Studiul Fibrelor Optice. Caracteristici de Transmisiune

STUDIUL FIBRELOR OPTICE, CARACTERISTICI DE TRANSIMISIUNE

Proiect de diplomă

Capitolul 1 Indtroducere

(mai trebuie adaugat)

Tehnologia fibrelor optice chiar dacă a devenit prezentă doar în lumea modernă, ea datează de foarte multă vreme, este deopotriva pe cât de veche pe atât de simplă.

Principiul pe care se bazează fribrele optice este ghidarea luminii prin reflexii repetate și a fost demonstrată la începutul anilor 1840 de Daniel Colladon și Jacques Babinet. În 1870, John Tyndall a scris despre proprietatea de reflexie internă totala: “Când lumina trece din aer în apă, raza refractată este întoarsă înspre perpendiculară, când raza trece din apă în aer, ea este întoarsă dinspre perpendiculară”. Raza va fi total reflectată la suprafață dacă unghiul făcut de raza din apă cu perpendiculara la suprafața este mai mare de 48 de grade. În anul 1880 , Alexander Graham Bell a folosit un fascicol luminos pentru un aparat care l-a denumit foton, dispozitiv construit din oglinzi si detectoare din seleniu care transmit unde sonore.

Transmisia luminii prin spațiul atmosferic s-a dovedit nepractică datorită faptului că vaporii de apă și oxigenul atenuează si absorb radiația luminoasă, pentru a rezolva această problemă, singura modalitate practică este folosirea ghidurilor optice. Pentru a oferii un indice de refracție cât mai potrivit, fibra de sticlă este învelită cu un strat transparent și a fost folosită în anul 1952.

Inventarea laserului în anii 1960, a dus la accelerarea eforturilor de cercetaree în domeniul comunicațiilor prin fibra optică. Primul om de știința care a recomandat folosirea fibrei optice in telecomunicații, a fost Junichi Nishizawa in anul 1963. Tot el a inventat fibra optică cu indice de refracție gradat pentru a servi drept canal de transmisie a luminii cu ajutorul laserului cu seminconductori pe distanțe lungi și având pierderi mici. Pentru a se putea ultiza fibra optică în telecomunicații, nivelul de atenuare în fibră trebuie sa fie sub 20 (dB/km). În anul 1970, cercetătorii Robert Maurer, Peter Schultz și Donald Keck au realizat o fibră optică cu atenuare de 17 dB/km prin doparea sticlei cu silicat de titan, urmând peste cațiva ani sa realizeze o fibră cu un nivel de atenuare cu 4 dB/km, aceste atenuari mici au deschis calea comunicațiilor prin fibră si internet.

Prima fibră cu cristal fotonic, care ghidează lumina prin difracție intr-o structura periodică si nu prin reflexie internă totala, a fost utlizată in anul 2000. Proprietățile dependente ale fibrei cu cristal fotonic de lungimea de undă pot fi manipulate pentru a îmbunătății performanțele fibrei în anumite aplicații.

Capitolul 2. Prezentarea Fibrelor Optice

2.1 Generalități despre fibrele optice.

Fibra optică este un mediu de undă ghidat, folosit pentru a transmisie unde optice; oferind o lătime de bandă foarte mare si un mediu de transmisie foarte avantajos; de aceea ele sunt preferate pentru transportul informațiilor pentru majoritatea aplicațiilor. Este o fibră de sticlă sau plastic care transportă lumină de-a lungul său și este omniprezentă in domeniul telecomunicațiilor, folosite pentru iluminat si pentru a transporta imagine; proiectate special pentru aplicații cu senzori si laseri.

Unda optică purtătoare este modulată la o frecvență de – Hz ; de 3 până la 6 ori mai mare decât frecvențele microundelor. Semnalul optic generat de un laser în formă de impulsuri de lumină, este transmis prin fibra optică.

Fibra optică are diametrul de la 1000 µm pîna la 1500 µm cât diametrul părului uman. În cadrul unei expermient au fost formate 512 canale, fiecare având o viteza de transfer de 2,488 Gbps asta înseamnă că viteza sumara de transfer pe o fibră este de 1,27 Tbps= 1,27 * bps. Conexiunile prin fibra optică reprezită soluție pentru accesul de mare viteză la serviciile de internet si pentru contexiuni dedicate permanent.

Sunt aranjate in snopuri, numite cabluri optice si sunt folosite pentru a transmite semnale de lumină pe distanțe lungi. Snopurile sunt protejate de învelișul extern al cablului numit îmbrăcăminte.

Milioane de km de fibră optică sunt instalate in jurul pământului creând rețele de comunicații “high-speed”; dar odată ce fluxul de date crește și lungimea fibrelor crește astfel este imposibil de evitat pierderile in fibră.

Fig. Un cablu audio de fibră optică TOSLINK iluminat la un capăt

Dacă analizăm o singură fibră optică , observăm ca este formată din:

Miez central (de rază a) , în care se propagă lumina;

Învelișul (de rază b) care constituie materialul optic din afară care inconjoară miezul și reflectă lumina înapoi in el.

Mediul protector care este format dintr-un înveliș de plastic care protejează fibra de stricăciuni si umezeală.

Materialul ales pentru contsruirea fibrelor optice este necesar sa răspundă următoarelor cerinte:

Să aibă transparență cât mai bună la lungimea de undă a semnalului luminos folosit;

Să posede stabilitate chimică cât mai bună în timp;

Să fie usor prelucrabil în toate fazele procesului tehnologic

Cablul din fibre optice este alcătuit dintrun număr foarte mare de asfetl de fire. La un capăt este necesar să se afle un aparat electronic care trimite semnalul codificat și la celalt capăt un aparat care recepționeaza si decodifică semnalul.

Capacitatea de transfer a informației prinr-un sistem de comunicații pe fibra optică este direct proportional cu banda sa care depinde direct proportional de frecvența purtătoarei semnalului transmis.

Fig. Principiul comunicației optice

Link-ul de fibra optică este format dintr-o sursă de lumină care reprezintă transmițătorul, cablul de fibră cu connectori și/sau îmbinari și un detector de lumină.

Dacă link-ul de fibră este lung, el necesită repetoare intermediare, distanța dintre aceste repetoare este mult mai mare în comparative cu cea neacesară la sistemele cu cabluri coaxiale.

Fig. Schema bloc a unui transmițator de fibră optică.

Transmițatorul este folosit pentru a face conversia semnalelor electronice în semnale optice. El este format dintr-un driver, o sursă de lumină și un dispozitiv de connectare la cablul de fibră optică. Driver-ul asigură trei funcții:

Optimizează semnalul luminous prin controlul câștigului și al condiționarii de semnal;

Compensare cu temperature pentru a nu depășii capacitatea de curent a sursei de lumină;

Reglează curentul de alimentare pentru optimizarea răspunsului optic si pentru protecția sursei de lumină.

Sursa de lumină este realizată cu LED (Light Emitting Diode) sau cu LD (Laser Diode).

Tabel 1 . Caracteristicile transmițătoarelor realizate cu LED si LD (temperature 25ºC)

Se poate oberva ca LED-urile au caracteristici superioare față de LD.

Fig . Schema bloc a receptorului de fibră optică.

Receptorul de fibră optică este alcatuit din: cuplor de fibră, un detector de lumina și un circuit de interfața optoelectronic. Acesta realizeaza o conversie a semnalelor optice în semnale electrice și poate fi realizat din fotodiode de tip PIN sau APD, care detecteaza lumina cu ajutorul unei joncțiuni semiconductoare de tip pn , în care radiația lumioasă incidentă produce un fotocurent de intesitate proportional cu puterea sa.

Fotodioda PIN asigură un timp de răspuns foarte mic si este ultizată frecvent în sistemele de transmisiuni pe fibre optice. Fotodioda APD(Avalanche PhotoDiode) combină detecția semnalelor optice cu amplificarea internă a fotocurentului prin multiplicarea in avalanșă a purtătorilor in regiunea joncțiunii, are avantajul raportul de semnal zgomot ridicat pentru viteze mari de transmisie.

2.2 Cabluri din fibre optice

Fibrele optice au o flexibilitate mare , deoarece energia și cantitatea de informație transmise prin fibră sunt limitate. Se folosesc cabluri alcătuite din mai multe fibre optice simple

Cablurie din fibre optice sunt :

Cabluri necoerente sau ghiduri de lumină: folosite când semnalul transmis de o fibră optică nu este corelatcu semnalele transmise de celelte fibre; în aceste cabluri nu are importanță poziția relativă a diferitelor fibre simple care alcătuiesc cablul.

Funcția acestor cabluri este de a transmite lumina dintr-un loc in altul; flexibilitatea, eficineța si posibilitatea de modelare a secțiunii transversale a fasciculului luminos sunt principalele avantaje fata de alte dispozitive care pot transmite lumina dintr-un loc in altul. Cu ajutorul cablurilor optice se pote modifica forma secțiunii transversale a unui fascicul luminos dar și numarul de fascicule transmise.

Structura de aranjare a fibrelor optice intr-un cablu poate fi pătratică sau hexagonala.

Aranjament pătratic: fracțiunea este de /4= 0,785, transmitanța acestor cabluri

sa fie mai mică decât cea a cablurilor cu aranjamnet hexagonal de 2/ = 1,115

ori.

Aranjament hexagonal: fracțiunea este egală cu 0,9069 din suprafața unui elemt de rețea.

Temperatura de folosire a cablurilor de sticla depinde materialul folosit pentru unuire fibrelor si materialul stratului protector , poate fi de 400ºC; pentru cablurile plastice temperatura maximă depinde de materialul plastic folosit pentru obținerea fibrelor.

Cablurile coerente sunt folosite pentru transmiterea imaginilor dintr-un loc in altul. Trecerea luminii dintr-o fibră in alta este însoțită de micșorarea contrastului din imaginea finală; din această cauză fibrele se acopera cu un strat metalic protector sau cu un strat opac de sticlă.

Orice defect al fibrelor optice conduc la distorsionarea imaginior de exemplu: puncte întunecoase datorate fibrelor rupte sau sparte sau deformări ale imaginilor din cauza alinierii incorecte a fibrelor de cupru și deplasarea laterala a imaginilor datorata abaterilor de la alinierea axială.

Materiale pentru fibre optice

Pentru obținerea variației indicelul de refracție intre miez și îmbrăcămintea fibrei optice sunt necesare doua materiale diferite transparente pentru lumină. Pierderile de împraștiere și absorbție intrinseacă ale acestor materiale trebuie să fie foarte mici.

Cele mai folosite materiale sunt:

Bioxidul de siliciu SiO2 pur dar și amestecuri ale acestuia cu alți oxizi în cantități mici;

Materiale plastice;

Sticle multicompozite.

