvoltate pentru cabluri, conexiuni și îmbinări de fibre optice s-a putut introduce în mod avantajos acest nou mijloc de transmisie.
În 1972, prime cabluri optice telefonice sunt puse în funcțiune pe navele de război americane.
În 1976, Western Electric (USA) face primele încercări ale unui sistem cu cablu optic pe proprietatea sa la Atlanta. Un an mai târziu, primele încercări pe teren sunt efectuate de către Bell Systems, la Chicago, pe o distanță de 2,3 km și de General Telephone, la Long Beach, pe o distanță de 9 km. Siecor Corporation a fost prima întreprindere care a livrat cabluri optice monomod unei administrații: Poșta din New York.
În 1976, Siemens utilizează la München o legătură experimentală de 2,1 km pentru transmisiuni telefonice ți videotelefonie, iar în 1977 instalează la Berlin prima legătură cu fibre optice pentru administrația poștelor din Germania.
După 1978, CERN, la Geneva, utilizează un cablu cu fibre optice rezistent la curbare. Începând din acest moment are loc utilizarea mondială a acestei noi tehnologii. Instalațiile despre care am vorbit folosesc încă fibre multimod. Actualmente, mai mult de un milion de kilometri de fibre optice utilizând tehnologia Siemens au fost instalate în 24 de țări. În viitor se vor instala în principal fibre optice monomod.
Capitolul I
Caracteristicile fizice și parametrii fibrelor optice
1.1. Caracteristicile fizice și parametrii fibrelor optice
1.1.1. Spectrul electromagnetic
De o sută de ani undele electromagnetice și-au demonstrat utilitatea pentru transmiterea de informații. Aceasta, reiese din faptul că ele nu au neapărată nevoie de un conductor metalic pentru a se propaga. Din contră, ele se pot propaga cu viteze ridicate în vid sau în materiale dielectrice.
O vedere generală a spectrului undelor electromagnetice și a utilizării lor este prezentată în figura 1. Lumina vizibilă nu ocupă decât o plajă restrânsă de la 380 nm (violet) la 780 nm (roșu). Adiacent, la această plajă se găsesc zonele de radiații ultraviolete pentru lungimi de unda inferioare și radiațiile infraroșii pentru lungimi de undă superioare.
Comunicațiile prin fibră optică utilizează lungimi de undă în infraroșu apropiate benzii de 800 până la 1600 nm, cu preferință pentru lungimile de undă de 850, 1300 și 1550 nm.
Undele electromagnetice se propagă în vid cu viteza luminii: c0 = 299792,456 km/s.
Valoarea rotunjită la: c0 = 300000 km/s = 3×105 km/s = 3×108 m/s este suficient de exactă pentru a descrie propagarea luminii în aer.
Într-un mediu fără pierderi și de dimensiune infinită, unda electromagnetică este, ca și lumina, o undă transversală. Câmpul electric și magnetic al undei transversale oscilează perpendicular pe direcția de propagare.
Dacă un câmp magnetic oscilează pe un plan, atunci săgeata vectorului câmpului de intensitate electrică sau magnetică descrie o dreaptă. O astfel de undă este numită „undă cu polarizare lineară”. Dacă proiecția săgeții vectorului pe (x0y) descrie un cerc sau, în general, o elipsă, se vorbește despre o polarizare circulară sau eliptică a luminii.
Lungimea de undă ∞ 0 Frecvența III Sisteme de fibră optică
Curent continuu (DC) 106m 1,5 μm – generația a 3-a –
1kHz
Frecvențe joase (AC) 1,4μm
Frecvențe înalte LW 1 km 1,3μm II Sisteme de fibră optică
MW 1MHz – generația a 2-a –
SW
VHF 1,2μm
dm 1 m
Microunde cm 1GHz 1,1μm
mm
1mm 1012Hz 1,0μm
Radiații optice
0,9μm I Sisteme de fibră optică
1μm – generația I –
1015Hz 0,8μm
infra-roșu
0,7μm roșu
oranj
Raze X 1nm 1018Hz 0,6μm galben vizibil
verde
0,5μm albastru
Raze gamma 1pm violet
1021Hz 0,4μm ultra-violet
Raze cosmice
Figura 1 – Spectrul undelor electromagnetice
1.1.2. Termeni tehnici fundamentali în teoria undelor
În general, considerăm o undă ca fiind propagarea unei stări sau a unei excitații într-un mediu, fără ca masa sau materia acestui mediu să fie transportate. În cazul undei luminoase, starea este câmpul electromagnetic care se propagă într-un mediu transparent optic.
O funcție sinusoidală descrie forma cea mai simplă a propagării în timp și spațiu. Pentru o undă plană, care se propagă în direcția z, se poate scrie deviația a:
a = A×sin(ωt – kz) = Asin 2π ( )
unde: a – deviația undei plane, A – amplitudinea, ω – frecvența unghiulară în s-1, t – timpul în s, k – numărul de undă în m-1, z – lungimea în direcția z în m, T – perioada de oscilație în s, λ – lungimea de undă în m.
Amplitudinea A a undei descrie deviația maximă plecând de la poziția de repaus.
Valoarea dintre paranteze (ωt – kz) este numită unghiul fazei sau prescurtat „faza de undă”. Unghiul de fază φ este măsurat în radiani (rad), de exemplu:
1 rad =
Pentru a ilustra aceasta, figura 2 arată o undă plană în funcție de timp la un punct fix, z = z0. Putem vedea că punctele oscilante a1 și a3 sunt în aceeași fază de oscilație.
Diferența lor de fază este de 2π. Din contră, punctul a2 are aceeași deviație ca și a1 și a3, dar se găsește în altă fază de oscilație.
Mărimea ω este numită frecvență unghiulară. Ea este egală cu frecvența f înmulțită cu 2π; frecvența fiind numărul de oscilații în unitatea de timp:
ω = 2π×f
unde f este frecvența în Hz.
a1 a3
a2
Figura 2 – Unda armonică plană pentru Z = Z0
T reprezintă durata de oscilație, deci timpul unei oscilații complete sau perioada de oscilație. Frecvența f este invers proporțională cu perioada de oscilație T:
f =
unde T – perioada de oscilație în s.
K este numărul de undă – acesta este egal cu modulul vectorului de undă care indică direcția de propagare a undei. Numărul de undă k indică deplasarea de fază a undei pe unitatea de lungime și este astfel invers proporțională cu lungimea de undă; constanta de proporționalitate fiind 2π:
k =
Lungimea de undă λ este perioada spațială de undă, deci distanța străbătută de o suprafață de undă în timp de o perioadă.
O relație fundamentală există între frecvență f, lungimea de undă λ și viteza de propagare c a unei unde:
c = f×λ
1.1.3. Reflexia
Dacă lumina cade pe suprafața de separație dintre două medii, apare fenomenul de întoarcere (parțială), în mediul din care au venit, a radiațiilor ondulatorii sau crepusculare.
Cantitatea de lumină reflectată depinde de unghiul α1 care este format de raza incidentă cu axa de incidență (normala la suprafața de separație). Raza luminoasă este utilizată aici pentru a descrie traiectoria pe care se propagă energia. Raza luminoasă reflectată formează un unghi α2 cu axa incidentă (a se vedea figura 3).
Raza Axa de Raza
incidentă incidență reflectată
α1 α2
Mediu 1 cu c1
Mediu 2 cu c2
Figura 3 – Reflexia luminii
Raza reflectată:
– rămâne în planul de incidență format de raza incidentă și de axa de incidență;
– este situată pe partea opusă axei de incidență în raport cu raza incidentă;
– formează cu axa de incidență un același unghi: α1 = α2.
1.1.4. Refracția
Dacă o rază luminoasă trece oblic, cu unghi de incidență α1 dintr-un mediu mai puți dens (ex: aerul) într-un mediu mai dens (ex: sticlă) sau invers, atunci direcția sa este schimbată în raport cu axa de incidență formând un unghi β cu axa.
În cazul materialelor izotr în m.
Amplitudinea A a undei descrie deviația maximă plecând de la poziția de repaus.
Valoarea dintre paranteze (ωt – kz) este numită unghiul fazei sau prescurtat „faza de undă”. Unghiul de fază φ este măsurat în radiani (rad), de exemplu:
1 rad =
Pentru a ilustra aceasta, figura 2 arată o undă plană în funcție de timp la un punct fix, z = z0. Putem vedea că punctele oscilante a1 și a3 sunt în aceeași fază de oscilație.
Diferența lor de fază este de 2π. Din contră, punctul a2 are aceeași deviație ca și a1 și a3, dar se găsește în altă fază de oscilație.
Mărimea ω este numită frecvență unghiulară. Ea este egală cu frecvența f înmulțită cu 2π; frecvența fiind numărul de oscilații în unitatea de timp:
ω = 2π×f
unde f este frecvența în Hz.
a1 a3
a2
Figura 2 – Unda armonică plană pentru Z = Z0
T reprezintă durata de oscilație, deci timpul unei oscilații complete sau perioada de oscilație. Frecvența f este invers proporțională cu perioada de oscilație T:
f =
unde T – perioada de oscilație în s.
K este numărul de undă – acesta este egal cu modulul vectorului de undă care indică direcția de propagare a undei. Numărul de undă k indică deplasarea de fază a undei pe unitatea de lungime și este astfel invers proporțională cu lungimea de undă; constanta de proporționalitate fiind 2π:
k =
Lungimea de undă λ este perioada spațială de undă, deci distanța străbătută de o suprafață de undă în timp de o perioadă.
O relație fundamentală există între frecvență f, lungimea de undă λ și viteza de propagare c a unei unde:
c = f×λ
1.1.3. Reflexia
Dacă lumina cade pe suprafața de separație dintre două medii, apare fenomenul de întoarcere (parțială), în mediul din care au venit, a radiațiilor ondulatorii sau crepusculare.
Cantitatea de lumină reflectată depinde de unghiul α1 care este format de raza incidentă cu axa de incidență (normala la suprafața de separație). Raza luminoasă este utilizată aici pentru a descrie traiectoria pe care se propagă energia. Raza luminoasă reflectată formează un unghi α2 cu axa incidentă (a se vedea figura 3).
Raza Axa de Raza
incidentă incidență reflectată
α1 α2
Mediu 1 cu c1
Mediu 2 cu c2
Figura 3 – Reflexia luminii
Raza reflectată:
– rămâne în planul de incidență format de raza incidentă și de axa de incidență;
– este situată pe partea opusă axei de incidență în raport cu raza incidentă;
– formează cu axa de incidență un același unghi: α1 = α2.
1.1.4. Refracția
Dacă o rază luminoasă trece oblic, cu unghi de incidență α1 dintr-un mediu mai puți dens (ex: aerul) într-un mediu mai dens (ex: sticlă) sau invers, atunci direcția sa este schimbată în raport cu axa de incidență formând un unghi β cu axa.
În cazul materialelor izotrope, materiale având proprietăți identice în toate direcțiile, se aplică legea de refracție a lui Snell:
unde α – unghiul de incidență, β – unghiul de refracție, c1 – viteza luminii în mediul 1, c2 – viteza luminii în mediul 2.
În cazul a două medii transparente, considerăm mediul cel mai dens ca fiind mediul cu viteza de propagare mai lentă.
Dacă considerăm trecerea unei raze luminoase din vid (aer) unde viteza de propagare este c0, într-un mediu unde viteza de propagare este c, avem:
Raza Axa de
incidentă incidență
sin α
Mediu 1 cu c1
Mediu 2 cu c2 sin β
Raza reflectată
Figura 4 – Refracția luminii
Acest raport este numit „indice de refracție n” și este constanta proprie materialelor respective.
Indicele de refracție al vidului (≈ aer) este egal cu 1.
Pentru două medii cu indici de refracție n1 și n2 și viteza de propagare a luminii c1 și c2 putem scrie:
și .
Prin deducție se ajunge la o formă diferită a legii refracției lui Snell:
.
Raportul dintre sinusul unghiului de incidență și sinusul unghiului de refracție este invers proporțional cu raportul indicilor de refracție.
Indicele de refracție n al unui material depinde fundamental de lungimea de undă a luminii; pentru sticla de cuarț și în gama de unde infraroșii, care este importantă în telecomunicațiile optice, indicele de refracție descrește proporțional cu creșterea lungimii de undă.
Valoarea n este valabilă pentru unde care se propagă cu o singură lungime de undă și care nu pot transmite informații. Pentru ca informația să poată fi transmisă, aceste unde trebuie modulate. Pentru comunicații optice digitale se utilizează impulsuri de lumină. Aceste impulsuri sunt scurte grupuri de unde formate din unde luminoase cu lungimi de undă diferite.
În aceste grupuri undele individuale se propagă cu viteze diferite din cauza lungimilor de undă diferite. Viteza de propagare a unui astfel de grup se numește „viteză de grup”. A fost definit indicele de refracție de grup ng ca fiind în relație cu indicele de refracție n astfel:.
Expresia indică panta curbei indicelui de refracție n(λ) care este negativă pentru gama de unde considerată.
Deci indicele de refracție de grup ng este considerat mai mare decât indicele de refracție n pentru toate lungimile de undă.
Tabelul 1 – Indice de refracție n(λ) și indice de refracție de grup ng(λ) (100% S1O2)
Pentru a calcula timpul de propagare a semnalelor optice, trebuie utilizat doar indicele de refracție de grup atinge un minim în jurul unei valori de lungime de undă de 1300 nm. Așa cum am văzut înainte, această gamă de unde prezintă un interes deosebit în transmisia pe fibră optică.
1.1.5. Reflexia totală
Dacă o rază luminoasă (3) trece sub unghiuri de incidență crescânde dintr-un mediu mai dens (cu un indice de refracție n1) într-un mediu mai puțin dens (cu un indice de refracție n2), se poate ajunge ca pentru un unghi de incidență α0 unghiul de refracție să fie β0 = 90° (figura 5). 3
2
α0 1
1
Mediul 1, n1 2
β0
Mediul 2, n2<n1 3
Figura 5 – Reflexia totală a luminii
Unde: 1 – reflexia totală a razei incidente; 2 – raza refractată sub un unghi de refracție β0 = 90°; 3 – rază refractată.
În acest caz, raza luminoasă (2) se propagă paralel cu suprafața de separare dintre cele două medii. Unghiul de incidență este numit unghi de limită. Pentru unghiul de limită α0 este valabilă relația următoare:
.
Aceasta înseamnă că unghiul limită depinde de raportul indicilor de refracție n1 și n2 ai celor două medii.
1.1.6. Apertura numerică
Într-o fibră optică se folosește fenomenul reflexiei totale pentru a ghida raza luminoasă. Acest ghidaj se obține instalând un miez de sticlă (indice de refracție n1) înconjurat de un înveliș de sticlă (indice de refracție n2), n1 fiind ales puțin mai mare decât n2 (figura 6).
Analizând expresia putem concluziona că toate razele luminoase care nu deviază mai mult de (90○ – α0) față de axa fibrei vor fi ghidate prin sticla miezului.
Aer n0=1 Sticla învelișului n2 (90°-α0) Sticla miezului n1>n2 Axa fibrei optice
α0
Figura 6 – Ghidarea luminii într-o fibră optică
Injectând din exterior (aer, indice de refracție n0=1) o rază luminoasă în sticla miezului, unghiul de injecție dintre raza luminoasă și axa fibrei poate fi determinat aplicând legea refracției:
aceasta implicând:
.
Condiția pentru unghiul limită (sin α0 = n2/n1) ne conduce la expresia:
.
Unghiul de injecție maximal θmax este numit unghiul de acceptanță al fibrei optice; el depinde doar de indicii de refracție n1 și n2. Sinusul unghiului de acceptanță este numit apertura numerică (1) a fibrei optice:
AN = sin θmax.
Această valoare este de o importanță esențială pentru injecția luminii în fibră.
1.1.7. Propagarea luminii în fibra optică
Legile opticii permit descrierea reflexiei totale la suprafața de separație dintre miez și înveliș a fibrei optice.
Pentru a efectua o analiză mai detaliată a posibilităților de propagare ale luminii în miezul sticlei, trebuie să considerăm fenomenele opticii ondulatorii: aceasta devine necesară datorită diametrelor caracteristice ale miezurilor fibrelor, cuprinse între 10 și 100 μm și care sunt, în consecință, cu puțin mai mari decât lungimea de undă a luminii transportate, care este în jurul valorii de 1 μm.
Datorită acestui fapt, anumite fenomene de interferență care apar nu pot fi explicate decât cu ajutorul teoriei opticii ondulatorii.
Superpoziția a două sau mai multe unde și combinarea lor într-una singură este, în general, numită interferență.
O manifestare tipică a interfeței a două unde este obținută când ele au aceeași lungime de undă și când există un defazaj constant între ele. Astfel de unde se numesc coerente. Dacă într-un punct al spațiului, cele două unde diferă în faza lor printr-un multiplu par al lungimii de undă λ, atunci are loc o însumare a amplitudinilor. Pe de altă parte, în cazul unui defazaj egal cu un multiplu al jumătății lungimii de undă λ/2, are loc o scădere, iar în cazul a două unde având aceeași amplitudine, are loc o anulare locală undelor.
Dacă considerăm două surse luminoase obișnuite (becuri electrice) și le suprapunem lumina, nu observăm nici un tip de interferență, pentru că lumina este incoerentă. Acest fapt este datorat procesului de emisie a luminii (în acest caz precizat: filamentele incandescente).
În virtutea fenomenelor spontane și aleatorii, fiecare atom al filamentelor incandescente emite „flash-uri” de lumină care sunt serii de unde cu o durată de viață în jur de 10-8 s. Considerând că viteza luminii în aer este 3×108 m/s, aceste serii de unde au o lungime de 3 m. Această lungime este numită „lungimea de coerență”. Suprapunerea acestor serii de unde este complet neregulată și realizează doar iluminarea globală a spațiului dimprejur.
Pentru transmisia pe fibre optice este necesar să se găsească o sursă luminoasă cât mai coerentă. Prin urmare, lărgimea spectrală va trebui să fie mai mică.
Spre deosebire de diodele electroluminiscente, dioda laser oferă, grație unei emisii stimulate, o diferență de fază constantă la aceeași lungime de undă. Prin urmare fenomenele de interferență apar în ghidul de undă, ceea ce poate fi constat din faptul că lumina se propagă doar sub unghiuri bine precizate în miezul fibrei; prin „precizate” înțelegându-se că propagarea are loc în direcții în care undele luminoase sunt amplificate prin suprapunerea lor și prezintă o interferența constructivă. Undele luminoase capabile să se propage într-o fibră optică sunt numite moduri (unde naturale).
Aceste moduri pot fi determinate matematic, mai precis prin ecuațiile lui Maxwell.
Acest sistem de ecuații, de obicei utilizat pentru unde electromagnetice, poate fi simplificat în mod considerabil în ceea ce privește fibrele optice, dacă nu ținem seama decât de undele slab ghidate. Este vorba de undele care se propagă aproape în direcția axială a fibrei și care prezintă o intensitate neglijabilă a câmpului în lungul axei. Ele apar dacă indicii de refracție ai sticlei miezului (n1) și sticlei învelișului (n2) nu diferă decât foarte puțin. Măsura acestei diferențe în refracție este diferența relativă de indice Δ, definită astfel:
.
Pentru o fibră optică diferența relativă de indice Δ este foarte mică în raport cu unitatea (1) și datorită acestui fapt nu are loc decât un ghidaj slab al undelor luminoase în sticla miezului.
1.2. Parametrii fibrelor optice
1.2.1. Condiții de injectare a luminii în fibra optică
Injecția luminii în fibra optică este esențială pentru distribuția puterii, căci puterea optică a impulsului injectat într-o fibră multimod se repartizează pe modurile individuale. În cazul fibrei monomod, o parte a luminii este injectată în modul fundamental, în timp ce partea rămasă este reflectată. Modurile fibrelor optice, mono sau multimod, vor ghida puterea optică de maniere diferite după condițiile de exercitare (launching condition).
1.2.1.1. Fibrele optice multimod
În cazul excitării totale (full flood launch) tot miezul fibrei este iradiat de lumină, ceea ce produce excitarea tuturor modurilor ghidate, de ordin inferior sau superior și a modurilor de fugă. Cum aceste moduri sunt diferit atenuate în lungul fibrei optice și cum ele provoacă în plus, prin schimb de energie un amestec de moduri, se pot măsura, după lungimea fibrei, distribuții diferite ale puterii optice și ale timpului de propagare. Datorită acestui fapt, condițiile la ieșirea fibrei multimod depind de injecția luminii la intrare – indiferent dacă este o excitare totală sau nu – și de amestecul modurilor pe timpul parcursului.
Pentru fibrele multimod, este important a se defini o metodă univocă de injecție a luminii, pentru a putea efectua măsurări exacte ți reproductibile. Pentru aceasta, putem porni de la faptul că în funcție de gradul de amestec al modurilor se atinge un echilibru de distribuție a acestora dincolo de care repartizarea energiei optice rămâne constantă pe moduri.
1.2.1.2. Fibrele optice monomod
În timpul unei excitări totale a unei fibre monomod, modurile de fugă și modurile de înveliș sunt generate, dar dispar între timp după câțiva centimetri, dacă o manta (coating) cu indice de refracție superior celui al sticlei este utilizată. Mantaua are efectul unui extractor de moduri.
1.2.2. Atenuarea
Lumina care se propagă prin fibra optică suferă o atenuare, adică are loc o pierdere de energie. Aceste pierderi trebuie să rămână mici pentru a putea parcurge mari distanțe fără regeneratori intermediari. Atenuarea fibrei optice este un parametru important pentru efectuarea proiectării instalării cablurilor optice. Ea se datorează, în principal, fenomenelor fizice: absorbție și difuziune.
Importanța acestor pierderi luminoase depinde, între altele, de lungimea de undă a luminii injectate. Din această cauză este în general util să se măsoare atenuarea fibrei optice în funcție de lungimea de undă (măsura spectrală). Putem astfel determina gamele de undă cu pierderi mici, deosebit de interesante în transmisia optică.
În timp ce fenomenul absorbției nu se produce decât la lungimile de undă precise, numite benzi de absorbție (de exemplu 1390 nm: absorbția OH), pierderile luminoase prin difuziune există pentru toate lungimile de undă. Pentru că difuzia rezultă din fluctuațiile densității (lipsa omogenității) în fibra optică și cum aceasta are adesea dimensiuni mai mici decât lungime de undă a luminii putem apela la „legea de difuziune a lui Rayleigh”. Acesta spune: dacă lungimea de undă λ crește, pierderile prin difuzie α scad cu puterea a patra a lui λ, deci (figura 7).
2,5
a
1,9
1,3
2 3
0,7 1
0,15
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
λ nm
Figura 7 – Curba de atenuare a lui Rayleigh
1 – atenuarea lui Rayleigh
2 – atenuarea tipică fibrei optice
3 – absorbția OH
Dacă se observă propagarea luminii într-o fibră optică în stare de echilibru, se poate constata că puterea luminii P descrește exponențial cu lungimea L a fibrei optice:
.
P(0) este egală cu puterea luminii injectate în fibra optică; P(L) este puterea luminii care se calculează la lungimea L și α este coeficientul de atenuare care este o măsură pentru atenuarea pe unitatea de lungime. Atenuarea unei fibre optice de lungime L și cu un coeficient de atenuare α este egală cu:
,
unde: α – coeficientul de atenuare în dB/km, L – lungimea fibrei optice în km.
1.2.3. Banda de trecere
Cei doi parametrii mai importanți pentru definirea proprietăților de transmisie ale unei fibre optice sunt atenuarea α și banda de trecere (bandwidth) B, de fapt, în practică produsul lărgimea de bandă × lungimea caracteristică = b1. În timp ce atenuarea descrie pierderile optice de linie ale fibrei optice, banda de trecere reprezintă o măsură a fenomenului de dispersie.
Un impuls care se propagă în lungul unei fibre optice se împrăștie în timp din cauza dispersiei. Din punct de vedere al frecvenței, acest efect implică faptul că fibra optică se comportă ca un filtru trece jos (low pass).
Acesta înseamnă că odată cu creșterea frecvenței de modulație fm se diminuează amplitudinea undei luminoase în fibră până la dispariția totală. Fibra optică lasă deci să treacă semnale de frecvențe joase și le atenuează pe cele de frecvențe înalte. Dacă se măsoară pentru fiecare frecvență de modulație fm, amplitudinile puterii optice la intrarea P1(fm) și la ieșirea P2(fm) fibrei optice și dacă facem raportul lor, obținem modul funcției de transfer H(fm) (transfer function):
.
H(fm) este o funcție de frecvență de modulație fm. Obișnuit se normează modulul funcției de transfer împărțindu-l cu H(0); H(0) fiind funcția de transfer pentru o frecvență de modulație fm=0, adică fără modulație.
1,0
0,5
0
B
Figura 8 – Funcția de transfer a unei fibre optice
Alura acestei curbe corespunde aproape cu cea a unui filtru trece jos gaussian (Gaussian low pass). Frecvența de modulație pentru care valoarea normată a modulului funcției de transfer este egală cu 0,5 este numită banda de trecere B a fibrei optice. Ea corespunde la:
.
