Fibre Optice

=== l ===

CAP. I NOȚIUNI GENERALE PRIVIND FIBRELE OPTICE

1.1.EVOLUȚIA SISTEMELOR CU FIBRE OPTICE

Fibrele optice au la bază fenomenul de reflexie totală. Principiul transmiterii unui fascicul luminos printr-un ghid de undă a fost pus în evidență pentru prima dată în 1870 de fizicianul englez J. Tyndall. Acesta a realizat un tub curbat umplut cu apă și a demonstrat posibilitatea acestui tip de transmisie.

În 1957, fizicianul Kapany a folosit pentru prima dată termenul de fibră optică elaborând o introducere în teoria ghidurilor de undă. În 1966 fizicienii Kao și Hackman au publicat prima lucrare destinată transmisiei luminii prin “fibre subțirii” de sticlă.

În perioada 1966-1970 a început dezvoltarea industriei fibrelor optice astfel că primele fibre realizate aveau o atenuare A1000dB/Km. În anul 1970 firma CORNING GLASS producea fibre cu A25dB/Km. În prezent, fibrele optice performante produse au o atenuare deaproximativ 0,2dB/Km.

În domeniul senzorilor, fibrele optice au fost utilizate inițial numai pentru senzori de tip extrinsec unilizându-se, de fapt, sistemele de măsurare clasice de tip spectrometric cu avantajul posibilității măsurării la distanță.

În anii 1970-1980 apar și fibre optice de construcție specială în vederea obținerii unor senzori intrinseci cu fibre optice. În 1983 are loc la Londra “prima conferință inernațională de senzori cu fibre optice”.

1.2. Aplicații ale sistemelor cu fibre optice

1.2.1 Telecomunicații

Primele aplicații s-au făcut în telefonie în condițiile în care traficul a devenit din ce în ce mai intens. Marele avantaj al sistemelor cu fibre optice este acela că au imunitate mare la perturbații.

O transmisie telefonică necesită o bandă de bază de 4KHz, rata de transmisie fiind de 4KHz*2*8biți64Kbiți/secundă. Folosind o rată de transmisie mai mare se pot transmite mai multe convorbiri pe aceeași fibră optică. În prezent, au fost realizate fibre optice care permit o rată de transmisie de 1,2-1,7Gbps și se află în studiu de cercetare o fibră optică cu o rată de transmisie de 20Gbps.

Aplicații în telecomunicații:

Prin voce, telefonic:

– legături între orașe, magistrale interoceanice;

– comunicații în zone cu perturbații electromagnetice (în apropierea centralelor electrice și a liniilor de distribuție,de-a lungul căilor ferate electrificate);

– comunicații militare.

Comunicații video:

– televiziune prin cablu;

– minicamere tv cu fibre optice;

– aplicații militare (rachete ghidate prin fibre optice).

Transmisii de date:

– rețele de calculatoare;

– transmisii în avioane și nave maritime.

1.2.2. Senzori cu fibre optice

Senzori cu fibre optice, atât în variantă intrinsecă cât și în variantă extrinsecă, reprezintă un domeniu bine definit, ei acoperind întreaga gamă a mărimilor industriale dar și a unor mărimi de natură chimică și biochimică.

Avantajele principale ale senzorilor cu fibre optice sunt:

dimensiuni și gabarite foarte reduse, posibilitatea de realizare în structuri compacte;

imunitate totală la perturbații sau zgomote de natură electromagnetică;

pasivitate electrică (izolare galvanică intrinsecă);

inerție termică și mecanică mică (răspuns foarte rapid);

folosirea unor materiale inerte din punct de vedere chimic și biocompatibile;

funcțonare fără curent electric – siguranță în medii cu pericol de explozie;

posibilitatea de multiplexare a semnalelor pe magistralele cu fibre optice (transmiterea mai multor mesaje simultan pe aceeași fibră).

Mărimi măsurabile cu senzori cu fibre optice:

– mărimi mecanice: deplasare, turație, viteză, accelerație, presiune, efort – –- mecanic, debit, vibrații etc;

– mărimi termice: temperatura;

– mărimi electrice: curent, presiune, câmp electric:

– mărimi magnetice: intensitatea câmpului magnetic;

– mărimi de natură radiantă: radiația optică;

– mărimi chimice și biochimice: concentrația ionică, pH-ul etc.

1.2.3. Alte aplicații ale fibrelor optice

Pe lângă cele două două domenii amintite, în ultimii ani, s-au dezvoltat sau sunt în studiu următoarele genuri de aplicații:

transmisia imaginii din locuri greu accesibile: endoscopia, aplicații militare;

iluminatul cu fibre optice: aplicații cu rol ambiental și decorativ;

transmisia radiației cu scop energetic: sisteme de alimentare prin fibră optică cu convertor fotovoltaic.

1.3. FIBRE OPTICE

În figura 1.1 este prezentată o fibră optică step index multimodală (una dintre cele mai folosite). Pentru a asigura reflexia totală în interiorul fibrei, condiția esențială a propagării undelor luminoase printr-o fibră optică, este necesar ca indicele de refracție al miezului să fie mai mare decât indicele de refracție al cămășii, iar unghiul de incidență al fascicolului luminos la interfața miez-cămașă să fie mai mare decât unghiul critic c.

Fig.1.1.

Această ultimă condiție se obține pentru un unghi de incidență i la intrarea în fibră mai mic decât un unghi limită lim definit de “apertura numerică” a fibrei:

limarcsin()

2.SISTEME DE MĂSURARE CU FIBRE OPTICE

2.1. STRUCTURA SISTEMELOR CU FIBRE OPTICE

Sistemele cu fibre optice, pe ansamblu, au două secțiuni:secțiunea optică și secțiunea electronică.

Fig.2.1. Sistem cu fibre optice.

2.1.1. Secțiunea electronică

Secțiunea electronică de emisie este compusă din:

1 – sursă optică (leduri superluminiscente, diode laser);

Blocul electronic de comandă (BEC) are rol de modulare a semnalului optic emis de sursă.

Secțiunea electronică de recepție este compusă din:

2 – fotodetector (diode cu joncțiune p-n sau p-i-n, fotomultiplicatori, fotodiode cu avalanșă controlată);

Blocul electronic de recepție (BER) are rol de a converti semnalul furnizat de fotodetectori (în general curent) într-o tensiune, respectiv de a amplifica și prelucra această tensiune.

2.1.2. Secțiunea optică

3,3’ – filtre optice;

4,4’ – lentile pentru focalizarea fascicolului, au rolul de a crește randamentul optic al transmisiei;

5,5’,5 – conectori ( 5, 5 – conectori pentru cuplajul fibre-detector și dispozitive optice auxiliare; 5’ – iterconectare fibre);

6, 6’ – fibre optice.

În cazul sezorilor cu fibre optice extrinseci zona activă a senzorului înlocuiește conectorul 5’.

2.2. FIBRE OPTICE

2.2.1. Dimensiuni

Fibrele trebuie să aibă diametre cuprinse în intervalul 8-10 m pentru fibrele monomodale și între 50-200 m pentru fibrele multimodale. O altă clasificare a diametrului este cea tipică de 125m ( standardele includ cam 100:8/125m ce au ce au pretenția de a revendica modul simplu; 10/125m potrivit modului simplu; 50/125m, 62,5/1255 m și 85/125m-indexul gradat ). Protecția exterioară trebuie să mărească mărimea psihică a fibrei cu câțiva zeci de m. 1250m este diametrul standard global.

O importantă funcție adițională referitoare la cablurile cu fibre optice este limita de încovoiere a razei pentru protecția fibrelor. Cablurile speciale submarine au un diametru relativ mare din cauză că au nevoie de consolidări speciale.

2.2.2. Caracteristici

Caracteristicile fibrelor care interesează un proiectant țin de parametrii de transmisie și de proprietățile mecanice care sunt unice în comparație cu transmisia pe fibre.

Atenție!

Cel mai important atribut al fibrelor optice moderne este extrem de buna transparență (atenuare scăzută) a lungimii de undă.

Multe fibre sunt considerate excelente dacă au atenuarea de 10 dB/Km și la oscilații ale lungimii de undă. Astăzi fibrele uzuale au atenuări

cuprinse între 5 și 0.2 dB/Km, atenuări ce depind de tipul fibrei și de lungimea de undă, și rezultatele experimentale au obținut și 0.16 dB/Km. Fibrele utilizând materiale alternative au dat o atenuare foarte mică de circa 0.001 dB/Km.

Fig.2.2. arată atenuarea tipică caracteristică indexului gradat al fibrelor. Trebuie notat că atenuarea este o funcție puternică ce depinde de oscilații și de aceea există o rezonanță ce cuprinde vibrațiile armonicilor ionului de hydroxyl (apă).

Fig.2.2.Atenuarea caracteristică a fibrei graded-index.

Într-adevăr, apa a dovedit că atenuarea majoră apărută timpurie în fibră și numai manuală s-a dovedit aproape neglijabilă mult peste spectrul de interes.

Fig.2.3 ne arată atenuarea caracteristică fibrelor simple moderne. Notabilă este îmbunătățirea atributelor primare pentru reducerea dopării concentrației miezului.

Fig.2.3.Atenuarea caracteristică fibrei monomodale.

În bazele experimentale au fost produse unele fibre cu caracteristicile din fig. 2.4 ce elimină influențele apei în atenuare.

Fig.2.4. Atenuare specifică produsă eperimental.

Emiterea luminii timpurii și recepția erau nu numai valoroase, dar și scurte oscilări de ordinul a 8 pini; prin aceste procedee au fost fabricate fibre care permit operații esențiale totdeauna de interes în fibrele “fereastră” mărginite de absorbția în infraroșu și de efectele împrăștierii (Rayleigh) care trebuie studiat. În plus, acesta este posibil să opereze simultan cu multiplicarea oscilațiilor fără apreciabile interferențe, mari multiplicări folosite la lățimea benzii fibrei.

Aceasta cu două constituente majore pentru atenuarea netă a fibrelor: absorbția și împrăștierea.