Dacă importanța atenuarii semnalului in fibră este mică atunci cand transmisiile sunt pe distanțe mici și latime îngustă putem folosi fibre confecționate din plastic; atunci când avem nevoie ca atenuarea sa fie joasa și banda de transmisie mare folosim fibrele optice confecționate din bioxid de siliciu, care este un material pentru ghiduri de undă de înaltă calitate. Pentru a majora indicele de refracție al SiO2 pur putem folosi materialele: GeO2, P2O5, Al2O3 și așa mai departe. Este indicat să se folosească cuarț curat pentru miez si cuarț dopat cu Flor ca înveliș.

Aplicațiile fibrelor optice

Telecomunicații prin fibra optică

Deoarece fibra optică este flexibilă și poate fi strânsă in cabluri ea poate fi folosită ca mediu de comunicații si rețele. Avantajele sunt foarte mari pentru comunicații pe distanțe mari, datorita faptului că lumina se propagă prin fibră cu atenuare mică în comparație cu cablurile electrice; daca dorim acoperirea pe distanțe mari putem folosi doar câteva repetoare.

Semnalele luminoase propagate în fibră pe fiecare canal pot fi modulate la viteze de până la 111 gigabiti pe secundă.[12]wiki. Oricare fibră are posibilitatea de a transmite mai multe canale independete, fiecare folosind o altă lungime de undă a luminii.[13]wiki.

Rata de transfer net (daca excludem octeții de overhead) este egala cu rata de transfer efectiva a datelor inmulțită cu numărul de canale. Numărul maxim de transmisie prin fibra optică a fost obtinut in Laboratorul Bell Labs din Villarceaux, Franța , realizând multiplexarea a 155 de canale, fiecare cu 100 Gbps pe o fibra de 7000 km.[15]  Alcatel Boosts Fiber Speed to 100 Petabits in Lab

Daca dorim o conexiune pe o distanță scurtă, de exemplu rețeaua unui bloc, putem folosi o sigură fibră optică care are capacitatea sa transporte mai multe date dîmpraștiere și absorbție intrinseacă ale acestor materiale trebuie să fie foarte mici.

Cele mai folosite materiale sunt:

Bioxidul de siliciu SiO2 pur dar și amestecuri ale acestuia cu alți oxizi în cantități mici;

Materiale plastice;

Sticle multicompozite.

Dacă importanța atenuarii semnalului in fibră este mică atunci cand transmisiile sunt pe distanțe mici și latime îngustă putem folosi fibre confecționate din plastic; atunci când avem nevoie ca atenuarea sa fie joasa și banda de transmisie mare folosim fibrele optice confecționate din bioxid de siliciu, care este un material pentru ghiduri de undă de înaltă calitate. Pentru a majora indicele de refracție al SiO2 pur putem folosi materialele: GeO2, P2O5, Al2O3 și așa mai departe. Este indicat să se folosească cuarț curat pentru miez si cuarț dopat cu Flor ca înveliș.

Aplicațiile fibrelor optice

Telecomunicații prin fibra optică

Deoarece fibra optică este flexibilă și poate fi strânsă in cabluri ea poate fi folosită ca mediu de comunicații si rețele. Avantajele sunt foarte mari pentru comunicații pe distanțe mari, datorita faptului că lumina se propagă prin fibră cu atenuare mică în comparație cu cablurile electrice; daca dorim acoperirea pe distanțe mari putem folosi doar câteva repetoare.

Semnalele luminoase propagate în fibră pe fiecare canal pot fi modulate la viteze de până la 111 gigabiti pe secundă.[12]wiki. Oricare fibră are posibilitatea de a transmite mai multe canale independete, fiecare folosind o altă lungime de undă a luminii.[13]wiki.

Rata de transfer net (daca excludem octeții de overhead) este egala cu rata de transfer efectiva a datelor inmulțită cu numărul de canale. Numărul maxim de transmisie prin fibra optică a fost obtinut in Laboratorul Bell Labs din Villarceaux, Franța , realizând multiplexarea a 155 de canale, fiecare cu 100 Gbps pe o fibra de 7000 km.[15]  Alcatel Boosts Fiber Speed to 100 Petabits in Lab

Daca dorim o conexiune pe o distanță scurtă, de exemplu rețeaua unui bloc, putem folosi o sigură fibră optică care are capacitatea sa transporte mai multe date decât un singur cablu electric și economisim spațiu in conductele de cablu. Fibra optică nu este afectată de interfețele electrice, cross-talk-ul intre semnale de pe cabluri diferite este inexistent și zgomotele electromagnetice din mediu nu afectează fibra optică. Putem ultiliza cablurile de fibră optică pentru a proteja echipamentele de comunicații care se află în medii de înalta tensiune de exemplu: centralele termice, structuri metalice de comunicații sensibile la trăsnet; in medii aflate in prezența gazelor inflamabile, deoarece cablurile de fibră optică nu conduc electricitate.

Fibrele optice care se folosesc în telecomunicații pe distanțe sunt confecționate din sticla, deoarece acestea au o atenuare optică mai mică. Fibrele multimod sunt utilizate în telecomunicații doar pe distanțe mici (maxim 550 m); iar fibrele monomodale sunt folosite pentru distanțe mari.

Senzori cu fibră optică

În domeniul senzorilor cu fibre optice avem acces la o cantitate mare de informație deoarece acest domeniu a dobândit o extindere mare. Definirea unor criterii a senzorilor cu fibre optice conduce la dezvoltarea mai rapidă a acestora.

Clasificare a senzorilor cu fibre optice:

În funcție de locul în care are loc procesul de intercțiune dintre radiația optică și mărimea de măsurat:

Senzori intrinseci: interacțiunea se află in fibră;

Senzori extrinseci: interacțiunea se află în afara fibrei;

Senzori evanescenți: interacțiunea se află în vecinitatea miezului fibrei.

În funcție de caracteristicile radiației optice modulate:

Senzori cu fibră optică modulate în amplitudine(intensitatea);

Senzori cu fibră optică modulate în fază (senzori interferometrici);

Senzori cu fibră optică modulate în frecvența (culoare);

Senzori cu fibră optică cu modulare a stării de polarizare.

Majoritatea senzorilor sunt de tip parametric la nivelul secțiunii optice dar se găsesc si senzori cu fibră optică de tip generator , funcționând pe baza radiației corpului negru.

Fig. Diagrama schematica a senzorilor cu fibre optice Sursă: http://ep.etc.tuiasi.ro/site/Senzori_si_Traductoare/Cursuri/senzori_2.pdf

Mărimile măsurabile cu ajutorul fibrelor optice sunt:

Mărimi mecanice (presiune, debit, deplasarea, rotație, forța, viteză, vibrații, câmp acustic);

Mărimi electrice (tensiune, câmp electric, curent);

Mărimi termice (temperatura);

Mărimi magnetice (câmp magnetic);

Mărimi chimice (pH, umiditatea, specii chimice);

Mărimi de tip radiant (radiație optică);

Mărimi biologice.

Se pot folosii senzori care sunt ei înșuși fibre optice sau se folosesc fibre optice care conecteaza un senzor cu sistemul de măsurare.

Dacă asupra unui fascicul luminos care este emis de o sursă optică, acționează o mărime de măsurat (direct sau indirect) , acesta își modifică proprietățile acțiune numită fenomen fizic:

Reflexia unui fascicul de lumină la interfața dintre o fibră optică și zona sa activă. Aceasta poate fi : normală (apare la suprafața de separație a fibrei optice și zona activă a senzorului); difuză (lumina pătrunde parțial în mediul activ al senzorului și parțial reflectată în urma fenomenului de împreștiere).Aceasta din urmă trebuie sa fie cea mai puternică pentru a obtine sensibilități cât mai bune.

Absorbția: modificarea intensității luminoase prin absorbție este determinată de numărul și concentrația speciilor absorbante din drumul optic ( legea Lambert-Beer)

Luminiscența: atomii sau moleculele care rețin energia unor fotoni trec intr-o stare excitată;

Împrăștierea: redistribuție și o modificare aleatoare a direcției fluxului luminos;

Câmpul evanescent: dacă raza de lumină cade pe suprafața de separație a doua medii care au indicii de refracție diferiți, pentru un unghi critic mai mic decât unghiul de incidență, atunci lumina este reflectată. Prin interacțiunea dintre fluxul luminos incident cu cel reflectat , apare o undă de interferență la suprafața de separație.

Rețele locale (LAN)- fibra multimod este folosită cel mai mult pentru transportul semnalelor intre hub-urile rețelei, de unde acestea sunt transmise prin cabluri de cupru până la terminale, uneori și aceste legături sunt din cabluri optice.

Televiziune prin cablu (CATV)- rețelele de televiziune utileazează fibre optice deoarece consumul energetic este foarte mic.

Sisteme de televiziune în circuit închis (CCTV) – se folosesc fibrele optice deatorită inerenței securități a acestora

Alte utilizări

Fibrele optice sunt utilizate pentru iluminat , ca ghid de lumină in aplicațiile medicale unde este nevoie de lumină puternică pe un punct ascuns.

Fibrele optice sunt utilizate pentru a îndruma într-un anumit sens lumina solară de pe un acoperiș spre alte părți ale clădirii.

Magazinele Swarovski folosesc fibrele optice pentru a ilumina cristalele expuse din mai multe unghiuri cu o singură sursă de lumină.[15]sursa wiki.

Fibrele optice folosite împreună cu anumite lentile, la un dispozitiv de achiziționant de imagini(endoscop), ultizat pentru a observa obiecte printr-o gaura mică (proceduri chirurghicale neinvazive, inspecția punctelor greu accesibile de exemplu interioarele motoarelor cu reacție).

Cu ajutorul fibrelor optice, un spectometru (analizează anumite substanțe trecând lumina prin ele și relectând lumina din ele) este utilizat pentru a studia obiecte mari care nu pot încapea in el, gaze sau reacții care au loc în vase sub presiune.

Daca dopam o fibră optică cu elemente rare, se poate folosi în amplificarea semnalelor prin tăierea unei scurte secțiuni de fibră dopată si adăugarea ei intr-o linie de fibră obișnită.

Fibra optică dopată cu un deplasator de lungime de undă este folosită la captarea luminii de la un scintilator în experimente de fizică. Fibrele optice ofera alimentare cu energie (un watt) unui dispozitiv electronic alflat într-un mediu electric dificil.

Avantajele și dezavantajele fibrelor optice.

Avantaje

Cablurile din fibră optică au o lațime de bandă mai mare decât cablurile de metal, deci ele asigură o capacitate de transfer mai mare darorită benzii mai mari corespunzătoare frecvențelor din domeniul optic. Cablurie din metal au capacități parazite între conductori și inductanțele de-a lungul lor , acestea limiteaza banda de transmisie;

Cablurile din fibră optică nu sunt afectate de interferențele electomagnetice. Fibrele din plastic sau sticlă nu sunt conductoare electrice deci nu generează câmp magnetic; în schimb la cablurile metalice motivul principal al interferențelor este inducția magnetică dintre conductoarele vecine;

Fibra optică este imuna la interferențe statice cauzate de lămpi fluroscente, de fulgere, motoare electrice și/sau alte surse de zgomot.