Banda de trecere este deci egală cu intervalul de frecvență în care amplitudinea (puterii optice) comparată cu valoarea sa la frecvența zero a scăzut cu 50%, adică 3 dB.
1.2.4. Dispersia cromatică
Impulsurile luminoase se propagă în fibra optică cu o viteză de grup de:
,
unde ng este indicele de refracție de grup al sticlei miezului, care depinde de lungimea de undă λ. Impulsul luminos traversează fibra optică de lungime L într-un timp de grup:
.
Deci, timpul de grup, care este o funcție de indice de grup, depinde și de lungimea de undă λ.
Fiecare sursă luminoasă pentru fibra optică emite lumina sa nu numai pe o lungime de undă λ unică, ci și într-un spectru (lărgimea spectrală Δλ) distribuit în jurul acestei lungimi de undă. Datorită acestui lucru cantitățile luminoase în Δλ se propagă cu viteze diferite și aceasta implică diferiți timpi de întârziere.
Dispersia materialului M0 este o măsură a variației indicelui de grup ng pe diferite lungimi de undă. Ea este egală cu derivata indicelui de grup în raport cu lungimea de undă:
.
În ceea ce privește unitățile de măsură ale dispersiei se ia de obicei ps/nm×km.
Deoarece indicele de refracție de grup ng al sticlei de cuarț atinge un minimum la o lungime de undă de aproximativ 1300 nm, derivata se anulează în acest punct și dispersia materialului M0(λ) este infinit de mică la această lungime de undă.
Valoarea dispersiei materialului depinde de materialul utilizat. Se poate, dopând sticla de miez, să se influențeze, în anumite limite, dispersia și astfel punctul de zero. Această dispersie se produce în toate fibrele optice fie că sunt monomod fie că sunt multimod. În acestea din urmă, în apropierea punctului de zero, dispersia modală întrece cu mult dispersia materialului.
Există și un alt efect al dispersiei: dispersia ghidului de undă cu o importanță deosebită pentru fibrele optice monomod. Ea se datorează faptului ca distribuția luminii modului fundamental pe sticla miezului și a învelișului este o funcție de lungimea de undă. În consecință această dispersie este datorată diferenței relative de indice care depinde de asemenea de lungimea de undă Δ=Δ(λ).
Cu lungimi de undă λ crescătoare modul fundamental LP01 se întinde din sticla miezului la sticla învelișului (figura 9).
ri r
Figura 9 – Distribuția energiei modului fundamental în funcție de două lungimi de undă diferite
Aceasta implică faptul că o cantitate crescătoare de lumină a modului fundamental este ghidată în înveliș care are un indice de refracție mai scăzut decât cel al miezului și astfel, în plaja lărgimii spectrale Δλ, există diferențe în timpii de întârziere. Viteza de propagare a undei luminoase este uniformă în sticla miezului și a învelișului, adică se forează o medie ponderată a vitezelor de propagare în cele două medii.
Suma celor două tipuri de dispersie (dispersia materialului și dispersia ghidului de undă) este numită dispersie cromatică M(λ):
M(λ) = M0(λ) + M1(λ).
Lungimea de undă λ0, la dispersia cromatică dispare și este numită lungime de undă la dispersie nulă.
Un impuls luminos injectat într-o fibră optică monomod, de o lărgime spectrală Δλ (lărgimea la jumătatea înălțimii maximului) care corespunde unei lărgimi spectrale efective Δλef ( pentru un spectru de emisie gaussian), într-o fibră optică monomod variază în timp datorită dispersiei cromatice M(λ).
Banda de trecere B a unei fibre optice monomod se poate calcula în funcție de lungime de undă λ pentru un spectru de emisie gaussian și o lungire efectivă a impulsurilor Tef:
,
unde Tef – lungirea efectivă a impulsurilor se calculează utilizând formula generalizată a lungirii efective:
,
unde M(λm) – dispersia la lungimea de undă medie λm a sursei, în ps/nm×km; Δλef – lărgimea spectrală efectivă a sursei, în nm; M(λ0) – panta dispersiei la punctul de dispersie nulă λ0, în ps/nm×km. Lungimea impulsului estse proporțională cu lungimea L a fibrei optice și cu lărgimea spectrală Δλ a sursei. Această formulă este valabilă pentru impulsuri și spectre gaussiene, cu condiția ca lungimea de undă medie λm a sursei să nu fie în apropierea lungimii de undă λ0 unde dispersia cromatică M(λ) este nulă.
1.2.5. Lungimea de undă de tăiere
Într-o fibră optică se propagă unul sau mai multe moduri potrivit cu lungimea de undă. Este important pentru buna funcționare să se determine lungimea de undă deasupra căreia fibra optică respectivă ghidează doar modul fundamental LP01. Lungimea de undă de tăiere (cut-off-wavelength) a unei fibre desemnează deci cea mai joasă lungime de undă de funcționare de la care se propagă doar modul fundamental. Deasupra acestei lungimi de undă se tăiere λc modul următor de ordin mai ridicat LP11 dispare. Sub λc celelalte moduri se adaugă pentru lungimi de undă descrescătoare. Fibra optică este deci multimodală pentru lungimi de undă inferioare lui λc și monomodală pentru lungimi de undă superioare lui λc.
1.2.6. Diametrul câmpului de mod
Distribuția luminoasă a modului fundamental într-o fibră monomod joacă un rol important în evaluarea pierderilor de injecție de curbură sau datorate îmbinărilor. Raza câmpului de mod W0 sau diametrul câmpului de mod 2W0 au fost definite pentru a descrie această distribuție (figura 10).
1,00
0,75
V=1,5
0,50 V=2,0
1/e V=3,0
0,25
0 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00
Figura 10 – Dependența radială a amplitudinii câmpului de
mod fundamental
Raza câmpului de mod W0 este egala cu raza pentru care amplitudinea radială a câmpului s-a micșorat la 1/e (≈ 37%, unde e = 2,71828) din maxim lângă axa fibrei (r = 0).
Diametrul câmpului de mod 2W0 depinde de lungimea de undă, el se mărește la lungimi de undă crescătoare. Raza câmpului de mod W0 raportată la raza miezului (figura 10) nu este decât o funcție de frecvența normalizată, care depinde de lungimea de undă λ și de deschiderea numerică AN:
.
Pentru fibra monomod, având o frecvență normalizată, cuprinsă între 1,6<V<2,6 există o formulă care descrie, cu o destul de bună aproximație, relația între raza câmpului W0, raza miezului a și această frecvență normalizată:
.
Gama de frecvențe normalizate citate mai sus corespunde unei game de unde de la 1150 nm la 1875 nm și acoperă astfel lungimile de undă de funcționare de 1300 nm și 1550 nm.
1.2.7. Rezistența mecanică
Lipsa de omogenitate a sticlei sau perturbațiile la suprafață pot produce puncte mecanice slabe în lungul unei fibre. Cum aceste neregularități nu pot fi înregistrate decât statistic, informația despre rezistența mecanică nu este în consecință decât o informație de tip probabilistic.
În plus, fractura unei fibre într-unul din aceste puncte slabe din punct de vedere mecanic, este un proces depinzând de timp.
Pentru a descrie matematic probabilitatea de ruptură F a unei fibre optice în funcție de lungimea L, de rezistența mecanică la ruptură σ și de timp, se utilizează distribuția lui Weibull:
,
unde: F – probabilitatea de ruptură; L – lungimea fibrei, în m; σ – rezistența la rupere în N/mm2; t – timpul, în s; L0 – lungimea eșantionului, în m; σ0 – rezistența nominală, în N/mm2; a – constantă; t0 – timpul de încercare, în s; b – constantă.
Valorile L0, σ0, t0 și constantele a și b trebuie să fie determinate prin experiențe. Pentru L = L0, σ = σ0 și t = t0 se obține:
F(L0, σ0, t0) = (valoarea nominală a distribuției).
Valoarea σ0 este numită rezistență nominală, t0 durată nominală de încercare și L0 lungimea nominală de eșantionare.
Valorile tipice ale elementelor a și b sunt: a = 3±1, b = 0,2±0,05.
Trebuie specificat că rezistența mecanică a fibrei este verificată în timpul fabricației supunând-o la o încercare selecție (prooftest sau screen-test): în mod obișnuit un sistem de scripeți exercită o sarcină de 345 N/mm2 pe fibra optică în timp ce este trasă.
Capitolul 2
Profilele fibrelor optice
Dacă indicele de refracție n al unei fibre optice este considerat în funcție de raza r, atunci vom vorbi despre profilul indicelui de refracție al fibrei. Astfel, descriem variația radială a indicelui de refracție începând pe axa fibrei și mergând spre exteriorul învelișului: n = n(r).
Propagarea modurilor în fibra optică depinde de forma profilului indicelui de refracție (figura 11).
În practică suntem interesați să considerăm profilele de indice definite prin legi (expresii) exponențiale. Se înțelege prin aceasta profile de indice de refracție pentru care variația radială a indicelui urmează o lege (expresie) de forma:
,
pentru r<a în miez și constant pentru r ≥ a în înveliș, unde: n1 – indice de refracție pe axa fibrei (r = 0); Δ – diferența relativă de indice; r – distanța radială de la axa fibrei, în μm; g – puterea, numită și exponentul profilului; n2 – indice de refracție al învelișului.
Diferența relativă de indice depinde de apertura numerică si de indicii de refracție n1 și n2:
.
Merită să fie menționate următoarele cazuri excepționale (figura 11):
g = 1 – profil triunghiular
g = 2 – profil parabolic
g – profil cu indice în treaptă (caz limită).
Doar pentru ultimul caz – pentru profilul cu indice în treaptă – indicele de refracție n(r)=n1 este constant în miez. Pentru toate celelalte profile cu indice de refracție în miez n(r), crește proporțional de la valoarea n2 în înveliș la valoarea n1 pe axa fibrei.
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.
O altă valoare importantă, care descrie fibra optică, este parametrul V ca se numește frecvența normată de tăiere. Ea depinde de raza a, de apertura numerică AN a sticlei miezului și de lungimea de undă λ sau chiar de numărul de undă K. Parametrul V este adimensional:
,
unde a – raza miezului, λ – lungimea de undă, AN – apertura numerică, k – numărul de undă.
n(r)
Indice de refracție al miezului
n1
g=1
g=2
g=∞
n2
Indice de refracție al învelișului
– a 0 + a r
Figura 11 – Profilul indicelui de refracție al unei
fibre optice
Numărul N de moduri ghidate prin sticla miezului depinde de acest parametru; pentru un profil de indice la o putere oarecare cu un exponent de profil – g, avem aproximativ următoarea relație:
.
Pentru profilul cu indice treaptă () numărul de moduri ghidate este
aproximativ:
.
Pentru profilul cu indice gradat numărul de moduri este aproximativ:
.
Exemplu:
O fibră optică cu indice gradat (g=2), având un diametru al miezului 2a=50 μm și o apertură numerică AN = 0,2 are ca frecvență normată V, pentru o lungime de undă λ = 1 μm.
.
Numărul N de moduri ghidate în miezul fibrei este atunci :
.
O astfel de fibră optică ce ghidează mai multe moduri este numită fibră optică multimod.
Dacă vrem să reducem numărul de moduri, adică să reducem parametrul V, trebuie, fie să diminuăm diametrul miezului 2a, fie să micșorăm apertura numerică sau să mărim lungimea de undă λ.
Întrucât cantitatea de lumină care poate fi injectată în fibră depinde în mod substanțial de apertura numerică, acesta trebuie să rămână atât de mare cât este posibil. Reducerea razei miezului a este limitată, deoarece manipularea și tehnica conexiunilor devin din ce în ce mai dificile. Pe de altă parte, devine dificilă construcția surselor și detectoarelor pentru lungimi de undă mai mari și prin urmare o creștere substanțială a lui λ nu este posibilă.
Dacă pentru o fibră optică cu indice în treaptă (), parametrul V devine mai mic decât constanta Vc∞ = 2,405, atunci un singur mod, modul fundamental LP01, se propagă. Numim o astfel de fibră optică, fibră optică monomod.
Valoarea 2,405 este egală cu valoarea x a funcției Bessel J0(x) pentru prima intersecție a acestei funcții cu abscisa (figura 12).
Aceste funcții Bessel Jn(x) seamănă cu oscilații sinusoidale atenuate. Sunt funcții tipice, descriind ghiduri de undă cilindro-simetrice, ca de exemplu cabluri coaxiale, ghiduri dielectrice sau fibre optice.
1,0
Jn (x) J0
J1
0,5 J2
0 J3
-0,5
-1,0
0 2 2,405 4 6 8 10 X
Figura 12 – Funcțiile lui Bessel
Constanta Vc∞ reprezintă o valoare limită pentru fibra optică ce are indice de treaptă (). Indicele „c” provine din cuvântul englez „cut-off value”. Pentru un profil de indice, la legea exponențială de putere cu un exponent g oarecare, valoarea limită Vc este aproximativ reprezentată de relația următoare:
.
Pentru o fibră optică cu indice gradat (g = 2), valoarea limită Vc este aproximativ:
.
Exemplu:
O fibră optică ce are indice în treaptă, cu un dimetru al miezului 2a = 9 μm și o apertură numerică AN = 0,11 atinge frecvența normată V = Vc∞ pentru o lungime de undă de:
.
Lungimea de undă λ calculată, căreia îi aparține valoarea limită Vc, este numită lungime de undă de tăiere.
.
Pentru toate lungimile de undă ≥ λc, doar un singur mod este în stare să se propage în miezul unei fibre considerată deci o fibră monomod pentru toate lungimile de undă superioară lui λc.
Aici trebuie notat că urmare a polarizării luminii, modul fundamental șu toate modurile de ordin ridicat sunt constituite din două moduri care oscilează perpendicular unul în raport cu celălalt. Urmările acestor moduri polarizate nu sunt importante decât pentru aplicațiile speciale ale fibrelor optice: acelea, în special, care fac apel la fibrele optice care mențin polarizarea (tehnici de detectare optică, busole cu fibră optică). Efectele cauzate separării în două moduri sunt în prezent nesemnificative pentru tehnologia cablurilor optice și cea a transmisiunilor. Acesta este ilustrată de faptul că se vorbește despre fibre optice monomod, în ciuda prezenței celor două moduri polarizate.
2.1. Profil cu indice de treaptă
Pentru ca lumina să fie ghidată în sticla miezului unei fibre optice cu indice în treaptă, trebuie ca la interfața miez – înveliș, indicele de refracție n1 al sticlei miezului să fie puțin mai mare decât indicele de refracție al sticlei învelișului n2. Dacă indicele de refracție al sticlei miezului este constant pe toată secțiunea transversală a miezului, vorbim de profil cu indice în treaptă, căci indicele de refracție crește la interfața înveliș – miez în formă de treaptă și rămâne apoi constant. Figura arată profilul de refracție al unei raze luminoase cu unghiurile corespunzătore.
Sticla învelișului n2
Aer n0=1 n2
D = 140 μm
n1
n2
2a=100μm θ 90°-α0 α0 Sticla miezului n1>n2
Figura 13 – Fibră optică cu indice în treaptă
O astfel de fibră optică este numită fibră optică cu indice în treaptă. Această fibră optică poate fi fabricată simplu, dar este utilizată mai rar în prezent. Pentru a descrie mai bine propagarea luminii în fibra optică, s-a ales exemplul următor: (figura 13).
Dimensiunile tipice ale unei fibre multimod cu indice în treaptă
– diametrul miezului (2a) 100 μm
– diametrul învelișului (D) 140 μm
– indicele de refracție al miezului (n1) 1,48
– indicele de refracție al învelișului (n2) 1,46
În exemplul nostru, unghiul limită α0 al reflexiei totale, adică unghiul cel mai mic dintre o rază luminoasă și axa de incidență la care raza este ghidată de sticla miezului fără a fi răsfrântă în înveliș, este de:
.
Toate razele luminoase care formează un unghi mai mic sau egal cu (90○-α0) = 9,4○ cu axa fibrei optice sunt ghidate prin sticla miezului.
Daca se injectează în sticla miezului o rază luminoasă din exterior (aer = 1), trebuie să se țină seama de legea refracției conform căreia nu pot pătrunde decât razele cuprinse într-un con de acceptanță pentru unghiul θ determinat. Pentru exemplul nostru, acest unghi se calculează astfel:
Cum sinusul unghiului de acceptanță este prin definiție egal cu apertura numerică, rezultă pentru AN:
AN = sin θ ≈ 0,242.
Diferența relativă de indice Δ este pentru această fibră optică:
%.
La o lungime de undă λ = 850 nm, frecvența normată se calculează pentru o fibră optică cu indice în treaptă cu un diametru al miezului 2a = 100 μm, după cum urmează:
Numărul de moduri este atunci aproximativ:
.
O astfel de fibră optică este numită fibră optică multimod. Un „flash” de lumină propagându-se într-o astfel de fibră este format din numeroase alte „flash-uri” parțiale transportate în fiecare din modurile conductorului. La începutul fibrei optice, fiecare din aceste moduri este excitat sub un unghi de injecție diferit și ghidat în sticla miezului după traiectoriile respective. Fiecare mod parcurge fibra pe o traiectorie diferită și ajunge astfel la extremitatea conductorului în timpi diferiți. Raportul între timpul de propagare cel mai lung și timpul de propagare cel mai scurt este direct proporțional cu raportul indicilor de refracție între înveliș și miez, adică este de ordinul diferenței relative de indice Δ (mai mult de 1%).
Exemplu:
Lumina parcurge aproximativ în 5 μs o fibră cu indice în treaptă cu lungimea de 1 km. Timpul de întârziere Δt este atunci în jur de:
Δt ≈ 5 μs × 0,01 = 50 ns.
Distorsiunea care produce diferențele de timp în modurile individuale este numită dispersie modală. Ea este cauza apariției unui impuls luminos de scurtă durată pe timpul trecerii printr-o fibră cu indice în treaptă. Dispersia modală dăunează comunicațiilor optice căci ea reduce viteza de transmisie (debitul binar) sau lărgimea benzii de transmisiune. Acest efect este moderat pentru că modurile individuale se influențează unul pe altul și schimbă energia în lungul traiectoriilor lor. Acest amestec de moduri sau cuplaj de moduri se produce cu o intensitate particulară în locuri cu neregularități ale sticlei miezului, la îmbinări și la curburi ale fibrei.
Dacă se observă traiectoria modurilor în lungul axei fibrei optice, se constată că, prin schimb de energie, are loc o transformare a modurilor de ordin inferior (cu un unghi obtuz între mod și axa fibrei) în moduri de ordin superior (cu un unghi ascuțit între mod și axă) și vice-versa. Rezultă, prin urmare, o compensare a vitezelor de propagare a modurilor.
Prelungirea în timp Δt a impulsului injectat nu este deci o funcție linară depinzând de lungimea fibrei (Δt proporțional cu L), ci în cazul ideal, este o funcție de radicalul lungimii (Δt proporțional cu ): Δt ~.
Dispersia modală poate fi eliminată complet dacă fibra cu indice in treaptă este dimensionată în așa fel încât un singur mod să se poată propaga, în principiu modul fundamental LP01.
Dar modul fundamental suferă de asemenea o împrăștiere în timp ce este parcursă fibra. Acest fenomen este numit dispersie cromatică. Fiind o proprietate a materialului, ea se manifestă în general pentru toate fibrele optice. Totuși, comparată cu dispersia modală, dispersia cromatică este relativ mică sau chiar nulă, pentru o gamă de unde cuprinsă între 1200 nm și 1600 nm.
Termenul „diametrul câmpului de mod 2W0” a fost introdus pentru cuantificarea valorii (amplitudinea radială a câmpului) modului fundamental.
Pentru obținerea unei fibre optice cu indice în treaptă și cu pierderi mici, care ghidează doar modul fundamental în zona superioară lui 1200 nm, trebuie să se reducă diametrul câmpului de mod 2W0 până la aproximativ 10 μm. O astfel de fibră optică cu indice în treaptă este numită fibră optică monomod.
Dimensiuni tipice pentru fibre optice monomod
– diametrul câmpului de mod (2W0) 10 μm
– diametrul învelișului (D) 125 μm
– indicele de refracție al miezului (n1) 1,46
– diferența relativă de indice (Δ) 0,003 = 3%
Profilul indicelui de refracție și traiectoria unei raze luminoase pentru o fibră monomod sunt prezentate în figura 14.
D = 125 μm Sticla învelișului n2
n2
n1
n2
2W0=10 μm Sticla miezului n1>n2
Figura 14 – Fibra optică monomod
Apertura numerică AN a unei fibre optice monomod este dată de:
cu un unghi de acceptanță θ de
.
Trebuie notat că într-o fibră optică monomod, nu numai diametrul miezului, dar și apertura numerică și deci unghiul de acceptanță sunt substanțial mai mici comparate cu o fibră optică multimod. Din acest motiv injecția de lumină devine relativ dificilă.
Pentru o fibră optică monomod tipică (având o frecvență normată V = Vc = 2,405), lungimea de undă de tăiere λc, în care se propagă numai modul fundamental,
este definită de:
Pentru această lungime de undă λc, modul următor LP11 nu se mai propagă în fibră. Doar modul fundamental LP01 se mai propagă la lungimi de undă mai mari și câmpul său de mod se extinde în sticla învelișului.
Exemplu:
O fibră monomod cu indice în treaptă, cu un diametru al câmpului de mod 2W0=10 μm și o lungime de undă de tăiere λc = 1255 nm (Vc = 2,405) are pentru diametrul miezului 2a la lungimi de undă de 1300 și 1550 nm, următoarele valori:
pentru λ = 1330 nm:
pentru λ = 1550 nm:
Dimensiunea câmpului de mod reprezintă un factor important în ceea ce privește atenuarea fibrelor monomod curbate sau sudate. Astfel, un câmp de mod mai puternic provoacă un ghidaj mai slab al undelor luminoase la curburi, dar pierderi mai mici la suduri și la conexiuni.
2.2. Profil cu indice gradat
Într-o fibră optică cu indice în treaptă multimod, modurile se propagă pe traiectorii mai mult sau mai puțin lungi și ajung la capătul fibrei în timpi diferiți. Această dispersie modală nedorită poate fi serios redusă, variind indicele de refracție în lungul razei miezului fibrei conform unei legi parabolice. Valoarea maximă n1 a indicelui de refracție se găsește pe axa fibrei și este redusă gradat pentru a atinge valoarea n2 în sticla învelișului.
Un astfel de profil cu indice gradat sau profil cu indice variind după o lege exponențială cu un exponent de profil g = 2 este definit de:
, pentru r < a la miez;
și pentru r ≥ a în înveliș.
Un ghid de undă cu acest profil cu indice gradat este de asemenea numit fibră optică cu indice gradat.
Dimensiuni tipice pentru o fibră optică cu indice gradat
– diametrul miezului (2a) 50 μm
– diametrul învelișului (D) 125 μm
– indice de refracție maxim (n1) 1,46
– diferența relativă de indice (Δ) 0,010
Figura 15 arată traiectoriile undelor luminoase de ordin diferit și profilul de refracție al unei fibre cu indice gradat.
D=125μm Moduri de ordin inferior
2a=50μm Moduri de ordin superior
n2
ρl
n1
ρ n2
Sticla învelișului, n2
Sticla miezului n1>n2
Figura 15 – Fibra optică cu indice gradat
Razele luminoase urmăresc traiectorii curbilinii de formă ondulată sau elicoidală invers de ceea ce se întâmplă în profile cu indice în treaptă unde ele se propagă în zigzag. Ca urmare a schimbării continue a indicelui de refracție n(r) în sticla miezului razele sunt fără încetare refractate și direcția lor de propagare se schimbă; ele se propagă pe traiectorii ondulatorii. Razele oscilând în jurul axei fibrei optice au totdeauna de parcurs traiectorii mai lungi decât raza care se propagă în lungul axei, dar, ca urmare a diminuării indicelui de refracție dincolo de axă, ele se propagă cu viteze mai ridicate și există, în acest fel, compensare. De fapt timpii de întârziere dispar aproape complet. Dacă forma parabolică a profilului este fabricată cu suficientă precizie, nu se mai observă, pe o distanță de 1 km și deci pentru un timp de propagare al luminii de 5 μs; se vor observa timpii de întârziere în jur de 0,1 ns.
Acest timp de întârziere, minim pentru fibrele cu indice gradat, este datorat nu numai dispersiei materialului, dar și dispersiei profilului. Aceasta își găsește explicația în faptul că indicii de refracție între miez și înveliș variază în diferite feluri în funcție de lungimea de undă λ și, prin urmare, atât diferența relativă de indice Δ cât și exponentul de profil g sunt funcții de lungimea de undă.
Exponentul de profil optim g pentru un profil cu indice gradat parabolic, poate fi calculat în mod teoretic cu expresia :
g = 2 – 2P – Δ×(2-P).
Parametrul P << 1 și diferența relativă de indice Δ depinde de lungime de undă λ, deci exponentul de profil g depinde și el de lungimea de undă.
Trebuie notat că pentru un profil cu indice gradat g ≈ 2, timpii de propagare ai modurilor nu pot fi aproape identici decât într-o plajă de lungimi de undă redusă.