2.2.3.Absorbția

Absorbția luminii în oglinzi de siliciu pur este datorată oscilației intrinseci ce dau pierderi în ultraviolet și infraroșu ce se suprapun peste sunetul hidroxilului fundamental (OH) dau vibrații de 2.72m. Acest vârf al OH se petrece la 0.72; 0.95 și 1.38m. Absorbția adițională ce se petrece la vârf la

combinarea acestor frecvențe și vibrații ale frecvențelor de SiO2 tetrahedron la 0.88, 1.13 și 1.24 m [23]. În fibrele curente, numai vârful de 1.38m este mai semnificativ.

2.2.4. Împrăștierea

Împrăștierea trebuie văzută ca rezultat al fluctuațiilor compoziționale în fibră, același subiect al reducerii cu control atent al procesului de fabricație normal și propriu materialului.

Împrăștierea Rayleigh

Împrăștierea Rayleigh este datorată incidentului ireductibil al structurii moleculare a sticlei. Aceasta este invers proporțională cu puterea de oscilație la puterea a patra

[2.1]

Constanta de proporționalitate depinde de densitatea impurităților angajate la proces.

Aceasta este prima împrăștiere Rayleigh care previne efectiv utilizarea oscilațiilor semnificative sub 0.8m în fibrele de siliciu.Această împrăștiere este cauzată de relativele malimperfecțiuni în sticlă cum ar fi bulele de aer sau microspărturile. Această împrăștiere poate fi redusă de-a lungul unui control atent în procesul de fabricație.

Ghidul de undă al împrăștierii

Ghidul de undă al împrăștierii este rezultatul variațiilor diametrului și imperfecțiunile manșonului ce învelește miezul interfeței ceea ce cauzează devierea de la forma cilindrică perfectă. Transferul energiei în radiație duce la distrugerea mecanismului.

Înconvoierea și microînconvoierea

Îndoiturile ascuțite pot contribui la pierderea integrității fibrei.Cablul va proteja fibra de întinderea excesivă a benzii.

Razele optice nu sunt folositoare pentru analizarea comportării luminii în fibrele simple, dar considerând distribuția de putere și dimensiunile efective este folositor pentru compararea și vizualizarea efectului de încovoiere și microîncovoiere în fibrele simple.

Gradele de limitare ale câmpului modal care scade cu micro și macroîncovoierea care efectiv deformează profilul indicelui și promovează pierderea prin dispersie a puterii. Cu toate că este lungă, încovoierea nu depășește limite rezonabile (lățimea diametrului de circa 5cm ), aceste pierderi sunt practic neglijabile și tehnica furnizării a modificat structura manșonului.

Raza câmpului (sau diametrul) este o funcție puternic dependentă de oscilații, creșterea este liniar rapidă cu . Din cauză că încovoierea este în funcție de diametrul câmpului fibrei aceasta de asemenea depinde de (aceasta în contrast cu fibrele multifolan care esențial sunt independente de ). În particular, macroîncovoierea este incredibil o funcție exponențială a lui pe când microîncovoierea poate să se mărească sau să scadă cu , depinzând de axa de deformare a funcției.

Microînconvoierea este microscopică, de perioadă scurtă, incidentul încovoierii este tipic întipărit pe timpul procesului de fabricare a fibrei. Microîncovoierea ce dă multe pierderi senzinității este dependentă de diametrul câmpului modal al fibrei simple, iar această valoare este neînsemnată (tipic 4µm).

Dispersia

Dispersia este mecanismul ce limitează lărgirea benzii fibrei. Acesta este rezultatul fiecărei lungimi de undă- senzorial efectivă cu viteza propagării, spre exemplu, cu pulsul luminii liniștite a multiplicării lungimii de undă ce sosește dispersată în timp (material dispersată sau geometric).

Dispersia materială

Dispersia materială “cromatică” este proprietatea intrinsecă a materialului care este funcție de lungimea de undă. Fig. 2.5 ilustrează această caracteristică pentru siliciu pur.

Fig.2.5.Dispersia modală pentru siliciu pur.

Ghidul de undă al dispersiei

Altă dependență a lungimii de undă a mecanismului de dispersie este ghidul de undă al dispersiei care este datorat dependenței lungimii de undă de viteza modală a grupului. Acest lucru e posibil, prin mutarea către zero, a dispersiei lungimii de undă întrucâtva către dispersia materialului împotriva lungimii de undă a dispersiei.

Dispersia modală

Dispersia modală este cel mai bine explicată prin diagrama 2.6.

Fig.2.6.Dispersia modală.

În dispersia reală a materialului, acest efect s-ar putea presupune mai sever pentru LED-uri decât pentru ILD-uri din cauză că formele radiației sunt mai largi. În practică, totuși, ambele tipuri de surse sunt în stare să excite toate modelele de fibre multifilon și combinări de matisări și conectori conduc în plus să reducă diferențele între tipurile de surse.

Din fericire, un important indice tehnic declasă a fost dezvoltat prin sporirea importantă a lățimii benzii fibrelor multifilare. Această introducere tehnică a indicelui de refracție în miez care face “o trecere rapidă a timpului mai puțin” dependentă de distanță.

Ideal, modificarea lină a indicelui de refracție va trebui să fie întrebuințată (și se va obține prin procesul de schimbare a ionilor), rezultatele procesului sunt comparabile cu sedimentarea discretă a indicelui de refracție progresiv. În concluzie, schimbarea indicelui de refracție poate fi vizualizată prin numărul de straturi fără incrementarea marginilor. Profitul indicelui parabolic poate fi arătat ca aproape de cel ideal.

Efectul gradării este analog cu experimentele de transmisie atmosferică cu frecvența benzii radio și este rezultatul straturilor ionosferice E și F.

Deoarece fibrele monofilare nu au dispersie modală, caracteristicile dispersiei sunt de la distanță superioare indicelui treaptă al fibrei, și mult mai bun decât indicele gradat al fibrei (fig.2.8.).

Fig.2.8.Caracteristica dispersiei pentru fibra monomodală.

Corespondența comportamentului lățimii benzii fibrelor monofilare este în funcție de lungimea de undă dată la o sursă ca în fig.2.8.

Performanța fibrelor monofilare este clar dependentă de sursa de iluminare, și această știință este un factor important în interpretarea datelor de construcție a fibrelor. Construcția fibrelor monofilare este citată prin următorii parametrii distincți:

– dispersia maximă peste rândul spectral sau “fereastră” de exemplu

D3.5 ps/nmKm cu 1285-1330 nm

– dispersia maximă a lungimii de undă specifice, de exemplu

D20ps/nmKm la 1550 nm

– dispersia nulă a lungimii de undă cu toleranță, de exemplu 0=131010 nm

– dispersia maximă a pantei de dispersie nulă a lungimii de undă, de exemplu

S00.09ps/nm2Km

Similar, banda de trecere se comportă ca o funcție puternic dependentă dacă deriva sursei ILD operează în regim simplu sau multi-longitudinal.

Acest lucru este posibil să schimbe expresia, spre exemplu, pentru banda de trecere B, pentru laserul multi-longitudinal ce excită o fibră monofilară

B, [2.2]

unde

D() este dispersia fibrei la lungimea de undă ,

S() este panta dispersiei la lungimea de undă ,

este dependentă de densitatea puterii spectrale a sursei și L este lungimea fibrei.

Cu aceste date de construcție, este posibil să calculăm band de trecere a fibrei pentru orice caracteristică laser.

Pentru banda de trecere a fibrei monofilare, în expresia de mai sus, la variația lui 1/L când iluminăm cu un laser multi-longitudinal, nu poate fi arătată variația lui 1/pentru excitația cu un laser longitudinal simplu.

Unghiul de acceptanță

Este interesant de găsit unghiul conului de lumină care trebuie să intre în fibră în ordinea care trebuie să intre în fibră în ordinea care trebuie ghidat sau acceptat (vezi fig.2.9.).

Fig.2.9.Lățimea benzii caracteristică fibrei monomodale.

Astfel: n0sin0=n1sin1 și [2.3]

n1sin1=n2sin2 [2.4]

unde 1=- și sin 1=cos, [2.5]

Din 2.3 și 2.5 sin0= [2.6]

și din 2.4 sin2 [2.7]

însă [2.8]

și folosind 2.7 .

introducând în 2.6. [2.9]

Aceasta este expresia generală, evaluând uo=1 (spațiu liber, sau aproximativ pt.aer ) și 2=, condiția pentru reflecție internă totală devine

apertura numerică (NA) [2.10]

Astfel, numai lumina care intră cu unghiul 0 poate fi ghidată în structura fibrei. 0 este înaintea de limita unghiului de acceptanță și poate fi numită apertură numerică (NA) clar, lărgimea unghiului de acceptanță și apertura numerică în fibre în sensul că o proporție e largă a luminii oferite de sursă care este cuplată la fibră pentru transmisie.

Din nefericire, aperturile numerice largi implică uzual o mare dispersie (lățimea de bandă îngustă). Aceasta este ușor de arătat, utilizând optica geometrică (vezi exercițiile), atunci când dispersia fibrei “stop-index” este proporțională cu pătratul aperturii numerice.

De notat că relația ce definește apertura numerică împrumută ea însăși o interpretare geometrică: triunghiul dreptunghic având n1 drept ipotenuză și n2 și NA drept catete. În plus unul din unghiurile triunghiului este unghiul critic (pentru reflecție internă totală) pentru față.

Desigur, razele luminoase ce intră în fibră nu sunt considerate a fi în planul axelor (meridional).

Considerând fig. 2.10., unde razele intră oblic în fibră sub unghiul S față de normală și la distanța d față de axă. Poate fi arătat că unghiul de acceptanță pentru astfel de raze este dat de:

sinS=, unde [2.11]

este unghiul de acceptanță al razei meridionale și este jumătate din unghiul înainte de proiecția pe suprafața fibrei a razelor oblice succesive înainte și după reflexia internă.

Fig.2.10.Unghiul de acceptanță.

Alte proprietăți unice

Vom prezenta câteva din proprietățile peliculare ale fibrei optice, din care câteva au avantaje unice.