Fibrele optice nu radiaza energie din exterior asta înseamna că nu generează interferențe cu alte sisteme de comunicații; de aceea sunt foarte utile în aplicațiile militare, unde exploziile nucleare au o consecință devastatoare asupra sistemelor de comunicație convenționale;

Fibrele optice sunt mai ușor de instalat și mai sigure, datorită faptului că nu le sunt asociate tensiuni si curenți electrici și pot fi folosite in mediile lichide sau gazoase fara a exista pericol de explozii și/sau incendii.

Fibrele optice au o securitate a informației pe care o transmit foarte ridicată, este aproape imposibil de a intercepta datele transmise prin fibrele optice fară ca utilizatorul sa afle;

Cablurile din fibră optică au un timp de viața mai mare fața de cablurile electrice, ele se bazeaza pe toleranțele mari care le au la schimburile de mediu;

Cu ajuorul fibrelor optice , datele poti fi transmise digital în loc de a fi transmise analogic;

Fibrele optice sunt folosite in special pentru rețelele locale(LAN- local area network) dar în viitorul apropiat aproape toate comunicațiile vor folosi fibre optice.

Dezavantaje:

Fibrele optice nu permit transportul de energie;

Principalul dezavantaj al fibrelor optice este prețul mare al instalării cablurilor, ele sunt mult mai fragile și mai greu de ramificat decât fibrele metalice;

Posibilitatea de distrugere în timp a cablurilor din fibre optice , datorită fagilității fibrelor din sticlă. Protecția acestor cabluri trebuie sa fie asigurată fața de abraziune, contaminare, tensiunea de întindere și tensiunea datorata îndoirii;

Densitățile de energie optică emise prin sursa de lungime și prin extremitatea fibrei pot afecta retina , de aceea tehnicianii de instalații trebuie să poarte ochelari de protecție infraroșu pentru a putea lucra deasupra unui dispozitiv aflat în funcțiune.

Capitolul 3 Principiul de funcționare al fibrelor optice

3.1 Indicele de refracție

Acesta este o masură a vitezei luminii intr-un material și este raportul dintre viteza luminii in vid c0 și viteza de propagara a luminii in mediul străbătut c:

n=c0/c

c0 = viteza luminii in vid=299.792.458 m/s (metri pe secundă)

c = viteza de propagara a luminii in mediul strabatut

n = indicele de refracție

Indicele de refracție al vidului este aproximativ egal cu al aerului având valoarea 1.

Aplicație: Pentru indice de refracție n1=1,5 si o valoare cunoscuta pentru sticla fibrei optice; atunci viteza de propagare c1 în acea fibră este egală cu:

respectiv 5µs pentru 1 km de fibră optică sau 5 ns pentru 1 m de fibră optică.

Indicele de refracție al materialului depinde de lungimea de undă a luminii; în comunicațiile optice , indicele de refracție descrește proporțional cu creșterea lungimii de undă.

Profilul de indice al unei fibre optice este rezultatul grafic al indicelui de refracție al miezului. Pe axa Oy se trece distanța radială de la axul fibrei si pe axa Ox se trece indicele de refracție.

Există două modele a profilului de indice: gradat si treaptă.

Fibră cu indice de refracție treaptă : un miez central cu indicele de refracție uniform, care este înconjurat de înveliș cu indicile de recracție uniform dar mai mic;

Fibră cu indice de refracție gradat: miezul are un indice de refracție neuniform, care este maxim în dreptul axei și descrecător pe măsură ce ne îndepartăm de axul fibrei, astfel devine egal cu cel al învelisului la suprafața de separare miez-înveliș.

Secțiune transversală Secțiune longitudinală Profil de indice

3.2 Configurații tipice de fibre optice

Există două tipuri de fibre optice care diferă prin diametrul miezului prin care se transmite lumina:

Fibrele multimod (MMF- multi mode fiber);

Fibrele monomod (SMF- single mode fiber).

3.2.1 Fibrele multimod

Care la rândul sau , sunt de doua tipuri:

Fibre multimod cu profilul indicelui de refracție în trepte (step index multi mode fiber);

Fibre multimod cu profilul indicelul de refracție gradient (graded index multi mode fiber).

3.2.1.1 Fibra multimod cu profilul indicelul de refracție în trepte

Aceasta are diametrul in limitele de la 100 pâna la 200 µm; valoarea indicelul de refracție n1 este de-a lungul axei (în centrul miezului) are o valoare neschimbată si descrește rapit (în trepte) la granița cu învelișul.

Razele de lumină nu vor parcurge aceleași traiectorii , astea înseamnă ca timpul de propagara va fi diferit. Impulsul lumions care se propagă prin fibră tine să se alungească în durată.

Dezavantajul acestui tip de fibră este bada sau capacitatea de transfer mai mică decât la fibrele monomod; iar avantajul este ușurința cu care poate fi cuplată lumina în fibră datorită diametrului mare al miezului. Aplicația principală a acetui tip de fibră este în sistemele de transmisie simple, care au un cost redus, de mică capacitate si pe o distanță mică.

Fig. Fibră optică multimod cu salt de indice de refracție

3.2.1.2 Fibra multimod cu profilul indicelui de refracție gradient

În fibra multimod gradient standardă ( 50/125 sau 62.5/125) diametrul firului purtător de lumină este 50 si 62,5 µm, care este cu un ordin mai mare decât lungimea undei de transmitere.

Aceasta are un miez cu indice de refracție neuniform , maximul se află în axul central al fibrei și descrește spre periferice. Lumina in acest tip de fibră optică se propagă prin refracție. Razele care se propagă sub un anumit unghi față de axul fibrei se intersectează continuu cu interfețele de separare între un material mai dens si cel mai puțin dens. Traiectoriile razelor sunt aproape sinusoidale deoarece acestea sunt în continuu refractate ceea ce duce la o curbare a acestora.

Diametrul miezului este 2a<50 µm , diametrul învelișului 2b2*2a(125µm). Deoarece diametrul miezului este mai mare acesta permite cuplajul mai ușoral al luminii în fibră decât în cazul fibrelor monomod , însă dispersia acesui tip de fibră rămâne mai mare.

Viteza de propagare este învers proporționala cu indicele de refracție, razele care se propagă pe traiectoriile cele mai exterioare se propagă cu cea mai mare viteza , intr-un timp aproape egal cu cel al razelor para-axiale.

Fig. Fibră optică multimod cu profilul indicelui de refracție gradient

3.2.2 Fibrele monomod

Fibrele monomod au un miez cu diametrul îndeajuns de mic pentru a permite un singur mod de propagare a luminii. Diametrul miezului 2a<10µm, iar diametrul invelișului 2b>5*2a (125µm)

Razele de lumină se transmit fara relexie (axial) sau cu foarte puține reflexii (para-axial). Fiecare rază va urma aproximativ același drum și vor parcurge toată fibra în aproape același timp; ceea ce constituie un avantaj foarte important care permite reducerea dispersiei cu un efect puternic și rapid chiar și pe distanțe foarte mari; permite obținerea unei benzi sau rate de transfer mare. Dezavantajul acestui tip de fibră este dificultatea de a izola lumina în fibră din cauza diametrului mic al miezului, aceasta necesită surse de radiație cu caracteristică de directivitate ingustă.

Fig. Fibră optică monomod standardă

Dispersia cromatică este aleasă de unitatea international a telecomunicațiilor (INU) , care este un criteriu pentru clasificarea fibrelor monomod. Potrivit acestui principiu , există mai multe tipuri de fibră optică monomod:

Fibră monomod standard (SF);

Fibră monomod cu dispersie deplasată nula (DSF);

Fibră monomod cu dispersie deplasată (NZDSF).

3.2.2.1 Fibra monomod in trepte (SF)

Diametrul firului purtător a luminii este de 8-10 µm și este comparabil cu lungimea undei

luminoase. Propagarea a unei singure mode înlatură dispersia intermodală și poate asigura o capacitate de transmisie foarte înaltă a fibrei în ferestrele de transparență. Pierderile fibrelor monomod in trepte nu asigură cea mai bună fereastră de transparență și au o valoare intre 0,3 – 0,4 dB/km, iar cea mai mică atenuare 0,2 – 0,25 dB/km se obține in fereastra 1550 nm.

3.2.2.2 Fibra monomod cu dispersie deplasată nulă (DSF)

Lungimea de undă a dispersiei nule λ0 este deplasată în fereastra 1550 nm. Această deplasare este obținută datorită profilului indicelui de refracție special al fibrei. În această fibră se realizeaza cele mai bune caracteristici pentru minimul dispersiei dar și pentru un minim de pierderi.

3.2.2.3 Fibra monomod cu dispersie deplasată nenulă (NZDSF)

Aceasta este configurată pentru a transmite câteva lungimi de unde de odată (semnalul optic multiplex) și este folsită la “rețelele total optice”. Transmiterea semnalului multiplex la distanțe mari necesită folosirea amplificatoarelor optice liniare de o bandă largă , numite amplificatoare pe baza fibrelor dopate cu erbium.

3.3.1 Indicele de refracție

În vid razele au viteza c= 3* m/s , dar în alte medii razele au o viteza mai mica v= ; n= indicele de refracție al mediului dat. Daca v=c , asta înseamna că n=1 pentru aer si gaze.“Profilul indicelul” este folosit pentru a descrie cum lumina se transmite prin ghdiul de undă; acesta indică cum se schimbă indicele de refractive de la axa central a ghidului de unda la periferia lui sau învelis; lumina se transmite sau se refract conform acetsui profil. Propagarea luminii în ghidul de undă depinde de profilul indicelui de refracție.

Propagarea luminii în ghidul de undă depinde de profilul indicelul de refracție, acesta poate fi descris matematic cu formula:

n1 =indicele de refracție al mizului;

Δ= diferența relativă a indicilor de refracție;

r=distanța de la axa centrală de refracțtie;

a=raza miezului in µm;

g=indice de profil;

n2=indicele de refracție al învelișului.

Fig. Reprezentaea graficaa trei tipuri diferite de profiluri a indicelor de refractie ce sepropaga prin miezul fibrelor optice.

Pentru a majora indicele de refracție al SiO2 pur putem folosi materialele: GeO2, P2O5, Al2O3 și așa mai departe. Este indicat să se folosească cuarț curat pentru miez si cuarț dopat cu Flor ca înveliș.

Diferența relativă a indicelor de refracție este legată cu apertura numerică (NA) sau cu ambii indici de refracție n1 si n2 , iar aceasta poate fi calculata cu expresia:

Există câteva cazuri pentru indicele de profil “g” :

g= 2 , pentru profilul indicelui de refracție parabolic; în aces caz indicele de refracție se schimbă treptat dela axa centrală la miezul (n1) pe lungul diametrului pâna la (n2) care reprezintă învelișul.

g= ∞ , pentru profilul idicelui de refracție în trepte, în acest caz, indicele de refracție este constant n(r)= n1 pe tot diametrul miezului.