Pentru că indicele de refracție n(r) al unei fibre optice cu indice gradat depinde de distanța radială r de la axa fibrei, unghiul de acceptanță θ, care este important pentru injectarea luminii, este de asemenea o funcție de r:
Unghiul de acceptanță își atinge maximul pe axa fibrei (r = 0) și este egal cu apertura numerică AN. La suprafața de separație miez – înveliș (r = a) acest unghi este egal cu zero.
Apertura numerică a unei fibre optice cu indice gradat este:
și unghiul de acceptanță maxim θmax pe axa fibrei este egal cu:
.
Așa cum s-a dovedit, coordonatele sin2θ și r2 sunt cele mai favorabile pentru reprezentarea unghiului de acceptanță θ în funcție de distanța r de la axa fibrei. Un astfel de sistem de coordonate este numit diagrama fază – spațiu. Figurile 16 și 17 compară diagramele unei fibre optice cu indice gradat și cea a unei fibre cu indice în treaptă. sin2θ sin2θ θ = θmax
ON2 ON2
θ = θ(R)
0 a2 0 a2
r2 r2
Figura 16 – Diagrama de fază-spațiu a Figura 17 – Diagrama faza spațiu a unei fibre optice cu indice gradat unei fibre optice cu indice în treaptă
Suprafața, limitată de curba unghiului de acceptanță maxim θmax, este proporțională cu puterea optică pe care o putem injecta în miezul fibrei. Puterea optică injectabilă într-o fibră cu indice în treaptă face cât dublul puterii injectabile într-o fibră cu indice gradat cu condiția ca apertura numerică AN și raza miezului a să fie identice pentru ambele fibre. Numărul N de moduri ghidate de miez este, astfel, proporțional cu această suprafață. Modurile individuale pot fi localizate în interiorul acestei arii.
Astfel modurile LPνμ de ordin inferior, cu indicii modali ν = 0, 1, 2 și μ = 1, 2 și care se propagă aproape paralel în raport cu axa fibrei, se găsesc în apropierea originii. În schimb modurile LPνμ ordin superior ( cu ν, μ >> 1) sunt foarte îndepărtate de origine. Modurile care se găsesc în afara acestei suprafețe nu sunt ghidate, adică sunt foarte slabe. Modurile situate cu foarte puțin în afara curbei limită sunt încă apte să se propage restrictiv; ele prezintă totuși o atenuare ridicată. Astfel de moduri sunt numite moduri de fugă; ele sunt parțial ghidate și parțial degajate.
Cu ajutorul diagramei fază – spațiu putem descrie și alte proprietăți ale fibrelor optice, de exemplu condițiile de injectare ce servesc de asemenea la calculul puterii optice (a unei surse) injectabilă într-o fibră.
2.3. Profilul segmentat (multitreaptă)
Dispersia într-o fibră optică monomod este o combinație a două tipuri de dispersie. Este vorba pe de o parte de dispersia materialului care rezultă dintr-o dependență a indicelui de refracție de lungimea de undă n = n(λ) și astfel de viteza luminii c = c(λ) și pe de altă parte, de dispersia ghidului de undă, care rezultă din dependența repartiției luminii modului fundamental LP01 pe sticla miezului și învelișului și astfel de diferența relativă de indice Δ = Δ(λ). Suma acestor două dispersii se numește dispersie cromatică.
În plaja lungimilor de undă superioare lui 1300 nm, cele două tipuri de dispersie în sticla de cuarț au semne opuse. Dispersia materialului nu poate fi modificată decât în limite restrânse variindu-se dopajul sticlei de cuarț. Din contră, dispersia ghidului de undă poate fi considerabil influențată variind structura profilului indicelui de refracție.
Profilul indicelui de refracție al unei fibre monomod obișnuită, este un profil cu indice în treaptă cu o diferență relativă de indice Δ. Pentru un profil simplu, suma dintre dispersia materialului și dispersia ghidului de undă este egală cu zero pentru o lungime de undă în jur de 1300 nm.
Dacă vrem să deplasăm acest punct de zero al dispersiei către alte lungimi de undă, trebuie schimbată dispersia ghidului de undă și în consecință schimbată structura profilului. Aceasta ne conduce la profile segmentate sau cu multiple trepte de indice. Cu ajutorul acestor profiluri este posibil să se fabrice fibre optice în care dispersia nulă să fie decalată spre 1550 nm (fibre optice cu dispersia decalată) sau care au valori de dispersie foarte slabe în gama de unde de 1300 și 1550 nm (numite fibre optice cu dispersia compensată sau aplatizată).
În figura 18, dispersia cromatică M(λ) este reprezentată în funcție de lungimea de undă λ pentru o fibră monomod fără decalaj al dispersiei (1), cu decalaj al dispersiei (2) și cu dispersie compensată (3).
M(λ) 8
4 1 2
0 1200 1400 1500 1600 1700 1800 λ nm
-4
-8
Figura 18 – Dispersia cromatică în funcție de lungimea de undă
1 – fără decalaj al dispersiei
2 – cu de calaj al dispersiei
3 – cu aplatizare a dispersiei
Capitolul 3
Elemente de construcție și tehnologie a fibrei optice
3.1. Construcția fibrei optice
Fibra optică este compusă din următoarele elemente de bază:
Miezul (core) și învelișul (claading), fiecare dintre aceste două elemente fiind format dintr-un material optic transparent (de exemplu din sticlă de cuarț) și mantaua (coating).
Miezul este regiunea centrală a fibrei și servește la ghidarea (direcționarea) undelor luminoase. Acest ghidaj în miez nu este posibil decât în măsura în care indicele de refracție al miezului n1 este superior indicelui de refracție al învelișului n2. În consecință există o reflexie totală și permanentă a modurilor în interfața miez – înveliș și astfel modurile rămân închise în interiorul miezului.
Prin manta se înțelege stratul direct aplicat pe sticla învelișului încă din fabricație. Mantaua trebuie să fie detașabilă pentru a permite să se efectueze injecții sau decupări de lumină sau pentru a îmbina fibra. Acesta poate fi compusă dintr-unul sau mai multe straturi de plastic ce trebuie să fie aplicate uniform de-a lungul fibrei fără întrerupere și fără variații importante de grosime. Ea poate fi colorată și dacă este necesar marcată prin benzi inelare servind la reperare.
Indicele său de refracție este superior celui al stratului învelișului, astfel că lumina ghidată nedorit este absorbită de plastic după o lungime de numai câțiva metri.
Exemplu de indici de refracție ai unei fibre optice:
– miez: 1,48
– înveliș: 1,46
– manta: 1,52
Din punct de vedere mecanic mantaua trebuie să protejeze fibra optică de influențele exterioare și să absoarbă forțele transversale care ar putea provoca microcurburi și ar produce astfel atenuări în plus.
3.1.1. Fibra optică multimod din sticlă de cuarț
Tabelul 2 prezintă valorile geometrice nominalizate ale fibrelor optice multimod (norme pentru RFA și norme internaționale).
Figura 19 ilustrează construcția fibrei optice cu un diametru de numai 50 μm; miezul unei fibre multimod are dimensiunea firului de păr uman.
Tabelul 2 – Fibra optică multimod
1
2
3
Figura 19 – Fibra optică multimod
1 – miez
2 – înveliș
3 – manta
Simboluri:
Norma DIN VDE 0888 secțiunea 2, conține simbolurile și denumirea lor.
Exemple:
F – G 50/125 ………
unde: F – fibra, G – fibră cu indice gradat, 50/125 – valori nominale: diametrul miezului/diametrul învelișului, în μm.
3.1.2. Fibra optică monomod din sticlă de cuarț
Contrar fibrei multimod, se indică pentru fibra monomod (figura 20) diametrul câmp de mod 2W0 depinzând de lungimea de undă λ în loc de diametrul miezului. Pentru o lungime de undă de 1300 nm, diametrul câmpului este superior diametrului miezului cu circa 10% până la 12%.
1
2
3
Figura 20 – Fibra optică monomod
1 – miez
2 – înveliș
3 – manta
Această dependență de lungimea de undă este de mare importanță la nivelul tehnicii conexiunilor . În prezența unui singur mod, calitatea îmbinării este influențată mai mult de adaptarea luminoasă decât de adaptarea dimensiunilor celor două fibre.
Ca și pentru fibra multimod, valorile au fost fixate pentru erorile de circularitate și concentricitate.
Necircularitatea învelișului ≤ 2,5 µm.
Eroare de concentricitate tolerată între câmpul de mod și înveliș 1,0 µm.
Tabelul 3 conține dimensiunile geometrice normalizate ale fibrei monomod.
Simboluri:
Exemplu:
F – E 10/125 ……….
unde: F – fibra, E – fibră optică monomod, 10/125 – valori nominale: diametrul miezului/diametrul învelișului, în µm.
Tabelul 3 – Fibra optică monomod
În afară de conformațiile deja menționate ale fibrelor mono și multimod standardizate atât în Germania cât și la nivel internațional, există numeroase dimensiuni specifice pentru utilizări particulare.
Exemple: G – 62,5/125; G – 85/125; G – 100/140; etc.
3.1.3. Caracteristicile tehnice ale fibrelor optice mono și multimod
3.1.3.1. Efort de tracțiune
Rezistența la tracțiune a întregii lungimi a fibrei este cel puțin 5 N timp de 1 secundă. Ea este controlată în timpul fabricației sau într-un proces ulterior.
3.1.3.2. Codul culorilor (culori după DIN 47002)
Pentru a putea distinge fibrele ele se colorează și dacă este cazul se adaugă inele de reperare. Culorile sunt aplicate de așa manieră încât ele să nu aibă influență asupra caracteristicilor optice ale fibrelor. (Tabelul 4)
Tabelul 4 – Exemple de culori pentru mantaua primară
3.1.3.3. Game de temperatură
Temperatura de transport și de stocare – 20° până la 50° C
Temperatura de pozare 5° până la 40° C
Temperatura de funcționare 0° până la 55° C
În cazuri excepționale, unde se pot prevedea depășiri ale temperaturilor tolerate, este bine să ne adresăm fabricantului.
În afară de aceste valori, norma DIN VDE 0888 stabilește numeroase teste mecanice, optice, de transmisie, etc.
3.1.4. Fibre optice din plastic
Fibrele optice în plastic transparent sunt în mod deosebit adaptate la transmiterea informațiilor pe distanțe scurte sau medii.
În 1980 firma americană Du Pont a fabricat prima fibră în plastic având o atenuare de 1000 dB/km la o lungime de undă de 600 nm.
Cu valori de acest ordin nu se putea transmite decât pe distanțe de câțiva metri, în schimb era posibil să se injecteze acestor fibre în plastic de trei ori mai multă lumină decât fibrelor convenționale din sticlă de cuarț.
Între timp s-au putut reduce atenuările la 100 dB/km cu un produs de „lărgime de bandă” lungime caracteristică de 30 MHz×km. Pierderile datorate conductorilor sunt de circa 15 dB. Cu noi materiale de bază și atenuările de 20 până la 15 dB au fost atinse produse de lărgime de bandă × lungime caracteristică de 100 MHz×km.
Fibrele optice în plastic, cunoscute până în prezent, sunt fabricate din poliester sau din polimetacrilat de metil (PMMA). Un înveliș de plastic de mare transparență la lumină, anume cu un indice de refracție scăzut, permite reflexia totală a luminii ghidate în interfața miez – înveliș.
Grosimea învelișului nu reprezintă decât aproximativ 1% din diametrul miezului. Lungimile de undă utilizabile se găsesc cuprinse în gama de 600 nm, în alte regiuni atenuările fiind prea ridicate.
Fibrele optice în plastic utilizate în practică sunt la dimensiuni de 980/1000μm.
3.2. Învelișul protector al fibrei optice
Pentru majoritatea utilizatorilor fibrele optice atât cele multimod cât și cele monomod nu sunt utilizabile imediat așa cum sunt. În practică fibra nu este utilizabilă decât dacă este protejară de un înveliș suplimentar.
Tehnica de fabricare a cablurilor impune, la construcție, luarea unor măsuri speciale pentru protecția fibrei contra influențelor externe și menținerea fiabilității în limite mecanice admisibile.
Există pe de o parte construcții speciale ale învelișului exterior suplimentar, ca un tub protector și de dimensionare corectă a asamblării și pe de altă parte, așa cum este descris mai jos, posibilitatea de a încorpora în cablu elemente de tracțiune și de contracție. Toate acestea ajută la alegerea unei construcții adecvate utilizării.
3.2.1. Tub protector monofibră
Tubul protector este format dintr-o mică țeavă de plastic în scop de înveliș secundar, în interiorul căreia se așează suficient de bine protejată contra flăcărilor și deformării, fibra optică. Acest tub protector trebuie să fie nedeformabil, rezistent la îmbătrânire și foarte flexibil, în plus, el trebuie să poată fi manipulat ca o cuartă sau o pereche coaxială dintr-un cablu convențional de cupru, fără ca prin aceasta fibrele optice să fie supuse la eforturi mecanice însemnate.
În aceste condiții, tubul protector poate prezenta toate proprietățile unui element de bază universal utilizabil.
Învelișul este compus dintr-un strat interior de protecție având un coeficient de frecare foarte scăzut și un strat exterior care protejează fibra optică împotriva influențelor mecanice.
Diferite materiale sau combinații de materiale (de exemplu poliesterul și poliamidele) ușurează adaptarea la condițiile de mediu.
Fibra optică de lungime definită este plasată cu câteva zecimi de milimetru în stratul suplimentar protector, ceea ce permite de asemenea un joc radial al fibrei. Cum acest înveliș suplimentar este neted în exterior și în interior, el prezintă o rezistență minimă la mișcările fibrei în tubul protector.
Dacă se presupune că fibra și tubul au aceeași lungime, se poate considera că asamblând cablurile, tubul acționează ca un acumulator longitudinal care poate absorbi 0,4% din variația lungimii cablului (maximul fiind dublul acestei cifre) fără ca fibra să fie supusă la eforturi de tracțiune sau de contracție.
Tubul protector este ușor de denudat, ceea ce este foarte util în momentul conexiunilor sau în momentul injecției de lumină. Aceasta este foarte important de asemenea în timpul preparării unei îmbinări sau conexiuni.
În succesiunea de figuri 21 la 23 se ilustrează avantajele unui tub protector arătând poziția fibrei pentru diferite setări ale cablului.
Figura 21 arată poziția în interiorul cablului a unei fibre optice în repaus. Lungimile fibrei și tubului sunt egale.
Ca urmare a unei alungiri datorată, de exemplu, unei tracțiuni exercitate asupra cablului, fibra se deplasează spre peretele intern al tubului, fără să adere la el sau să se deformeze, ceea ce ar duce la o creștere a atenuării.
O alungire a cablului nu se transmite asupra fibrei decât începând cu valori între 0,5 și 1%, potrivit cu construcția tubului protector. Dincolo de aceste valori fibra reacționează printr-o creștere a atenuării.
1 1 2 2
3 3
Figura 21 – Poziția fibrei optice Figura 22 – Poziția fibrei optice
nesolicitate în tubul protector ca urmare a unei alungiri a
cablului
1
1 – element purtător central 2
2 – fibra optică 3
3 – înveliș protector
Figura 23 – Poziția fibrei optice ca urmare a unei contracții a cablului
Dacă un cablu este contractat, fibra se deplasează în direcția peretelui exterior al tubului protector. Deci în acest de asemenea alungirea împiedică o creștere a atenuării, adaptându-se condițiilor exterioare. O contracție a cablului are loc în caz de răcire.
Umplerea:
După condițiile de mediu înconjurător este posibil, în caz de deteriorare a unui cablu optic, ca apa să pătrundă în tubul protector și să se scurgă în interior.
Creșteri inadmisibile ale atenuării sunt posibile căci apa poate îngheța producând local creșteri neregulate de volum și astfel provocând microcurburi (microbending). Pentru a se evita aceasta se umple tubul cu o substanță adecvată (figura 24).
1
1,4 la 2,0 mm 2
3
Figura 24 – Umplerea tubului protector
1 – fibra optică
2 – înveliș protector
3 – material de umplere
Este vorba de un material thixotrop – neutru din punct de vedere chimic, care în gama temperaturilor cuprinse între -30° C și +70° C, nu îngheață și nu se scurge. El nu atacă învelișul primar al fibrei optice și nu îl umflă. Materialul de umplere este ușor de scos, nu lasă reziduuri care ar putea jena conexiunea fibrelor și nu conține componente inflamabile.
3.2.2. Tub protector multifibră
Așa cum am văzut în subcapitolul anterior, tuburile protectoare și-au dovedit eficacitatea când găzduiesc o singură fibră. Dar aceste tuburi, cu o grosime de 1,4 până la 2 mm, după domeniul de aplicare, sunt în plus utilizate pentru a construi cabluri conținând până la 14 fibre.
Utilizând tubul monofibră, se pot construi și realiza cabluri de mare capacitate. Totuși, crescând numărul de fibre, construcția devine din ce în ce mai scumpă și cablurile sfârșesc prin a avea diametre exterioare relativ mari, devin din ce în ce mai grele și sunt mai greu de manipulat.
Pentru a evita aceste inconveniente, în loc de a plasa o singură fibră, se introduc între două și douăsprezece fibre (mono sau multimod) într-un înveliș mai mare numit tub multifibră (cu diametrul exterior de la 2,4 la 3 mm).
Ca și pentru tubul monofibră, spațiile goale sunt umplute cu un material suplu și thixotrop, care nu se scurge și nu îngheață în gama de temperaturi cuprinse între -30° C și +70° C (figura 25).
1
2,4 la 3,0 mm 2
3
Figura 25 – Umplerea tubului protector
1 – fibra optică
2 – înveliș protector
3 – material de umplere
„Maxitubul” reprezintă o perfecționare ulterioară a tubului multifibră. Un asemenea înveliș (diametrul exterior de 6 mm) poate conține 12 fibre optice (toronate). Prin toronajul fibrelor în maxitub se creează un exces de lungime de circa 6 la 8‰ (figura 26). Acest ultim înveliș protector servește, de exemplu, ca element de bază pentru cablurile aeriene autopurtate.
6 mm
Alungirea fibrei datorate unei aranjări în elice în maxitub.
Joc radial al fibrei
Figura 26 – Exces de lungime de fibră în maxitub
3.2.2.1. Caracteristici tehnice ale tuburilor protectoare mono și multifibră
Proprietățile tehnice ale tuburilor protectoare mono și multifibră în ceea ce privește dimensiunile, culorile de reper, gama de temperaturi și simbolurile sunt prezentate în cele ce urmează.
Dimensiuni
Valorile indicatoare ale diametrului exterior al tubulurilor protectoare mono și multifibră sunt stabilite în norma DIN VDE – partea a 2-a (Tabelul 5).
Grosimea peretelui tubului mono/multifibră este în jur de 20% din diametrul exterior corespunzător.
În afară de aceste valori standardizate, există și alte valori care folosesc unor utilizări particulare, ca de exemplu cablurile de lungimi mari sau cablurile aeriene autopurtate asamblate în straturi.
Tabelul 5 – Valorile indicate pentru diametrul tuburilor protectoare mono și multifibră
Culori de reperaj
Tuburile protectoare mono și multifibră sunt colorate. Dacă se asamblează unul sau mai multe straturi de tuburi protectoare în jurul unui element protector central, un tub al fiecărui strat este colorat în roșu. Acesta este denumit tub pilot sau de referință, ceea ce ne dă posibilitatea de a repera toate tuburile dintr-un înveliș. Privind în direcția cablului, se numără în sensul acelor de ceasornic, plecând de la tubul roșu. Primul tub ce urmează după tubul roșu este denumit tubul numărul 1 și așa mai departe.
Game de temperatură
Temperatura de transport și de stocare – 20° până la 50°
Temperatura de pozare – 50° până la 40°
Temperatura de funcționare 0° până la 55°
Simboluri
Simbolurile și nomenclatura lor sunt stabilite în norma DIN VDE 0888 partea a 2-a. Mai multe criterii descriu un tub protector cu fibră.
Exemplu: W – G 50/125 1 F 800 rot
W – Tub protector monofibră umplut;
G – Fibră optică cu indice gradat;
50/125 – Diametrul miezului/diametrul învelișului, în μm;
1 – Coeficient de atenuare, în dB/km;
F – Lungimea de undă aproape de 1300 nm;
800 – Banda de trecere, în MHz pentru 1 km;
rot – Reper colorat (roșu).
3.2.2.2. Aplicații ale tuburilor protectoare mono și multifibră
Cablurile optice cu tuburi protectoare (mono și multifibră) sunt utilizate de preferință în instalațiile unde cerințele calității de transmisie sunt foarte ridicate și acestea în ciuda diverselor influențe ale mediului.
Instalațiile exterioare utilizează, în general, tuburi protectoare mono și multifibră. Cablurile standardizate răspund la exigențe variate: tracțiune, compresie, contracții, variații de temperatură (de la – 30° până la +70° C).
Un alt avantaj al acestui tip de construcție față de cerințele care depășesc valorile uzuale ale cablului (de exemplu cele extreme de mediu) este de a putea varia dimensiunile și/sau materialele și de a putea alege combinații de materiale diferite, pe scurt, de a adapta fabricația tuburilor la condiții speciale. Cablurile aeriene autopurtate, cablurile submarine sau cablurile pentru puțuri de mine sunt de exemplu cabluri speciale.
3.2.3. Fibra cu înveliș strâns
Un mijloc simplu de a proteja fibrele optice contra influențelor mediului constă în aplicarea unui înveliș solid în plastic potrivit direct pe învelișul primar, manta (coating) (figura 27). Acest tip de înveliș protector permite reducerea diametrului exterior. El este de asemenea, cu cel puțin 0,5 mm mai mic decât cel al unui tub protector monofibră.
1
0,9 mm 2
Figura 27 – Fibra cu înveliș strâns
1 – fibra optică
2 – înveliș protector
Cu toate acestea, dacă se produc tracțiuni mari, alungirile elastice ale cablului sunt transmise direct fibrelor: contrar tubului protector, în fibrele cu înveliș strâns nu mai există efect de supra-alungire. Acest dezavantaj poate fi parțial compensat prin un mai mare diametru al cablului, de exemplu printr-o plasare liberă a fibrelor în miez și printr-o alegere potrivită a cablului . Totuși astfel se pierde avantajul de dimensiune și de greutate în raport cu tubul protector.
3.2.3.1. Caracteristici tehnice
Proprietățile tehnice ale fibrelor cu înveliș strâns, dimensiuni, comportamentul mecanic și simbolurile sunt indicate în continuare.
Dimensiuni
Diametrul (valoarea nominală) fibrelor optice mono sau multimod este de 0,9 mm cu o deviație tolerată de ±0,1 mm.
Proprietățile mecanice
După norma DIN VDE 0888 partea 2, rezistența la tracțiune a unei fibre cu înveliș strâns trebuie să fie de cel puțin 5 N timp de 1 secundă pentru întreaga lungime a fibrei.
Simboluri
Exemplu: V – G 50/125 1 F 600 grun
V – Fibră cu înveliș strâns;
G – Fibră cu indice gradat;
50/125 – Diametrul miezului/Diametrul învelișului, în μm;
1 – Coeficientul de atenuare, în dB/km;
F – Lungimea de undă aproape de 1300 nm;
600 – Banda de trecere, în MHz pentru 1 km;
grun – Reper colorat (verde).
3.2.3.2. Aplicații
Fibra cu înveliș strâns poate fi utilizată pretutindeni unde este nevoie de scurte joncțiuni cu caracter de linie sau de conexiune, ca de exemplu fibrele utilizate la cablajele interne ale dulapurilor. Cablurile cu înveliș strâns, mono sau bifilare, sunt de asemenea utilizabile ca niște cabluri interioare, dacă e utilizat un înveliș potrivit și dacă lungimea este limitată.
Cablurile exterioare conținând până la 14 fibre sunt în general realizate cu ajutorul tuburilor monofibră, peste 14 fibre este utilizat tubul multifibră.
3.2.4. Înveliș hibrid
Fibra cu înveliș hibrid a fost dezvoltată combinând ideile de bază ale tubului protector umplut și cele ale fibrei cu înveliș strâns. În raport cu tubul plin, spațiul liber dintre învelișul primar și învelișul protector extrem de dur este redus astfel că fibra plutește într-un stat lunecos nemaiavând decât un joc radial de până la 100 μm. În raport cu un tub protector (mono sau multifibră) cu diametrul cuprins între 1,4 și 3 mm, fibra cu înveliș hibrid cu un diametru exterior de 0,9 mm ocupă considerabil mai puțin spațiu. Ea poate fi utilizată la fel ca și fibra cu înveliș strâns, dar fibra este mai bine decuplată de înveliș. Comportamentul la alungire al fibrelor cu înveliș strâns și cel al fibrelor cu înveliș hibrid este echivalent (figura 28).
1
2
3
Figura 28 – Fibra cu înveliș hibrid
1 – fibra optică
2 – strat lunecos
3 – înveliș protector
3.2.4.1. Caracteristicile tehnice
Proprietățile tehnice ale fibrelor cu înveliș hibrid (dimensiuni și simboluri) vor fi indicate mai jos.
Dimensiuni
Ca și pentru fibra cu înveliș strâns, diametrul exterior este de 0,9 mm cu o toleranță de ±0,1 mm.