Microfonia

Deoarece dimensiunile fibrelor și curbura pretind a fi bune în ghidajul luminii, schimbarea acestor parametrii poate modula lumina ce traversează fibra. Curbura este fibrelor este atașată la o diafragmă capabilă să transforme nivelul de presiune al sunetului în deformarea spațială a înfășurării.Curbura înfășurării previne distorsiunile datorate câmpului magnetic în microfoanele dinamice.

Cuplarea structurilor

În ghidul de undă al fibrelor monomodale, câmpuri de magnitudine semnificativă există în manșon, și dacă două din structuri sunt plasate adiacent, lumina poate să fie produsă printre acestea. Această proprietate a fost aplicată în numeroase mecanisme noi, incluzând schimbările de mai sus, modulatoare și senzori.

2.2.5. Tipuri de fibre

În continuare va fi prezentată o clasificare a fibrelor optice pe baza celor mai uzuale criterii:

În funcție de materialele utilizate pentru miez și pentru cămașă, cele mai

importante fibre optice sunt:

– fibrele pe bază de dioxid de siliciu (SiO2) (fig.2.6.). Sticla de silice este cel mai bun material pentru realizarea fibrelor optice monomodale. Acestea au, de obicei, miezul din dioxid de siliciu(SiO2) dopat cu dioxid de germaniu (GeO2) și/sau cu pentaoxid de fosfor (P2O5), iar cămașa din dioxid de siliciu dopat cu oxid de bor (B2O3) și/sau cu fluor (F). ele pot rezista până la 6000C în funcție de rezistența termică a cămășii de protecție. Pierderile intrinseci ale acestor fibre în ultraviolet și în vizibil sunt datorate, în cea mai mare măsură, împrăștierii de tip Rayleigh, fiind de ordinul unităților – zecilor de dB/km în vizibil și de ordinul sutelor-miilor de dB/km în ultraviolet.

– fibrele de plastic. Cele mai cunoscute și utilizate fibre optice din plastic utilizează polistirenul sau polimetilmetacrilatul (PMMA) pentru miez și derivați cum ar fi fluoropolimerii, pentru realizarea cămășilor. Uzual, fibrele din plastic pot fi utilizate în domeniul de temparatură -30800C. pentru temperaturi sub 1350C se utilizează fibre cu miezul din policarbonați. Fibrele din plastic sunt mai puțin stabile în timp comparativ cu cele din sticlă și lucrează, în special, în vizibil unde pierderile sunt, oricum, de ordinul sutelor de dB/km. Sunt fibre multimodale, având diametre de 450-900m pentru miez și 10-20m pentru cămașă. Diametrul mare le face foarte potrivite pentru senzorii chimici suprafața activă a fibrei fiind mai mare. O variantă intermediară o reprezintă fibra PCS (“plastic-clad silica”) cu miezul de silice (în general, nedopat) cu cămașă din plastic (de exemplu, cauciuc siliconic). Această fibră este foarte utilă în cazul senzorilor intrinseci când este nevoie ca miezul fibrei să intre în contact activ cu un alt mediu, deoarece cămașa de plastic poate fi ușor îndepărtată.

– fibrele pentru aplicații în infraroșu sunt fibre de construcție specială utilizate pentru radiații cu lungimea de undă de peste 1700m, domeniu unde asigură pierderi de aproximativ 100dB/km. Prezintă compoziții chimice foarte complexe.

B. În funcție de distribuția indicelui de refracție în miez, fibrele optice pot fi:

fibre optice “step index” (cu indice de refracție constant în miez);

fibre optice “graded index” (indicele de refracție din miez descrește dinspre centru spre cămașă, scopul acestei variații fiind acela de a egaliza vitezele de propagare ale

diferitelor moduri de undă).

C. În funcție de numărul de moduri de undă posibil, există două tipuri de fibre optice:

– fibre optice monomodale, care permit propagarea unui singur mod de undă (sunt fibre cu miezul de diametru mic – 210m – care prezintă o atenuare scăzută și o lărgime de bandă mare; se folosesc în special în telecomunicații și în construcția senzorilor chimici invazivi):

– fibre optice multimodale, care permit propagarea unui număr mare de moduri de undă, până la ordinul sutelor (sunt fibre cu diametrul miezului de 25200m; o fibră foarte utilizată la ora actuală este fibra cu diametrul miezului de 50m). numărul modurilor de undă se calculează cu relația amintită:

N= [2.12]

2.3. CONECTORI PENTRU FIBRE OPTICE ȘI MATISĂRI

Unele dintre utilizările interconexiunilor în fabricarea senzorilor cu fibre optice include asocierea surselor și detectorilor la fibră, disociind tensiunea unei surse (în special diode laser) între un număr de senzori, disociind fasciculul și combinând lumina în interferometre și furnizând interconexiuni fibră-fibră. Toate interconexiunile trebuie să fie proiectate ținându-se seama de reflexie și pierderile de inserție consecutive, cu scopul de a minimaliza pierderile de inserție.

Interconexiunile pot fi grupate în trei clase și anume:

– conectori (interconexiuni demontabile între fibre sau între fibră și unele componente ca sursă, detector sau chipuri integrate)

– noduri (legături de fuziune sau legături permanente între două fibre sau între fibră și componente optice)

– cuplări (conexiuni care redistribuie energia între 2 sau mai multe fibre)

În cazul unor fibre monomodale nodurile sunt relativ ușor de format. Nodurile și conectorii multipli cu mai puțin de 1/10 dB pierdere de energie pot fi realizate. De asemenea în cazul cuplelor monomodale mai ales în cazul celor având două porturi

de intrare și două de ieșire au fost atinse pierderi de mai puțin de 1 dB. Conectorii multimodali și cuplele sunt acum disponibile. În cazul unor conectori multimodali pierderea medie este de 1 sau 2 dB. Golurile sunt setate pentru mai puțin de 0.5dB. pentru scopurile dezbaterii fibra din care emerge lumina va fi numită fibră sursă, în timp ce fibra în care intră lumina va fi numită fibră “scufundată”(afundata).

În conectori și noduri pierderile de putere sunt incluse în 2 clase: intrinseci și extrinseci. Pierderile intrinseci se datorează variaților sau interferențelor în fibre, care apar după procesul de fabricație și sunt corectabile mecanic sau extern ca finisarea incorectă a suprafețelor capătului fibrei sau mătuirea mecanică incorectă a fibrelor. Unele din aceste efecte sunt arătate în fig. 2.11. Numai miezul fibrelor e arătat în aceste scheme. Efectele intrinseci sunt arătate la stânga fig.2.11. Dacă suprafețele miezurilor fibrelor sursei și fibrele scufundate nu sunt aceleași, nepotrivirea poate determina o pierdere de putere. Diferențe ale aperturilor numerice dintre două fibre pot de asemenea genera pierderi.

Fig.2.11.Câteva din cauzele pierderii de putere intrinsecă și extrinsecă la interconectarea fibrelor optice.

Pentru cazul fibrelor “graded index” discutate anterior o nepotrivire a profilului indicelui de reflecție poate duce la pierderi intrinseci.

Pierderile apar numai când lumina dintr-o fibră cu un miez sau apertură numerică (AN) mai mari intră într-o fibră cu miez și AN mai mici. În aceste cazuri o parte din lumina din miezul fibrei izvor nu va fi prinsă în miezul fibrei scufundate.

Invers de la miez și NA mici la mari pierderile datorate nepotrivirilor nu apar.

Exemple de cauze de pierderi extrinseci sunt arătate în dreapta fig. 2.11. Dacă lumina care intră într-o fibră scufundată sau iese dintr-o fibră izvor e divergentă cu un unghi conic de 15 până la 20, o separare a miezurilor va permite ca o parte din lumina

emanată din miezul fibrei izvor să nu ajungă la miezul fibrei scufundate.

De asemenea nealinierea angulară poate duce la faptul că o porțiune din lumina de la o fibră izvor (f.i.) să intre într-o fibră chiuvetă (f.c.) la unghiuri care nu vor permite captarea în miez. În sfârșit, pierderile pot apare datorită echilibrării laterale în 2 fibre din cauză că nu sunt corect aliniate sau miezurile lor nu sunt concentrice în comparație cu diametrul exterior al fibrei doar când suprafețele exterioare ale placajului sunt aliniate corect. În general fibrele sunt aliniate după suprafețele lor exterioare. Există un număr de alte efecte extrinseci care nu sunt indicate aici. Capătul fibrei poate să nu fie metal. Acesta poate cauza pierderi prin împrăștiere. Capetele fibrelor pot să nu fie plane cauzând apariția efectului de lentilă.

Astfel, este esențial că se are în vedere în fabricarea sau achiziționarea fibrelor optice, conectorilor și nodurilor să se asigure că pierderile intrinseci și extrinseci sunt sau pot fi minimizate. Un efect care poate fi corectat ușor este reflexia de la capetele ambelor fibre datorită diferenței indicilor de refracție între sticlă și aer. Pentru SiO2 rezultă o pierdere de 0.4dB. pentru a corecta aceasta este necesar doar să se utilizeze un lichid de potrivire a indicilor sau un material ceramic între capetele a două fibre fiind scopul alăturării fibrelor.

Fig.2.12.Aproximarea pierderilor în dB dată de lărgirea diametrului miezului în funcție de apertura numerică pentru conectarea a două fibre optice.

Efectele nepotrivirii dintre suprafețele miezului și AN a fibrelor este arătat în fig. 2.12.

Apare o problemă când fibra optica cu un miez mai mare sau AN mai mare este unită cu o fibră optică cu miez sau AN mai mici. Mai departe, cu cât diferența de miez sau AN crește, pierderea va crește. Curbele din fig. 2.12 arată pierderile de putere optică în decibeli ca o funcție fie a diferenței procentuale între diametrele miezului unei fibre izvor largi unite cu o fibră optică mai mică fie fibră izvor cu AN mai mari unite cu fibre chiuvetă cu AN mai mici. Aceste curbe specifice se aplică azi fibrelor “step-index” dar în direcția de a o demonstra pentru fibrele “graded-index”. O nepotrivire de 10% fie în diametrul miezului (mai mare la mai mic) fie în AN (mai mare la mai mic) va cauza o pierdere de aproximativ 0.5dB. pentru fibrele multimodale mai largi nu e o problemă dificilă să menții diametrele în cadrul a 10% din fiecare sau în cazul aceleiași fibre.