Profilurile gradiente ale indicelor de refracție sunt atunci când indicele de refracție se schimbă. Profilul gradat cel mai întalnit este atunci când g=2 , numite parabolic , și asigura propagarea excelentă a luminii în fibra monomod.

3.3.2 Apertura numerică

Raza incidentă intră intr-o fibra optică sub un unghi ϴa față de normala la planul de incidență. Este necesară calcularea mărimea acestui unghi ϴa pentru ca raza refractată să fie relectată total în interiorul fibrei.

Fig. Unda ghidată de către fibra optică dacă are un unghi de incidență mai mic decât ϴa , care reprezintă unghiul de acceptare ce determină un con de acceptare)

NA= apertura numerică , și reprezintă sinusul ghidului de incidență maxim care îl poate avea o rază atunci când pătrunde din aer în miezul fibrei, după care este reflectată total, cu alte cuvinte sa fie o rază ghidată de fibră.

Dacă diferența relativă a indicelor de refracție este mică se poate aproxima:

În aceasta ultima ecuație , unghiul ϴa mai poate fi numit și unghi de acceptare al fibrei. Apertura numerică descire capacitatea fibrei de a ghida lumina. Razele de lumină refractate la capătul fibrei sunt cuprinse intr-un con cu deschiderea ϴa.

Apertura numerică determină condițiile de introducere a semnalelor optice și procesele de propagare în fibra optica și se calculează pentru :

fibrele optice cu profilul indicelui de refracție în trepte:

fibrele optice cu profilul indicelui de refracție gradient, se mai poate folosi termenul de aperura numerică locală. Valoarea ei este maxima pe axa fibrei si este egală cu zero la granite de separare miez-înveliș.

3.3.3 Reflexia internă totală

Dacă lumina trece într-un mediu dens în care se întălnește o limită de separare cu unghi abrupt (care este mai mare decât unghiul critic al suprafeței) aunci lumina va fi reflectată în întregime, și acest efect se folosește în fibrele optice pentru a păstra lumina în miez. Doar lumina care intră în fibră cu o gamă de unghiurie aparte poate traversa fibra optică fără a ieși din ea, datorită faptului că lumina este nevoită să lovească limitele demarcației cu un unghi mai mare decât unghiul critic.

Conul de acceptare reprezită gama de unghiuri care se folosesc pentru ca lumina să poată traversa fibra optica fără a ieși din ea. Dimensiunea conului de acceptanță depinde de diferența de indice de refracție prezentă între miez și teacă.

În fibra optică este folosit fenomenul de reflexie totală pentru ghidarea razei luminii. Ghidajul este obținut dacă este instalat un miez de sticlă (indice de refracție n1) care este înconjurat de un înveliș de sticlă (indice de refracție n2) ,valoarea indicelui de refracție n1 este puțin mai mare decât valoarea indicelui de refracție n2.

Fig. 1.60. Ghidarea luminii într-o fibră optică.

Deoarece sinα0 = n2/n1 , toate razele de lumină care nu deviaza mai mult de 90º față de axa fibrei, sunt ghidate prin ticla miezului. Dacă se injectează din exterior (aer , care are indicele de refracție n0=1) , raza luminoasă în sticla miezului, unghiul de injecție dintre raza luminoasă și axa fibrei este determinat dacă aplicam legea refracției :

, aceasta implică

Fenomenul de reflexi totală internă la nivelul suprafeței de separație Σ, este îndeplinit atunci când unda reflectată preia toată energia undei incidente.

Reflexia totală internă are loc dacă sunt îndeplinite condițiile:

reflexia are loc la suprafața de separație dintre doua medii care sunt transparente și unda incidentă care provine din mediul cu indice de refracție n1 este mai mare ca indicele de refracție n2;

unghiul de incidență i a undei incidente trebuie sa fie mai mare decât un unghi limită

Optica geometrică explică reflexia totală in măsura în care raza incidentă nu mai suferă și o refracție în punctul de incidență deoarece nu mai este indeplinită legea refracției pentru i≤ l , nu este posibil deoarece sin i’ ≤ l

Fig.1.7. Reflexia totală a undei incidente la suprafața de separație dintre două medii cu indici de refracție

3.3.4 Unghiul de acceptanță și conul de acceptanță

Ughiul de acceptanță reprezină capacitatea fibrei optice de a colecta lumina pintr-un capat al ei.

Fig: Căile de propagare a luminii prin fibra optică cu indice treaptă

AA = raza cu unghiul de incideță egal cu 0 și care se propagă de-a lungul axei fără să sufere nici o refracție;

BB = razacu unghiul de incidență mai mic decât unghiul limită αm și se propagă prin multiple reflexii totale interne;

CC = raza cu unghiul de incidență αm și se propagă la suprafața de separație dintre miez și înveliș;

DD = raza cu unghiul de incidență mai mare decât unghiul limită αm care se propagă prin înveliș.

Legea lui Shnell: nasinαm = n1sinϴm = n1 sin(π / 2- ϴc)= n1cosϴc

na = indicele de refracție al mediului înconjurător ( 1 pentru aer)

) =>  ;

αm= unghiul de acceptanță sau semi-unghiul conului de acceptanță ; reprezintă unghiul maxim de incidență al razelor de lumină pentru care se propagă de-a lungul fibrei.

Conul de acceptanță reprezintă rotirea unghiului de acceptanță în jurul fibrei optice. Dacă valoarea lui αm este mai mare , cantitatea de lumină incidentă care se transmite este mare. Razele exterioare acestui con se propagă prin înveliș și la final se vor pierde, necontribuind la propagarea informației prin fibra optică.

Fig. Reprezentarea conului de acceptanță în fibra optică.

Capitolul 4. Propagarea undelor electromagnetice prin fibre optice

În formă matematică , teoria undelor electromagnetice sunt descrise de către Maxwell , care a demonstrat că unda electromagnetică este formata din câmpul electric E si câmpul magnetic H; acestea variaza periodic și sunt perpendiculare reciproc. Moda este o soluție a ecuațiilor lui Maxwell, și aceasta descrie traiectoria pe care unda o urmează în fibra optică. Numarul maxim de direcții sau mode ale energiei care se propaga în fibră , este de la 1 pâna la sute/zecii de mii, numărul acestora depind de proprietățile geometrice (dimenisiuni) și parametrii optici ale fibrei.

Fibrele care transmit numai o modă se numesc monomod (single-mode fiber) , iar cele ce transmit sute de mode se numesc multimod (multimode fiber).

Atunci când lumina este introdusa intr-o fibră aproape de sursa de lumina, diferite moduri vor transmite prea multă energie sau prea puțină , în funcție de lumina injectată. În lungul direcției de propagare , energia se va transfera între diferite mode-uri, acest fenomen se numește cuplarea modelor , până când fiecare modă nu transmite cantitatea ei de energie determinantă, când se va întâmpla starea de regim staționar sau echivalență intre mode.
De exemplu în fibra plastică acest fenomen se întâmplă dupa câțiva metrii, iar pentru fibra de sticlă acest fenomen se întâlnește după cateva sute de metri, maxim un kilometru.

Modurile electromagnetice sunt distribuții ale câmplului electromagnetic în interiorul fibrei optice. Acest mode optic poate fi exprimat analitic, facându-se referire la o soluție specifică a ecuației undei într-o fibră optică care satisface condițiile de frontieră.

Când lumina se propagă în lungul traiectoriei particulare în limitele unei fibre optice, trebuie să aibă frontul undei în fază cu sine însuși. Acesstă undă este nevoie sa fie în fază în punctele corespunzătoare ale ciclului, acest lucru înseamnă ca trebuie sa fie în fază între punctele de reflecție la interfețele miez și cămașă și să fie un număr întreg de lungimi de unde. Din cauza restricției pentru traiectoriile ce pot avea loc, numărul de traiectorii posibile ale undei optice este finit.

Fig. Propagarea a mai multor moduri prin miezul fibrei optice , în punctele corespunzătoare ale traiectoriei (de exemplu A si A1) fiecare mod trebuie să fie în fază cu sine însuși.

Modurile fibrei se clasifică în:

moduri ghidate;

moduri de scurgere;

moduri de radiație.

Transmisia informației prin sistemele de comunicații prin fibre optice se poate realiza datorită modurilor ghidate.

4.1 Ecuațiile Maxwell

La fel ca toate fenomenele electromagnetice, propagarea undelor electromagnetice în fibrele optice sunt administrate de Ecuțiile lui Maxwel. Pentru un mediu neconducator cu sarcini libere, aceste ecuatii au forma :

∇ x E = -/ t;

∇ x H= D/t;

∇ * B= 0;

∇ * B= 0.

E= vetorii câmpului electrc ; H= vectorii câmpului magnetic

D = densitatea fluxului electric , B= densitatea fluxului magnetic.

Unde : D= 0E + P;

B= µ0H + M .

0 = permitivitatea in vid ;

µ0= pemeabilitatea in vid.

P= polarizarea de inducție electrică ; M = polarizarea de inducție magnetică.

Pentru fibrele optice M=0 , din cauza sticlei de Si care nu are natura magnetică

Când frecvența optică este aproape de mediul de rezonanță , o relație intre P și E poate fi folosită pentru a descrie mediul de rezonanță. Acesta este cazul la fibrele optice când lungimea de undă are volarea între 0.5 – 2 µm, o regine care acopera regiunea joasă de pierderi a fibrelor optice care este un interes pentru fibrele optice care sunt folosite în sistemele de comunicații. Efectul neliniar la fibrele optice are un interes considerabil ți este descries de realația :

P(r,t)= 0

Ecuația undei : ∇ x ∇ x E= – 1/ c2 2E/ t2 – µ0 2 P/ t2

Unde valoarea vitezei luminii in vid este de obicei c= (µ00)-1/2

Se introduce relația E(r,t) în transformata Fourier:

E(r,w)=,la fel și pentru P(r,t) ,

utilizând ecuția P(r,t)= 0

împreuna cu ecuația ∇ x ∇ x E= – 1/ c2 2E/ t2 – µ0 2 P/ t2 , putem scrie în domeniul frecvență ∇ x ∇ x E = -(r,)(2/c2)E,

unde constanta dielectricului în domeniul frecvență este egală cu

(r)=1+X(r,),

Unde X(r,) este transformata Fourier a lui X(r,t), (r,) este o mărime complex , partea reală este indexul de refracție și partea imaginară este coeficientul de absorbție α , în aceste condiții =(n+iαc/22)2

n=( 1+ ReX)1/2

α=(/nc)ImX,

Re= real; Im= imaginar.

Pentru simplificare poate fi înlocuit cu n2 datorită pierderilor mici a fibrei optice din siliciu și n(r,) este independent de spațiul de coordinate r, în ambele cazuri miezul și învelișul a indexului de refractive , numai unul poate fi ultizat , astfel avem relația:

∇ x ∇x ˜E= ∇ (∇*˜E)- ∇2 ˜E= -∇2 ˜E ; am utilizat ˜D = ˜E pentru a seta ∇* ˜E= 0 .

Aceasta simplificare se poate folosi chiar și in cazul fibrelor gradient.