Diametrul interior al învelișului este de 0,45 mm pentru o fibra cu diametrul de 0,25 mm și 0,65 mm pentru o fibră cu diametrul de 0,50 mm.
Simboluri
Fibra cu înveliș hibrid este tratată din punct de vedere al denumirii ca o fibră cu înveliș strâns.
Exemplu: V – G 50/125 1 F 600 blau
3.2.4.2. Aplicații
Fibra cu înveliș hibrid este utilizată ca fibră cu înveliș strâns pentru cablurile interioare și pretutindeni unde sunt joncțiuni scurte cu caracter de linie sau de conexiune. Pentru cablajul intern în instalări de cabluri sau dulapuri, fibra cu înveliș hibrid își dovedește manevrabilitatea pentru că se poate îndepărta ușor învelișul protector.
În multe domenii de aplicații, fibra cu înveliș strâns este înlocuită din ce în ce mai mult cu fibra cu înveliș hibrid, datorită gamei lărgite de temperaturi și unei mai bune comportări la tracțiune.
3.2.5. Benzi de fibre
Tuburile protectoare mono și multifibră ca și fibrele cu înveliș strâns și cu înveliș hibrid, au o caracteristică de construcție comună: toate aceste elemente sunt construite concentrat. Fibra optică găsindu-se în centrul elementului protector este înconjurată de învelișuri circulare.
Structura „benzilor din fibre” diferă de acest concept. Ea permite să se plaseze fibrele în cablu după metoda indicată în figura 29.
O „bandă de fibre optice” poate conține până la 12 fibre paralele echidistante și lipite între două lame de poliester. Se pot folosi până la 12 astfel de benzi pentru a forma o matrice rectangulară. Această matrice de benzi de fibre optice este torsadată peste ea însăși cu o lungime destul de mare a pasului și formează miezul cablului.
1
2
3
4
5
Figura 29 – Structura unui cablu cu benzi de fibre
1 – matrice de benzi cu fibre
2 – material de umplutură
3 – înveliș exterior din polietilenă de mare densitate
4 – bandă de poliester
5 – elemente de tracțiune integrate în înveliș
3.3. Construcția cablurilor cu fibre optice
Multiplele aplicații ale fibrelor optice în tehnica telecomunicațiilor prin cablu cer configurații de cabluri extrem de diverse. Dimensiunile și materialele adecvate costrucției acestor cabluri au fost stabilite. Bazându-se pe structura învelișului protector al fibrei optice, descrisă în subcapitolul anterior, se alege miezul cablului, mantaua și, dacă este necesar, o armătură și un înveliș protector pentru a asigura o funcționare fiabilă și o foarte mare longevitate. Trebuie să se acorde o importanță deosebită cerinței că fibrele optice să nu fie deteriorate de influențele mediului ca de exemplu variațiile de temperatură și solicitările mecanice.
3.3.1. Miezul cablului
Pentru a crește stabilitatea mecanică a unui cablu optic cu tuburi protectoare mono sau multifibră, acestea sunt asamblate în jurul unui element purtător central, care servește în același timp ca suport (protecție împotriva îndoirilor) și ca element de tracțiune. În principal, prin acest cablaj fibrele capătă un sector (culoar) definit în învelișul lor protector, unde eforturile de tracțiune, de împingere, de compresie și desigur de îndoire nu au influență asupra proprietăților de transmisie cu condiția ca specificațiile să fie respectate. În afara elementelor de protecție (tuburi protectoare mono și multifibră), fibrele cu înveliș strâns, fibrele cu înveliș hibrid sau cu structură de bandă, pot fi integrate elementele de umplere. Aceste elemente de umplere pot fi tuburi fără fibre sau elemente solide de polietilenă, ca și conductoare din cupru, cablate în perechi sau cuarte. Ansamblul acestor elemente, ca și elementele de suport și de tracțiune și eventual înfășurarea tuturor elementelor precedente de către benzi este numit miezul cablului.
3.3.1.1. Cablajul
În tehnica cablurilor optice se utilizează mai ales cablajul în straturi. Unul sau mai multe straturi, conținând elementele de cablaj, sunt dispuse concentric în jurul unui element purtător central. Dacă elementele de cablaj sunt elemente simple, ca de exemplu fibrele cu înveliș strâns, tuburi protectoare multifibră, conductoare de cupru sau elemente de umplere (dopare), atunci se vorbește de un cablu optic în straturi; din contră, dacă miezul este compus din fascicole de elemente cablate, se vorbește de cabluri optice în fascicole.
Cablurile cu straturi cu tuburi protectoare multifibră sunt în principal utilizate în rețeaua interurbană a administrațiilor de Poștă și Telecomunicații. În rețeaua urbană se folosesc nu numai cablurile în straturi (figurile 30 și 31), dar și cabluri în fascicole. Acestea din urmă permit creșterea considerabilă a densității de amplasare a fibrelor (figura 32).
Figura 30 – Cablu cu un strat Figura 31 – Cablu cu două straturi
Figura 32 – Cablu cu fascicole
Relațiile geometrice ale unui cablu optic cu un strat și n elemente de cablaj, având toate același diametru D (figura 33) pot fi descrise cu ajutorul parametrilor a, b, c și unghiul de cablaj α, după cum urmează:
, , , b = 0, dacă n = 2 α – unghiul de cablare Diametrul total al secțiunii transversale a cablului este :
D1 = D×(a+1)×c și diametrul miezului este: d = D×(a-1)×c.
D d
d2
d1
D1
Figura 33 – Schema miezului cablului
În completare trebuie arătat că diametrul interstițiilor exterioare este exprimat prin:
și
că diametrul interstițiilor interioare este egal cu:
.
Valorile acestor diametre sunt indicate în tabelul 6 pentru n = 2 și 12 elemente de cablaj cu c = 1.
Tabelul 6 – Valorile diverselor elemente care servesc la calculul miezului cablului
Cablul optic cu trunchi canelat (slotted core cable) este o construcție specială de cablu cu un strat. În această structură fibrele nu sunt așezate în tuburi, nici asamblate în straturi, ci sunt plasate în caneluri preformate, încastrate elicoidal în suprafața elementului central.
După mărimea și forma de încastrare în elementul central, una sau mai multe fibre se pot mișca liber în canelură. Ca și tuburile protectoare, se umplu aceste caneluri cu un material de umplere.
Cablul cu tub protector central „maxitub” este o altă construcție specială de cablu optic. El nu conține elemente de cablaj asamblate în jurul unui purtător central. Din contră, fibrele sunt răsucite și așezate în acest „maxitub” care servește ca element central al cablului.
O asemenea construcție se distinge prin simplitate și aspect compact și este utilizată în cablurile de gardă.
Există două feluri de cablaje:
– cablajul în sens unic
– cablajul în SZ
Pentru cablajul în sens unic, elementele de cablaj sunt asamblate într-o direcție și mențin un unghi constant în raport cu axul longitudinal al cablului.
Pentru cablajul în SZ, direcția de asamblare se schimbă după un număr predeterminat de înfășurări în așa manieră încât elementele de cablaj descriu întâi un „S” și, după schimbarea de sens, un „Z”. În punctele de inversare elementele sunt paralele.
Din cauza rigidității elementelor de cablaj trebuie, pentru cablajul în SZ să se aplice o fretare cu scopul de a menține aceste elemente într-o poziție de asamblare.
În cazul unui cablaj în sens unic, elementele de cablaj descriu o elice comparabilă cu o scară. Distanța între linie pentru un tur complet de 360° este numită „lungimea pasului lui S”. Unghiul dintre elementele de cablaj și secțiunea transversală a cablului este numit „unghi de cablaj α”. Distanța între axul cablului și mijlocul unui element de cablaj, este denumită raza de cablaj R. Pentru un element de cablaj de lungime L și unghi de cablaj α, avem (figura 34):
,
unde: R – raza de cablare, în mm; L – lungimea elementului de cablaj, în mm; S – lungimea pasului, în mm; α – unghiul de cablare, în °; 2πR – circumferința cercului de cablare.
α
3
1
Figura 34 – Relația între lungimea pasului, unghiul de cablare α și lungimea elementului de cablaj L
α – unghi de cablare; 1 – lungimea pasului S; 2 – lungimea elementului de cablaj L; 3 – circumferința cercului de cablaj 2πR.
Pentru cablaj trebuie ca lungimea elementelor de cablaj să fie mai mare decât lungimea cablului. Lungimea suplimentară a cablajului este indicată prin procente:
%%%,
Z – lungimea suplimentară cauzată de cablaj, în %.
Elicea este o curbă în spațiu și raza de curbură ρ este calculată în modul următor:
,
ρ – raza de curbură, în mm.
Pentru a asigura stabilitatea unei fibre optice și comportamentul său în ceea ce privește atenuarea este important ca ea să nu fie prea curbată. Există o măsură a acestei curburi, dată de raza minimă de curbură tolerată, notată cu ρ. Pentru o fibră multimod standard, valoarea lui ρ este de 65 mm. Dacă raza de curbură ρ și raza de cablare R sunt date, se obține lungimea pasului:
Exemplu:
Pentru un cablu optic cu cablaj în sens unic, cu pas de S = 102 mm și o rază de cablare R = 4,3 mm, alungire Z este de:
% ≈ 3,4%
Deci, pentru fiecare lungime de cablu de 100 m, elementele de cablaj cresc cu 3,4 m.
Unghiul de cablare α este egal cu:
Raza de curbură ρ corespunzătoare este:
.
Pentru cablajul SZ, raza de curbură variază de-a lungul miezului cablului. Ea atinge maximul în puncte de inversiune și un minim la jumătatea drumului dintre două puncte de inversiune.
3.3.1.2. Alungire și contracție
Pentru a evita ca fibrele să fie deteriorate în timpul utilizării normale (în gamele de temperatură și limitele de tracțiune specificate) sau chiar pentru ca să nu existe variații inadmisibile ale parametrilor de transmisie, este necesar să se limiteze, în afară de curbură, alungirea și contracția fibrelor. Fibrele optice se pot mișca liber în tuburile protectoare mono și multifibră. În stare de repaus, ele se găsesc în centrul tubului. Zona de degajare ΔR este atunci determinată de diametrul interior d1 al tubului și de diametrul exterior al fibrei df (figura 35). Dacă mai multe fibre sunt așezate într-un tub protector, se ia pentru df diametrul unui cerc imaginar care înconjoară fibrele în configurația lor cea mai densă.
Variația lungimii relative a unui cablu optic ΔL/L știind alungirea εC sau contracția εTC (provocată de temperaturi scăzute) admisibile ale unui cablu în straturi cu o rază de cablare R și cu un pas S, este egală cu:
.
Semnul „+” în expresia din paranteză evidențiază contracția εTC, iar semnul „-” alungirea εC.
S-ar putea deduce, din această formulă că o reducere a pasului S mărește esențial alungirea sau contracția admisibilă a cablului.
Trebuie, totuși, să se țină cont de raza de curbură admisibilă a fibrei care este diferită pentru fibrele mono sau multimod.
ΔR
df
d1
Figura 35 – Tub protector monofibră
Exemplu:
Într-un tub protector multifibră (diametrul interior d1 = 1,8 mm), 10 fibre cu indice gradat (diametrul df = 4×0,25 mm = 1,0 mm) au împreună o zonă de degajare de:
.
Tabelul 7 – Modulele lui Young, densități și coeficienți de dilatare
(valori normale pentru temperatura ambiantă)
Dacă lungimea pasului S = 102 mm și raza de curbură R = 4,3 mm, atunci alungirea maximă tolerată a cablului este dată de:
‰
Pentru a calcula forța de tracțiune maximă Fmax, trebuie cunoscute secțiunile Ai ale materialelor existente în cablu și modulele lui Young Ei (tabelul 7). Suma tuturor produselor Ei × Ai înmulțite cu alungirea maximă tolerată a cablului are ca rezultat tracțiunea maximă pentru care fibrele nu sunt solicitate:
În practică este suficient să se ia în considerație materialele elementului purtător central și elementele de tracțiune. Ultimele sunt asamblate în jurul tuburilor protectoare pentru a stabili cu elementul central rezistența la tracțiunea cerută. Astfel, se atinge o bună repartiție a forțelor de tracțiune asupra centrului și periferiei miezului cablului.
Celelalte materiale utilizate în cabluri posedă module Young mai mici și secțiunea lor nu contribuie decât foarte puțin la valoarea lui Fmax.
Un element de plastic este utilizat ca element purtător central în cablurile dielectrice. Acest purtător central este constituit din fibre de sticlă de mare rezistență, asamblate într-o rășină care nu îmbătrânește și care este termic constantă. Un fir de oțel poate fi utilizat în cazul cablului nondielectric. Dacă diametrul elementului central din plastic sau din oțel este prea mic, el se poate mări extrudând un înveliș protector din polietilenă foarte aderentă. Fibrele de aramidă și/sau firele de silicon sunt utilizate ca element de tracțiune. Asemenea fibre oferă o înfășurare flexibilă și lejeră, de mare rezistență la tracțiune.
În plus, față de solicitările la tracțiune în timpul pozării, cablul optic trebuie să reziste pe toată durata sa de utilizare și în gama specificată, influențelor de temperatură. Trebuie compensate, cu prioritate, forțele de retracție produse de contracția materialelor plastice utilizate pentru mantalele protectoare și învelișuri de cablu, când sunt supuse la temperaturi coborâte.
Coeficienții de dilatare termică liniară α ai câtorva materiale sunt indicați în tabelul 7. Acești coeficienți dau variația lungimii relative εTC pentru o variație de temperatură ΔT:
.
Pentru contracții mai mari, adică temperaturi mai joase, fibra însăși e contractată (εF < 0).
3.3.1.3. Umplerea miezului cablului
Cu scopul de a garanta etanșeizarea longitudinală a cablului optic împotriva pătrunderii apei, se umplu interstițiile libere ale miezului cu un material de umplere care este injectat la presiune mare (în jur de 15 ×106 Pa). Acest material trebuie să fie compus astfel încât să nu influențeze caracteristicile altor elemente ale cablului.
Materialul de umplere are un efect de umflare neglijabil asupra învelișurilor de polietilenă și un coeficient de dilatate termică relativ scăzut. O barieră de etanșeizare sub formă de pastă de lipit, totodată relaxantă și rezistentă la petrolatum este extrudată în jurul miezului. Acest strat servește pe de-o parte ca barieră suplimentară materialului de umplere și, pe de altă parte, ca liant integral între elementele de tracțiune sub formă de guipaj și învelișul cablului, fără ca flexibilitatea acestuia să fie afectată.
Umplutura este suprimată, dacă nu se cere o etanșeizare longitudinală, cum în general este cazul cablurilor de interior. În acest caz, se acoperă elementele de cablaj cu unul sau mai multe straturi de foi subțiri de plastic, cu scopul de a le proteja de următoarele etape de fabricație și pentru a menține interstițiile miezului ferite de elementele de tracțiune sau de materialul mantalei.
Pentru a identifica proveniența unui cablu optic, referitor la firma producătoare, este aplicat un fir de identificare direct pe elementele de cablaj, cel mai adesea, paralel cu axa cablului (verde – alb – roșu – alb pentru Siemens sau roșu – roșu – verde – negru pentru Siecor).
La cererea clientului, este posibil să se adauge acestui fir de identificare un reper longitudinal metric, construit dintr-o bucată de hârtie de 6 mm lățime și având înscris în metrajul continuu imprimat pe toată lungimea. În afară de metrajul de pe mantaua exterioară, această bandă este un alt mijloc de identificare a lungimii. Precizia panglicii benzii în lungime este de circa ±0,3%.
3.3.2. Mantaua cablului
Mantaua trebuie să protejeze miezul cablului optic contra influențelor:
– mecanice
– termice
– chimice
– contra umidității.
Ca și pentru cablurile convenționale, există diferite feluri de mantale, selecționate conform condițiilor exterioare. Polietilena care deja și-a dovedit calitățile, este frecvent utilizată cu sau fără barieră de etanșeizare ( de exemplu sub formă de bandă „alupe”).
În afară de clorura de polivinil (PVC) utilizată pentru cablurile interioare, sunt disponibile și alte materiale de manta ca de exemplu etilen – propilena fluorată (FEP), copolimerul perfluoric (PFA) și copolimerul etilen/acetat de vinil (EVA).
Când cablurile umplute trebuie să prezinte o construcție de manta nemetalică, un strat de etanșeizare, constituit dintr-o pastă de lipit din poliamidă (PA) este inserat între manta și elementele de tracțiune sau între manta și materialul de umplere. El împiedică pătrunderea materialului de umplere a miezului în mantaua cablului.
Acest strat este aplicat printr-o singură operație, înainte de extrudarea mantalei. Această masă adezivă produce un contact strâns între manta, miez și elementele de tracțiune (fibrele metalice) ceea ce se dovedește deosebit de favorabil în timpul tragerii cablurilor optice.
În principiu, mantalele metalice, ca de exemplu cele de plumb sau învelișurile ondulate din oțel, pot fi instalate pe miezurile cablurilor optice. Trebuie, totuși, să se țină cont ca, în cazurile de eforturi de tracțiune (în particular când se pozează) se pot produce alungiri permanente ale cablului care pot diminua cu mult caracteristicile de transmisie.
3.3.2.1. Manta de polietilenă
Polietilena, un material termoplastic, este produs al polimerizării etilenei. Se distinge printr-o constantă dielectrică mică și printr-un factor de pierdere „tg δ” scăzut.
Folosirea polietilenei este foarte răspândită în fabricația cablurilor electrice din cauza caracterului său nepolarizant (PE-ul are proprietăți dielectrice aproape constante într-o vastă gamă de temperaturi). Polietilena răspunde tuturor cerințelor mecanice și chimice obișnuite și este în special corespunzătoare cablurilor de exterior.
Existența diferitelor tipuri de PE care, datorită fabricației simple, rezistenței mari, alungirii la rupere, pot fi folosite pentru a înfășura miezuri de cabluri optice folosite la cele mai diverse aplicații. Se disting în mod esențial polietilena de densitate scăzută (LDPE – Low Density Polyethylene), de densitate medie (MDPE) și de densitate mare (HDPE). Modulul Young, densitatea ei și coeficientul de dilatare termică liniară sunt indicate în tabelul 7.
Conform normei DIN VDE 0888 partea a 3-a, mantaua unui cablu optic trebuie să corespundă tipului de amestec 2YM2 specificat în DIN VDE 0207 partea a 3-a.
Există polietilene speciale pentru mantale supuse la solicitări mai mari. Ele au structură moleculară liniară și sunt fabricate cu ajutorul catalizatorilor printr-un nou procedeu la presiune scăzută. Este vorba de polietilena liniară de densitate mică (LLDPE – Linear Low Density Polyethylene) sau de polietilena liniară de densitate medie (LMDPE).
Ocazional, se mai utilizează metoda de „manta compozită” ca și în tehnicile cablurilor convenționale. O bandă de aluminiu de 0,2 mm este acoperită pe cele două fețe de un plastic (copolimer) adeziv din polietilenă. Încă de la fabricație stratul exterior al benzii este sudat la mantaua de polietilenă prin intermediul căldurii de extruziune. Valoarea nominală a grosimii mantalei compozite este de 2,0 mm conform normei DIN VDE 0888 partea a 3-a. Această normă specifică în afară de aceasta, aplicarea de semne distinctive de fabricare, de control ca și marcajul exterior al cablului. Mantaua de polietilenă, trebuie să înconjoare strâns miezul cablului și este aplicată prin extrudare.
3.3.2.2. Manta de P.V.C.
Mantalele de PVC (tip de amestec YM1 după norma DIN VDE 0207 partea a 5-a <simbol V, anexa 15.3>) sunt utilizate în special pentru cablurile interioare (DIN VDE 0888 partea a 4-a). PVC-ul este potrivit pentru cablurile exterioare în cazul când:
trebuie să țină cont de substanța corozivă din sol. Pentru aceasta, amestecul mantalei PVC poate fi selecționat, astfel ca el să fie rezistent, de exemplu la derivatele petrolului;
în afară de aceasta, mantaua PVC este potrivită dacă se dorește o manta neinflamabilă. Trebuie să se observe totuși, că PVC-ul este înlocuit din ce în ce mai mult cu polimeri ignifugi nonhalogenați (simbol II).
3.3.2.3. Manta de plastic cu fluor
Plasticul cu fluor (FEP – etilen – propilenă florurată) tip de amestec 6YM1 după norma DIN VDE 0207 partea a 6-a, simbolizat 6Y este, ca și plasticul PFA, un material vâscoelastic care posedă foarte bune caracteristici electrice, mecanice, termice , chimice. Ambele sunt utilizate ca materiale pentru mantalele cablurilor optice, mai ales când temperaturile depășesc 100° C. Acestea fiind spuse, trebuie să se țină cont de faptul că toate celelalte elemente care compun cablul, inclusiv fibra optică, trebuie să reziste ele însele la aceste temperaturi. Mantalele FEP și PFA au o suprafață netedă și rezistă la intemperii.
3.3.2.4. Mantaua nonhalogenată
Mantalele din copolimer etilen/acetat de vinil (EVA), tip de amestec HM1 și HM2 după norma DIN VDE 0207 partea 24, simbolizate de H sunt formate până la 50% din greutatea lor din trioxid de aluminiu hidratat. Ele sunt utilizate de preferință dacă, în afara rezistenței la flacără se cere ca mantaua să fie nonhalogenată. Nici PE, nici PVC, nici chiar materialele plastice cu fluor nu satisfac aceste exigențe. La temperaturi înalte, în caz de incendiu, trioxidul de aluminiu hidratat se disociază și produce apă la temperaturi superioare lui 250° C. Această separare și această evaporare de apă se efectuează cu consum de energie termică. În consecință, temperatura scade la un nivel insuficient pentru a menține combustia și vaporii de apă reduc concentrația de gaze combustibile și de oxigen. Deci flacăra se stinge. Constituentul care rămâne este oxidul de aluminiu incombustibil. Cablurile care au mantale EVA au aproape aceleași proprietăți mecanice ca și cablurile di PE. Culoarea mantalei este gri. Prescurtarea FRNC (flame retardant non corrosive) este adăugată la sfârșitul cablului ca un caracter special al mantalei EVA. Cablurile sunt controlate după normele DIN VDE 0472:
FR în partea 804, tratează rezistența la propagare a flăcărilor;
NC în partea 813, verificarea ca să nu se producă degajări/depuneri corozive.
3.3.3. Mantaua protectoare
Este nevoie de mantale protectoare din PE sau PVC pentru cablurile exterioare sau cablurile speciale (DIN VDE 0888 partea a treia și 0816). Ele protejează armătura instalată pe manta contra coroziunii și deteriorărilor exterioare ( de exemplu în timpul pozării cu plugul).
Mantalele protectoare în PE sunt cel mai adesea fabricate la 200° C prin procedeul extrudării în tuburi suple și aplicate peste amestecuri anticorozive bituminoase.
Când se cer învelișuri colorate sau rezistente la derivatele petrolului, se aplică prin extrudare, un strat de PVC de grosimea de grosimea necesară stratului de PVC de grosime necesară pe straturile din PE. Pentru alte folosințe, se utilizează mantale protectoare din PE negru.
3.3.4. Armătura
Cablurile optice sunt de obicei împământate sau pozate în conducte fără a fi armate.
Elementele de tracțiune (fibre sintetice, bine fixate pe manta printr-o pastă de lipit) și elementele de suport, sunt suficiente pentru a compensa forțele longitudinale.
O armătură suplimentară servește la protecția miezului optic și al mantalei cablului în anumite aplicații speciale (cabluri submarine, cabluri protejate contra rozătoarelor, cabluri aeriene autopurtate) sau când sunt cerute valori mecanice extreme de tracțiune și/sau compresiune.
Pentru cablurile speciale trebuie alese elemente de armătură astfel încât ele să nu crească prea mult greutatea cablului și să nu reducă excesiv de mult flexibilitatea. Ele trebuie să aibă un modul Young relativ mare și trebuie atins un bun raport între modulul Young și grutate.
Fibrele de aramidă (Kevlar) și, sub diferite forme, oțelul s-au impus pentru construcția cablurilor optice. Pentru fibrele de aramidă raportul între modulul Young și greutate este un multiplu al raportului corespunzător cazului armăturii din oțel.
Fibrele aramidă sunt utilizate mai ales sub diverse mantale ca elemente compensatoare de tracțiune. Dacă există forțe de tracțiune importante de compensat, ca de exemplu în cablurile aeriene autopurtate, se utilizează „rovinguri” de aramidă.
O armătură sub formă de benzi de oțel și-a dovedit calitățile pentru cablurile protejate împotriva rozătoarelor. Această protecție constă în două straturi de bandă de oțel galvanizat, fiecare bandă de o grosime de 0,1 mm scufundate într-o masă anticorosivă (conform VDE). Întregul este protejat de o manta de PE.
O alternativă a armăturii din benzi de oțel este învelișul cu manta Stalpeth. În acest strat, o bandă ondulată acoperită pe cele două laturi polietilenă și cu acetat este instalată direct, longitudinal, pe miezul cablului și fixată pe mantaua de polietilenă, în mod asemănător cu banda „alupe”. Ușoara ondulare a benzii crește flexibilitatea cablului.