Pentru o fibră cu miez de 50 va fi necesar să se păstreze dimensiunile la ±5 dar când avem de-a face cu fibre multimodale cu un miez de 5 sau mai puțin e necesară menținerea diametrelor în cadrul a 0.5. diferențele în AN trebuie de asemenea controlate cu acuratețe, cu toate acestea indicii de refracție sunt controlați înăuntru și între fibre cu o variație de doar câteva procente. Așadar, principala problemă este variația diametrelor miezului între fibre și în cadrul aceleiași fibre.

Pierderile extrinseci datorită separării capetelor pentru fibre “step-index” e arătat în fig. 2.13. diametrul miezului e indicat cu D și separarea cu S. pierderea (dB) e desenată ca o funcție de S/D. efectul e de asemenea f(AN). Cu cât AN e mai mare cu atât împrăștierea luminii din fibrele izvor e mai mare și datorită acestui fapt cu atât mai mare va fi procentul de lumină care va intra în miezul fibrei chiuvetă.

În figură rezultatele sunt indicate pentru AN de la 0.15 la 0.50. pentru fibrele utilizate la senzori AN de interes este în jur de 0.2 și de fapt mai aproape de 0.15. În acest caz, așa cum se vede în fig. 2.13 o diferență de 10% în diametrul miezurilor va determina doar o pierdere de câteva zecimi de dB. Într-adevăr pentru AN=0.15 o separare a capetelor de o jumătate de miez diametru va produce o pierdere de 0.7 dB. În cazul nodurilor nu există separare, de aceea pierderea aceasta nu apare.

Fig.2.13.Variația pirderilor de putere cu distanța de separare intre diametre între două fibre optice step-index pentru câteva valori ale aperturii numerice.

Efectul unei deplasări laterale a unor miezuri de diametre e arătat în fig. 2.14. Diametrul D al miezului fibrei și deplasarea transversală d sunt arătate.

Fig.2.14.Pierderi de putere în conector date de deplasarea transversală (laterală) a miezului a două fibre optice step-index.

Așa cum se poate vedea, o deplasare cu 10% care pentru fibrele unimodale poate fi 0.5 poate determina o pierdere de 0.5dB. când se achiziționează fibre sunt importante dimensiunile fibrelor de exemplu diametrul exterior trebuie să fie menținut uniform până la 1% dintr-o valoare nominală și miezurile trebuie să fie concentrice în cadrul a 0.5‰. pentru o fibră de 80, o variație de 1% diametrului este 0.8. poate

conduce la o deplasare de 0.4 care pentru un miez de 5 poate duce la d/D=0.08

corespunzând la o pierdere de aproximativ 0.4dB.

Fig.2.15.Pierderi de putere în conector date de deplasarea axial unghiulară a miezului a două fibre optice step-index.

Acest efect e și el o funcție de AN crescând cu creșterea AN. O nealiniere minimă de 5% produce o pierdere de aproximativ 0.4 dB în conexiunea dintre două fibre având fiecare AN=0.15.

Așa cum se arată mai sus, un criteriu important pentru succesul fie al unui conector fie al unui nod este chiar pregătirea fibrelor . Fibrele optice utilizate în senzori de obicei constau într-un miez de sticlă înconjurat de un placaj de sticlă învelit într-un material tampon utilizat pentru a proteja suprafețele. Un tip de astfel de înveliș e făcut dintr-un material acrilic care poate fi înlăturat cu acetonă și un pămătuf. Un alt tip de înveliș constă într-un strat gros de 100m de cauciuc siliconic înconjurat de un alt strat de 200m grosime din plastic dur ca Hystelc. Acesta poate fi înlăturat cu o lamă de ras. Pentru a preveni zgârierea fibrei lama trebuie să fie ținută la un unghi foarte superficial respectând axa fibrei. Mai departe, o lamă trebuie să fie utilizată numai o dată. După ce învelișul a fost îndepărtat fibra poate fi clivată în oricare din cele câteva modalități.

2.4. SURSA OPTICĂ

Sursa optică utilizată este o diodă electroluminiscentă (LED).Diodele electroluminiscente emit spontan un fascicul optic, în urma excitării electrice în curent direct în domeniul 05 A, dar cu randament inferior diodelor laser (maxim 1%).

Domeniul spectral al radiației emise de diodele electroluminiscente se situează între 0,35 și 1,6m. În prezent există o delimitare accentuată de standardele internaționale referitoare la denumirea diodelor electroluminiscente în funcție de spectrul optic emis. Astfel, pentru 0,350,75m, unde sfera aplicațiilor industrial-comerciale este vastză, diodele electroluminiscente sunt denumite LED (Light Emitting Diode), iar pentru 0,75 1,06m, sunt denumite IRED (Inflared Emitting Diode); în această a doua categorie aplicațiile majoritare sunt cele de transmisie fotonică a informației. Banda spectrală a LED-urilor și IRED-urilor este cuprinsă între 20 și 45 nm, ele funcționând la temperatura camerei, T25C, fiind mult mai mare decât cea a diodelor laser.

2.4.1. Diode superluminiscente

O structură de IRED superluminiscent este la fel cu cea a unei diode laser cu geometrie de bandă și dublă heterojoncțiune, exceptând faptul că regiunea activă este mai scurtă decât lungimea cristalului, în scopul eliminării unei reacții optice de cuplaj între cei doi pereți clivați, care sunt semireflectorizanți, ai cristalului semiconductor.

Fascicolul optic emis printr-o fațetă laterală este necoerent și constă dintr-o emisie spontană fotonică ce este amplificată printr-o singură trecere prin regiunea activă a joncțiunii. Din acest motiv IRED-ul superluminiscent poate fi situat între diodele luminiscente cu emisie laterală și diodele laser cu geometrie de bandă. Prima diodă superluminiscentă – realizată de către echipa Lee, Burrus și Miller în laboratoarele Bell, în anul 1973 – este prezentată în fig.2.16.

Fig.2.16. Structura diodei superluminiscente cu geometrie de bandă.

2.4.2. Realizarea diodelor luminiscente

Diodele luminiscente se prepară în general prin epitaxie și difuzie. Stratul epitaxal se depune pe un strat de GaAs, GaP sau Ge, tăiat din monocristal crescut din topitură. Materialul substrat este comercializat sub formă de bare din monocristal cu diametrul de 24 cm. Substratul se alege în funcție de constanta de rețea a cristalului epitaxal pe care dorim să-l depunem și de coeficientul de dilatare termică. Constanta de rețea a stratului epitaxal trebuie să aibă o valoare cât mai apropiată de cea a substratului. În cazul depunerii materialului GaAsP se utilizează epitaxia din fază de vapori, iar în cazul depunerii materialelor GaAs și AlGaAs se utilizează epitaxia din fază lichidă.

2.4.3. Caracteristicile electrice ale diodelor luminiscente

Caracteristica curent-tensiune a unei diode luminiscente este similară cu cea a unei joncțiuni p-n obișnuite. Dioda luminiscentă este polarizată în sens direct, astfel că nu se dă prea mare atenție valorii tensiunii de străpungetre la polarizare inversă. Valoarea curentului la polarizare directă depinde de aria diodei, de geometria

contactelor și de impedanța termică a structurii. Degradarea diodei luminiscente depinde de valoarea densității curentului electric.

2.4.4. Caracteristicile optice ale diodelor luminiscente

Datorită proceselor de absorbție și reflexie a luminii, eficiența cuantică externă este de 50100 ori mai mică decât efiiența cuantică internă.

Este natural să existe asemenea situație, deoarece lumina emisă în regiunea joncțiunii p-n trebuie să parcurgă un anumit drum până iese la suprafața dispozitivului. Datorită produselor de absorbție, intensitatea luminii emise prin suprafață scade cu adâncimea, d, a joncțiunii fațâ de această suprafață.

Reducerea coeficientului de absorbție se poate obține în mai multe feluri: prin ralizare stratului absorbant cât mai subțire, pri prepararea sa dintr-un material cu bandă interzisă mai largă decât a materialului care emite, prin micșorarea concentrației purtătorilor liberi, prin generarea de radiație cu energie mai mică decât lărgimea benzii

interzise. O altă problemă este cea a transmisiei radiației la suprafața dispozitivului. Transmisia depinde de indicii de refracție al semiconductorului și mediluui care-l înconjoară, precum și de unghiul sub care cade lumina pe suprafață. Dacă se notează cu n1 indicele de refracție al semiconductorului și cu n2 indicele de refracție al mediului care-l înconjoară, unghiul maxim 1 sub care poate să cadă lumina față de normala pe suprafață, pentru a fi emisă în exterior, se obține din relația lui Snell:

n1sin 1n2.

2.5 FOTODETECTORI

Pentru detecția fasciculului de radiație emis de o sursă optică se pot utiliza diferite tipuri de fotodetectori. În spectrul vizibil, fasciculul poate fi observat cu ochiul liber. Detectorii care se utilizează însă pentru măsurarea energiei de radiație emise de sursele optice sunt împărțiți arbitrar în două tipuri generale:

a) detectori cuantici, în care fotonii incidenți produc perechi de purtători (electron-gol).În acești detectori, curentul sau tensiunea rezultate ca urmare a separării și deplasării purtătorilor sunt proporționale cu numărul de fotoni incidenți;

b) detectori termici, în care se produce o schimbare a unei stări fizice a elementului fotosensibil în funcție de energia radiației absorbite.

O categorie de detectori termici, pirodetectorii, își schimbă de exemplu polarizarea ca urmare a variației temperaturii cristalului sub acțiunea radiației absorbite. Această schimbare se manifestă prin apariția unei diferențe de potențial între suprafețele plan-paralele ale cristalului pirodetector.