-∇2 ˜E + n2()k02 ˜E= 0 , unde k0= /c= 2π/λ ; λ este lungimea de undă oscilantă în vid la frecvența .

Lumina descrisă ca undă electromagnetică este fromată din câmpul electric E, împreună cu câmpul electromagnetic H, varînd periodic și reciproc perpendiculare. Consideram undele plane ce se propagă ca raze cu diferite unghiuri specifice în ghidul planar de unde pentru a determina modurile dominante ce se propagă prin fibrele optice. Undele plane au o interferență constructive.

Fig. Modelul fizic ce reprezintă propagarea și modurile sinusoidale transversal electrice (TE) corespunzătoare în ghidul planar de unde (a) și câmpurile modurilor de ordin jos (b).

În figura a, sunt illustrate două moduri de ordin jos m=(1,2) în ghdiul planar.

În figura b, sunt prezentate modurile de ordin jos (0,1,2,3) atunci când câmpul electric este perpendicular pe direcția de propagare.

Modul transversal electric (TE) apare atunci când câmpulelectric este perpendicular pe direcția de propagare , însă apare o mica component pe direcția Z a câmpului magnetic H, asta însseamnă că unda se reflect de la interfețele miez-cămașă ,și se deplasează pe traiectoria meridională.

Atunci când câmpul magnetic este perpendicular pe direcția de propagare Hz=0 , existând o mică component aparținând câmpului electric E pe direcția aceasta, modurile formate se numesc Transversal Magnetice(TM.)

Modurile transversal electromagnetice (TEM) se formează atunci când câmpul electric și cel magnetic sunt perpendicular pe direcția de propagare Ez=0 și Hz=0.

În fibrele optice modurile traversează pe o traiectorie circulară, din această cauză câmpurile electrice E și câmpurile magnetice H sunt pe direcția Z de propagare; astfel au loc modurile HE și EH, care depend de contribuția fiecărui câmp în direcția de propagare.

Capitolul 5. Pierderi în fibra optică

Împotriva proprietăților bune, fibrele optice nu duc lipsă de constrângeri. Imperfecțiunile de fabricație, ca de exemplu impurități (ioni de metal sau de hidroxid) și/sau variații ale indicelui de refractive, determină ca o parte din lumină sa fie absorbită și/sau reflectată în afară.

Pierderile în fibrele optice se caracterizează prin atenuarea puterii luminoase transmise și distorsionarea formei semnalului transmis; acestea reduce banda, eficiența și performanța totală a sistemului.

Factorii care au o influență negativă importantă asupra fibrelor optice ale mediului de transmisie sunt atenuarea si lățimea benzii. Caracteristicile acestea de transmisie au o importanță mare asupra procesului de cercetare al compatibilității fibrelor optice în scopuri de comunicații. Chiar dacă lățimea benzii a fibrei optice a încurajat dezvoltarea comunicațiilor optice prin ghizii de sticlă, atenuarea ridicată limitează transmisia semnalelor la zeci de metri. În prezent se folosesc pierderi de ordinul a 0,2 dB/km

5.1 Atenuarea fibrelor optice

Atenuarea exprimă fenomenul prin care semnalele electromagnetice pierd din puterea inițiala (de transmisie în mediu) odată cu creșterea distanței, datorită mediului de transmisie care absoarbe o parte din energia semnalelor. Pentru asta se impun anumite limitari ale distanței pe care un semnal o parcurge fară sa depășească nivelul de degradare. Dacă semnalul recepționat la o distanță mare față de sursă, exista posibilitatea de a nu mai fi decodificat corect datorită atenuării si a interferențelor.

Atenuarea depinde de frecvență și poate fi păstrată intre anumite limite de-a lungul unei benzi de frecvență. La transmisie semnalul care este recepționat trebuie sa fie puternic astfel încât să se permită detectarea lui dar să nu supraîncarce circuitele emițătorului sau receptorului. Atunci când distanța crește, atenuarea se resmite și se impun folosirea refeneratoarelor sau amplificatoarelor optice pentu refacerea semnalului. Valoarea atenuării a unei conexiuni poate fi calculate ca fiind o sumă de atenuări ale porțiunilor, dar aceasta valoare nu exprimă puterea reală a semnalului recepționat.

Atenuarea semnalelor optice depind de proprietățile proprii ale fibrei optice , de procesele fizice ce au loc la transmisia luminii, difuzia luminii care este provocată de variațiile microscopice ale densității materialului și pierderile prin absorbtie produse de prezența ionilor OH.

α= coeficientul de atenuare exprimat in dB/Km;

P(L) = puterea luminoasă măsurată

P(0)= puterea luminoasa la ieșire

Aplicație :

Daca avem o atenuare de 10 dB, înseamna că puterea luminoasă P(L) care este măsurată în fibra optică după lungimea L (exprimată în km) , nu are o valoare mai mare de 10% din puterea luminoasă de intrare P(0).

Pentru a putea determina coeficientul de atenuare al fibrei optice , este necesara masurarea puteri luminii în două puncte distincte ale fibrei optice în starea de echilibru. Injecția luminii pentru fibrele monomod să nu fie moduri de înveliș iar pentru fibrele multimod este necesară o stare de echilibru a modurilor între punctele de măsură.

Fig. Curbele spectrale ale coeficientului de atenuare ale unei fibre optice monomod și multimod ; 1-fibra optică multimod ; 2- fibra optică monomod.

5.1.1 Atenuări de cuplaj

Fig. Erori de aliniere ale capetelor fibrelor

a)nealinierea transversală; b)nealinierea longitudinală;

c)nealinierea unghiulară; d)finisaj imperfect la capetele fibrelor.

Apar la conexiunea efmitător-fibra optică, la îmbinările a doua fibre optice și/sau conexiunea fibră-receptor.

neliniară transversală: nealinierea axelor a celor doua fibre care se îmbină;

nelinierea longitudinală(separarea la capete): îmbinările la capete se realizează prin sudură și este essential ca fibrele să vină în contact; aceasta este proportional cu

offset-u;

l transversal;

nelinierea unghiulară: atunci când offset-ul unghiular este mai mic de 2, atenuarea va fi mai mica de 0,5 dB;

finisajul imperfect: fibrele optice trebuie sa fie taiate la capete pe cât posibil perpendicular și șlefuite pentru a se potrivi.

5.2 Difuzia Rayleigh

Difuzia Rayleigh este atunci când impulsul de lumină este transmis în fibră, unii fotoni sunt difuzați în direcții aleatoare de particulele microscopice. Difuzia Rayleigh oferă informații despre amplitudine și timpul de-a lungul lungimii unui cablu. În acest caz, o parte din lumină va fi difuzată înapoi pe o directive opusă impulsului de lumină și este numit semnal retrodifuzat.

Fig. Principiul semnalului retrodifuzat

Atenuarea de difuzie este primul mecanism pentru fibrele ce lucrează în ferestrele de telecomunicații (850/1310/1550 nm). Fibra monomod care transmite lumina la 1550 nm având coeficientul de difuzie (α) de 0,2 dB/km , va pierde 5% din puterea transmisă pe 1 km de secțiune de fibră.

Factorul de retrodifuzie (S) prezintă raportul dintre puterea difuzată și puterea retrodifuzată și este tipic proportional cu pătratul aperturii numerice.

Efectul difuziei Rayleigh poate fi comparat cu aprinderea repetată a unei laterne pe timp de ceață, unda luminoasă (raza de lumină) este difuzată de particulele de umezeala. Dacă ceața este mai groasă, aceasta va difuza lumia mai mult datorită faptului că sunt mai multe particule în calea ei.

Dacă difuzia Rayleigh este uniform pe toată lungimea fibrei optice, mărimea difuziei Rayleigh variază la diferite lungimi de undă.

5.3 Pierderile de absorbție de material

Acest fenomen constă în dispersia unei părți a puterii optice a semnalului transmis prin fibra optică. Pierderile care au loc datorită compoziției materialului , proceselor de reducere și pot fi :

intrinseci;

extrinseci.

Absorbția intrinseacă este datorată silicăi de rezonanță; și este mai mica de 0,03 dB/Km în regiunea lungimilor de undă 1,3µm – 1,6µm.

Absrobția extrinseacă în silica apare datorită impurităților ca Cu, Ni, Fe, Cr, Mn. În regiunea lungimilor de undă 0,65µm- 1,6µm ; la fibrele optice moderne cauza absorbției extrinseci este datorată inonilor de OH.

Există trei factori care contrib la absorbțe în fibrele optice:

Absorbția în IR: este de tipul intrinsic, datorată absorției de fotoni de către moleculele materialului din care este fabricat miezului; aceștia sunt convertiți în mișcări vibraționale aleatoare ale atomilor care se disipă sub formă de căldură.

Absorbția în UV: tipul acesti absorții este intrinsică, cauza este absorbția fotonilor de către electronii de valență din materialul de fabriacție a miezului fibrei; ca urmare acestui efect, electronii trec în banda de conductive.

Absorbția prin rezonanță ionică: cauza acesti absorții este ionii de OH din materialul care cauzează absorbții vibraționale. Sursa ionilor sunt moleculele de apă care ajung în sticlă în timpul procesului de fabricație. Alte cauze: impuritățile de ioni metalici care cauzează absorbții electronice.

5.4 Pierderile de curbă în fibrele optice

Curbarea fibrelor optice produce pierderi de radiație. Curbele poti fi :

microscopice;

macroscopice : se produc când fibra întâlnește colțuri în traiectoria sa sau este bobinată. În procesul propagării semnalului, energia din câmpul temporar va întrece viteza luminii în cămașă si va avea loc încetinește procesul de ghidare

Fig. Reprezentarea pierderiulor de curbură ale fibrei optice. Pentru a menține frontal undei plane , partea moduluilui ce este înafara săgeții trebuie sa aibă o viteză mai mare decât viteza luminii în cămașă; dar fiindcă este imposibil , raza este iradiată.

În lungul fibrei optice , apare un front al fazei ce se deplasează perpendicular pe direcția propagării; aceesta trebuie sa fie în fază cu sine însăși pe diametrul câmpului , dar dacă frontul fazei se mișcă în curbă, lumina la raza interioară, trebuie să se miște mai încet decât cea exterioară.

5.5 Pierdei de flux

Acestea apar datorită curburilor la care fibra optică este supusă. Curburile sunt clasificate în: microcurburi (apar datorită diferenței coeficienților de contracție termică a miezului și învelisul fibrei și determină o discontinuitate în fibra) și curburi cu raza constantă (apar când cablurile sunt îndoite în momentul instalării lor, rezultând ca razele care sunt cele mai oblice să treacă în înveliș și apoi să se piardă).

5.5 Măsurările pierderilor

Metoda cea mai exactă de masurare a atenuarii fibrei optice este “prin taiere” (cut-back)

Fig. Măsurarea atenuării fibrei optice prin metoda cut-back

Se cuplează sursa optică la fibră, se măsoară prima dată puterea P2 la distanța L2 față de origine. După care ne întoarcem la distanța L1 , și tăiem fibra, dupa aceea cuplăm power-metrul. Se citește puterea P1, observăm ca nu se schimbă condițiile de injecție a puterii în fibră.