Trebuie notat că armăturile sub formă de bandă de oțel nu pot absorbi eforturile de tracțiune.
Pentru cablurile autopurtate s-au impus diverse materiale de armătură cu fire rotunde. După aplicare se utilizează unul sau mai multe straturi din fire de aluminiu sau aldrey (aliaj de aluminiu, magneziu și siliciu) care sunt completate cu fire de aluminiu de tip „aluminium-clad”.
Dacă împrejurările o cer (eforturi extreme ale cablurilor submarine de exemplu) se pot instala unul sau mai multe straturi de fire rotunde puternic galvanizate sau fire rotunde de oțel special. Firele puternic galvanizate cer în toate cazurile o protecție anticorosivă și mai eficace.
3.3.5. Construcții
Cablurile cu fibre optice sunt clasificate după caracteristicile de construcție determinate, în următoarele grupe:
– cabluri exterioare;
– cabluri interioare;
– cabluri speciale.
Pentru claritatea expunerii s-au ales dintr-o multitudine de posibilități câteva cabluri tipice. Domeniile de utilizare sunt tratate și se indică specificațiile existente și aplicabile.
Pentru toate construcțiile este important să se asigure că nu există schimbări de durată ale caracteristicilor de transmisie ale fibrei optice datorate fabricației sau altor influențe suferite .
Se poate alege cablul optic adecvat în mod independent de modul său de construcție cu excepția dimensiunilor tubului protector. În acest caz, datele relative la legătură și caracteristicile sistemelor de transmisie prevăzute sunt criteriile cele mai importante.
3.3.5.1. Cabluri exterioare
Cablurile exterioare, în particular cablurile dotate cu o manta PE sunt construite și dimensionate astfel încât ele să poată răspunde diverselor cerințe ale unei pozări îngropate sau ale unei pozări în conducte.
După numărul fibrelor multimod cerute se utilizează tuburi protectoare monofibră sau multifibră conținând de la 2 la 12 fibre.
Din considerente constructive și economice, tuburile protectoare monofibră s-au impus pentru cablurile având până la 14 fibre ; pentru mai mult sunt utilizate tuburile protectoare multifibră. Tuburile protectoare mono sau multifibră sunt umplute cu un material hidrofug. Cablurile cu fibre optice monomod conțin în principiu tuburi multifibră.
Forțele de tracțiune cuprinse între 1000 N și 3000 N folosite de obicei pentru pozare sunt suficiente dacă s-a ales corect cablul și dacă sunt folosite agățătoarele cablului sau orificiile de tragere preasamblate.
Pentru aplicații în condiții foarte dificile, se poate instala o armătură suplimentară, acoperită de un înveliș protector. În general, acest sistem se pot instala cabluri optice și în conducte de plastic, doar în cazul în care este necesară o protecție împotriva rozătoarelor se pot utiliza benzi de oțel sau se pot echipa cablurile cu mantale protectoare interioare și exterioare.
Cablurile fabricate după norma DIN VDE 0888 partea a 3-a trebuie să conțină un fir de identificare a firmei producătoare înregistrat sub formă de marcă depusă. Pentru aceste cabluri, biroul de verificare VDE atribuie ca urmare a unei cereri adecvate și conform regulamentului, autorizația de încorpora firul de identificare negru-roșu al lui VDE.
Dacă se respectă razele de curbură minimale ale cablurilor optice, acestea pot fi trase în conducte din plastic sau plaste în mantale protectoare „port-cablu” exact ca și cablurile convenționale cu conductoare din cupru. Ele oferă chir, mulțumită greutății lor reduse, avantajul suplimentar al lungimii mari de fabricație (până la 2000 m). Lungimile de livrare (lungimea uzuală) sunt actualmente de 2000 m și de 1000 m. Pot fi fabricate cabluri cu lungimi de 5000 m sau mai mult în funcție de diametrul, greutatea și domeniul de aplicație.
Game de temperatură
Temperatura de transport și de stocare – 25° până la +70°
Temperatura de pozare – 5° până la +50°
Temperatura de funcționare – 20° până la 60°
În rezumat se poate reține că pentru toate aplicațiile cunoscute ale cablurilor clasice se dispune de cablu optic adecvat. Avantajele esențiale ale cablurilor optice exterioare sunt:
Mecanice
– diametrul mic al cablului;
– greutatea nesemnificativă;
– mari lungimi de livrare;
– dimensiuni mici ale tamburului și deci o greutate a tamburului relativ scăzută.
Influențe
Nu există probleme datorate influenței fulgerului, liniilor de înaltă tensiune sau a liniilor electrificate ale căilor ferate și nici chiar a curentului continuu. Nu sunt probleme cu privire la punerea la pământ, deoarece cablurile optice pot fi construite în întregime din elemente dielectrice.
Transmisie
Valori bune ale atenuării:
Fibrele optice multimod cu indice gradat:
– la 850 nm între 2,5 și 3,5 dB/km;
– la 1300 nm între 0,7 și 1,5 dB/km
Fibrele optice monomod:
– la 1300 nm între 0,4 și 1,5 dB/km
Bandă de trecere largă:
– pentru fibrele multimod până la 1,2 GHz pentru 1 km;
– pentru fibrele monomod până la 10 GHz pentru 1 km.
Cablurile optice sunt adecvate la fel de bine pentru transmisia semnalelor de telecomunicații sau de telecomandă pe sisteme cu număr mic de căi (<30 de canale) ca și pentru sistemele de bandă largă realizate, cum ar fi ISDN de bandă largă. În acest tip de rețea sunt integrate toate tipurile de transmisiune: televiziune, video-text, radiodifuziune-stereo, date, teletext, fax, servicii IDN (rețea integrată de date și telex), telefonie, videotelefonie, conferințe și videoconferințe.
Astăzi, cu sistemele digitale de 2MBps se ating distanțe mult mai mari între repetori – regeneratori decât în cazul cablurilor din cupru simetrice sau coaxiale.
Pentru cablurile exterioare conținând până la 14 fibre este utilizat tubul monofibră, cu o protecție universal aplicabilă. Acest mic tub din plastic cu o grosime de 1,4 mm este umplut cu gel de umplere care sigură etanșeizarea longitudinală. Toate fibrele multimod de uz curent sunt folosite în tub monofibră. Norma DIN VDE 0888 partea a 2-a stabilește caracteristicile acestui tub. În jurul unui element central, construit din plastic întărit cu fibre de sticlă, se pot plasa până la 14 elemente de cablaj (tuburi protectoare monofibră și conductoare din cupru). Spațiile libere ale miezului sunt umplute. Elementele de tracțiune din fibre de aramidă sunt fixate de mantaua din PE (cu o grosime de 2 mm) printr-o pastă de lipit și sunt aplicate ferm pe miezul cablului.
Pentru utilizatorii industriali au fost impuse conform normei DIN VDE 0888 partea a 3-a, tabelul 6 cabluri cu un număr de 2, 4, 6, 8, 10 sau 12 fibre, dar pentru cazuri excepționale pot fi alese cabluri cu un număr diferit de fibre.
Elementele de cablaj sunt marcate în modul următor:
– tub protector ca element pilot – roșu
– alte tuburi – verde
– elementele de umplere – incolore.
În cazul în care se utilizează elemente de umplere, acestea trebuie să fie plasate simetric în raport cu tubul pilot. Pentru a realiza linii de serviciu sunt adăugate două conductoare de cupru izolate în polietilenă celulară și poliolefină cu un diametru de 0,6 mm la stratul cablat.
Aceste elemente de cablaj sunt marcate după cum urmează:
– primul conductor (cupru) – roșu
– al doilea conductor (cupru) – roșu cu reperaj inelar
– tuburi protectoare – verde
– elemente de umplere – incolore.
Cele două conductoare de cupru trebuie plasate simetric în raport cu tubul pilot. Dacă există elemente de umplere, ele sunt plasate simetric, adiacent conductoarelor din cupru. Apoi se plasează celelalte tuburi protectoare.
Aceste tuburi sunt numărate începând cu elementul pilot plasat între cele două conductoare. Conductorul care poartă reperele inelare indică sensul de numărare.
Cabluri exterioare cu tuburi protectoare multifibră pentru
fibre multimod cu indice gradat
Tuburile protectoare multifibră sunt utilizate în cablurile exterioare pentru construcții cu mai mult de 20 (16) fibre (DIN VDE 0888 partea a 3-a). Acest tub, element de cablaj puțin voluminos, conține 12 fibre optice și este umplut, ca și tubul monofibră, cu un material hidrofug. Diametrul tubului protector multifibră este de 3,0 mm.
În cablajul prin straturi se asamblează minimum cinci elemente în jurul elementului central. Conform normei DIN VDE 0888 partea a 3-a, unul dintre aceste elemente trebuie prevăzut ca tub multifibră de rezervă, conținând de la 1 la 12 fibre și care dacă este cazul poate fi înlocuit cu un element de umplere. Se mai poate adăuga o cuartă în stea izolată în polietilenă celulară și poliolefină de același diametru ca un tub multifibră, care poate înlocui pe unul dintre acestea și poate servi la realizarea liniilor de serviciu.
Elementele de cablaj sunt marcate (după DIN VDE) după cum urmează:
– tub multifibră de rezervă sau element de umplere, element pilot – roșu;
– cuartă în stea (cupru) – galben;
– tub protector multifibră – verde;
– element de umplere – incolor.
Cablajul tuburilor multifibră permite să se fabrice cabluri optice foarte compacte. Cablurile standardizate conțin 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100 sau 120 de fibre optice și 10 fibre optice în tubul protector (figura 36).
Tub protector de rezervă sau un element de umplere
Cuartă
Element purtător central
Material de umplere
Tub protector multifibră
Bandaj al miezului
Manta compozită „alupe” și elemente de tracțiune
Figura 36 – Cablu cu manta „alupe”, cu până la 60 de fibre optice cu
tuburi protectoare multifibră și o cuartă de cupru
Există construcții speciale când se cer mai mult de 120 de fibre. Pentru cablurile conținând până la 300 de fibre se asamblează tuburile monofibră în mai multe straturi în jurul unui element central.
Pentru a repera simplu fiecare din tuburile multifibră, se indică pentru cablurile cu mai mult de 300 de fibre să se utilizeze ca elemente de cablaj fascicole principale conținând 50 sau 100 de fibre. La fel ca tuburile protectoare aceste fascicole principale sunt asamblate în straturi pentru a forma miezul cablului.
Pentru a putea repera fiecare din fascicolele principale, se marchează printr-un fretaj colorat unul din fascicolele fiecărui strat, ca element pilot.
Figura 37 arată posibilitatea construcției unui cablu cu 2000 de fibre. Miezul este format din fascicole principale de 100 de fibre. Configurația fascicolului principal ilustrată în această figură corespunde de asemenea cu miezul unui cablu de 100 de fibre optice.
Fascicul de 100 de fibre optice
Manta PE
Element central purtător
Primul strat
Al doilea strat
Material de umplere
Figura 37 – Cablul cu 2000 de fibre optice
Toate celelalte elemente de construcție ca: mantaua, armătura, învelișul protector, etc sunt aplicate respectând diametrele respective, ca pentru cablurile cu tuburi protectoare monofibră.
Cablurile optice cântăresc mult mai puțin decât cablurile coaxiale, de exemplu un cablu coaxial 32c cântărește în jur de 5 kg/m, iar un cablu optic interurban cu 60 de fibre, comparabil cu precedentul, cântărește în jur de 300 g/m.
Cabluri exterioare cu tuburi protectoare multifibră
pentru fibre optice monomod
Cablurile exterioare cu fibre optice monomod au din ce în ce mai multă importanță. Pe timpul construcției cablului este esențial să se aibă în vedere ca fibrele să fie așezate în așa fel încât să nu fie supuse la solicitări mecanice în interiorul cablului. În afară de aceasta toți parametrii de construcție ceruți pentru fibre optice monomod trebuie respectați.
După numărul de fibre, sunt utilizate următoarele tipuri de tuburi protectoare:
1 sau 2 fibre – tub protector cu diametrul de 2 mm;
3 sau 4 fibre – tub protector cu diametrul de 2,8 mm;
5 la 10 fibre – tub protector cu diametrul de 3 mm.
Există cabluri cu o pereche de conductoare de cupru cu diametrul de 0,6 mm, izolată cu polietilenă celulară și care este asamblată în locul unui tub protector. Tuburile multifibră sunt numărate începând cu tubul pilot. Perechea de cupru nu se ia în considerație și nu determină sensul de numărare. Elementele de umplere nu sunt numărate. După condițiile tehnice de livrare 78TL3 și 5, a fost stabilit un număr de fibre (între 2 și 100) per cablu, iar fiecare tub protector conține 2 sau 4 fibre. Cum tehnica ce utilizează tuburi protectoare multifibră oferă o concepție flexibilă, se pot realiza cabluri cu mai mult de 40 de fibre.
Cablurile cu fibre monomod sunt utilizate peste tot unde, în afară de o bandă largă de trecere sunt dorite și atenuări mici.
1 2 3 4 5 6 7 8 91) 10 11 12 132) 14
Lg – Cablaj în
Straturi
132) – banda de trecere,
în MHz pentru 1km
lungimea de undă B≈850 nm F≈1300nm;H≈1550nm.
Coeficient de atenuare, în dB/km
Diametrul mantalei, în μm
91) diametrul miezului, în μm
construcție G, fibră cu indice gradat, E fibră monomod
număr de fibre sau numărul tuburilor protectoare, x – nr. de fibre
b – armură; bY – armură cu înveliș protector din PVC; b2Y – armătură cu
înveliș protector PE
2Y – armătură PE (L)2Y – armătură compusă; (Zn)2Y – manta PE cu elemente de
tracțiune nemetalice; (L)(2N)(2Y) manta compusă cu elemente de tracțiune nemetalice
F – material de umplere pentru interstiții în cablu
S – element metalic în mijlocul cablului
H – tub protector monofibră neumplut; W – tub protector monofibră umplut; B – tub protector multifibră
neumplut; D – tub protector multifibră umplut.
Desemnarea produsului: A – A cablu exterior
Pozițiile 3,4 și 6 pot fi suprimate
Legendă:
1) pentru fibre monomod, se indică diametrul câmpului de mod în locul diametrului miezului
2) pentru fibre monomod, se indică dispersia, în ps/nm×km în loc de bandă de trecere.
Tabelul 8 – Nomenclatura simbolului cablurilor exterioare
(conform normei DIN VDE 0888, partea a 3-a)
3.3.5.2. Cabluri interioare
Cablurile optice interioare cu manta PVC sunt necesare pentru aplicații diverse în interiorul construcțiilor. Ca și pentru instalațiile cu cabluri convenționale, utilizarea cablurilor exterioare cu PE nu este autorizată sau este doar restrânsă în interiorul construcțiilor. Cablurile exterioare se sfârșesc într-o cutie de distribuție optică pe o ramă terminală imediat după ce acesta a pătruns într-un edificiu. După cerințe se pozează cabluri interioare, mono sau multifibră, de la cutie de distribuție optică până la repartitor. Pentru a se asigura că îmbinările nu prezintă decât creșteri slabe de atenuare, se utilizează, pe cât posibil, cabluri interioare cu aceleași caracteristici de transmisie ca ale cablurilor exterioare corespondente. Aceste cabluri sunt construite în așa fel ca nici una dintre valorile lor să nu sufere o schimbare inadmisibilă, nici prin solicitări mecanice, nici prin variații de temperatură.
Cablurile interioare pot conține până la 6 fibre (cu diametre miez/înveliș 50/125 μm); fibrele au o manta strânsă sau hibridă.
Construcțiile monofibră, sunt utilizate mai ales pentru cabluri de repartiție în cutii sau pentru cablaj în rame, au un element purtător și un element de tracțiune, compus din fibre de sticlă și aramidă și o manta PVC cu o grosime de 0,6 mm instalate în jurul fibrei îmbrăcate. Datorită diametrului lor mic (doar 3,5 mm) aceste cabluri au o utilizare universală (figura 38).
Cablurile interioare monofibră sunt standardizate conform DIN VDE 0888 partea a 4-a, în vreme ce acelea care au între 2 și 6 fibre sunt tratate, din punct de vedere al construcției, ca și cablurile exterioare.
În jurul elementului central se pot cabla până 6 fibre cu înveliș strâns sau înveliș hibrid. Ele sunt apoi acoperite cu fibre de aramidă care folosesc ca element nemetalic, în același timp suport și tracțiune. În final se pune o manta PVC de 0,9 mm grosime (figura 39).
1 1
2
2 3
4
4
Figura 38 – Cablu interior monofibră Figura 39 – Cablu de interior cu 6 fibre
1 – manta PVC
2 – element suport și de tracțiune
3 – element central
4 – fibră cu înveliș
Cablajul instalațiilor interioare servind ca rețea de comunicații și de date sau cabluri de distribuție necesită cabluri cu mai mult de 6 fibre. Pentru aplicațiile cerând mai mult de 10 fibre cu indice de grad se alege un tub protector multifibră având un diametru exterior de 3,0 mm. Fiecare tub protector poate conține maxim 10 fibre. Cablurile interioare de 10 și de 60 de fibre au diametre exterioare în jurul valorilor de 9,4 mm și 13,5 mm.
Pentru cablurile interioare cu fibre monomod, se utilizează tuburi protectoare multifibră cu diametrul de 2,8 mm conținând fiecare câte 4 fibre maxim. Valorile optice sunt adaptate cu cele ale cablurilor exterioare. Construcția cablului este similară cu cea a cablurilor care utilizează fibre cu indice gradat și dimensiunile sunt în funcție de numărul de fibre.
În afară de cablurile interioare tip, se pot realiza și cabluri de interior diferite după specificații speciale.
3.3.5.3. Cabluri speciale
Cablurile cu fibre optice se pot folosi cu rezultate foarte bune în toate instalațiile care cer condiții speciale. Dacă le comparăm cu cablurile clasice, ele au avantaje considerabile: diametrul redus, greutate mică și pentru cablurile dielectrice, insensibilitatea la influențele electrice. Aceste avantaje sunt puse în relief în mod deosebit în instalațiile întreprinderilor de distribuție a electricității pentru că problemele de influențe electromagnetice, de punere la pământ sau de diferențe de potențial care pot apare la conductorii de cupru (instalați în paralel cu linii sau cabluri de înaltă tensiune și în distribuții sau posturi de transformare) nu există dacă este folosit un cablu optic.
Atenuările mici pentru fibrele mono și multimod, ca și o largă bandă de trecere (până la GHz) sunt la fel de importante în aceste instalații ca și în aplicațiile industriale ca de exemplu sistemele de procesare electronică a datelor sau sistemele de ordinatoare industriale. Construcția navală și aeronautică (figura 40) reprezintă alte domenii de aplicare. Acolo sunt necesare cabluri optice foarte ușoare, mecanic stabile, insensibile la oscilații și rezistente la temperaturi extreme. În domeniul militar este avantajos ca acele cabluri dielectrice să nu fie detectabile și să fie asigurate contra interceptărilor.
Alte cazuri de utilizare ale cablurilor speciale sunt aplicațiile submarine și cele din mine.
În tabelul 9 este prezentată nomenclatura cablurilor interioare conform normei DIN VDE 0888 partea a 4-a.
1
2
1
3
Figura 40 – Cabluri pentru avioane
1 – fibra de sticlă scufundată
2 – tub protector monofibră
3 – manta PFA
1 2 3 4 5 61) 7 8 9 102)
(2) Banda de
trecere în MHz
pentru 1 km
lungimea de undă B≈850
mm,F≈1300mm,H≈1550mm
coeficientul de atenuare,în dB/km
diametrul mantalei, în μm
61) diametrul miezului,în μm
construcție: G – fibră cu indice gradat, E – fibră monomod
numărul fibrelor optice
Y – manta din PVC, H – manta din nonhalogenate
V – fibră cu înveliș strâns, H – tub protector monofibră gol, W – tub protector monofibră plin
I – desemnarea produsului, J – cablu interior
Tabelul 9 – Nomenclatura simbolurilor cablurilor interioare
Capitolul 4
Elemente de calcul și proiectare a rețelelor de fibră optica și metode de măsură a parametrilor fibrelor optice
4.1. Elemente de calcul și proiectare a rețelelor
În acest capitol sunt tratate cel mei importante aspecte ale proiectării unei rețele de cabluri optice. Acest capitol furnizează pe lângă indicațiile privitoare la pozarea cablurilor, informații privind metodele de calcul ale proprietăților de transmisie incluzând atenuarea, dispersia și parametrii mecanici, inclusiv tehnica de conexiune.
O rețea de cabluri optice cuprinde diferite lungimi de cabluri pozate și îmbinate între ele până la primele conexiuni separabile, adică conectoarele.
4.1.1. Proiectarea parametrilor de transmisie
Atenuarea și banda de trecere a fibrei utilizate, ca și valorile de atenuare ale joncțiunilor sunt parametrii cei mai importanți de luat în considerație din punct de vedere al transmisiunii în timpul proiectării rețelelor de cabluri optice. În cele ce urmează nu se va ține cont de atenuările datorate conectorilor, derivatoarelor (după caz) sau cuploarelor și nici de variațiile parametrilor echipamentelor.
4.1.1.1. Calculul atenuării pentru fibrele optice mono sau multimod
Atenuarea ac a unei legături pe cablu este egală cu suma dintre lungimea L a cablului înmulțită cu coeficientul de atenuare αfib și numărul de joncționări (n) înmulțit cu atenuarea de joncționare aj. Se poate scrie deci:
,
unde: ac – atenuarea de linie a rețelei, în dB; L – lungimea cablului în km; αfib – coeficientul de atenuare, în dB/km; n – număr de joncționări; aj – atenuarea unei joncționări.
Deoarece rețelele de cabluri optice sunt concepute pentru durate lungi de utilizare, trebuie să prevedem în cursul proiectării, rezerve pentru joncționări de reparație. Aceste rezerve pot fi de o mare importanță când se produc deteriorări ca urmare, de exemplu, a unor lucrări de terasament, de construcție sau când cablul trebuie să fie deplasat pentru a introduce tronsoane noi în rețea. Valoarea acestei rezerve de atenuare necesară (arez) depinde de condițiile locale și de importanța rețelei. Rezerva se situează între 0,1 dB/km și 0,6 dB/km, după aprecierea celor care gestionează rețeaua.
Rezultă pentru atenuarea unei secțiuni de regenerare:
,
unde: αrez – rezerva de atenuare în dB/km.
Utilizând cele mai mari lungimi de livrare posibile, se reușește să se reducă atenuarea suplimentară provocată de joncționări.
Exemplu:
Proiectarea unei legături cu un sistem la 34 Mbit, cu o atenuare echivalentă cu 35 dB (secțiune de regenerare) și pentru o lungime de undă λ=1300 nm, cu o secțiune cu lungimea de 25 km și lungimi de cablu unitare egale cu 2000 m, sunt necesare 12 joncțiuni. Valoarea medie de atenuare a joncțiunilor este egală cu 0,2 dB pentru fiecare dintre ele. Rezerva, datorată condițiilor în lungul tronsonului este fixată la 0,3 dB/km.
Trebuie determinat coeficientul de atenuare maximal pe care îl poate avea fibra care va fi utilizată sau care dacă legătura poate fi stabilită fără repetoare – regeneratoare.
Soluție:
Rezultă din relațiile precedente:
Trebuie să alegem o fibră optică având un coeficient de atenuare maximum 1 dB/km. În acest caz nu este necesar un repetor-regenerator.
O atenuare de 10 dB înseamnă că puterea luminoasă P(L) măsurată într-o fibră optică după lungimea L (în km), nu valorează mai mult de 10% din puterea luminoasă de intrare P(0); pentru 3 dB se ating cifre de ordinul a 50% și pentru 1 dB în jur de 80%.
Fibrele monomod moderne au, la o lungime de undă de 1550 nm, atenuări de 0,2 dB/km, adică doar 4,5% din puterea luminii se pierde pe kilometru.
Exemplul următor (tabelul 10) cuprinde o proiectare considerând toți parametrii de atenuare pentru un sistem la 34 Mbit.
Tabelul 10 – Proiectarea globală a unui sistem optic
la 34 Mbit, funcționând la 1300 nm
4.1.1.2. Banda de trecere a fibrelor optice multimod în legăturile prin cablu
Banda de trecere a fibrelor cu indice gradat este înainte de toate limitată prin dispersia modală și/sau prin dispersia materialului. Dispersia materialului predomină dacă se utilizează diode electroluminiscente cu mare lărgime spectrală pentru lungime de undă λ = 850 nm.
Pe de altă parte, dispersia modală predomină dacă se utilizează diode laser de o lărgime spectrală în mod sensibil mai mică pentru lungimea de undă de funcționare λ = 1300 nm.
Există mai multe metode pentru a calcula produsul lărgime de bandă × lungime caracteristică cerută:
bI = BI×LI
a unei fibre cu indice gradat pentru o bandă de trecere dată a sistemului B și pentru lungimea L a fibrei. Aceste metode descriu în mod aproximativ relația dintre banda de trecere și lungime. Există o metodă derivată din legea exponențială:
,
unde B – banda de trecere a sistemului în MHz; BI – banda de trecere a fibrei optice în punctul LI, în MHz; L – lungimea fibrei optice, în km; LI – lungimea fibrei optice – în mod obișnuit 1 km – pentru banda de trecere BI.