Ambele categorii de fotodetectori, cuantici și termici, sunt dispozitive cu lege de răspuns pătratică, în care semnalul la ieșire variază proporțional cu puterea radiației incidente, deci cu pătratul câmpului electric al acesteia.

Printre detectorii cuantici se întâlnesc tuburile fotomultiplicatoare, fotocelulele, fotodiodele semiconductoare. Detectorii termici cuprind bolometrele, termopilele și detectorii piroelectrici.

Fotodiodele semiconductoare sunt folosite pentru demodularea semnalelor optice îm sistemele de transmisie în sistemele de transmisie de purtătoare laser în atmosferă, în spațiul cosmic sau prin fibre optice. Ele corespund unei game largi de cerințe privind performanțele, compatibilitatea cu sursele de radiație laser și mediul de transmisie, prețul de cost etc.

Fotodiodele semiconductoare sunt în general de trei tipuri: fotodiode obișnuite, fotodiode de avalanșă și fotodetectori hibrizi (fotodiodă și amplificator integrat). Am văzut că fotodiodele semiconductoare cu joncțiune p-n, polarizate cu tensiuni inverse ridicate pot funcționa în regim de avalanșă. De asemenea, atunci când fotodioda semiconductoare se găsește într-un circuit hibrid, împreună cu un amplificator operațional, se formează un fotodetector hibrid sau integrat.

Pe de altă parte, fotodioda poate fi iradiată brusc cu un impuls treaptă de flux luminos, măsurându-se pe osciloscop timpul de creștere tr al fotodiodei, cuprins între 0,1 și 0,9 din valoarea maximă a semnalului electric la îeșirea acesteia. Cele două metode sunt echivalente.

Există deci relația:

tr=, [2.13]

unde f0 este dată în hertzi.

Mărimile tr și f0 sunt legate de valorile lui RL și Cj prin relațiile:

tr=2,2 RLCj (s) [2.14]

f0=(2RLCj)-1(Hz) [2.15]

valorile tipice ale capacității joncțiunii unei fotodiode cu siliciu sunt cuprinse între 2,5 și 80pF, iar timpii de creștere sunt de circa 325ns.

2.5.2. Tehnologia fotodiodelor semiconductoare

Caracteristicile generale ale fotodiodelor și ale materialelor semiconductoare folosite. Fotodiodele semiconductoare sunt în general de trei tipuri: fotodiodele obișnuite, fotodiodele de avalanșă și fotodetectorii hibrizi (fotodiodă și amplificator integrat). Am văzut că fotodiodele semiconductoare cu joncțiune p-n, polarizate cu tensiuni inverse ridicate pot funcționa în regim de avalanșă. De asemenea, atunci când fotodioda semiconductoare se găsește într-un circuit hibrid, împreună cu un amplificator operațional, se formează un fotodetector hibrid sau integrat.

Din punct de vedere structural, fotodiodele sunt de trei categorii: fotodiode cu joncțiune p-n sau p-i-n, fotodiode cu contact metal-semiconductor (numite și fotodiode cu barieră de suprafață Schottky), și fotodiode cu contact punctiform.

Fotodiodele semiconductoare rapide au joncțiuni planare cu diametrul de 501000m, în scopul reducerii capacității diodei și curenților superficiali de scurgere. În acest caz, radiația incidentă poate fi focalizată cu o lentilă adițională. Când folosesc fotodiode semiconductoare cu suprafețe mari de recepție (1cm2) optica de focalizare nu mai este necesară. Cea mai mare viteză de răspuns se obține în fotodiodele cu contact metalic punctiform. Aceste diode sunt însă puțin folosite datorită dimensiunilor reduse ale suprafeței fotosensibile.

În fotodiodele PIN sau în cele cu barieră de suprafață Schottky se pot obține rezistențe serie mici ale joncțiunii, deoarece grosimea stratului de epuizare este mare în raport cu restul materialului, în care nu avem câmp electric intens. Suprafețele active ale acestor fotodiode potrivite pentru o anumită aplicație depinde în primul rând de lungimea de undă a radiației laser folosite.

3.PIERDERI ÎN FIBRE OPTICE

3.1.Atenuarea radiaȚiei În fibrele optice

Atenuarea radiației în fibrele optice reprezintă un factor cu influență majoră în proiectarea sistemelor cu fibre optice. Pierderile sunt puternic dependente de lungimea de undă. Întrucât majoritatea aplicațiilor sistemelor cu fibre optice (telecomunicații, senzori) sunt în spectrul vizibil și infraroșu apropiat, studiul pierderilor se limitează la acest segment spectral.

Pierderile în fibre se clasifică în trei categorii, în funcție de mecanismele de producere:

– pierderi prin absorbție materială;

– pierderi prin difuzie;

– pierderi datorate efectelor geometrice.

3.1.1.Pierderi prin absorbȚie materială

3.1.1.1. Absorbția intrinsecă

Absorbția radiației este o proprietate naturală a substanței care se manifestă prin scăderea energiei fluxului radiant. Prin absorbție, energia radiantă este convertită ireversibil în căldură.

Absorbția este descrisă de legea lui Lambert:

[3.1]

unde: este fluxul la distanța z în substanță;

0- fluxul incident (fluxul la z=0);

k() – coeficientul de absorbție al substanței la lungimea de undă .

k() reprezintă atenuarea relativă a fluxului de radiație pe unitatea de lungime de strat absorbant și deci se măsoară în m-1. Se observă că atenuarea depinde de lungimea de

undă. Sub acest aspect, pentru fibrele optice interesează în special atenuarea în domeniile vizibil și infraroșu apropiat (0,5…1,6 m).

Pe de altă parte, coeficientul de absorbție, k() depinde de natura substanței. Fibrele optice de sticlă sunt realizate din silice (SiO2) pură sau dopată cu diverse materiale (titan, taliu, germaniu, bariu etc.), iar fibrele de plastic din polimeri de tip polimetilmetacrilat (PMMA) sau policarbonat (PC), toate acestea fiind materiale dielectrice. Datorată structurii moleculare și legăturilor atomice, toate materialele dielectrice manifestă o absorbție puternică în regiunile ultraviolet și infraroșu.

Mecanismul de absorbție în ultraviolet (UV) se manifestă și în vizibil, dar la un nivel foarte scăzut. Pierderile datorate absorbției intrinseci sunt mici în zona spectrală în care funcționează sistemele cu fibre optice, dar impun o limită teoretică a pierderilor care nu poate fi depășită. Absorbția intrinsecă este cauza limitării la aproximativ 1,6 m a aplicațiilor de transmisii de date. Tot datorită absorbției materiale, pentru aplicațiile în UV se folosesc fibre din cuarț sau cu miez lichid, substanțe transparente în această zonă a spectului optic.

3.1.1.2. Absorbția pe impurități

Prezența impurităților în fibră reprezintă o sursă majoră de pierderi. Două tipuri de impurități produc, în special, efecte nedorite: ionii metalelor de tranziție și ionul hidroxil (OH-).

Ionii metalelor de tranziție, cum ar fi Fe, Cu, Co, Ni, Mn, Cr au benzi de absorbție puternică în regiunea vizibilă și infraroșu apropiat. Practic, este imposibil să se obțină fibre optice fără impurități. Impurificarea se produce în cursul proceselor de topire, realizare a preformelor și tragere a fibrelor. Pentru a se obține atenuări datorate impurităților mai mici de 1dB/km, impurificarea cu ioni ai metalelor de tranziție trebuie să fie sub 1ppm.

Ionii hidroxil (OH-) prezintă vârfuri de absorbție la lungimile de undă 2,73 m, 1,37 m,1,23 m, 0,95 m, 0,7 m. Contaminarea cu ioni OH- se poate produce atât în cursul fabricării cât și ulterior, din umiditatea atmosferică. Pentru a evita contaminarea atmosferică, fibrele de sticlă au o cămașă de polimer impermeabil.

Defectele atomice sunt o altă cauză a absorbției materiale. Ionii care în mod normal nu absorb în spectrul de interes, cum ar fi Ti4+, prin reducerea la o altă stare (T3+), pot absorbi puternic. Reducerea se poate produce în cursul procesului de fabricație sau ca urmare a acțiunii radiațiilor ionizante (raze x, gama, neutroni). După 1990 s-au produs fibre de Si de înaltă puritate, care au pierderi datorate defectelor atomice foarte mici. Aceste fibre sunt, în același timp, rezistente la radiații nucleare, ceea ce a deschis calea folosirii senzorilor cu fibre optice în industria nucleară.

3.1.1.3. Pierderi prin difuzie Rayleigh

Difuzia se produce ca rezultat al excitării particulelor din mediu (electroni, molecule, impurități) de către radiația incidentă și constă în radiația în toate direcțiile a unui procent din energia incidentă. În miezul fibrei optice, în urma redistribuirii spațiale a luminii incidente, o parte din radiație este ghidată înainte, o altă parte este retrodifuzată, iar restul este transferată în cămașă.

Fenomenul de difuzie depinde de raportul dintre dimensiunea particulei, și lungimea de undă a luminii, și devine măsurabil de la valori ale raportului d/=1/10. Se disting difuzia Rayleigh (d/=1/10), difuzia Rayleigh-Gauss (d/=1), difuzia Mie (d/=10).

Difuzia Rayleigh este prezentă în toate tipurile de fibre optice. Pierderile prin difuzie Rayleigh constituie, ca și în cazul absorbției intrinseci, o limită teoretică ce nu poate fi depășită. Difuzia Rayleigh se datorează naturii amorfe a sticlei. Orientarea aleatoare a moleculelor în sticlă determină variații locale ale densității și indicelui de refracție, care pot fi modelate ca obiecte cu dimensiuni mai mici decât lungimea de undă, incluse într-un material omogen.