Valoarae atenuării prin fibra optică pe o unitate de lumgime poate fi calculato cu :

α=(1/L2-L1) lg(P1/P2);

Această metodă este foarte precisă (metodă de referință) , dar nu se poate aplica la cablurile cu conectori.

Pentru a oține o calitate superioară a semnalului , măsurările fibrei optice trebuie efectuate în etape :

Prima măsură trebuie efectuată la primirea bobinelor de cablu, ca să cunoaștem precis calitatea materialului;

A doua măsură trebuie efectuată după faza de tragere a cablului , astfel verificăm dacă cablul a suferit sau nu o deteriorare;

Ultima măsură trebuie efectuată după montarea conectorilor pentru a valida racordările.

Măsurătorile de retrodifuzie : este metoda folosită cel mai des pentru a măsura pierderile fibrelor optice.

Pentru această metodă este nevoie de a injecta în fibră un impuls luminos și să măsuram puterea optică reflectată și care străbate fibra optică în sens invers, rezultatul constă într-o imagine a pierderilor care le are raza luminoasa în fibra optică și a celor cauzate de defecte. Pentru a avea o precizie de calcul sau trasare ,măsurătorile vor fi media unui număr de măsurători consecutive.

Aparatul de măsură pentru fibrele optice folosit pentru a descrie fibrele și rețelele optice este OTDR (reflectometru optic în domeniul timp); acesta detectează, localizează și măsoară evenimentele amplasate pe fibra optică.

Avantajul principal al apratului OTDR , este acela că poate realiza testul complet al fibrei optice doar la un sigur capăt , datorită faptului că lucrează ca un sistem radar cu o singură dimensiune și are rezoluția situate între 6cm- 40m.

Fig . Schema bloc a unui OTDR

OTDR-ul face o injecție a energiei luminoase intr-o fibră optică cu ajutorul unei diode laser și unui generator de impulsuri. Energia luminoasă care se reîntoarce va fi separate de semnalul care a fost injectat utilizând un cuplor și va fi introdusă intr-o fotodiodă. Semnalul optic va fi transformat intr-o mărime electrică , amplificată, eșantionată și afișată pe un ecran. Acesta măsoară diferențele de timp între impulsul ce a plecat și impulsul retrodifuzat care se întoarce. Nivelul de putere al semnalului retrodifuzat si al semnalului reflectat vor fi eșsantionate în timp.

Coeficientul de refracție care este introdus de utilizator va fi invers proportional cu viteza de propagare a luminii în fibra optică.

Propagarea de grup în fibră este egală cu : V= = 2*108

c= viteza luminii în vid; n= indicele de refracție.

Unitatea de control a OTDR-ului , prelucrează toate punctele de achiziție , calculează media cu funcții logaritmice de timp după care afișează curba rezultată pe ecran. Trecerile multiple sunt utilizate pentru a îmbunătății raportul semnal-zgomot al curbei rezultate. OTDR-ul poate achiziționa maxim 32.000 de puncte de date și poate emite mii de impulsuri, pentru sa realizezarea acestor lucruri OTDR-ul trebuie sa aibă un procesor foarte puternic pentru a livra foarte repede performanțele utilizatorului.

Fig. Curbp tipică OTDR-ului

Afisajul indică pe o scală vertical în dB și pe o scală orizontală în km.

Reflectometria măsoară cel mai precis deoarece prezintă valorile dorite și imaginea exactă a repartiției pierderilor cât și cauzele acestora.

Capitolul 6. Dispersia în fibrele optice.

Dispersia determină capacitatea de transmisiune a tranmiterii de informații și reprezintă împrăștierea în timp a componentelor spectrale sau modale a semnalului optic, conducând la mărirea duratei impulsului a radiației optice pentru propagarea lui într-o fibră optică. Mărimea dispersiei se calculează prin diferența pătratului duratelor impulsurilor la ieșire și intrare în fibra optică.

;

valorile τies și τin se determină la jumătatea amplitudinii impulsurilor.

Dacă dorim să arătăm legătura între dispersie și banda de frecventă a transmisiei prin fibra optică , aceasta se poate determina aproximativ cu : ΔF= , dacă τ = 20 ns/km asta înseamna că ΔF = 50 MHz * km

În afara faptului că dispersia limitează intervalul de frecvență al fibrei optice, acasta micșorează și distanța de transmisiune a semnalelor, asta înseamnă că atunci când linia este mai lungă , durata impulsurilor se mărește.

Dispersia este determinată de trei factori:

Parametrii materialului din care este confecționată fibra optică;

Diferența vitezelor de propagare a medelor direcționale;

Proprietățile de direcționare a fibrei optice.

Cauzele de apariție a dispersiei sunt numarul mare de mode în fibra optică (dispersia intermodală) și incorența surselor de radiație care lucreaza real în spectrul lungimilor de undă Δλ (dispersia cromatică).

6.1 Dispersia Intermodală ( sau modală)

Aceasta apare în fibrele multimod și este condiționată de numărul mare de mode și timpul de propagare celor care este diferit. Fibrele optice care au profilul de indice al refracției în trepte, viteza de propagare a undelor electromagnetice cu lungimea de undă este : v= c/n1 ; c= viteza luminii km/s

Razele care cad la capătul fibrei optice în limitele unghiului de apertură ϴa , se transmit în miezul fibrei optice dupa liniile care au forma de zigzag și având aceeași viteză de propagare ele ajung la capatul de receptive într-un timp diferit care duce la mărirea duratei impulsului de recepție.

Fig. Propagarea semnalului prin fibra multimod gradient , în trepte și fibra monomod

Razele care sunt la capătul fibrei optice sub unghiurile în limetele ϴ<ϴn<ϴa față de axă , ajung la dispozitivul de recepție cu o abatere de timp care duce la mărirea duratei a impulsului de recepție.

Dispersia intermodală a fibrei optice gradient , are o valoare mai mică comparativ cu fibrele care au profilul idicelui de refracție în trepte datorită micșorării indicelui de refracție de la xa fibrei optice spre înveliș , viteza de propagare a razelor în lungul traiectoriei lor se schimb, asta înseamnă că pe traiectoriile care se află mai aproape de axă, ea este mai mică; iar pe traiectoriile care se afla mai departe de axă , mai mare. Razele care se propagă având traiectorii minime adică mai aproape de axă, posedă o viteză mai mică; iar cele ce se propagă pe traiectorii mai lungi, au o viteză mai mare. Cu timpul mărimiea duratei impulsului devine mai mică și timpul în care se propagă razele se egalează.

Datorită dispersiei modale, durata impulsului este caracterizat de timpul de creștere al semnalului, și poate fi determinat ca o diferență între timpul maxim și cel minim în care raza trece prin secțtiunea ghidului de undă la distanșa l de la început.

Timpul de propagare al razei în fibra optică multimod în trepte depinde de unghiul ϴn , și se poate calcula folosind expresia: t = L * n1 / c * cos(ϴn)

L= lungimea ghidului de undă, masurat în km;

n1 = indicele de refracție al miezului fibrei optice;

c = viteza luminii, km/s.

Timpul minim de propagare al unei raze optice are loc doar dacă ϴn= 0 , și maximul pentru ϴn= ϴcr , valorile timpului de propagare pot fi scrise :

, și \

Din aceste expresii se poate calcula valoarea dispersiei intermodale :

τmod = dispersia intermodală , ps;

Dispersia intermodală crește cu mărirea lungimii fibrei, dar această dependentă se întâmplă doar daca fibra este ideală, unde interacțiunea între mode lipsește. Datorită existenței neomogenității , răsucirea și îndoirea fibrelor optice duc la treceri permanente a energiei din unele mode în altele, adică la interacțiunea modelor, voaloarea dispersiei devine proporțională cu . Lungimea de influență a modelor reprezintă influența care apare la o anumită distanță de trecere a undei de lumină , pentru fibrele cu profilul indicelui de refracție în trepte lungimea de influență a modelor este egală cu 5-7 km ; pentru fibra gradient aceasta este egală cu 10-15 km.

Cele mai mici întârzieri de grup din toate profilurile ale indiceluide refracție , sunt atunci când parametrul indicelui de refracție u=uopt , uopt= 2(1-Δ) , iar τmod are cea mai mică valoare și este egală cu τmod=Δτsp * L .

Pentru a minimiza dispersia trebuie să dirijam valoarea lui u, dar în practica este foarte greu. Schimbarea profilului care o apropie de forma parabolică, va micșora esențial dispersia modală intr-o fibră gradient.

Dispersia intermodală a fibrei optice gradient are o valoare de Δ / 2 ori mai mică decat fibrele optice care au profilul indeicelui de refracție în trepte, atunci când au aceleasi valori pentru n1

și Δ.

Fig. Dependența dispersiei modale Δτsp de parametrul profilului indicelui de refracție u și fibrele optice gradient.

Pentru L<Lc dispersia crește dupa o lege liniară , și pentru L>Lc după o lege pătratică.

Pentru L>Lc se folosesc următoarele expresii:

τmod = (( Δn1) / c ) * pentru ghidul de undă în treaptă

τmod = (( Δn1)2 / 2c ) * pentru ghidul de undă gradient

L = lungimea liniei , km

Lc = lungimea de legătura a modelor , km ( 5-7 km pentru indicele de refracție în trepte ; 10-15 km pentru indicele de refracție gradient)

Efectele dispersiei modale :

Reducerea capacității de transmitere (Mbit/s)

Miscșorarea distanței de transmitere.

Fig. Lungimea de interacțiune a modelor

Putem micșora dispersia modală folosind urmatoarele metode:

Dacă folosim o fibră optică având diametrul mai mic al miezului, acesta asigură numarul mic de mode. Dacă miezul are diametrul 100μm , acesta conține un număr mai mic de moduri față de miezul cu diametru l 200μm;

Dacă folosim o fibră optică care are profilul indicelui de refracție atenuat, datorită razelor de lumină care parcurg traiectori mai lungi, sa aibă viteze, care întrec valoarea medie și pot ajunge la celalt capat al fibrei optice în același moment de timp ca și razele care se propagă pe traiectorii mai scurte;

Dacă folosim fibra optică monomod, deoarece aceasta înlatură dispersia modală sau are o valoare foarte mică ; dar apare dispersia materială și cea ondulatorie (ghid de undă) ; iar la o lungimea de undă 1,3μm apare intercompensarea ( τmat= τGU) .

6.2 Dispersia Intramodală (cromatică)

Aceasta apare pentru fiecare mod în parte , datorită diferenței de viteză și celei de grup a undei.Este datorată mediului optic al fibrei optice (dispersia de material)și ghidului (caracteristicile geometrice ale acestuia (dispersia de ghid)).

Efectul dispersiei cromatice este limitarea debitului , cu cât acesta este mai ridicat , cu atât impulsurile sunt mai scurte și mai apropiate unele de altele până când acestea se suprapun și imposibilitatea decalării lor individuale.