Când se conectează cabluri cu lungimi diferite, banda de trecere nu descrește în mod liniar în funcție de lungime; aceasta este datorată dispersiei modale, în cazurile practice se face o aproximație cu ajutorul factorului γ (exponent de lungime). Valorile lui γ se găsesc adesea între 0,5 și 1,0 și se pot utiliza pentru calcule o valoare empirică de 0,8.
Exemplu:
Pentru rețeaua descrisă mai sus, produsul lărgime de bandă × lungime caracteristică bI a unei fibre cu indice gradat trebuie să fie calculat pentru o lungime de undă λ = 1300 nm. Banda de trecere a unui sistem de 34 Mbit este ≥ 50 MHz.
Soluție:
bI = 50 MHz × 1 km × 250,8 ≈ 657 MHz × km
Tabelul 11 – Valori ale benzilor de trecere ale sistemelor
digitale cu λ = 1300 nm
Datorită faptului că produsul lărgime de bandă × lungimea caracteristică a fibrelor cu indice gradat se face în pas de 200 MHz×km (600, 800, 1000 MHz×km) la 1300 nm, trebuie aleasă pentru exemplul precedent (657 MHz×km) o fibră cu un produs lărgime de bandă × lungime caracteristică de 800 MHz×km și o atenuare de 1 dB/km. Tabelul 11 reunește câteva valori ale benzilor de trecere pentru sisteme numerice funcționând la o lungime de undă λ = 1300 nm.
4.1.1.3. Calculul dispersiei în fibrele optice monomod
Când se proiectează rețele conținând sisteme digitale (până la 140 Mbit) unde sunt utilizate în mod exclusiv diode laser, se poate neglija, în general, banda de trecere a fibrei monomod pentru că aceasta se întinde în banda gigahertzilor (GHz) și în consecință există o limitare a secțiunii de regenerare datorată atenuării (fibră, joncțiune și rezervă). Pentru fibrele monomod se utilizează dispersia în locul benzii de trecere, ceea ce permite un calcul ușor de lungire a impulsurilor pentru dioda laser:
ΔT = M(λ)×Δλ×L,
unde: T – lungimea impulsurilor în ps; M(λ) – dispersia cromatică în ps/nm×km; Δλ – lărgimea spectrală a sursei, în nm; L – lungimea fibrei optice, în km.
Exemplu:
Se calculează lungirea impulsurilor și banda de trecere pentru o secțiune cu lungimea L = 25 km, dacă este utilizat un laser ce funcționează la 1300 nm și cu o lărgime spectrală Δλ = 5 nm, iar dispersia cromatică M(λ) = 3,5 ps/nm×km.
Soluție:
ΔT = 3,5 ps/nm×km × 5 nm × 25 km = 437,5 ps =>
Pentru a calcula dispersia sistemelor cu un debit mai mare decât 565 Mbit/s trebuie să se țină cont, pe lângă parametrii calculați mai sus, de alte caracteristici ale laserelor, ca de exemplu zgomotul de partiție.
Când se face proiectarea unei rețele cu fibre monomod accentul se pune mai ales pe mărimea câmpului de mod, pentru că el poate influența atenuările de joncționare și comportament la curburi. Deci, bilanțul de putere poate fi influențat și în consecință se modifică și lungimea secțiunii de regenerare.
4.1.2. Proiectarea părților mecanice
Scopul principal al planificării aspectelor mecanice este de a construi un cablul optic în așa fel încât el să fie adaptat in mod optim la influențele datorate mediului și să ofere o protecție suficientă fibrei. Pentru aceasta trebuie colectate informațiile diferitelor surse pentru a decide dacă cablurile pot fi de tip standard sau se impune o construcție specială.
Este important să se verifice câțiva parametri referitori la condițiile de parcurs și la modul de pozare. Acești parametrii sunt:
Traseul cablului
Planurile și profilele longitudinale ale terenurilor dau indicații asupra pantelor (ascendente sau descendente), la traversări de râuri și de străzi, la numărul de curburi critice (cu unghiurile lor).
Natura terenului
Trebuie verificat dacă este vorba de câmpie, teren muntos, împădurit sau acoperit de ape sau mlaștini, etc.
Natura solului
Trebuie știut dacă solul este compus din humus (pământ vegetal), argilă sau nisip; dacă este contaminat chimic, etc.
Modul de pozare
Se face o distincție între:
pozarea cablurilor îngropate prin intermediul unui utilaj special, ținând cont de temperaturile din sol și de profunzimea la care sunt plasate cablurile și
tragerea cablurilor în conducte, considerând lungimile de cablu și forța de tracțiune tolerată la orificiul de fixare a cablului. Cablurile optice, datorită greutății lor reduse, flexibilității și diametrului redus, nu cer alte tehnici de pozare decât cele cunoscute pentru cablurile cu conductoare metalice.
În timpul pozării, razele de curbură trebuie să fie mai mici decât cele indicate în fișele tehnice. Ținând cont de diferiți parametri menționați mai sus se poate alege tehnica de pozare adecvată.
În final, construcția cablului trebuie să fie concepută în așa fel încât odată cu alegerea adecvată a elementelor de cablaj să se evitate ca influențele mecanice, termice sau chimice să aibă vreun efect permanent asupra caracteristicilor de transmisiune.
În principiu trebuie să ne asigurăm că vor fi utilizate lungimi mari de cablu pentru a reduce atenuările introduse de joncționări.
În practică se instalează deja lungimi de 2000 m sau mai mult. În numeroase cazuri, în mod special când trebuie să se asigure că nu are loc o depășire a forței maxime de tracțiune, cablurile optice pot fi pozate cu mâna datorită greutății lor reduse. Totodată în acest caz nu mai există informații asupra forței exercitate în timpul pozării.
Pentru a evalua forța de tracțiune care se va exercita asupra cablurilor în timpul pozării, se poate lua ca bază că această forță crește în mod liniar cu lungimea cablului atunci când traseele sunt rectilinii și orizontale. Trebuie să considerăm că forța de tracțiune crește exponențial funcție de unghiul de curbură și coeficienții de frecare.
Pentru cablurile de interior, trebuie ținut seama de inflamabilitatea și de conținutul în halogeni, solicitările mecanice fiind în general nesemnificative.
Pentru sistemele care utilizează cabluri speciale aeriene autopurtate, cabluri de mină, cabluri submarine trebuie să se țină cont pe lângă aspectele semnalate mai sus și de criterii specifice pe care nu le putem trata aici datorită complexității și a multitudinii lor.
Există trei concepții:
pozarea cablurilor optice standardizate în conducte sau îngropate după metodele descrise mai sus;
principiul cablului aerian autopurtat bine cunoscut din tehnica cablurilor convenționale cu conductoare din cupru.
În acest caz, se pot construi cabluri în întregime dielectrice, cabluri cu una sau mai multe armături din fire de aluminiu, sin oțel, din „aldrey”, fire tip „alumoweld” sau dintr-o combinație a acestora. Există de asemenea variante de cabluri apte la utilizare în firele de gardă. În aceste variante, chiar pentru distanțe mai mari de 500 m între doi piloni și pentru condiții severe de mediu (supraîncărcare datorată acțiunii vântului și gheții) nu provoacă probleme dacă sunt dimensionate corect cablurile.
Tehnica de pozare și utilajul corespund acelora aflate în uz pentru montarea liniilor aeriene.
Fixarea cablurilor optice dielectrice și foarte ușoare la firele de fază (linii unifilare) în rețelele de medie tensiune până la 20 kV sau la firele de gardă în rețelele de înaltă tensiune de 100 kV, 220 kV sau 380 kV.
Există o mașină de fixare a cablului optic la firul de fază sau de gardă. Acest dispozitiv se montează pe firul tras cu mâna sau printr-un troliu. Pe măsură ce avansează, forțele de frecare pun în funcțiune un mecanism de lucru. Acest dispozitiv plasează bride prefabricate în mod echidistant (0,5 m) în jurul cablului și firului purtător și le închide (cu angajare pozitivă) printr-o agrafare. Totodată pentru a utiliza acest sistem trebuie să cunoaștem toleranțele diametrelor firului de gardă sa de fază ce vor purta cablul optic.
Dacă cablul optic este fixat la linii de înaltă tensiune, este obligatorie o protecție contra contactelor accidentale și se leagă (pune) mantaua la pământ la punctele de joncționare și la extremitățile liniei.
4.1.3. Îmbinări
La proiectarea unui sistem trebuie să se țină cont pe lângă coeficientul de atenuare al fibrei, de atenuările îmbinărilor și conectoarelor.
Dacă se consideră chiar cerințele de frecvență, pentru a pune în funcțiune secțiuni de regenerare din ce în ce mai lungi, trebuie pe lângă cabluri din ce în ce mai lungi și valori de atenuare ale fibrelor din ce în ce mai reduse, să se facă în mod optim îmbinările și conectările necesare pentru a reduce atenuările de inserție. Conectoarele le numim „joncțiuni detașabile”, iar îmbinările „joncțiuni definitive”.
La cablurile cu număr redus de fibre, tehnica de racordare este prin lipirea cu arc electric (îmbinări individuale). Pentru cablurile multifibră, există aparate de îmbinări colective. Ele sunt de o importanță deosebită dacă trebuie atinsă o viteză de îmbinare ridicată.
4.1.3.1. Îmbinarea mecanică individuală
Metoda de îmbinare arătată în figura 41 servește la racordarea fibrelor cu indice gradat amplasate în tuburi protectoare monofibră. Principiul de îmbinare se bazează pe centrarea automată a elementelor de racordare utilizând o piesă din tolă în formă de V. Două brațe pivotante fixează tuburile protectoare și fibrele; după ce au fost tăiate la lungimea corespunzătoare, brațele le fac să pivoteze în poziția de sudare și presează ansamblul în canelura în formă de V.
Fibră optică
Ecart
Tub protector Conexiune sub forma unui V de precizie
Clei de
imersie
Fibra optică
Tub protector
Figura 41 – Metoda de îmbinare mecanică individuală
Fixarea permanentă se face cu un clei de imersie cu întărire rapidă și cu ajutorul unei tole de asemenea în formă de V plasată pe îmbinare și menținută printr-un resort. Sertizarea tolelor pe tuburile protectoare asigură o racordare rezistentă la eforturi de tracțiune. Îmbinarea mecanică individuală este la îndemâna și deoarece această metodă nu cere „flacără deschisă”, acest aparat se poate folosi la îmbinări în medii explozive. Atenuarea medie este în jur de 0,2 dB (aceasta depinzând și de toleranțele fibrelor).
4.1.3.2. Îmbinarea termică individuală
Un aparat de îmbinare termică servind la sudarea individuală a fibrelor mono și multimod este ușor de manevrat. Acest aparat este realizat în construcție modulară, ceea ce garantează o întreținere simplă. El poate fi alimentat de la rețea sau printr-un acumulator integrat, ceea ce permite o utilizare independentă de rețea. Puterea absorbită este de maximum 70 VA. Pot fi efectuate mai mult de 150 de suduri dacă acumulatorul este bine încărcat. O interfață – serială permite racordarea unei imprimante sau a unui calculator personal (PC). Îmbinarea (joncționare) se derulează în mod aproape în întregime automat în trei operațiuni esențiale, descrise mai jos. Aceasta a fost posibilă prin integrarea sistemului LIDTM (sistem de injectare și de detecție locală de lumină pentru fibre optice) și prin microprocesorul care comandă aparatul.
Operațiuni
Pregătirea fețelor fibrelor
Se înlătură toate elementele de cablaj, înveliș protector, armătura, mantaua cablului, pentru a avea acces la tuburile protectoare. Apoi se taie tuburile protectoare și în final se scot câțiva centimetri din învelișul primar al fibrelor optice rămase. Se fracturează apoi fibra (fără înveliș) cu ajutorul unui dispozitiv de tăiat și rezultă o suprafață „oglindă”.
O astfel de față, perpendiculară pe axa fibrei este necesară pentru a realiza p îmbinare bună. Dispozitivul de precizie permite fracturi având erori unghiulare mai mici de 1°.
Alinierea fibrelor
Cele două fibre sunt aliniate după inserția capetelor în dispozitivul de fixare din aparatul de îmbinare.
Îmbinarea capetelor de fibră
O tensiune alternativă de înaltă frecvență servește la amorsarea arcului electric. Între electrozi se produce o descărcare necesară la îmbinare.
Ultimele două operațiuni se execută automat cu ajutorul sistemului LID și a comenzilor primite de la microprocesor, componente ale aparatului de lipit fibra optică. Aceasta aduce un câștig de timp considerabil și în același timp o diminuare remarcabilă a atenuărilor datorate îmbinărilor.
Tuburile protectoare sunt fixate într-un modul de îmbinare. După îmbinarea fibrelor, acestea sunt pozate în modulul de îmbinare unde sunt protejate. Aparatul conține un suport de modul de îmbinare, care acceptă diferite tipuri de module, fie din plastic fie din metal.
Atenuarea sudurilor este de ordinul a 0,1 dB (aceasta depinde de asemenea de toleranțele de fabricare ale fibrelor optice).
4.1.3.3. Îmbinarea colectivă
Numărul crescând de cabluri care poartă numeroase fibre, mărește în mod inevitabil complexitatea tehnicilor de îmbinare. Pentru a reduce aceste dificultăți s-au dezvoltat tehnici de îmbinare multiplă. Acest procedeu nou permite realizarea de exemplu a 12 îmbinări simultane. Și pentru această îmbinare colectivă se face distincția ca și pentru îmbinările individuale între îmbinarea mecanică și îmbinarea termică.
Îmbinarea colectivă mecanică
Toate părțile îmbinării colective sunt construite din siliciu. Forme în V unde vor fi adăpostite fibrele și ghidurile pentru a menține cele două elemente de contact au fost gravate pe suportul de bază printr-un sistem care garantează o precizie înaltă. După ce au fost poziționate fibrele optice, un astfel de element de conexiune permite adăpostirea a maximum 12 fibre multimod sau 6 fibre monomod. După polizarea extremităților fibrelor se procedează la asamblarea elementelor de conexiune în siliciu. Elementele de conexiune colectivă sunt montate pe un modul care protejează îmbinarea și fibra contra deformărilor mecanice.
Îmbinarea poate fi asamblată pe șantier. Aparate adecvate sunt disponibile în acest scop. În mod obișnuit ele sunt confecționate în uzină. Pe șantier se face doar cuplarea celor două extremități. Este posibil de a separa și a conecta din nou de mai multe ori elementele de conexiune, fără nici un inconvenient. Atenuarea de inserție pentru o fibră multimod de dimensiuni 50/125 μm este de aproximativ 0,2 dB, iar pentru o fibră monomod 10/125 μm este de aproximativ 0,5 dB la îmbinare.
Îmbinarea colectivă termică
Pe lângă aparatul de îmbinare termică individuală funcționând automat, există un aparat de îmbinare colectivă. El funcționează după următorul principiu: o tensiune alternativă de înaltă frecvență furnizează, printr-o descărcare între cei doi electrozi, căldura necesară pentru a topi capetele fibrelor. O aliniere exactă a fibrelor între ele ca și o poziționare corectă a celor doi electrozi este de o importanță deosebită pentru a obține rezultate bune la îmbinare. Datorită faptului că operațiunile cum ar fi înlăturarea învelișului, fracturarea fibrei și montarea protecției îmbinării, se derulează în mod simultan pentru toate fibrele, timpul de îmbinare a 10 fibre dintr-un tub este redus cu 75% în raport cu timpul necesar folosind aparate individuale.
4.1.4. Conectoare
Conectoarele sunt utilizate pe linia de transmisiune optică pentru a separa cu ușurință două fibre optice și, dacă este cazul, de a le cupla cu pierderi minime. După diametrul miezului fibrei utilizate și atenuarea de inserție tolerabilă (admisibilă) pentru conexiune , trebuie satisfăcute cerințe variate în ceea ce privește toleranțele mecanice ale conectoarelor.
Din punct de vedere funcțional, conectorii se împart în două tipuri: un tip ce se bazează pe principiul cuplajului prin lentile (figura 42), iar cel de al doilea tip pe principiul cuplării fețelor (figura 43).
4.1.4.1. Cuplarea prin intermediul lentilelor
Acest procedeu utilizează lentilele sau alte sisteme optice transformatoare de imagini cu care se pot efectua transformări ale luminii care iese din fibrele emițătoare. Lumina care iese este transformată mai întâi în raze cvaziparalele de un diametru cât mai mare și apoi este focalizată din nou pe fața fibrei receptoare. Avantajul acestei metode de cuplare este separația mare care poate fi tolerată în mod parțial la nivelul regiunii de cuplare.
Plan de joncționare
Figura 42 – Principiul cuplării prin lentile
Totodată acest avantaj este obținut cu prețul unor pierderi suplimentare produse de către sistemele transformatoare de imagini și datorită reflexiei interfețelor individuale, indicilor de refracție diferiți și celei mai stricte limite de aliniere unghiulară.
Cu excepția câtorva aplicații speciale cum ar fi cuplarea diodelor semicondu-ctoare cu fibra optică, în practică se utilizează conectoare funcționând după principiul cuplajului frontal al fețelor.
4.1.4.2. Cuplajul frontal a două fețe
O caracteristică a cuplajului frontal al fețelor (figura 43) este faptul că fețele de ieșire și de recepție sunt plasate în paralel și foarte aproape una de alta, acesta contează atât pentru o fibră, cât și pentru o diodă. Acest sistem permite realizarea unor conexiuni cu pierderi mici numai pentru gama lungimilor de undă 860 nm, 1300 nm și 1500 nm.
Plan de joncționare
Figura 43 – Principiul cuplării fețelor
În ceea ce urmează, se tratează deci, în mod exclusivist, conexiunile funcționând prin cuplarea frontală a fețelor.
Pentru a se evalua calitatea transmisiei unei conexiuni (legături), se consideră atenuarea sa de inserție, adică se determină creșterea de atenuare a unui segment de legătură, când se inserează o conexiune suplimentară. Pierderile de inserție rezultă din toleranțele părților conectorului și ale fibrei.
În general trebuie menținute la minim nealinierea axială și unghiulară a fibrei ca și distanța între fețele fibrelor.
Fețele trebuie curățate și uscate cu grijă fără a le zgâria. În general, trebuie considerat că pierderile sunt datorate nu numai reflexiilor la interfața sticlă – aer (pierderile Fresnel), ci și variațiilor de atenuare prin interferențe. Pierderile pot fi reduse printr-un tratament antireflexie și/sau prin aplicarea unui „gel de indice”. Toleranțele deschiderii (aperturii) numerice AN și a diametrului miezului sunt mărimi de influență specifice fibrelor optice. Aceasta contează mai ales pentru fibrele multimod pentru care valoarea lui AN fibră emițătoare și diametrul miezului e mai mare decât este mai mare decât AN fibră receptoare și diametrul fibrei receptoare. Trecerea de la un miez mai mic la unul mai mare este noncritică dacă este vorba de fibre multimod. Diametrul racordului cel mai utilizat este de 2,5 nm. Există două metode: conectorul optic tip fixare cu șurub (DIN 47256) și conectorul optic utilizat cu șasiu anfisabil (DIN 47257). Sunt disponibile și alte dimensiuni pentru aplicații speciale.
Cablurile cu elemente de tracțiune din materiale sintetice sau fire de oțel (pentru aplicații speciale) pot fi acroșate (prinse) în mod suficient prin sertizare crimping. După diametrul fibrei – și de asemenea pentru egalizarea toleranțelor diametrului – este disponibil un sortiment de racorduri cu grade de precizie variate (gradații cu pas de 3 μm).
Există formate speciale de conexiune pentru alte aplicații, de exemplu pentru racordarea la convertoare optoelectronice sau pentru montare în batiuri (rame) de tipul 7R sau în alveole de contacte. Atenuarea de inserție este de aproximativ 1 dB. Pentru conexiunile monomod se încearcă să se atingă valori mai mici de 1 dB, ceea ce implică în mod natural toleranțe în mod considerabil mai mici. Pentru montaj pe șantier, în cazul în care fișele nu pot fi perfecționate la fabricant, sunt disponibile kit-uri de montaj care permit un montaj ușor și rapid al conectoarelor. Atenuarea de inserție este în general puțin mai ridicată comparată cu conectoarele preconfecționate.
4.2. Metode de măsură
4.2.1. Metode de măsură a puterii
4.2.1.1. Metoda puterii transmise
Există două metode care utilizează tehnica puterii transmise (figura 44).
1 3 4 5
2
Figura 44 – Metoda puterii transmise
Unde: 1 – sursa luminoasă; 2 – dispozitiv optic; 3 fibra optică; 4 detector; 5 – evaluare.
Cele două metode sunt: metoda prin tăiere (cut back method) și metoda pierderilor de inserție (insertion loss technique).
Metoda prin tăiere impune măsurarea puterii optice în două puncte L1 și L2 ale fibrei optice. Obișnuit, L2 se găsește la ieșire și L1 foarte aproape de intrarea fibrei optice. În timpul măsurării, se înregistrează mai întâi puterea optică P la ieșirea L2 (în km) și apoi la intrarea L1 (în km); pentru a efectua această măsurare fibra optică este tăiată în punctul L1 fără a schimba condițiile de injecție între sursa luminoasă (emițător) și fibra optică.
Coeficientul de atenuare α (în dB/km) este dat de:
.
Metoda este de tipul „încercare destructivă” căci, o bucată mică din fibră trebuie să fie tăiată, ceea ce nu este prea rațional pentru cablurile confecționate (cabluri dotate cu conectori). În acest caz, este mai avantajos să se utilizeze metoda pierderilor de inserție; cu această metodă se înregistrează puterea luminii la ieșirea fibrei care trebuie testată și se compară apoi cu puterea luminii care iese dintr-o mică bucată de fibră; această bucată de fibră servește de referință și trebuie să aibă caracteristici și o structură identică cu fibra pe care vrem s-o testăm. Pentru realizarea măsurării, condițiile de injecție în fibra de referință și în fibra de probe, trebuie să fie cât posibil asemănătoare. Din pricina acestor restricții măsurările efectuate prin metoda pierderilor de inserție sunt mai puțin exacte și reproductibile decât cele obținute prin metoda tăierii. În metodele de măsură utilizând tehnica puterii transmise, lumina este injectată la intrarea fibrei optice (partea sursei), parcurge fibra și apoi este măsurată la ieșire (partea de detecție).
Este vorba de o măsură cumulativă, care se referă la lungimea globală a fibrei. Dezavantajul acestei măsurători este că ea nu furnizează nici o informație asupra variațiilor locale ale atenuării de linie. Mai mult, cele două capete ale fibrei trebuie să fie accesibile.
4.2.1.2. Metoda prin retrodifuzie
În metoda prin retrodifuzie (back scattering technique), lumina este injectată și primită la același capăt al fibrei (figura 46).
Această metodă furnizează în plus informații în legătura cu atenuarea de linie.
Acest procedeu de măsură este bazat pe difuzia Rayleigh. In timp ce majoritatea puterii optice se propagă direct până la capătul fibrei, o mică cantitate este retrodifuzată spre emițător. Această putere luminoasă, astfel retrodifuzată, suferă la rândul său o atenuare pe traseul de întoarcere. Restul de lumină aflat la intrarea în fibră este captat prin intermediul unui deviator, de exemplu o oglindă semitransparentă, și măsurat. Poate fi întocmită o diagramă care reprezintă puterea optică retrodifuzată în funcție de timpul de propagare. Astfel, coeficientul este derivabil pe toată lungimea fibrei (figura 47).
3
2
4
Figura 46 – Metoda retrodifuzie
Unde: 1 – sursa luminoasă; 2 deviator; 3 – fibra optică; 4 evaluare; 5 – detecție.
Comportamentul temporal al semnalului retrodifuzat poate fi observat cu ajutorul unui osciloscop.
Dacă coeficientul de atenuare și factorul de retrodifuziune sunt constante în lungul fibrei optice, se obține o curbă exponențială descrescătoare, începând de la intrarea fibrei. Datorită saltului de indice de refracție, la intrarea și la ieșire fibrei, o cantitate relativ mare de lumină este retrodifuzată în aceste locuri ceea ce produce un vârf la începutul și sfârșitul curbei. Cunoscând diferența de timp Δt între cele două vârfuri, viteza luminii în vid c0 și indicele de refracție de grup ng ≈ 1,5 în sticla miezului, putem calcula lungimea L a fibrei:
,
unde: L – lungimea fibrei optice, în km; Δt – diferența de timp între vârfurile impulsului de intrare și de ieșire, în s; c0 – viteza luminii în vid 300000 km/s; ng – indice de refracție de grup efectiv, în sticla miezului.
Coeficientul de atenuare α al unei secțiuni de fibră optică între L1 și L2 este dat de:
.
1 2
P1 3
P2 2
L1 L2
0
Lungimea fibrei optice L
Figura 47 – Diagrama de retrodifuzie
Unde: 1 – retrodifuzie la intrarea fibrei optice; 2 – retrodifuzie la locul unei îmbinări; 3 – retrodifuzie la ieșirea fibrei optice.
