Comunicatii de date prin fibre optice - Bazele sistemelor cu fibra optica

Comunicatii de date prin fibre optice

Acest capitol descrie transmisia datelor utilizand lumina drept purtatoare. Capitolul incepe cu istoricul acestei forme de comunicatie, explicand de ce a suscitat aceasta tehnica atat de mult interes in lumea comunicatiilor. Vom discuta modul de functionare a sistemelor de fibre optice si vom explica o parte din termenii utilizati la descrierea acestora. Vor fi prezentate unele sisteme actuale de fibre optice terestre si submarine. De asemenea, vom discuta despre implementarea fibrelor optice in retelele locale de date. in fine, vom examina unele tehnici si aspecte din domeniul transmiterii datelor prin intermediul satelitilor geostationari.

Prezentare din perspectiva istorica

Alexander Graham Bell a fost un om foarte curios si inventiv. in 1880, la patru ani de la inventarea telefonului, el a inregistrat patentul unui "aparat pentru semnalizare si comunicare' numit Fotofon. Acest dispozitiv, ilustrat in figura de mai jos, transmitea un semnal vocal la o distanta de 2.000 de metri, utilizand ca purtatoare o raza de soare. Pe masura ce se vorbea intr-o portavoce, oglinda acesteia incepea sa vibreze, ceea ce conducea la variatia energiei luminoase reflectate asupra celulei fotovoltaice. Curentul electric produs de celula varia in concordanta cu variatia energiei luminoase.

Fotofonul lui Alexander Graham Bell.

Dispozitivul a demonstrat principiul de baza al comunicatiilor optice, valabil si la ora actuala. Cele doua cerinte necesare unui succes comercial erau insa la o departare de o suta de ani. Aceste cerinte erau o sursa de lumina puternica si fiabila si un mediu de transmisie fiabil si cu pret scazut.

in 1960, laserul a fost recunoscut ca sursa de lumina mult asteptata si s-au incercat sisteme care utilizau ca mediu de transmisie atat atmosfera, cat si ghidurile de unda. In 1966 s-a propus aplicarea unui invelis peste o fibra de sticla, iar prin 1970 s-au facut demonstratii cu fibre care aveau pierderi de numai 20 decibeli pe km (dB/km). De atunci, progresul in domeniul aplicatiilor cu fibre optice a fost uimitor. In 1979 s-au experimentat (in laborator) fibre optice cu pierderi mai mici de 0,2 dB/km, precum si sisteme care pot transmite date cu viteze de peste 400 milioane de biti pe secunda (Mbps) la distante de peste 100 km, fara repetoare sau amplificatoare. Progresele din

domeniul fibrelor optice au inceput sa ameninte sistemele de comunicatie prin satelit, care risca sa devina depasite in anumite tipuri de comunicatie (de tip punct-la-punct, in care se cere o largime de banda mare, cum ar fi de exemplu sistemele telefonice trans-oceanice), la numai 15 ani dupa ce sistemele prin sateliti au fost lansate ca sisteme de comunicatii ale viitorului.

Transmisia prin fibra optica este considerata ca o inovatie majora in telecomunicatii. Aceste sisteme ofera o largime de banda extrem de mare, independenta fata de interferentele externe, imunitate la interceptare prin mijloace externe si materie prima ieftina (siliciul, cel mai abundent material de pe Pamant).

Bazele sistemelor cu fibra optica

Fibrele optice ghideaza lumina in interiorul materialului fibrei. Acest proces este posibil deoarece razele de lumina isi schimba directia atunci cand trec dintr-un mediu in altul. Fenomenul se numeste refractie. Un exemplu de refractie poate fi observat atunci cand stati la marginea unui bazin si va uitati la un obiect aflat pe fundul bazinului. Cu exceptia situatiei in care va aflati exact deasupra obiectului, ca in figura de mai jos, obiectul pare mai departat decat este in realitate asa cum se arata in a doua figura. Acest efect apare deoarece viteza razelor de lumina dinspre obiect creste la trecerea lor din apa in aer. Aceasta crestere a vitezei provoaca o "indoire' a razelor (o schimbare de directie) si, ca urmare, modificarea unghiului de perceptie a obiectului.

Legea lui Snell

Functionarea fibrelor optice poate fi explicata prin legea lui Snell, care spune ca raportul dintre sinusul unghiului de incidenta si sinusul unghiului de refractie este egal cu raportul dintre vitezele de propagare a undei in cele doua medii. Acesta este egal cu o constanta, care reprezinta raportul dintre indicele de refractie al celui de-al doilea mediu si indicele de refractie al primului mediu. Sub forma de ecuatie, Legea lui Snell arata astfel:

sin 1A ₌ V1 _{= K =} n2

In aceasta ecuatie,

sin 2A V 2 1n

Ai si A2 sunt unghiul de incidenta, respectiv de refractie;

Vi si V2 sunt vitezele de propagare a undei in cele doua medii;

ni si n2 sunt indicii de refractie ai celor doua medii.

Acesti parametri sunt prezentati grafic in figura de mai sus. In toate cazurile, A1 este unghiul de incidenta, iar A2 este unghiul de refractie. Indicele de refractie al mediului 1, n1, este mai mare decat indicele de refractie al mediului 2, n2. Aceasta inseamna ca viteza de propagare a luminii in mediul 2 este mai mare decat cea din mediul 1.