Pierderile prin difuzie Rayleigh nu depind de intensitatea radiației incidente și variază proporțional cu -4 . Pentru lungimi de undă sub 0,8 m, difuzia Rayleigh poate constitui principala componentă de pierderi. Difuzia Rayleigh este relativ uniformă în toate direcțiile (fig.3.1.). Din energia difuzată în unghiul solid 4, fracțiunea cuprinsă în unghiul solid definit de apertura numerică a fibrei este difuzată înapoi, și o valoare egală este difuzată înainte, restul fiind radiată în cămașă. Radiația retrodifuzată este folosită la o serie de senzori distribuiți.

În procesul de fabricație pot rezulta și neomogenități ale fibrei de dimensiuni mai mari, fie în miez, fie la suprafața de separație miez-cămașă, care determină apariția difuziei Mie. Difuzia Mie este independentă de lungimea de undă și poate fi micșorată printr-un proces de fabricație al fibrei atent controlat.

Fig. 3.1. Redistribuirea radiației în fibră prin difuzie Rayleigh.

În afara fenomenelor de difuzie liniare, pasive , menționate, pot fi luate în considerare, în anumite circumstanțe, și fenomenele de emisie neelastică, și anume difuzia Raman și Brillouin. Acestea sunt fenomene neliniare, care apar dacă densitatea puterii optice în fibră are valori mari, ca în cazul transmisiei radiației laser. Ele se caracterizează prin absorbția unei părți din energia radiației incidente, de lungime de undă și emisia spontană sau stimulată a unei radiații de lungime de undă diferită ’ , care difuzează în fibră.

Împrăștierea Raman

Efectul Raman apare când raza radiației monocromatice trece prin eșantionul de molecule care pot fi supuse schimbării în polarizabilitatea moleculară și aceasta vibrează. Numai micile proporții ale moleculelor (10-6 sau mai mic) pot fi supuse schimbării în polarizare, furnizează baza pentru efectul Raman pentru a putea fi observat. Depinde dacă împrăștierea Raman a fotonului este schimbată în înaltă sau joasă frecvență, așazisa anti-Stokes sau Stokes linie este generată. Deoarece rezultă, pentru radiația incidentă de frecvență 0, pentru moleculă se întoarce pentru un nivel vibrațional de excitație v, emisia radiației este a coborâtă la frecvența, 0-v. Dacă absorbția inițială este pentru acest nivel de excitație, de energie v, și întoarcerea este un motiv de a specifica, frecvența radiației este 0+v. Astfel se observă spectrul împrăștierii luminii care constă în relativitatea împrăștierii Rayleigh (și frecvența neschimbată 0) a liniei, împreună cu liniile Stokes și anti-Stokes reprezintă spectrul Raman. Această forma de chestionare a mediilor susceptibile este frecvența utilizată pentru analiza instrumentală, deoarece elucidarea structurii moleculei, în adaos pentru aplicațiile pentru sensibilitatea temperaturii vom discuta mai jos .

Cea mai mică parte din lumina care intră în fibră este împrăștiată, în decursul întregului proces, în comparare cu împrăștierea Rayleigh (cu lungimea de undă a luminii care intră) și emisia fluorescentă. În absența dopării cu pământ rar, alte, efectul de intensitate joasă poate fi văzut mai bine, și astfel a fost studiat mai amănunțit în ultimii ani, în ciuda descoperirii efectului Raman încă din 1928.

Împrăștierea Raman a fost bine pusă în evidență în DART (Distributed Anti-Stokes Thermometry) utilizând efectul spontan acolo unde radiația anti-Stokes (a înaltei frecvențe ca frecvență de bombardare) este utilizată. În timp ce rezultatul acestui fapt că numărul moleculelor excitate pe care le produc liniile anti-Stokes este direct dependent de temperatura absolută și astfel nivelul de intrare al radiației care este împrăștiată are energie mai mare; acest mecanism a fost utilizat în măsurarea temperaturii absolute. Ambele lungimi de undă Stokes și anti-Stokes trebuie detectate cu ajutorul unui monocromator și dependența temperaturii de nivelul de radiație anti-Stokes de aceea trebuie îndepărtate erorile datorate altor efecte decât temperatura de exemplu atenuarea materială a fibrei și pierderea benzilor. Proporția intensității, de care temperatura este dependentă, în funcție de frecvență este:

R(T)=( a/S)4exp(h/KT) [3.2]

unde a=0+V, S=0-V și a și V sunt frecvențele anti-Stokes și Stokes respectiv: h este constanta Planck și k constanta Boltzmann, și (a/S)4 este factorul de împrăștiere Rayleigh.

În fibrele optice, datorită duratei de interacțiune lungi și miezului îngust, densitatea mare de putere /durata propusă poate fi realizată pentru a observa efectele neliniare. O parte este împrăștierea stimulată Raman (SRS) cu care prima oară efectul neliniar observat folosind intensificarea (în ordinea susceptibilității) pentru care în silica utilizând lichid de CS2 în miezul fibrei, a fost folosit pentru prima oară de Ippen în 1970. Descoperirea fibrelor din silică cu pierderi reduse a permis observarea SRS în fibrele de silică la nivele de putere de 75W de către Stolen ș.a. în 1972. În sticla de silică, vibrațiile interne între lumina împrăștiată Si-O-Si în lățimea benzii de frecvență, în jurul frecvenței comută la 440 cm-1, când culmea obținută nu e bună.

Împrăștierea Brillouin

Procesul de împrăștiere Brillouin stimulată (SBS) în fibrele optice a fost observat de Ippen și Stolen și generarea procesului este similară la împrăștierea Raman, dar cu câteva diferențe distincte. Lumina este împrăștiată cu o undă acustică, creată de unda Stokes schimbată, frecvența schimbată b, care depinde de viteza undei sonore longitudinală V și de lungimea de undă a bombardării cu radiații c/a=2n0V/C. în comparație cu împrăștierea stimulată Raman (SRS) acest efect tinde să fie minor în fibrele tipice și SRS tinde să fie dominant în unda SBS obținută care este mai mare cu două ordine de magnitudine. Aceasta deoarece bombardarea în ceea ce privește liniile este considerabil mai largă decât cea a liniilor Brillouin care este de ordinul a 100Mhz(3*10-3cm-1) comparativ cu câteva sute de cm-1 pentru împrăștierea Raman.

3.1.2.Pierderile datorate EFECTELOR geometrice

Efectele geometrice care conduc la apariția pierderilor sunt:

– curbarea fibrelor;

– microcurburi (rezultate în procesul de tragere sau induse intenționat);

– variații ale diametrului fibrei.

Într-o fibră, dacă unghiul făcut de o rază ghidată cu suprafața de separație miez-cămașă are în zona dreaptă a fibrei valoarea , în zona curburii își modifică valoarea, devenind ’ (figura 3.2). Prin urmare, modul din zona dreaptă a fibrei corespunzător razei, se transformă în curbură într-unul de ordin superior, cu un alt unghi caracteristic, acest fenomen fiind numit conversia modului. Conversia în moduri de ordin superior determină modificarea timpului și a traseului de propagare și pierderi prin absorbție și difuzie suplimentare în fibră. Noul unghi ’ poate fi, în exteriorul curburii, mai mare decât unghiul critic c, ceea ce face ca raza să piardă energie prin refracție în cămașă și radiație în afara fibrei.

Fig. 3.2. Conversia modurilor și pierderile prin radiație la curbarea fibrei.

Fenomenul de pierderi în curbură poate fi explicat și prin propagarea undei. O parte a frontului de undă dinspre exteriorul curbei ar trebui să se deplaseze cu o viteză mai mare decât viteza luminii în mediul respectiv, pentru a rămâne cuplată la ghidul de undă. Cum acest lucru nu este posibil, energia din acea parte a frontului se decuplează de modul transmis și este radiată tangențial, fiind pierdută. Pierderea prin radiație în curburi este mai mică în cazul fibrelor cu variație graduală a indicelui de refracție.

Pierderile datorate variației diametrului fibrei și microcurburilor se explică prin conversia modurilor acolo unde suprafața de separație miez-cămașă suferă modificări locale, o parte a modurilor de nivel superior rezultate prin conversia modală fiind radiate în exterior. În același timp, are loc o difuzie pe neregularitățile suprafeței de separație miez-cămașă.

3.1.3. Atenuarea totală

Prin combinarea tuturor fenomenelor de pierdere, cu excepția pierderilor datorate efectelor geometrice, se obține curba atenuării totale a unei fibre optice, sau caracteristica spectrală a atenuării. În figura 3.19 se prezintă o curbă de atenuare totală caracteristică pentru fibre de sticlă. Se observă că regiunea de absorbție redusă este limitată spre lungimile de undă mici de difuzie și înspre lungimile de undă mari de absorbția în infraroșu. În zona de atenuare redusă se evidențiază vârfurile de absorbție datorate ionului OH- și a altor dopanți, între care sunt minime locale ale atenuării totale, numite ferestre de transmisie. Fibrele de sticlă au două ferestre de transmisie: prima fereastră, în regiunea 800-900 nm și a doua fereastră, în domeniul 1300-1600 nm. În a doua fereastră există la aproximativ 1400 nm un vârf de absorbție datorat ionului OH-. Pierderile minime pentru fibrele din sticlă sunt de aproximativ 0,15 dB/km la 1,55 nm, o valoare apropiată de limita teoretică. Fibrele de plastic, cu miezul din polimetilmetacrilat (PMMA) și cămașa din fluoropolimer, au pierderile minime în regiunea vizibilă a spectrului, având valori cuprinse între 200-300 dB/km. Se observă că fibrele PMMA au pierderi mult mai mari decât cele din sticlă, ceea ce limitează lungimea de transmisie la câteva zeci de metri. Pentru aplicații de senzori cu fibre optice, aceste lungimi sunt suficiente în majoritatea cazurilor, iar diametrul mare al fibrelor de plastic poate constitui un avantaj.

Fig.3.3. Caracteristica atenuării totale în fibre optice din sticlă.