Dacă comparăm această ecuație cu cea obținută prin metodele puterii transmise, putem observa că, în acest caz, utilizarea factorului de retrodifuziune, apertura numerică și diametrul miezului, să nu varieze în lungul fibrei. Dacă invariabilitatea acestor factori nu este asigurată, este convenabil să se execute două măsurători, adică câte una de fiecare parte a fibrei optice și să se calculeze media rezultatelor. Pentru că puterea retrodifuzată este relativ slabă, sensibilitatea receptorului trebuie să satisfacă într-o largă măsură toate exigențele. Pentru ameliorarea semnalului recepționat, un circuit electronic efectuează media unui număr mare de valori măsurate individual. Aparatele de măsură care utilizează principiul retrodifuziei, sunt numite reflectometre (OTDR – Optical Time Domani Reflectometer). În afară măsurării coeficientului de atenuare, pot fi verificate pierderile optice ale fibrelor sudate (salt de atenuare datorat conectorilor sau sudurilor).
4.2.2. Metode de măsurare a benzii de trecere
Pentru fibra multimod, măsurarea benzii de trecere depinde condițiile de excitare a modurilor, adică de felul cum este injectată lumina în fibra optică. Dacă de exemplu, lumina punctiformă cu apertura redusă este radiată pe o suprafață din miez se excită doar modurile acestui loc și timpul lor de propagare poate fi, atunci, studiat separat. Un astfel de procedeu este numit – DMD (differential mode delay). Astfel este posibil să se examineze profilurile de refracție și să se verifice dacă ele es apropie de forma ideală, fără dispersie modală. Perturbațiile profilului sunt indicate de diferențe în timpii de întârziere ai modurilor individuale, ceea ce se manifestă prin preimpulsuri sau prin impulsuri întârziate.
Toate modurile care se pot propaga, ating o stare de echilibru prin amestecul de moduri. Această stare depinde de proprietățile fibrei optice și de condițiile exterioare. În timp ce măsurarea atenuării furnizează valori proporționale cu lungimea fibrei, același lucru nu mai este valabil decât limitat pentru banda de trecere. Cu factorul γ, care și el depinde de lungime (se mai numește și indice de lungime), putem descrie simplificat dependența benzii de trecere B de lungimea L a fibrei. Se poate scrie:
,
unde: B – banda de trecere a sistemului, în MHz; B1 – banda de trecere a fibrei optice în punctul L1, în MHz; L – lungimea fibrei optice, în km; L1 – lungimea fibrei optice – de obicei 1 km – pentru banda de trecere B1; γ – factorul γ.
Factorul γ este egal cu 1 la începutul fibrei optice și descrește progresiv tinzând către 0,5 pentru lungimi foarte mari. Intermediar variază între 0,5 și 1. Factorul γ nu poate fi determinat decât experimental, măsurând banda de trecere a fibrei optice în funcție de lungimea L. Pentru aceasta, fibra ar trebui să fie secționată în bucăți, ceea ce nu este practic. Este foarte dificil să se raporteze mărimile benzii de trecere în funcție de lungimea unei fibre față de alta. În prezent nu se cunoaște un procedeu experimental sau teoretic satisfăcător. Cu toate acestea fenomenul nu are influență asupra bunei funcționări a rețelelor cu cabluri optice dacă a fost făcută o proiectare judicioasă.
Apoi, vor fi descrise determinarea benzii de trecere B a unei fibre optice și modulul funcției de transfer H(fm).
Se propun aici două metode:
măsurarea în domeniul frecvență (frequency domain)
măsurarea în domeniul timp (time domain)
4.2.2.1. Măsurarea în domeniul frecvenței
Conform definiției funcției de transfer, amplitudinea puterii optice a unei surse cu frecvența fm, continuu crescătoare, este modulată. La ieșirea fibrei optice puterea este măsurată cu un detector. În pasul următor, modulul funcției de transfer și prin urmare banda de trecere, pot fi calculate utilizând ecuațiile adecvate. Dacă se dispune de un emițător în care se menține constantă amplitudinea puterii optice P1(fm), independent de frecvența de modulație fm atunci se poate citi direct pe emițător lărgimea de bandă B. Această lărgime de bandă corespunde frecvenței emise pentru care amplitudinea puterii optice P2(fm) la receptor scade la o valoare egală cu jumătatea din puterea la frecvența nulă. Această metodă de măsură se poate efectua rapid și cu un aparataj redus. Ea este special adaptată pentru măsurarea benzii de trecere a cablurilor cu fibre optice deja instalate.
4.2.2.2. Măsurarea în domeniul timp
Această metodă de măsurare este utilizată pentru a studia alungirea în timp a impulsurilor, datorată efectelor de dispersie în fibra optică. Se injectează un impuls scurt (durata tipică este de 100 ps) în fibra ce se află sub observație.
Impulsul se lungește în timp ce parcurge fibra datorită dispersiei modale și dispersiei materialului. Impulsul de ieșire rezultat este recepționat de către fotodioda receptorului, amplificat și transmis la intrarea uni osciloscop de eșantionare. Pentru determinarea impulsului de intrare este necesar să se repete măsurătoarea pe o lungime mai mică a fibrei (în jur de 2 m) care are perturbații slabe.
Pe baza datelor corespunzătoare impulsului de intrare g1(t) și impulsului de ieșire g2(t), se pot calcula prin integrare duratele efective ale impulsurilor T1 și T2. Deducem de aici lungirea efectivă a impulsului:
și o valoare aproximativă pentru banda de trecere:
.
În această ultimă expresie, aproximativă, se presupune un impuls de formă gaussiană (aceasta explică utilizarea factorului 0,375), fără a ține cont de structura reală a impulsului, exceptată pentru durata sa efectivă. Pentru a obține o determinare exactă a benzii de trecere, trebuie făcută o transformare Fourier a impulsurilor și o trecere din domeniul timp în domeniul frecvență. Pentru aceasta, se determină prin integrare modulul și faza funcției de transfer corespunzând impulsurilor de intrare și de ieșire. Trecând de la măsurarea amplitudinii la domeniul frecvență, se obține și faza funcției de transfer, care furnizează o informație despre simetria formei impulsului. Banda de trecere rezultă din modulul acestei funcții de transfer și este egală cu frecvența, pentru care modulul acestei funcții a scăzut la jumătate, comparată cu modulul obținut pentru o frecvența nulă. Figura 48 prezintă o diagramă de măsură a benzii de trecere în domeniul timp.
Modul (opt.)
0 + 90°
dB
Fază
– 3 0
– 6 – 90°
0 240 480 720 960 1200
f
MHz
Figura 48 – Diagrama benzii de trecere
măsurată în domeniul timp
4.2.3. Metode de măsurare a dispersiei cromatice
Pentru măsurarea dispersiei cromatice M(λ) în funcție de lungimea de undă λ, se utilizează un emițător cu frecvență variabilă sau mai multe emițătoare cu diferite lungimi de undă fixe. Un laser neodiym – granat de ytriu-aluminiu (Nd-YAG) este o sursă foarte puternică pentru o gamă de unde de la 1064 nm la 1800nm. El generează o difuziune Raman într-o fibră puternic dopată de o lungime de câteva sute de metri. Cu ajutorul unui monocromator, lungimea de undă de măsură dorită este filtrată din spectru și injectată în fibra supusă testului. La ieșirea fibrei, cu ajutorul unui detector și a unui osciloscop, se măsoară timpul de propagare absolut de grup tg pentru lungimea L a fibrei. Efectuând mai multe măsurători se obține timpul de grup tg în funcție de lungimea de undă λ (figura 49).
30
ns
1
20
2
15
10
5
0
1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
λ
μm
Figura 49 – Timpul de propagare al unei fibre optice monomod
în funcție de lungimea de undă
Unde: 1 – fibra optică monomod cu un punct de zero la 1,3 μm; 2 – fibra optică cu un punct de zero la 1,55 μm.
Pentru determinarea dispersiei cromatice M(λ), se calculează panta curbei timpului de grup pe care o împărțim la lungimea L a fibrei optice. Figura 50 arată curba corespunzând dispersiei cromatice.
M(λ) 30
ps/nm×km
1
10
2
0
– 10
– 20
– 30
1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
λ
μm
Figura 50 – Dispersia cromatică a unei fibre optice monomod
în funcție de lungimea de undă
Unde: 1 – fibra optică monomod cu dispersia nulă la 1,3 μm; 2 – fibra optică monomod cu dispersia nulă la 1,55 μm.
În plus față de această măsurare a dispersiei cu ajutorul difuziei Raman, se poate utiliza un dispozitiv format din mai multe diode laser, emițând pe lungimi de undă apropiate de dispersia nulă. Se obțin astfel timpii de propagare de grup tg pentru lungimile de undă determinate. Cu ajutorul interpolării și cu o netezire adecvată a curbelor se poate stabili o curbă pentru timpul de propagare de grup. Alte evaluări se efectuează conform metodei Raman.
Un astfel de dispozitiv cu diodă laser este foarte manevrabil și poate fi utilizat chir pentru măsurări pe șantier. Totuși, datorită lungimilor de undă predefinite, este îndoielnic ca dispersia să poată fi determinată cu suficientă exactitate pentru fibrele optice monomod cu indice în treaptă multiplă.
4.2.4. Metode de măsurare a lungimii de undă de tăiere
Metoda puterii transmise
Metoda puterii transmise este frecvent utilizată pentru măsurarea lungimii de undă de tăiere. Ea constă în măsurarea puterii luminoase spectrale a unei bucăți de fibră de 2 m lungime. Mai întâi se măsoară fibra necurbată (raza de curbură superioară lui 130 mm), apoi fibra este măsurată după ce a fost înfășurată o dată în jurul unei mandrine de 30 mm diametru.
Atenuarea rezultată a înfășurării este calculată în funcție de lungimea de undă și este înregistrată într-o diagramă (figura 51).
20,0
a
dB 10,0
5,0
2,0
1,0
0,5
0,2
0,1
600 800 1000 1200 1230 1400 1600
λ
Figura 51 – Determinarea lungimii de undă de tăiere prin
metoda puterii transmise
Aceasta dă mai multe maxime de atenuare cu panta mare spre lungimi de undă crescătoare. Aceste flancuri determină lungimi de undă de tăiere ale modurilor de ordin inferior.
Lungimea de undă de tăiere λc a modului LP11 este egală cu lungimea de undă corespunzătoare trecerii flancului descrescător al maximului îndepărtat (pentru lungimea de undă cea mai ridicată) printr-o linie dreaptă paralelă cu abscisa care se găsește la 0,1 deasupra acesteia.
Valoarea λc măsurată prin această metodă, n este numai o caracteristică structurală a fibrei optice, dar depinde de asemenea de lungimea aleasă pentru efectuarea testării.
Se observă în particular că: cu cât sunt mai scurte fibrele optice cu atât sunt mai mari lungimile de undă de tăiere. Lungimea de tăiere, teoretică, a unei fibre optice de o lungime de câțiva milimetri, este superioară cu 100 nm față de cea a fibrei cu o lungime de 2 m.
4.2.5. Metode de măsurare pentru diametrul câmpului de mod
Metoda decalajului transversal
Există diferite metode pentru măsurarea diametrului câmpului de mod, dar uzual se aplică metoda decalajului transversal (offset method). Pentru a realiza aceasta, o bucată de 2 m din fibra care se dorește testată este cuplată la un decibelmetru spectral care permite determinarea puterii optice în funcție de lungimea de undă. Apoi fibra de testat este tăiată la mijloc și cele două capete sunt plasate față în față în locașurile unui dispozitiv de micropoziționare, într-un asemenea mod încât să fie separate de o distanță inferioară diametrului miezului. Cu ajutorul dispozitivului de poziționare se decalează un capăt până se obține o transmisie maximă a luminii detectorului decibelmetrului. Apoi, lumina transmisă este măsurată în funcție de deplasarea capetelor fibrei decalând un capăt în direcția radială cu pași echidistanți și înregistrându-se puterea optică descrescătoare.
Distanța care separă cele două puncte, la care puterea măsurată este egală cu 1/e din puterea maximă, este numită diametrul câmpului 2W0 (figura 52).
Lungimea de undă de măsură pentru determinarea diametrului câmpului de mod a fost fixată la 1300 nm. Dacă se măsoară diametrul sau raza câmpului în funcție de lungimea de undă, se obține o curbă ca cea prezentată în figura 53 pentru fibra optică monomod tip.
Transmisia luminoasă 2W0 = 10,1 μm, λ = 1300 nm.
% 100
80
60
40
1/e
20
0
– 10 – 8 – 6 – 4 – 2 0 2 4 6 8 10
Decalaj
μm
Figura 52 – Determinarea câmpului de mod prin decalaj transversal
Descreșterea abruptă a diametrului câmpului 2W0 la 1200 nm indică lungimea de undă de tăiere λc a modului LP11.
2W0
14
μm
13
12
11
10
λc=1230 nm
9
1100 1200 1300 1400 1500
nm
λ
Figura 53 – Diametrul câmpului de mod în funcție de lungimea de undă
Capitolul 5
Transmisiuni pe fibra optică
5.1. Introducere
Fibrele optice oferă un mediu de transmitere foarte avantajos, astfel că ele sunt preferate pentru transportul aplicațiilor pentru majoritatea aplicațiilor. Ele asigură o viteză de transmisie foarte mare. Sunt deja în exploatare fibre optice de 2 și 10 Gbit/s și sunt în curs de cercetare și experimentare fibre optice de 40 de Gbit/s.
Fibrele optice sunt utilizate pentru transmisiuni la distanțe foarte mari (continentale, transoceanice), dar pot fi folosite și pentru distanțe foarte mici (de exemplu pe lungimi de ordinul a 300 cm). Ele sunt folosite în prezent în LAN-uri cu debite de 100 Mbit/s și în rețelele de acces.
Un link pe fibră optică constă dintr-o sursă de lumină (transmițătorul), cablul de fibră optică cu conectori și/sau îmbinări (splices) și un detector de lumină (receptor) (figura 54). În partea emițătorului un semnal electric modulează intensitatea unei surse luminoase. Semnalul optic este cuplat la fibra optică și sosește la partea receptoare unde detectorul optic transformă semnalul optic într-un semnal electric. Link-urile de fibră optică lungi necesită repetoare intermediare. Distanța dintre repetoare este mult mai mare în comparație cu cea necesară sistemelor cu cabluri coaxiale.
În tehnica semiconductorilor, convertizoarele optoelectronice sunt constituite din elemente chimice din grupele III, IV, V – din tabelul periodic al elementelor și compușii lor (de exemplu: In, Ga, AsP/InP) și și-au demonstrat aptitudinea deosebită.
LED sau LD i1 i2 Fotodioda
P1 Ghid de undă optic P2
Transmițătorul optic Receptorul optic
De la SMX Spre DSMX
Interfață ITU Interfață electrică
Interfață electrică
Figura 54 – Principiul comunicației optice
Unde: P1, P2 – puterea optică transmisă/recepționată; i1, i2 – curent în laser sau fotodiodă.
Avantajele utilizării cablurilor optice sunt următoarele:
viteză de transmisie foarte mare,
atenuare mică,
eliminarea interferențelor și a diafoniei,
volum și greutate mult mai mici în comparație cu cablurile de cupru,
material foarte ieftin.
Atenuarea în fibră este mult mai mică de 0,25 dB la km pentru lungimi de undă mari. Pentru fibra monomod dispersia este neglijabilă. Pentru debite de transmisie foarte mari (> 1 Gbit/s), dispersia cromatică devine un element important.
Pentru semnalul digital, cea mai bună soluție este transmiterea pe fibră optică ce permite secțiuni de regenerare mai mari de 50 km.
Cablurile simetrice sunt utilizate pentru maxim 30 de canale temporale, iar cablurile coaxiale pentru maxim 7680 de canale, iar lungimea secțiunilor este mult mai mică în comparație cu cea impusă de fibra optică.
5.2. Traductoare optoelectronice
Un traductor optoelectronic trebuie să asigure:
conversia semnalelor electrice în semnale optice,
conversia semnalelor optice în semnale electrice.
Traducătorul optoelectronic conține două tipuri de elemente: transmițătorul și receptorul.
5.2.1. Transmițătorul
Transmițătorul realizează 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:
optimizarea semnalului luminos prin controlul câștigului și al condiționării de semnal;
compensarea cu temperatura astfel încât să nu se depășească capacitatea de curent a sursei de lumină, în special la LD;
reglarea curentului de alimentare pentru a proteja sursa de lumină și pentru a optimiza răspunsul optic.
Semnal electric de intrare Semnal optic de ieșire
Conector fibră
DRIVER
Figura 55 – Schema bloc a unui transmițător de fibră optică
Sursa de lumină poate fi realizată cu diodă electroluminiscentă – LED (Light Emitting Diode) sau cu diodă laser – LD (Laser Diode) și are simbolul:
5.2.1.1. Dioda electroluminiscentă (LED)
O diodă semiconductoare care emite lumină prin emisie spontană, se numește diodă electroluminiscentă. Calitatea conversiei curentului electric în lumină este descrisă de „randamentul cuantic”, care desemnează raportul între numărul de fotoni emiși în unitatea de timp și numărul de sarcini transportate prin joncțiunea pn a diodei semiconductoare (pentru GaAs acest randament cuantic este cuprins între 0,5% și 1%).
Cum randamentul cuantic descrește cu creșterea temperaturii, trebuie să se evite o recombinare în zona de recombinare și în consecință trebuie să se asigure degajarea căldurii printr-o construcție adecvată LED-ului.
Lungimea de undă a luminii degajate este un alt parametru important care prezintă interes. Ea este determinată mai ales de intervalul de bandă Eg și este aplicabilă următoarea relație:
,
unde: λ – este lungimea de undă, în μm; Eg – un interval de bandă, în eV; h. = 1,24.
Valoarea lui Eg a unei diode cu arseniură de galiu (GaAs) este de 1,43 eV și λ semnifică deci 0,89 μm la temperatura mediului ambiant.
Pentru fosfura de indiu (InP), Eg = 1,35 eV și λ = 0,92 μm. Lărgimea spectrală Δλ a unei diode electroluminiscente (LED) este aproximativ proporțională cu pătratul lungimii de undă λ; ea crește puternic cu lungimile de undă crescătoare.
Timpul de creștere al unui LED este un alt parametru important care permite să se predetermine timpul de răspuns al diodei. Durata de viață a purtătorilor în exces determină emisia luminoasă după întreruperea curentului. Sub această limită, dioda este incapabilă să urmeze variațiile curentului de injecție. Timpii minimali tipici sunt câteva nanosecunde, ceea ce corespunde unei benzi de trecere de modulație de aproximativ 100 MHz. Cum timpul de răspuns și randamentul cuantic depind de concentrația golurilor, nu pot să fie optimizate amândouă în același timp. LED-urile „rapide” degajă mai puțini fotoni din punct de vedere al curentului.
5.2.1.2. Dioda laser (DL)
Dioda laser (DL) este o altă sursă luminoasă, utilizând emisia stimulată. Într-o diodă laser se provoacă prin intermediul unui curent de înaltă densitate, un exces important de purtători care face posibilă o puternică emisie stimulată. Acest efect de amplificare, datorat unei avalanșe de fotoni este suportat de către un rezonator optic care este construit în general din două oglinzi semitransparente cu fețe plane paralele. Cele două fețe „oglindă” ale diodei laser sunt suprafețe din cristal natural, rezultând din clivajul cristalului semiconductor, acoperite de un strat protector. Pentru a arăta diferința dintre o diodă electroluminiscentă și o diodă laser, figura 56, ilustrează curbele caracteristice ale puterii luminoase în funcție de curent. Pe măsură ce crește curentul din diodă se atinge o limită unde amplificarea luminii în cristal compensează pierderile provocate de atenuare și de radiații.
Deasupra acestei limite începe o emisie puternică laser. Contrar LED-ului și repartiției sale largi, emisia diodei laser are loc într-una sau câteva linii ale spectrului (figura 57).
Puterea luminoasă
Funcționarea DL
Curent de diodă
Curent de prag
Funcționare LED
Figura 56 – Puterea luminoasă în funcție de curentul unei diode laser
1 2
Δλ
λm λ λ
Figura 57 – Repartiția spectrală a emisiei unui LED
și a unei diode laser
Lărgimea unui spectru de emisie este indicată în mod obișnuit sub formă de lărgime spectrală (la jumătatea înălțimii față de vârf) Δλ sau ca lărgime spectrală efectivă Δλeff. Relația următoare este verificată pentru un spectru gaussian:
sau
Radiația prin emisie simulată a unei diode laser este coerentă spațial, ceea ce nu este cazul LED-ului. Comparat cu cel al LED-ului, lobul radiației este mult mai îngust și aceasta ușurează un cuplaj foarte eficace al radiației în fibră (figura 58).
1 2
Figura 58 – Repartiția spațială a radiației unui LED (1)
și a unei diode laser (2)
5.2.2. Receptorul
Un receptor de fibră optică conține un cuplor de fibră, un detector de lumină și un circuit de interfață optoelectronică.
Semnal
optic
de intrarea Semnal
electric
de ieșire
Driver
Figura 59 – Schema bloc a receptorului de fibră optică
Receptorul realizează conversia semnalelor optice în semnale electrice și poate fi realizat cu fotodiode de tip PIN sau APD. Simbolul grafic al receptorului este:
O fotodiodă detectează lumina prin intermediul unei joncțiuni semiconductoare de tip pn, în care radiația luminoasă incidentă produce un fotocurent de intensitate proporțională cu puterea sa.
5.2.2.1. Fotodioda PIN
În semiconductoarele cu coeficienți mici de absorbție se mărește zona de absorbție pentru radiație intercalând un strat semiconductor nedopat (zona i intrinsecă) între straturile semiconductoare p și n. Se vorbește atunci de o diodă PIN. Între cele două straturi p și n, adică în zona intrinsecă, se află un strat antireflexie de siliciu (Si3N4) cu rol de a împiedica pierderile prin reflexie.
Ea asigură un timp de răspuns foarte mic, ceea ce face ca dioda PIN să fie foarte utilizată în sistemele cu fibră optică.
Fotodiodele PIN pot fi completate printr-un tranzistor TEC (tranzistor cu efect de câmp) pentru a mării sensibilitatea. Cu aceste module PIN – TEC, care există sub formă hibridă se ating sensibilități foarte mari.
5.2.2.2. Fotodioda cu avalanșă (APD)
Fotodioda APD (Avalanche PhotoDiode) este o fotodiodă care combină detecția semnalelor optice cu amplificarea internă a fotocurentului prin multiplicarea în avalanșă a purtătorilor în regiunea joncțiunii. Dacă purtătorii accelerați în câmpul electric ating viteze atât de mari încât purtătorii suplimentari sunt creați prin coliziune (ionizarea prin șoc), atunci se obține un curent fotoelectric deosebit de ridicat. Acest fenomen este numit clacarea prin avalanșă.
APD cu siliciu pentru lungimi de undă până la 1100 nm
În principiu putem face o fotodiodă PIN să funcționeze ca o fotodiodă în avalanșă. Se cere o tensiune foarte înaltă cu scopul de a obține un câmp electric suficient de ridicat pentru a obține clacajul prin avalanșă.
Figura 59 arată sensibilitatea detectoarelor cu diodă PIN în comparație cu cea a diodelor APD cu siliciu pentru o rată de eroare de 10-9 biți.
APD cu InGaAs/InP pentru 1300 nm
Într-un mod asemănător cu dioda PIN, iradierea are loc prin substrat, totuși joncțiunea pn nu se găsește în stratul InGaAs ci în InP. Acolo o zonă de mare intensitate a câmpului se formează în stratul n al lui InP, în care clacajul prin avalanșă poate fi atins mult mai ușor. Pentru a concentra golurile create de către fotoni este suficient să aplicăm un câmp de mică intensitate.
Ca și la dioda PIN se poate combina un APD cu un TEC pentru îmbunătățirea calităților.
Avantajul utilizării fotodiodelor de tip APD este raportul semnal/zgomot ridicat, în special la viteze mari de transmisie.
Putere de -30
intrare
dB
-40
-50
PIN
-60 APD
-70
1 10 100 1000
Debit numeric de transmisie
Mbit/s
Figura 59 – Sensibilitatea fotodiodelor PIN și APD
5.3. Componente optice
În liniile de transmisiuni prin cabluri optice și racordurile punct la punct, extremitățile cablurilor se termină prin conectoare; acestea trebuie să fie compatibile cu dimensiunile interfețelor diodelor emițătoare și receptoare. Legăturile pot fi întrerupte utilizând „întreruptoare optice” (relee optice). Dacă se dorește transmiterea informațiilor în cele două direcții ale fibrei optice sau să integrăm mai multe emițătoare și receptoare într-o configurație optică în formă liniară (bus) , trebuie în plus, optocuploare. Cuploarele sunt „multiporți”, adică au cel puțin 3 „porți optice” prin care se pot injecta sau decupla unde luminoase. Există două tipuri: cuploare independente de lungimea de undă și cuploare selective la lungimea de undă.