Fig. Dispersia cromatică

Pachetul de unde (impulsul luminos) este format din mai multe unde sinusoidale (moduri), caracterizate în amplitudine și frecvență. Ca urmare a dispersiei cromatice , în timp pachetul de unde are tindința de a se destrăma (adică largirea temporară a lui); dacă intensitățiile sunt suficient de mari, se produce efectul electooptic pătratic numit și efectul Kerr. Acesta face ca indicele de refracție al materialului și viteza de propagare a undei să depindă de intensitate. Dacă Efectul Kerr este folosit că sa compenseze exact efectul dispersiei cromatice, atunci impulsul se va propaga fară deformare, acesta este “undă solitară” sau “solitonul”.

Comunicațiile solitonice au debitele de 20- 100 Gbit/sec, iar cele clasice sunt limitate la maxim 10 Gbit/s.

6.3 Dispersia în ghidul de undă (ondulatorie)

Aceasta este condiționată de toate procesele din interiorul modei și se caracterizează de proprietățile de direcționare a miezului fibrei optice: dependent vitezei de grup a modei de lungimea de undă a radiației optice, ce duce la diferite viteze de propagare a componentelor de frecvență a spectrului radiat.

Dispersia în ghidul de undă este determinate de profilul indicelui de refracție al fibrei optice și este proportional lățimii spectrului sursei de radiație Δλ

τGU= Δλ * L * B (λ)

B(λ) = dispersia în ghidul de undă specifică (ondulatorie)

Dacă nu avem o valoare pentru B(λ) , atunci putem calcula valoarea τGU cu ajutorul formului: .

Δλ = lățimea liniei spectrale a unei surse de radiație , egală cu 1-3nm pentru laser și 20-40 nm pentru o diodă luminescentă;

L = lungimea liniei, km;

c= viteza luminii , km/s

Dispersia lungimii de undă poate fi folosită pentru a realiza diminuarea dispersiei fibrei, in care GVD descrește odată cu lungimea fibrei datorită variației axiale în centrul razei. În alte cazuri ale fibrei optice, cunoscute ca și compensarea dispersiei , GVD are o magnitudine relativ mare.

6.4 Dispersia material

Este condiționată de dependent indicelui de refracție de lungimea de undă:

n= ψ2(λ).

Propagare undelor este cu dispersie, asta înseamnă că viteza de propagare depinde de frecvență (lungimea de undă). Lungimile de undă se deplasează cu viteze diferite prin fibra optică, chiar și în una sau aceeași modă.

Deoarece lungimile de undă se deplasează cu viteze diferite, atunci in formula n= , valoarea vitezei v se modifică pentru fiecare lungime de undă , astfel indicele de refracție se schimbă depinzând de lungimea de undă. Dispersia care se leagă de acest efect se numește dispersie materială (moleculară) , și depinde de proprietățile fizice a materialului fibrei optice.

Nivelul dispersiei materiale, depinde de intervalul lungimilor de undă a luminii care este introdus într-o fibră optică și de lungimea de undă central de lucru a sursei.

În intervalul 850 nm , undele cu lungimile de undă mai lungi se deplasează mai repede decât lungimmile de undă mai scurte; situația se schimba dacă intervalul este 1550 nm , undele cu lungimea de undă mai mica se mișcă cu o viteză mai mare față de cele care au o lungime de undă mai mare.

Fig. Viteza de propagarea a lungimilor de undă.

La lungimea de undă 1300nm , dispersia materiala M(λ) are valoarea 0; în intervalul de undă mai mare de 1300 nm , valoarea sa este negativă (undele rămân în undă și ajung mai târziu); dacă intervalul este mai mic de 1300 nm , undele ajung mai repede.

Dispersia materiala poate fi calculată cu formula : τmat= ΔλLM(λ)

Fig. Valoarea specifică a dispersiei la diferite lungimi de undă , M(λ) materială ; B(λ) ondulatorie.

Pentru a calcula τmat , se utiliează expresia : ; valoarea M(λ) se determină experimental , iar pentru diferite procentake a impurităților de dopare în fibrele optice M(λ) are diferite valori în dependența de λ.

6.5 Dispersia modală de polarizare τDMP.

Apare datorită diferențelor de propagare a doua fibre optice cu polarizații perpendiculare.

τDMP= KDMP ; KDMP= coeficientul dispersiei de polarizare specifice.

Aceasta dispersie apare în fibrele monomod cu miezul în forma de elipsă și are aceeași valoare cu dispersia cromatică în anumite condiții, de exepmplu când este folosită transmisiunea semnalului de bandă largă (banda de transmitere 2,4 Gbit/s ) cu banda spectrală de radiație ingustă , de 0,1 nm.

În fibrele ideale, datorită geometriei doua mode se propagă cu aceeași viteză , dar în realitate fibrele optice conțin dimensiuni geometrice neideale, care duc la diferite viteze de propagare a acestor doua mode având componente de polarizare diferite, care duc la apariția dispersiei modale de polarizare.

Dispersia modală de polarizare a fibrei monomod trebuie sa fie calculată cu expresia : ; și are o valoare foarte mică, de aceea în unele calculea ea poatefi neglijată.

Coeficientul PMD al fibrei optice măsurat pe un kilometru este exprimat în ps/km , fibrele de calitate înaltă au coeficientul PMD mai mic de 0,2 ps/km. Organizația de standardizare a propus ca PMD a unei linii optice nu trebuie sa fie mai mare decât 1/10 din perioada bitului, aceasta transferă un coeficent maxim de 40ps pentru sistemul de 2,5 Gbit/s și 10 ps pentru sistemul de 10 Gbit/s.

Fig. Dispersia modală de polarizare.

Fig. Lărgirea impulsului datorită dispersiei

În fibrele optice monomod , dispersia modală de polarizare lipsește , deoarece prin aceste tipuri de fibre se propagă doar o singura modă HE11 sau doua mode cu stări diferite de polarizare dar care au o singurp dependență de dispersie a coeficientului de fază β(λ). Astfel lărgirea impulsurilor în fibrele optice monomod poate fi determinată de dispersia cromatică , astfel dispersia totală în fibrele optice monomod este calculată cu formula : .

Cei mai buni indici a dispersiilor le au fibrele optice monomod și dispersia cea mai mare se regăsește la fibrele optice multimod cu profilul indicelui de refracție în trepte.

6.6 Dispersia totală

Aceasta este compusă din dispersia intermodală (cromatică) și din dispersia intermodală (împrăștierea impulsului optic din cauza dispersiei materialului si a ghidului de undă). În fibrele multimod dispersia materialului predomină. Împrăștierea pătratică medie a impulsului în fibra multimod: σtot2 = σ12 + σ22 ; σ12 = împrăștierea intramodală; σ22 = dispersia intermodală.

Împrăștierea pătratică medie a pulsului, din cauza dispersiei materialului: σm= σλ * L * M; σ = lățimea pătratică medie a sursei; L= lungimea fibrei; M = parametrul dispersiei materialului , ps ( nm*km)

Deoarece în fibrele monomod, se propagă doar un sing mod, împrăștierea impulsului se datorează dispersiei intramodală, efectele care domină sunt: dispersia în material, dispersia ghidului de undă, parametrul dispersiei profilului.

La fibrele multimod, majoritatea modurilor se propagă departe de blocare, majoritatea puterii optice este transmisă prin miezul fibrei, componentele fibrei se separă în dispersia materialului și cea a ghidului de undă. În fibrele monomod, dispersia materialului și cea a ghidului de undă sunt dominante.

Dispersia totală a fibrei se minimizează prin tolerarea dintre dispersia materialului și dispersia ghidului de undă până când se limitează dispersia profilului (limitând variația indicelui de refracție cu lungimea de undă). Când lungimea de undă are valoarea 1,55 µm, fibrele optice au cea mai mică atenuare.

Dacă confecționăm fibrele optice monomod cu o variație triunghiulară a indicelui de refracție (fibre optice cu dispersie deplasată), dispersia o anulează pe cea a materialului.

Fig. Dispersia totală pentru fibrele 1) cu dispersie deplasată , 2) dispersie uniformă , 3)conventională

Tabel . Proprietățile de dispersie a diferitelor fibre optice.

6.7 Limitele impuse de dispersie

6.7.1 Lățimea benzii de transmitere.

Cei ce produc fibrele optice și cablurile nu spefică dispersia în produsele multimod, ei arată banda de transmitere care este exprimată în MHz/km, de exemplu banda de tranmitere cu valoarea 400 MHz/km , este cu putință sa trimită semnalul în banda 400 MHZ la distanța de 1 km și produsul frecvenței maxime a semnalului la lungimea de transmisiune este ≤ 400. Astfel putem trimite semnalul la o frecvență mai joasă dar pe o distanță mai mare sau putem trimite semnalul la o frecvență mai mare dar pe o distanțo mai mică.

Fig . Dependența lungimii de transmitere de lățimea benzii de transmisiune pentru fibra 400 MHz/km.

Banda de transmisiue a cablurilor optice , condiționează numărul canalelor de comunicații transmise prin el; și aceast număr este limitat de dispersia fibrelor optice.

Fig. Dispersia τ capacitatea de transmisiune ΔF a fibrei optice în dependeță de lungimea liniei.

Dacă micșoram valoarea lui ΔF cauzată de dispersie până la o valoarea acceptabilă; limităm distanța de transmisiune prin cablurile optice.

Putem exprima legaturile dintre banda de frecvență ΔF și distanța de transmisiune l , cu ajutorul relațiilor:

Pentru liniile scurte : =

Pentru liniile lungi : : = .

Parametrii care au indicele x sunt necunoscute ;cei fata indice sunt date; lc= lungimea de legătura a modelor .

Banda de transmisie pe toata linia , dupa normalizarea benzii de transmisiune pe un km :

Pentru liniile scurte : ΔFx= ;

Pentru liniile lungi : ΔFx=

ΔF se poate calcula cu expresia:: ΔF = ; din aceasta formulă se observa dependența benzii de transmisiune de lărgirea impulsurilor τ.

6.7.2 Chirped Gaussian Pulses

Consideram propagarea a Chirped Gaussian pulses , înauntru fibrei optice și alegem domeniul inițial:

A(0,t) = A0 exp ( – ()2)

A0 = varful amplitudinii

T0 = jumătatea lățimii a punctului de intensitate

Asocierea lățimii totale cu jumătatea maximă a pulsației (FWHM) se poate arăta folosind formula:

TFWHM = 2(ln2)1/2T0 = 1.665 T0

Parametrul C administrează frecvența chirp impusă pulsației. Pulsația este chirped daca frecvența se modifcă în timp. Modificarea frecvenței este asociată cu derivata fazei și se calculează cu formula :

δ(t) = – ϕ / t = (C / T02) * t

Φ = faza lui A(0,t)

Chirp reprezintă dependeța frecvenței în timp care schimbă δ. Spectrul pulsului chirped este mai mare ca pulsul unchiperd. Acest lucru poate fi demonstrat cu transformata Fouriei a relației

A(0,t) = A0 exp ( – ()2) , și este egală cu Ã(0,w) = A0 ()1/2 exp (- 2T02 / 2( 1 + iC) ).