Pentru fibrele optice rata de atenuare este de obicei exprimată în decibeli/kilometru (dB/km). În cazul în care z=1km, rata de atenuare poate fi definită prin ecuația:

Rata de atenuare=-10log10(I1/I0) dB/km

Într-o fibră cu rată de atenuare de 10dB/km intensitatea (puterea optică) v-a scădea la o zecime din intensitatea incidentă după ce parcurge 1 km. O rată de atenuare de 3dB/km corespunde unei reduceri la jumătate a intensității incidente după 1 km pentru că log100.5 este egal cu 0.3. în acest ultim caz, după 5km intensitatea v-a scădea cu 15dB din valoarea integrală, deci atenuarea v-a fi 15dB.

O foarte evidentă scădere a ratei de atenuare s-a petrecut în 1970 prin introducerea unei noi tehnici de fabricare a fibrelor, proces de depunere în faza de vapori. Acesta a condus la posibilitatea de a dispune de primele fibre ultrarapide de SiO2 de înaltă prioritate și dezvoltarea unui grup de tehnici înrudite pentru producerea unor fibre extrem de pure și cu puține pierderi. Astăzi fibrele disponibile au pierderi minime la lungimile de undă selectate între 0.2 și 1dB/km astfel încât repetarea legăturilor inferioare de comunicare optice mai lungi de 50km sunt o realitate la îndemână. O înțelegere clară a factorilor care influențează atenuarea în fibrele optice este importantă nu numai pentru designerul de fibre cât și pentru utilizator.

Cauzele de atenuare pot fi împărțite în trei categorii diferite: prima numită absorbția materialului, se datorează absorbției energiei optice în nivelele energetice ale electronilor impurităților metalelor tranziționale ca Fe, Cu, Cr și Ni și nivelele vibratorii ale ionilor hidroxil (OH-) în miezul și în zonele interne ale placajului.

În acest caz energia este absorbită din fasciculul optic și reradiată în rețeaua moleculară sub formă de căldură. Al II-lea tip de atenuare e datorat pierderilor prin îndoire care sunt de două tipuri. Una este datorată îndoirii normale a întregii fibre la raza nominală. De exemplu pierderile prin îndoire se pot datora tragerii fibrei printr-o mendrină de diametru mic. Cea de-a II-a numită pierdere prin microândoire aparentă datorată variațiilor aleatorii ale direcției axei miezului. Acestea pot fi chiar microscopice datorate unor forțe externe, imperfecțiuni în acoperire și placare, neregularități la interfața miez-placaj, microfisuri și alte cauze. În oricare din cazuri, lumina va trece din miez în placaj și aceasta va cauza o scădere a intensității luminii transmise prin fibră spre capătul de ieșire al acesteia.

În sfârșit, există trei tipuri de pierderi prin împrăștiere. Primul, numit împrăștiere Rayleigh e cauzată de fluctuații microscopice de densitate care sunt înghețate în structura moleculară aleatorie a sticlei ce formează miezul fibrei când se răcește la temperatura sa de solidificare relativ crescută. Aceste fluctuații pot fi rezolvate în frecvențe spațiale care au mult mai scurtă decât optică. Pierderile prin împrăștierea Razleigh variază invers proporțional cu puterea a IV-a a optice. Adăugându-se fluctuațiilor statice ale densității există și fluctuații dinamice datorate undelor termale ale sunetului. Acest unde iau naștere și se propagă pentru că temperatura sticlei e aproape de zero absolut. Aceste fluctuații de densitate propagate (fononi termali) duc la împrăștierea Brilloniu. În sfârșit, există lumină împrăștiată cauzată de absorbție și reradierea din nivele energetice atomice de vibrație și de rotație, adică împrăștierea Raman. Aceste ultime două procese de împrăștiere Raman și Brilloniu sunt procese neliniare și semnificative numai la intensități optice înalte.

Puterea și dependența de lungimea de undă a unora din aceste mecanisme de pierderi este prezentată în figura 3.4.

Fig 3.4. Fibră graded-index.

O imagine a mecanismului de pierdere prin îndoirea radială normală e prezentată în fig. 3.5.

Fig.3.5. Fibră monomodală cu lungime de bandă caracteristică.

Presupunând (considerând) că o rază călătorește spre dreapta la un unghi mai mic decât unghiul critic c în fibra dreaptă. În regiunea îndoită raza intersectează interfața miez-placaj la un unghi mai mare decât c și astfel va fi parțial transmisă în afara miezului și în placaj. Aceasta se va întâmpla la fiecare reflexie succesivă de pe o interfață exterioară și pot apărea pierderi mari. O altă explicație calitativă a acestui tip de pierderi este după cum urmează. În fasciculul propagat prin fibră, considerând fronturi ale undelor plane, dacă viteza în centrul miezului în porțiunea îndoită (curbată) este egală cu c/n1, viteza “curată” în miez , atunci viteza la marginea exterioară a frontului trebuie să fie mai mare decât c/n1 ceea ce nu se poate întâmpla. Rezultă radiații în forma împrăștierilor de la miez la placaj. În sfârșit, de la teoria undelor electromagnetice poate fi demonstrat că într-un ghidaj de undă cu o rază de îndoire constantă toate soluțiile ecuației undei reprezintă unde care se deteriorează odată cu creșterea distanței față de axul miezului.

Folosind cele mai noi cunoștințe e posibil să se calculeze pierderile așteptate datorate unei raze de îndoire constantă. Rezultatele unor astfel de calcule apar în fig. 3.6, unde curbele pierderilor în funcție de raza de îndoire sunt prezentate pentru fibre unimodale la =0.83 având aperturi numerice (AN) diferite.

Fig.3.6. Unghiul de acceptanță.

Se observă puternica dependență de raza de îndoire și AN. Referindu-ne la fig. 3.6 să considerăm o fibră cu AN=0.1. Când o lungime de 10m e trecută printr-o mandrină cu r=1.2cm atenuarea datorită îndoirii este de aproximativ 6dB, adică 75% din energia luminoasă transmisă în miez la capătul de intrare e împrăștiată în afara miezului în timp ce se propagă prin cei 10m către capătul de ieșire.

Când 10m de fibră identici sunt trecute printr-o mandrină cu r=1cm atenuarea datorată îndoirii va crește cu un factor în jur de 250.000 la 60 dB așa încât numai aproximativ o milionime din lumina originală rămâne la capătul fibrei. Aproape toată lumina de intrare e împrăștiată afară din miez. Pe de altă parte, folosind mandrina de 1.2cm și mărind apertura numerică la 0.12 se reduce atenuarea la 0.16dB respectiv 1.6dB. De aceea trebuie avut grijă la proiectarea senzorilor din fibre optice care cer îndoire și prelucrare la mandrină și la specificarea fibrelor pentru astfel de aplicații.

Efectul unei microîndoirii asupra propagării luminii într-o fibră optică e prezentat în fig. 3.7.

Fig.3.7. Raza unghiului de acceptanță.

O rază propagată în miez la un unghi mai mic decât cel critic e total reflectată înainte de a ajunge la o zonă de fibră distorsionată de o mică imperfecțiune. Prin reflexii succesive pe interfața miez-placaj e incidentă cu suprafața interfeței la un unghi mai mare decât unghiul critic astfel încât o parte din lumină e transmisă în placaj. Distorsiuni aleatorii ca aceasta, datorată imperfecțiunilor interfeței miez-placaj sau îndoirii ori forțelor de extensie exercitate în punctele de împrăștiere în apropiere de interfața fibrei pot determina microîndoiri în suprafața miezului ducând la pierderi cumulative substanțiale. Astfel de pierderi prin distorsiune sunt de obicei de nedorit și dăunător de exemplu în operațiile de cablare a fibrelor. Pe de altă parte, microîndoirea e folosită în senzorii optici ca un mecanism traductor, așa cum se va arăta mai târziu.

Ultima proprietate a fibrei optice luate în considerare este dispersia de viteză adică diferența de viteză pe diferite porțiuni ale luminii care poate să se propage în miezul unei fibre particulare. Se va arăta mai târziu cum dispersia afectează direct comportamentul unor senzori optici specifici. Pentru acum, semnificația dispersiei va fi ilustrată în termeni care arată cum afectează limitele lărgimii de bandă în aplicațiile de comunicare.

În introducerea acestui capitol s-a evidențiat că una dintre țintele designerilor de fibre optice este să proiecteze o fibră care să conserve informația dintr-un fascicul luminos în timpul propagării prin miez. Când un impuls luminos e transmis printr-o fibră multimodală step-index, energia se va împărți în mai multe moduri diferite. Fiecare mod călătorește cu o viteză particulară sau un șir de viteze și astfel pot ajunge la capătul fibrei la momente diferite în funcție de viteză și de lungimea drumului parcurs. Evident aceasta contribuie la lărgirea impulsului și de fapt această dispersie modală este principala sursă de lărgire a impulsului în fibrele multimodale step-index. Acest tip de dispersie e redus substanțial în fibrele multimodale cu indice gradat în care (diferitele propagări m) timpii diferiți ai propagărilor modale sunt aproape egali uni cu alții și astfel variate porțiuni ale unui impuls transmis ajung la capătul fibrei în același timp deși viteza de propagare și traseul diferă. În acest caz, totuși, următorul nivel inferior al efectelor lărgirii impulsului devine evident. Este ceea ce se numește dispersie materială sau cromatică ce apare datorită faptului că viteza unei unde electromagnetice (luminoase) este de obicei funcție de lungimea de undă în materialul dielectric. Dacă o sursă optică emite un impuls de radiație altfel decât monocromatică (cu o singură ) diferențele lungimii de undă prezente se vor propaga la viteze diferite și aceasta duce la lărgirea impulsului.

Efectele dispersiilor modale și materiale unde dispersia teoretic prevăzută, sau lărgirea impulsului exprimatăcu o creștere de nanosecunde lărgirea impulsului pentru fiecare km parcurs în fibră e desenată ca o funcție de AN pentru variate condiții de operare.

Două tipuri de surse optice cu lungimea de undăde 0.85m sunt luate în considerare. Una este un laser de injecție emițând lumină cu o lărgime spectrală de 20 (variație de ). Cealaltă e o diodă emitentă de lumină (LED) cu lărgimea spectrală de 350.