5.3.1. Întreruptoare optice
În starea de „circuit închis” a unui releu mecanic, fețele a două perechi de fibre (1 și 2 ca și 3 și 4) se găsesc în paralel și foarte aproape una de alta (figura 60), în așa fel încât lumina care iese dintr-una din fețe este injectată în fața opusă fără pierderi considerabile. 2
δ
4
1
Sens de
deviație
3
Figura 60 – Releu optic
Prin analogie cu un releu electromagnetic, două fibre care intră și două care ies dintr-un întreruptor optic (contează mai puțin dacă este vorba de un profil cu indice în treaptă sau gradat) pot fi întrerupte. Gama de lungimi de undă utilizabile se întinde de la 800 la 1550 nm. Atenuarea de inserție este de 1 dB și atenuarea de diafonie este mai mare de 50 dB.
5.3.2. Derivatoare optice
5.3.2.1. Derivatoare independente de lungimea de undă
Derivatoarele independente de lungimea de undă sunt împărțite în două grupe: derivatoare cu 3 și 4 porți și cuploare în stea (amestecătoare).
Derivatoare cu 3 și 4 porți
Derivatoarele cu 3 porți (figurile 61 și 62) conțin o fibră continuă 1-2 și o oglindă plasată în parcursul razelor. Fibra 3 este cuplată cu fibra continuă prin această oglindă.
Aceste derivatoare sunt accesibile fie prin conectoare, fie prin „pigtail”-uri. Dacă semnalul de intrare este repartizat în raportul 1:1 între conexiunile 1-2 sau 1-3 pentru aceste conexiuni este aplicabil următorul bilanț de pierderi:
2 × pierderile unui conector < 3 dB;
1 × pierderea din sistem < 0,5 dB;
1 × pierderea datorată derivației < 3 dB
< 6,5 dB
3
1 2
Figura 61 – Derivator cu 3 porți
Trenuri de date 1 – 2 – 3
2 2
1 3 1 3
Figura 62 – Traiectorii posibile ale razelor dintr-un
derivator cu trei porți
În afară de derivația 1:1 sunt realizabile și alte rapoarte de repartiție (maximum 1:10). Gama de lungimi de undă pentru astfel de deviatoare se întinde de la 800 la 1300 nm. Aceste componente funcționează cu fibre cu indice în treaptă sau gradat.
Derivatoarele cu 4 porți se disting după tipul tehnologiei aplicate.
Figura 63 arată în mod schematic un derivator cu 4 porți cu o oglindă semitransparentă, funcționând cu un dispozitiv de separare a razelor. Intersecția axelor a patru secțiuni de fibră este situată pe suprafața „oglinzii”, aplecată în mod direct pe o față oblică șlefuită. Perpendiculara în centrul oglinzii formează bisectoarea axelor 1,3 și 2,4. În consecință, acest deviator nu arată nici o dependență de moduri cu excepția efectelor de polarizare. Acest derivator cu 4 porți fără lentilă (realizabil de asemenea și ca derivator cu 3 porți după aceeași metodă) are proprietăți bune, echivalente pentru fibrele cu indice în treaptă sau gradat.
3
2
α
Oglindă
1
4
Figura 63 – Derivator cu 4 porți cu oglindă semitransparentă
funcționând ca dispozitiv de separare
Figura 64 prezintă un derivator cu patru porți utilizând cuplajul prin undă estompată. El este denumit de asemenea „bitaper”. Pentru a realiza acest cuplor, în principiu foarte simplu, o pereche de fibre este torsadată și întinsă (de exemplu într-o flacără) pentru a ajunge la o secțiune îngustă (limitată) în formă de trompă. Variațiile de secțiune produse în timpul acestui proces fac ca lumina care este ghidată prin fibra optică 1, de exemplu, să lovească peretele intern al învelișului cu un unghi de incidență superior. Apoi îndată ce unghiul de acceptanță este depășit, lumina este „cuplată” în sticla acestui înveliș.
De acolo, când secțiunea crește din nou – la ieșirea din „bitaper” – ea se introduce în regiunile miezurilor fibrelor 2 și 3.
3
D2 <D1 2
D1
+
1
4
Figura 64 – Derivator cu 4 porți funcționând după principiul
cuplajului prin undă estompată
Raportul repartiției luminoase depinde de variația de diametru D2/D1<1 și de lungimea regiunii „bitaper”. Dat fiind că modurile din ghidul de undă sunt caracterizate prin direcția lor de propagare relativă la axa fibrei, cuplajul în „bitaper” depinde în mare măsură de moduri.
Cuploare în stea
Cuplorul în stea (amestecător) asigură divizarea uniformă a puterii luminoase care intră printr-o fibră din maximum 32 fibre, fără ca acestea să depindă de moduri. În acest scop, el conține o placă îngustă de cuarț, care servește ca amestecător, la care sunt cuplate fibrele care intră și cele care ies.
În amestecătorul prin transmisie, acestea sunt dispuse de ambele părți ale plăcii de sticlă (figura 65).
În cealaltă variantă de amestecător, numită amestecător prin reflexie (figura 66), fibrele sunt cuplate pe o parte a plăcii de sticlă, partea opusă este reflectată și funcționează deci ca reflector.
E E
Tren de date
R R
Tren de date
Derivator cu 3 porți
Figura 65 – Amestecător prin Figura 66 – Amestecător prin
transmisie reflexie
După construcție, cuploarele în stea au între 4 și 32 de ieșiri (porți) și toate fibrele standardizate actualmente pot fi racordate la acestea.
Gama de lungimi de undă se găsește între 850 și 1300 nm și pierderile în transmisie sunt < 8 dB pentru 4 porți și < 18 dB pentru 16 porți.
În afară de aceste cuploare pasive, în stea, sunt disponibile cuploare active.
Domeniul lor de aplicație privește în principal situațiile din rețelele locale LAN, unde un mare număr de abonați trebuie să primească cu rapiditate informații foarte variate.
5.3.2.2. Derivatoare selective în lungime de undă
Derivatorul selectiv în lungimea de undă (figura 67) este o configurație interesantă mai ales pentru distanțe scurte și pentru legături fără repetori – regenera-tori. În acest scop se utilizează convertori optoelectronici cu patru lungimi de undă diferite și puterile luminoase emise sunt combinate printr-un cuplor selectiv. O singură fibră este suficientă pentru transmisie. Procedeul aplicat este numit multiplexare în lungime de undă (WDM – Wavelength Division Multiplexing). Se face distincția între multiplexoare în lungimi de undă multilaterale și/sau bilaterale. Pentru multiplexarea unilaterală, transmisia semnalelor se face prin intermediul mai multor purtători optici pe lungimi de undă diferite într-o aceeași direcție. În cazul unui cuplor bilateral, transmisia se face în același timp în cele două direcții.
1 1 4 1
λ1
λ2 2 2 2
3
3
λ3
λ4
Figura 67 – Multiplexarea în lungime de undă WDM
Unde: 1 – convertor; 2 – deviator WDM; 3 – fibră optică; 4 – regenerator.
Multiplexoarele/demultiplexoarele în lungime de undă conțin totdeauna o fibră continuă și un strat dielectric translucid (filtru de interfață), care se găsește plasat pe parcursul razelor. Una sau mai multe fibre pot fi cuplate la fibra continuă prin derivația reflectantă a filtrului de interferență. Fibrele sunt accesibile pe partea echipamentului prin conectoare sau prin „pigtail”-uri. Ecartul între căile adiacente este de aproximativ 400 nm pentru diodele electroluminiscente și între 40 și 50 de nm pentru sistemele cu diode laser. Pierderile în transmisie a WDM trebuie să fie luate în considerație; ele sunt de exemplu de la 0,8 la 1,0 dB pentru WDM cu 3 porți (2 canale).
Comparate cu racordările punct la punct, aceste pierderi diminuează lungimile secțiunilor. Când se face calculul atenuării, trebuie să se țină cont de faptul că lungimile de undă diferite produc atenuări diferite, trebuie deci să considerăm valoarea defavorabilă.
Derivatoarele WDM pot fi utilizate cu fibre mono și multimod (cu indice gradat).
În afară de multiplexoarele în lungime de undă WDM, există și alte posibilități pentru a transmite în mod simultan semnalele electrice de la o stație la alta. Alte metode ar fi multiplexarea spațială (sau în fibre optice) (figura 68), în acest sistem se atribuie o fibră și o lungime de undă pentru fiecare semnal și multiplexarea temporală (figura 69), in care se combină din punct de vedere electric un număr mare de semnale, se convertesc sub formă optică și se transmit prin intermediul unei fibre optice utilizând o singură lungime de undă. Această metodă cere o fibră optică prevăzută cu bandă mare de trecere.
λ1
λ1
λ1
λ1
Figura 68 – Multiplexarea spațială sau în fibre optice
λ1 λ1
Figura 69 – Multiplexarea temporală
5.4. Sisteme de transmisie optice
Sistemele de transmisie optice sunt utilizate pentru transmisia semnalelor electrice prin fibre. Se utilizează în acest scop un convertor electrooptic ca sursă luminoasă la intrarea legăturilor, legătura însăși (fibra optică) și un convertor opto-electric ca detector luminos la ieșirea legăturii. La fel ca pentru sistemele cu conductori metalici există echipamente terminale la intrarea și la ieșirea din secțiune; echipamentele intercalate sunt repetoare pentru transmisia analogică și repetoare – regeneratoare pentru transmisia digitală (figura 70).
Sistemele electrice și optice de transmisie au aceleași interfețe electrice. Ca urmare a introducerii tehnicii optice se ajunge astfel să se atingă un obiectiv esențial care va facilita în mod considerabil integrarea în rețelele deja existente.
1
2 3 3 2
4
a
2 3 3 2 3 3 2
4 4
b
5
Figura 70 – Componentele de bază ale unui sistem optic de transmisie
a – fără repetor-regenerator, b – cu repetor-regenerator
Unde: 1 – interfața electrică; 2 – regenerator; 3 – convertor (2+3 – echipament terminal de linie); 4 – fibra optică; 5 – repetor-regenerator.
Tehnica digitală s-a impus ca mod de transmisiune pe fibra optică, deoarece ea permite liberul schimb de debite digitale plecând de la sursele cele mai diverse (rețele telefonice, de date, etc).
Domeniile în care pot fi utilizate sistemele de transmisiuni pe fibră optică sunt:
rețelele de transmisie la distanță [34 Mbps, 155 Mbps (STM 1), 565 Mbps, 4×140 Mbps, 4×STM 1, 16×140 Mbps, 16×STM 1];
rețele locale (34 Mbps, 140 Mbps);
rețele rurale sau speciale (2 Mbps, 8 Mbps, 34 Mbps)
rețea de acces la abonat (2 Mbps).
Odată cu utilizarea tehnici de transmisie prin fibra optică, transmisiunea analogică pierde puțin câte puțin din importanța sa și nu mai este utilizată decât pentru aplicații speciale.
5.4.1. Tehnica de transmisiuni digitale
Funcțiile principale ale tehnicii transmisiunilor digitale sunt: digitalizarea semnalelor analogice, multiplexarea acestor semnale în debite standardizate, transmisia acestor semnale de exemplu pe fibră optică. Introducerea tehnicii digitale – în mod special a tehnicii de multiplexare temporală cu modulația impulsurilor în cod (PCM) – a făcut posibilă integrarea unor servicii ca telefonia, telexul, transmisia de date și telefaxul.
ITU/ITSC a fixat sisteme de transmisiuni cu debite definite (tabelul 12).
Nivelul de bază în această ierarhie este sistemul PCM 30, adică într-un cadru de 2048 Kbps sunt reunite 30 de căi telefonice de câte 64 Kbps. Cei 2048 Kbps se rotunjesc în mod curent la 2 Mbps.
Tabelul 12 – Sisteme de transmisiuni pentru semnale digitale
5.4.1.1. Sistemul utilizat în Germania
Semnalele sunt combinate în combinate în trepte de 2, 8, 34, 140 sau 565 Mbps. Se poate indica ca exemplu că utilizând procedeul de multiplexare în timp se pot transmite la treapta de 2 Mbps până la 30 de căi; la treapta de 34 Mbps se pot transmite până la 480 de căi. Au fost determinate ierarhii bine definite pentru cele două nivele ale rețelei (rețeaua urbană și rețeaua interurbană); ele prezintă anumite caracteristici care depind de nivelul utilizat.
Rețeaua urbană
În viitor, vor fi utilizate sisteme pentru rețele urbane la 34 Mbps și 140 Mbps. Ele vor fi interconectate prin intermediul cablurilor joncționate sau branșate pe cablurile optice din rețeaua locală.
Fiind vorba de racordări punct la punct doar de câțiva kilometri lungime, se pot utiliza sisteme mai puțin costisitoare decât acelea utilizate la nivel interurban. Astfel, de exemplu, nu sunt necesare repetoare – regeneratoare. La o lungime de undă de funcționare de 1300 nm, se utilizează actualmente fibre multimod cu indice gradat (50/125 µm). Totuși tendința actuală este de a utiliza la acest nivel al rețelei de asemenea fibre optice monomod.
Rețeaua interurbană
La nivelul rețelei interurbane (rețea de lungă distanță) care-i subîmpărțită în rețele regionale și rețele interzonale se utilizează sisteme optice concepute în mod special pentru a putea depăși distanțe lungi. Contrar sistemelor urbane, tehnic, ele sunt echipate în așa fel încât se pot branșa repetoare-regeneratoare în linie și echipamentele de supraveghere cerute. O condiție importantă la realizarea unor astfel de sisteme este să avem la dispoziție elementele optice adecvate, fie pentru emisie, fie pentru recepție. Pentru astfel de aplicații diodele laser s-au impus ca module de emisie și diodele PIN (TEC) ca module de recepție. Lungimea de undă de funcționare este de 1300 nm și se utilizează pentru transmisiune, ca suport, fibre monomod (50/125 µm).
În rețeaua interurbană zonală se utilizează în principal sisteme de 34 Mbps. Aceasta reprezintă o capacitate în căi, relativ redusă cu lungimi cât de mari posibile.
În rețeaua interurbană interzonală, adică pe distanțe foarte mari și pentru cerințe excepționale în materie de capacitatea (de căi) se utilizează în principal sisteme cu 140 sau 565 Mbps. Sistemele cu 34 Mbps nu sunt utilizate decât atunci când se transmite un număr mic de căi.
5.4.1.2. Exemplul unui sistem la 140 Mbps
Pentru a descrie un sistem digital, sistemul de 140 Mbps (rețea interurbană), de pe cel de-al patrulea nivel ierarhic, a fost ales ca exemplu tip. Configurația acestui sistem este în acord cu recomandarea ITU G703 și el este deci capabil să transmită 1920 de căi digitalizate, un semnal TV sau semnalele în bandă acustică și de date. El este constituit din echipamente terminale, repetoare-regeneratoare, dintr-un dispozitiv de telelocalizare a deranjamentelor și cuprinde următoarele funcțiuni de bază: transmiterea semnalului de 140 Mbps la 1300 nm, alarme și semnalizări, localizarea la distanța a deranjamentelor și supravegherea permanentă a sistemului în funcțiune (ISM – In Service Monitoring).
Legătura prin linie digitală
O legătură prin linie digitală poate avea o lungime de 1200 km dacă se utilizează fibre multimod (50/125 µm) sau de 2400 km în cazul fibrelor monomod (10/125 µm). Ea însăși poate fi constituită din mai multe secțiuni digitale de legătură în linie, care pot fi fiecare în lungime de 400 km dacă sunt utilizate fibrele multimod sau de 800 km pentru fibrele monomod. Într-un mod astfel de caz se pot instala până la 25 de repetoare-regeneratoare montate în serie.
Echipament terminal de linie
La extremitățile fiecărei secțiuni digitale ale unei legături în linie sunt instalate echipamente terminale ca „elemente de conexiune între multiplexoare sau alte surse și fibra optică”.
Din partea sursei aceste echipamente realizează conversia semnalului primit de la interfața electrică, într-un semnal adecvat pentru transmiterea optică.
În acest scop semnalul electric de intrare este neaccentuat, regenerat, „scrambled” și codat binar de linie.
Semnalul de intrare compus din elemente binare este subîmpărțit în cuvinte cu 5 biți. Aceste cuvinte cu 5 biți sunt transformate în cuvinte cu 6 biți și înregistrate într-un tabel de codare.
În echipamentul emițător, acest șir de cuvinte cu 6 biți este transformat în semnale optice prin intermediul unei diode laser.
1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1
1 25 1 25 1 25
3 3 3
4
Figura 71 – Structura schematică a unei legături la 140 Mbps
Unde: 1 – echipament terminal; 2 – repetor-regenerator (maxim 25); 3 – secțiune digitală de legătură în linie; 4 – legătura în linie digitală 1200 km maxim.
De cealaltă parte a liniei sunt utilizare module de recepție cu diode PIN-TEC, adecvate pentru fibra mono sau multimod.
Repetor-regenerator
Fiecare repetor-regenerator format din modulele de echipamente terminal conține pentru fiecare direcție de transmisie, un detector optic, un receptor și o sursă optică. Între altele, el conține ca echipament terminal un circuit de siguranță, care poate deconecta dioda laser.
Repetorul-regenerator primește energia necesară printr-o alimentare locală de exemplu o baterie de 60 V, pile solare sau o telealimentare care utilizează cabluri de cupru.
Supravegherea în timpul funcționării și localizarea defectelor
Pentru a localiza deteriorări temporare ale calității, fără a scoate sistemul din funcțiune, un sistem de supraveghere (ISM – In Service Monitoring) este necesar. Acesta permite supravegherea permanentă a repetoarelor-regeneratoarelor și a echipamentelor terminale.
În caz de deranjament, sistemul permite localizarea secțiunii de regenerare defecte. Informațiile privind deranjamentul sunt trimise prin intermediul unui canal de transmisiune individuală prin fibra optică. Se utilizează un semnal de telemăsură (lung de 28 biți și împărțit în 7 blocuri de 4 biți) modulat de semnalul principal. O secțiune de supraveghere poate conține până la 510 repetoare-regeneratoare.
Într-un echipament de telelocalizare a defectelor sunt analizate toate mesajele repetoarelor-regeneratoarelor. Conectând o imprimantă este posibil să se evalueze în mod continuu rata erorii pe toată legătura sau pe un repertor intermediare care putem să-l selecționăm în mod sistematic. În principiu, utilizarea tehnici fibrelor optice și transmisiunea digitală permit realizarea de sisteme care să satisfacă toate cerințele unui sistem de comunicații modern.
Situația internațională a sistemelor cu fibră optică
La nivel european pentru transmisiunile optice prin fibră s-au impus în mod exclusiv sistemele digitale.
În Germania sunt utilizate treptele ierarhice de 2, 8, 34 și 140 Mbps (standardizate de ITU). În general aceste sisteme funcționează în apropiere de 1300 nm. Clasamentul sistemelor individuale relative la un nivel de rețea determinat (rețea urbană, interurbană) este diferit în funcție de țară și nu este imperativ pentru sistemele optice.
Cu excepția Franței, unde sunt utilizate cablurile cu garnitură camelată, s-au impus ca mijloc de transmisiune cablurile cu tuburi protectoare umplute.
Totuși există o tendință generală mergând de la fibre multimod cu indice gradat (50/125 µm) către fibrele monomod (10/125 µm). În afara Europei, trebuie să luăm în considerație dezvoltările americane și japoneze. Sistemele pentru transmiterea semnalelor optice sunt similare, dar organizarea lor în trepte ierarhice diferă de acelea utilizate în Europa.
5.4.2. Tehnica de transmisiune analogică
Sistemele optice sunt concepute mai ales pentru transmisia semnalelor digitale, totuși există câteva cazuri în care poate fi utilizată transmisia analogică, de exemplu la nivelul protecției împotriva pătrunderii neautorizate pentru transmisiunea video sau în întreprinderile de producție și distribuție de electricitate unde este posibil să se conecteze o rețea de comunicații foarte întinsă în mare parte analogică (utilizând transmisia prin curenți purtători) la sisteme analogice cu fibră optică. Ca urmare a selecției, unui sistem analogic cu fibră optică, trebuie acordată o atenție deosebită tipului de modulație folosit.
Pe lângă atenuare și banda de trecere utilizabilă a fibrei optice, există și alte criterii importante. Este vorba de nivelul de zgomot al sursei și al detectorului optic ca și despre distorsiunile neliniare produse de curbura caracteristică diodei emițătoare. În modulația directă a amplitudinii luminii (figura 72), variația puterii luminoase în funcție de timp este direct proporțională cu variația semnalului electric în funcție de timp.
U
Frecvența semnalului
Purtătoarea
t
Figura 72 – Modulația de amplitudine (MA)
Cum este dificil să se atingă rezultate bune în ceea ce privește zgomotul și liniaritatea, se utilizează în mod obișnuit mai ales modulația de frecvență (figura 73), un procedeu având un raport semnal/zgomot favorabil și care este insensibil la perturbațiile cele mai frecvente și diverse.
Pentru sistemele analogice ce utilizează modulația de frecvență, se folosesc în mod obișnuit două fibre optice: una pe un sens și alta pe alt sens de transmisie, ca surse diode electroluminiscente sau lasere, iar ca detectori diode PIN – TEC sau cu avalanșă. Se utilizează fibre multimod cu indice gradat (50/125 µm). După caracteristicile sistemului și ale fibrelor lungimile de regenerare sunt cuprinse între 10 și 20 km. Pentru transmisia semnalelor video există echipamente speciale (de exemplu LA 7/20 GF).
U Frecvența semnalul U Frecvența intermediară (F1)
t t
Puterea luminoasă
P0
t
Figura 73 – Modulația de frecvență (MF)
Concluzii
Dezvoltarea exploziva a telecomunicațiilor în ultimele decenii a fost însoțită de modificări multiple și importante în tehnologiile de telecomunicații. Au apărut rețele noi și au fost dezvoltate servicii noi. Dintre aceste modificări sunt considerate a fi esențiale:
tehnologia comutației digitale (dezvoltată după 1970) care a asigurat suportul pentru integrarea serviciilor de voce, date și imagini. Acestea a dus la dezvoltarea ISDN, care a permis dezvoltarea și diversificarea serviciilor de telecomunicații prin introducerea rețelei de semnalizare nr. 7 (SS7) și a rețelelor inteligente (IN);
tehnologiile comunicațiilor mobile (apărute după 1980) care au permis asigurarea comunicațiilor oricând și oriunde între persoane, realizarea de sisteme de comunicații mobile dintre care se remarcă în mod deosebit GSM, UMTS, IMT;
Internetul (dezvoltat după 1990) care a cunoscut o dezvoltare rapidă și a creat o lume nouă, o societate informatică al cărei potențial este departe de a fi utilizat în întregime.
Piața de servicii de telecomunicații a impus în mare parte aceste inovații în telecomunicații. S-a impus adaptarea rețelelor de telecomunicații la cerințele utilizatorilor privind integrarea serviciilor. Fibrele optice oferă un mediu de transmisie foarte avantajos, astfel că ele sunt preferate pentru transportul informațiilor pentru majoritatea aplicațiilor. Sunt în exploatare fibre optice de 2 și de 10 Gbps și sunt în curs de cercetare și experimentare fibre optice de 40 de Gbps.
Fibrele optice pot fi utilizate atât pentru transmisiuni la distanțe mari și foarte mari (continentale, oceance), dar sunt foarte folosite și pentru distanțe foarte mici (de exemplu pe distanțe de ordinul a 200 – 300 cm). Ele sunt folosite acum și în LAN-uri cu debite de 100 Mbps și în rețele de acces.
Dezvoltarea suporturilor optice cu foarte mare capacitate de transmisie și a sistemelor SDH, care permit arhitecturi ce asigură siguranța în funcționare și facilități deosebite de exploatare, au determinat integrarea în rețeaua de acces a sistemelor STM-1 cu 155 Mbps utilizate ca sisteme de transmisie terminale sau ca multiplexoare cu inserție-extracție.
Cererea tot mai mare de servicii de bandă largă va cere introducerea tehnologiei optice în rețeaua de acces.
Fibrele optice pot asigura furnizarea serviciilor de bandă largă până la distanțe de 150 de kilometrii. Rețelele de fibră optică utilizează o gamă largă de tehnici de multiplexare și de asemenea oferă noi funcții de rutare și de protecție. Tehnicile optice avansate oferă o reducere a costurilor ca rezultat al siguranței în funcționare, al simplificării managementului și al unei mari flexibilități.
BIBLIOGRAFIE
Brojboiu, Maria, Electrotehnologii, Universitatea din Craiova
Doicaru, Vladimir, Pârvulescu Mihai, Transmisii prin fibre optice, Editura Militară, București, 1994
Sterian, Paul E., Transmisia optică a informației, Editura Tehnică, București, 1981
Papannareddy, Introduction to light wave communication systems, 1997
Hubert, John C., Industrial fiber optics networks, 1995
Pearson, E. R., The complete guide to FO cable system install, 1997
Crisp, Introduction to Fiber Optics, 1996
Derickson, D., Fiber Optics test and measurement, 1998
Hecht, Jeff, Understanding Fiber Optics, 1998
Rădulescu, Tatiana, Rețele de telecomunicații, Editura Thalia, București, 2003
Digonnet, Michel J., Optical devices for fiber communication, 1999
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Elemente de Calcul Si Proiectare a Retelelor de Fibra Optica (ID: 161479)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.