Jumătatea lungimii spectrale a punctului de intensitate , este dată de relația :

Δ0 = (1+C2)1/2 T0-1

În absența frecvenței chirp (C=0) , lungimea spectrală este Δ0T0 = 1.

Ecuația propagării pulsației poate fi rezolvată folosind transformata Fouriei și este agală cu : A(z,t) =

Valoarea lui Ã(0 , ω) este dată de ecuația:

Ã(0,w) = A0 ()1/2 exp (- 2T02 / 2( 1 + iC) , pentru intrarea pulsației Gaussiene.

Atunci când lungimea de undâ purtâtoare este foarte departe de lungimea de unde cu dispersia zero , atunci valoarea lui β3 poate fi neglijată. În acest caz :

A(z,t) = ) / 2T02 Q(z) )

Q(z) = 1 + (C – 1) β2z/ T02.

Aceasta ecuație ne demonstrază că o pulsație Gaussiană ramâne Gaussian la propagare dar, amplitudinea și chirp sunt modificate de factorul Q(z). De exeplu , chirp-ul la distanța de modificare z, schimbă valoarea inițială C la C1(z) = C + (1+C2)β2z / T02.

Pulsația chirped poate mării sau minimiza dependeța , daca β2 și C au aceleași sau diferite semne. Pentru β2C > 0 ,pulsația chirped Gaussiană crește monoton la o rată mai mare decât pulsația unchirped. Pentru β2C < 0 , pulsația initial descrescătoare și devine minima la distața zmin= ( |C| / (1 + C2) LD

Valoarea minimă depinde de parametrul chirp : T1min = T0 / (1+C2)1/2

Fig. Variația măriri factorului cu distanța propagată pentru semnal de intrare chirped Gaussian.

Linia punctată corespunde cazului când pulsația este unchipred Gaussian. Pentru β < 2 aceleași curbe sunt obținute daca parametrul C al chirp-ului este inversat.

O ecuație potrivită pentru a măsura lațimea pulsației este lățimea pulsației RMS definită:

σ = ((t2) – (t)2)1/2 ,

Pentru discuțiile de mai sus am presupus că sursa optică care a fost folosită sa produca o pulsație de intrare este aproape formată din radiații cu aceeași lungime de undă, cu lungimea spectrala sa satisfacă:

Δl << Δ0 ( sub unde continue) , și Δ0 = (1+C2)1/2 T0-1

Dar în practică aceste condiții nu sunt tot timpul satisfăcute. Pentru a ține cont de lățimea sursei spectrale, trebuie să considerăm fibra optică ca un proces static și să considerăm proprietățile de coerență ale sursei până la funcția de coerență reciprocă. Anexa C demonstrează cum factorul de extindere poatefi calculat în acest caz. Când sursa spectrului este Gaussianaă cu spectrul RMS cu σm , factorul de extindere este :

(1+ Cβ2L / 2σ02)2 + (1 + V2) ( β2L / 2σ02)2 + (1 + C2 + V2)2 (β3L / 4 σ03)2 ;

V= 2σσ0

6.6.3 Efectul frecvenței chirp

În practică impulsurile optice sunt de obicei non-Gaussiene și pot prezenta un chirp considerabil. Un super model Gaussian a fost folosit pentru a studia limitarea bit-rate a dispersiei fibrei pentru un flux de biți NRZ

A(0,t) = A0 exp ( – ()2m)

m=controlează forma de impulsuri.

Impulsurile chirped Gaussian sunt când m=1.

Pentru valori mari ale parametrului m , impulsul devine aproape dreptunghiular cu marginile ascuțite. Limitarea distanței ratei de biți produs BL este gasit dacă impunem ca lățimea impulsurilor RMS nu cresc peste o variabilă tolerabilă.

Fig. Limitearea dispersiei a produsului BL ca funție a parametrului chirp pentru Gaussian (linia continuuă) și super-Gaussian (linia punctată) pulsurilor de intrare.

Produsul BL se reduce dramatic pentru valori negative a parametrul chirp C. Acest lucru se datorează lărgirii imbunătațite când β2C este pozitiv. Din păcate în general C are o valoare negativă pentru laseri de semiconductori care sunt modulație direct și cu valori tipice -6 până la 1,55 µm. Datărită faptului că BL< 100 (Gb/s) , sub aceste condiții , dispersia fibrei limitează rata de biți la 2Gb/s pentru L= 50 km.

6.7 Măsuri pentru diminuarea dispersiei

Există câteva tehnici de minimizare a dispersiei, în general ele constau în introducerea în fibra optică un element care are dispersia contra celei care este în fibră. În general acestea sunt module de compensarea a dispersiei – DCM ( orice bobină de fibră care are dispersia contra celei din fibra optică) și sunt fabricate cu un anumit nivel al dispersiei, dar au dezavantajul introducerii pierderilor considerabile în sistem, în general peste 8 dB.

Modulurile de compensare sunt folosite cu circularoare (sistem cu trei porturi).

Fig. Circulator de compensare a dispersiei.

Raza optică intră prin portul 1, lumina ce intră prin portul 1 iese doar prin portul 2. Dupa astă lumina trece prin DCM și este reflectată de reflector și reintră în portul 2. Lumina ce intă în portul 2 iese doar prin portul 3, Efectul obținut este că lumina parcurge DCM-ul de 2 ori mai repede și permite folosirea unei lungimi de 2 ori mai mică pentru obținerea aceluiași efect.

O soluție simplă de compensare a dispersiei este alternarea tipului de fibră optică (+D)NZ-DSF cu (-D)NZ-DSF ( aceste fibre au dispersia aproape zero în regiunea de 1550 nm , lungimea de undă folosită pentru transmisiuni este puțin înafara ferestrei de 1550 nm, astfel (+D)NZ-DSF are dispersie “pozitivă” și (-D) NZ-DSF are dispersia negative, acestea se compensează și se pot folosi in sistemele DWDM. Corecția nu este perfecta asupra benzii de canale, însă reduce dispersia aproape complet.

Fig. Alternarea tipului de fibră (+D)NZ-DSF cu (-D)NZ-DSF și ne arată dispersia și distanța de transmisie în cazul alternarii acestor doua tipuri de fibre.

Capitolul 7. Componența unui sistem de comunicații prin fibră optică

Un astfel de sistem are în componență trei elemente de bază:

Emițătorul optic;

Cablu de fibră optică;

Receptorul optic.

Fig. Sistemul de comunicație optică

Emițătorul optic

Acesta convertește semnalul electric de intrare în lumină modulate pentru transmisie pe fibra optică. Lumina modulată rzultată după conversie poate fi oprită, pornită sau poate varia linar în intensitate intre două nivele predeterminate.

Fig. Metode de modulație optică.

Sursele de lumină utilizate în transmisia optică sunt diode luminiscentă (LED) sau/și diode laser (LD). Aceste elemente sunt montate într-un sistem mechanic ce permite fibrei optice sa fie plasată foarte apoape de zona de emitere a luminii, astfel să capteze cât mai multă lumină. Uneori emițătorul este dotat cu o lentilă mică sferică care captează și redirecționează fiecare rază de lumină către fibra optică, sau alteori fibra optică este ”lipită” (pigtail) direct de supragața emițătorului.

Emițătorul este compus din :

Interfața analogical sau digital;

Convertor tensiune-curet;

Sursă de lumină;

Cuplorul sursă-fibră

Ghidul optic este fibră optică din sticlă sau plastic

Receptorul este compus din :

Un cuplor fibră-detector

Dectorul de lumină

Convertorul curent-tensiune care are și rolul de amplificator

Interfața analogică sau digitală.

Interfața de intrare face adaptarea de impedanță și de nivel de semnal cu circuitul de intrare.

Convertorul tensiune-curet este folosit ca o interfață electrică intre circuitul de intrare și sursa de lumină. Fluxul luminos al led-ului este direct proporțional cu valoarea curentului ce îl parcurge, din această cauză nu mai este nevoie de modularea semnalului de la intrare.

Cuplorul emițător-fibră reprezintă interfața mecanică, acesta are rolul de a cupla cât mai eficient sursa de lumină în fibra optică. Și cuplorul fibră-receptor este tot un cuplor mecanic acesta are rolul de a cupla cât mai eficient lumina care iese dintr-o fibră optică la detectorul de lumină.

Detectorul de lumină este o diodă PIN sau o fotodiodă de avalanșă (APD), aceasta din urmă converteșe energia luminoasă în curent, avem nevoie de un convertor curent-tensiune care amplifică și să convertească acest curent în tensiune.

Interfața analogică sau digitală amplasată la ieșirea receptorului este o interfață electrică.

7.1 Bugetul de flux

Reprezintă cea mai importantă ecuație pentru proiectarea sistemului de comuncație pe o fibră optică.

;

cu cât această margină de flux este mai mare , cu atât probabilitatea de erori este mai mică.

Capitolul 8 nu stiu unde sa trec asta, mai trebuie revizuit.

8.1

Bibliografie

[1] http://ro.wikipedia.org/wiki/Fibr%C4%83_optic%C4%83

[2] http://biblioteca.regielive.ro/laboratoare/electronica/tipuri-si-parametre-a-fibrelor-optice-118156.html

[3] http://biblioteca.regielive.ro/laboratoare/electronica/atenuarea-in-fibre-optice-118158.html

[4] https://gigaom.com/2009/09/28/alcatel-lucent-boosts-fiber-speeds-by-10x-in-lab/

[5] http://biblioteca.regielive.ro/referate/electronica/senzori-cu-fibre-optice-3507.html

[6] http://ep.etc.tuiasi.ro/site/Senzori_si_Traductoare/Cursuri/senzori_2.pdf

[7] Gerd Keiser “Optica Fiber Communications” McGraw-Hill Series in Electrical Engeneering.

[8] Lucrarea de laborator nr.1, “Cunoștință cu fibrele optice si cablurile lor” – Universitatea Tehnică din Moldova, Facultatea Radioelectrică și Telecomunicații, Catedra Sisteme Optoelectronice.

[9]http://it.wikipedia.org/wiki/Apertura_numerica#mediaviewer/File:Opticalfibernumericalaperture.jpg

[10] Govind P. Agraval – „Fiber-Optic Communication System” Wiley Series in Microwaves and Optical Engineering Kai Chang, Series Editor

[11] Lucrare de curs „Pierderi prezentate în fibra optică” Disciplina Optoelectronică, Universitatea Tehnică a Moldovei , Facultatea Radioelectronică și Telecomunicații, Catedra Sisteme Optoelectronice.

[12] http://biblioteca.regielive.ro/proiecte/optica/dispersia-in-fibra-optica-43469.html

[13] http://biblioteca.regielive.ro/referate/optica/comunicatii-pe-fibra-optica-73352.html