Rezultatele alăturate pot fi exprimate în termeni de lărgime de bandă a semnalelor de modulație care pot fi transmise de fibre. Capacitățile lărgimii de bandă disponibile curent cu diferite tipuri de fibre sunt rezumate după cum urmează:

Comportament limitat al dispersiei modale.

Fibre cu indice în trepte 30MHz-km

Fibre cu indice gradat

Grad de cercetare 1000MHz-km

Grad de producție 400MHz-km

Comportament limitat al dispersiei materiale

Fibre cu indice gradat (0.85)

LED (lărgime spectrală 350ä) 150MHz-km

Laser (20ä) 2500MHz-km

Capacitățile sunt exprimate ca produs al celei mai mari frecvențe modulatorii în MHz care poate fi aplicată (fără distrugeri excesive) înmulțită cu lungimea fibrei în km. Astfel utilizând fibre multimodale cu indice gradat de bună calitate este posibil să transmitem semnale cu componente de frecvență în plus de 16Hz prin fibre de lungimi de 1km sau în plus de 56Hz prin fibre de 200m și așa mai departe.

În fibrele unimodale dispersia modală și materială sunt un factor important. În oxidul de siliciu SiO2, principalul component al miezului și placajului celei mai bune sticle din fibre, curba indicelui de refracție ca funcție de optic are un minim la 1.3 ca în fig.2.18. Aici sunt alte două tipuri de efecte de dispersie care apar de obicei când sunt folosite fibre unimodale. Primul dintre ele se numește dispersie de ghidaj care rezultă din variația constantei de propagare, , sau viteza undei, c/n efectiv cu modificări ale parametrilor V și astfel ale .

Un impuls îngust de lumină, prin natura sa constă într-o bandă de frecvențe modulatorii și cu cât mai îngust e impulsul cu atât mai lărgit este spectrul frecvențelor sale. Lumina cu =1 în vid are = 3*1014Hz. Dacă este modulată pulsatil va produce impulsuri de lărgime 0.1ns , lărgimea de bandă va depăși 10GHz ( 20GHz dacă se aplică criteriul Nzquist). Viteza de propagare a unui astfel de impuls va fi definit ca maxim al învelișului definit ca viteză de grup Vg care e arătat că e egală cu panta a curbelor modale. Un alt tip de dispersie sau variație de viteză care poate afecta parcurgerea în fibrele unimodale se referă la dispersia de polarizare.

4. EVALUAREA PIERDERILOR ÎN SISTEMELE DE MĂSURARE CU FIBRE OPTICE

4.1 SISTEMUL EXPERIMENTAL. SCHEME UTILIZATE

Sistemul experimental cuprinde trei părți:

a) Sursa de emisie optică

b) Fibra optică

c) Sursa de recepție optică

4.1.1. Sursa de emisie optică

Schema folosită are ca element central un amplificator operațional care are avantajul simplității și al unui cost redus. Amplificatorul operațional (A.O.) este de tipul A741 care este ușor de procurat și satisface pe deplin cerințele de performanță cerute oscilatorului (fig.4.1). Un alt tip de amplificator operațional, mai performant, ar fi ridicat în mod inutil costul ansamblului, experimentările ulterioare justificând pe deplin soluția aleasă.

Fig.4.1. Schema sursei de alimentare.

Pentru comoditatea vizulalizării pe ociloscop, cât și spre a evita eventualele probleme legate de ecranare am ales ca frecvență de oscilație frecvența de 1000 Hz.

Forma semnalului la ieșirea oscilatorului este dreptunghiulară cu factorul de umplere 0,5.

Amplificatorul operațional funcționează în regim de oscilator datorită reacției pozitive realizată de rezistoarele R3 și R6 montate ca divizor de tensiune.

La momentul t0, când tensiunea de pe capacitorul C3 este cea mai negativă, circuitul este basculat, tensiunea de ieșire din A.O. fiind +Uz. Tensiunea adusă de la ieșire prin rezistorul de reacție R5 va produce în intervalul 0t1 încărcarea capacitorului C3. În momentul t1, tensiunea de pe intrarea inversoare ajunge egală cu tesiunea de pe intrarea neinversoare și circuitul basculează, tensiunea de ieșire fiind –Uz (fig. 4.2).

Fig.4.2. Forma semnalului la ieșire oscilatorului.

În intervalul t1t2 capacitorul se descarcă și în momentul t2 tensiunea de pe intrerea inversoare este egală cu cea de pe intrarea neinversoare și circuitul iarăși basculează, procesul repetându-se.

Frecvența de oscilație este dată de valorile componentelor din bucla de reacție negativă, R5 și C3:

; T2RC ;

Diodele Zenner limiteză excursia tensiunii de ieșire la o valoare egală cu tensiunea stabilită de ele.

Tensiunea de la ieșirea oscilatorului este alternativă, de aceea am adăugat schemei o diodă redresoare (D3) -pentru ca baza tranzistorului folosit pentru modulare (T2) să fie atacată de un curent cu polarizare fixă- iar pentru limitarea curentului absorbit de baza tranzistorului T2 am adăugat și rezistorul R7.

Datorită împraștierii mari a caracteristicilor pentru A.O. A741 calculate ale valorile calculate ale componentelor exterioare cipului, frecvența de oscilație de 1000Hz, am obținut 0 prin tatonări.

Componentele schemei utilizate sunt:

R356 k; R42,2k; R5=10 k; R6=100 k; R7=20 k;

C3=15nF; D3=1N 4004; D4, D5=PL 5V6Z.

4.1.2. Sursa de detecție optică

Fotodiodele PIN pot funcționa în două moduri:

– modul fotoconductiv

– modul fotovoltaic

În prezentul proiect am ales ca sursă de detecție modul fotovoltaic.

Modul fotovoltaic

Dioda funcționează ca sursă de curent sau ca o sursă de tensiune legată de fluxul incident după montajul asociat. Figura 4.3 dă o tensiune de ieșire proporțională curentului care parcurge dioda:

Fig.4.3. Montajul care dă la ieșire o tensiune proporțională curentului care parcurge dioda.

Soluția aleasă:

Schema electrică pe care am folosit-o la realizarea practică a receptorului cu fotodiodă în montaj fotovoltaic este următoarea:

Fig 4.4. Schema electrică folosită la realizarea practică a receptorului cu fotodiodă în montaj fotovoltaic

Elementele principale ale schemei sunt:

1) fotodioda BPX 65

Ca senzor fotoelectric am ales această diodă deoarece răspunde bine la un spectru larg de lungimi de undă și are o suprafață a joncțiunii suficient de mare pentru a asigura că fluxul optic cade pe joncțiune.

Parametrii electrici și optici ai acestei diode sunt prezentați în anexele 7 și respectiv 8.

Fotocurentul variază liniar cu intensitatea luminoasă.

2) amplificatorul de curent TL071 (Texas Instruments)

Schema capsulei circuitului integrat este dată în figura următoare:

Fig. 4.5. Schema capsulei circuitului integrat

Circuitul TL071 este un amplificator BIFET (cu impedanță foarte mare de intrare) fiind indicat pentru amplificarea smnalelor mici de intrare (de ordinul nanoamperilor). L-am folosit cu rolul de amplificator inversor.

Pentru reacția amplificatorului am ales o rezistență R 5M astfel încât la ieșire să se obțină un semnal ușor de citit.

În paralel cu rezistența R am conectat un condensator de valoare foarte mică pentru a asigura o formă corectă a semnalului dreptunghiular de la ieșire.

Valorile maxime ale tensiunii de alimentare citate din catalog sunt:

+Vcc +18 V

-Vcc -18 V

Pentru alimentarea dispozitivului am folosit o sursă de +/- 15 Vcc ținând cont și de necesitățile celorlalte blocuri electronice din compunerea schemei electrice generale.

4.2. TEHNICI DE ELALUARE

4.3. DETERMINĂRI EXPERIMENTALE

4.3.1. Studiul calității fibrei

Cele două fibre optice folosite sunt două fibre din plastic (PMMA).

LED-ul folosit este un LED albastru cu I 20 mA

A) folosim fibra neșlefuită

Măsurători efectuate la fotodetector

Observație

A patra valoare a tensiunii se datorează tăieturii oblice a fibrei optice.

a) Măsurători efectuate la sursă (s-a folosit un LED u.b.)

Observații

1. A treia valoare a tensiunii se datorează tăieturii foarte proaste a fibrei;

2. Ultimele trei valoari ale tensiunii se datorează rotirii fibrei.

B) șlefuim fibra

a) Măsurători efectuate la fotodetector la primul capăt al fibrei

b) Măsurători făcute la fotodetector la primul capăt al fibrei

Fig.4.5.Graficul tensiunilor în funcție de finețea șlefuirii.

4.3.2. Studiul pierderilor datorate deplasării fibrelor

a) deplasarea sus-jos a fibrei de recepție față de cea de emisie

b) deplasarea lateral stânga-dreapta a fibrei de recepție față de cea de emisie

Grafic, dependența tensiunii de deplasarea fibrelor, este de forma:

Fig.4.5. Dependența tensiunii de deplasarea fibrelor.

c) Deplasarea pe orizontală a celor două fibre

Fig.4.6. Dependența tensiunii de deplasarea pe orizontală a fibrelor una de cealaltă.

4.3.3. Studiul pierderilor datorate deplasării LED-fibră

a) deplasarea pe orizontală LED-fibră

Fig.4.7. Dependența tensiunii de deplasarea pe orizontală LED-fibră.

b) deplasarea lateral stânga-dreapta a fibrei de recepție față de LED

c) deplasarea lateral sus-jos a fibrei de recepție față de LED

Fig.4.6. Dependența tensiunii de deplasarea LED-ului față de fibră.

4.3.3. Studiul pierderilor datorate deplasării fotodiodă-fibră

a) deplasarea pe orizontală fotodiodă-fibră

Fig.4.7. Dependența tensiunii de deplasarea fotodiodei-ului față de fibră.

b) deplasarea lateral sus-jos fotodiodă-fibră optică.

Fig 4.8.Dependența tensiunii de deplasarea lateral sus-jos a fotodiodei față de fibră.