In figura anterioara a. ilustreaza modul in care o raza de lumina care trece din mediul 1 in mediul 2 este refractata in mediului 2 atunci cand A1 este mai mic decat unghiul critic. Figura b. ilustreaza situatia in care A1 este chiar unghiul critic si unghiul A2 este de 90. Raza de lumina este directionata de-a lungul frontierei dintre cele doua medii.

Asa cum se arata in figura c., orice raza de lumina care are un unghi de incidenta mai mare decat unghiul A1 din figura b. va fi reflectata inapoi in mediul 1, sub un unghi A2 egal cu unghiul A1. Conditia din figura c. prezinta un interes particular pentru fibrele optice, fiind discutata in sectiunile urmatoare.

Structura fibrei optice

O fibra optica este un ghid de unda dielectric (care nu conduce electricitatea) fabricat din sticla sau plastic. Asa cum se arata in figura urmatoare, fibra este constituita din trei regiuni distincte: miez, infasurare si teaca sau camasa. Indicele de refractie al ansamblului variaza de-a lungul razei cablului, miezul avand un indice de refractie constant sau cu variatie uniforma, n_c, iar regiunea infasuratoare avand un alt indice de refractie constant, n. Miezul are un indice de refractie mare, in timp ce infasuratoarea este construita cu un indice de refractie mic. Rezultatul diferentei dintre indicii de refractie este faptul ca lumina este constransa sa circule prin miez dupa ce patrunde in acesta, chiar daca fibra este indoita sau innodata. In cazul unei

fibre destinate sa transporte lumina prin mai multe moduri de propagare

(numita fibra multimod), diametrul miezului este de cateva ori mai mare decat lungimea de unda a luminii transportate. Lungimea de unda este o masura a distantei parcurse intre doua perioade ale aceleiasi unde si este exprimata in nanometri (nm) sau miliardimi de metru, iar grosimea infasurarii este mai mare decat raza miezului. In continuare, sunt prezentate cateva valori tipice pentru o fibra multimod:

. O lungime de unda a luminii de lucru de 0,8 m.

. Un indice n_c de refractie al miezului de 1,5.

. Un indice n de refractie al infasurarii de 1,485 (= 0,99 x n_c).

. Un diametru al miezului de 50 m.

. O grosime a infasurarii de 37,5 m.

Fibra infasurata ar avea un diametru de 125 m iar lumina s-ar propaga conform figurii de mai jos.

Conform Legii lui Snell, razele de lumina sunt mentinute in totalitate in fibra optica atunci cand unghiul de incidenta este mai mare decat unghiul critic. Fibrele optice au trei regiuni distincte: miezul fibrei, infasurarea din jurul miezului si invelisul exterior de protectie.

O sursa de lumina emite raze de lumina sub diferite unghiuri, in raport cu centrul fibrei. in figura anterioara, raza de lumina A intra in fibra perpendicular pe sectiunea transversala a miezului si paralel cu axa fibrei. Unghiul sau de incidenta A1 este zero; de aceea, ea nu este refractata si circula paralel cu axa. Raza de lumina B intra din aer (n₁ = 1) in miezul fibrei sub un unghi de incidenta A_1B si este reflectata sub un unghi A_2B, deoarece n₂ este mai mare decat n₁. Atunci cand raza de lumina B atinge frontiera dintre miez si infasurare, unghiul sau de incidenta A_1'B este mai mare decat unghiul critic. De aceea, unghiul de refractie A_2'B este egal cu A_1'B si raza de lumina

este refractata inapoi in miez. Raza se propaga in zigzag prin miez, pana

ajunge la celalalt capat al fibrei.

Daca unghiul de incidenta A_1C este prea mare, asa cum se intampla in cazul razei de lumina C, raza cade pe suprafata de separatie dintre miez si infasurare sub un unghi de incidenta A_1'C mai mic decat unghiul critic. Raza intra in infasurare si se propaga, sau este absorbita de aceasta si de camasa

(care este opaca).

Propagare multimod si monomod

In cazul fibrelor optice care au diametrul miezului mult mai mare decat lungimea de unda a luminii transmise, fasciculul luminos circula prin fibra balansandu-se inainte si inapoi la interfata dintre miez si infasurare. Razele care patrund in fibra sub diferite unghiuri sunt refractate de un numar variabil de ori, pe masura ce deplaseaza de la un capat la celalalt al fibrei si, in consecinta, nu ajung la capatul indepartat cu aceeasi relatie de faza ca in momentul inceperii propagarii. Unghiurile diferite de intrare sunt numite moduri de propagare (sau, pe scurt, moduri), iar o fibra care transporta mai multe moduri se numeste fibra multimod. Propagarea multimod face ca razele care parasesc fibra sa interfere atat intr-o maniera constructiva, cat si intr-una distructiva. Acest efect este numit imprastiere (dispersie) modala a intarzierii. Unghiul sub care lumina intra intr-o fibra optica se numeste mod de propagare. O fibra care transporta mai multe moduri se numeste fibra

multimod.

Deoarece majoritatea sistemelor optice de comunicatie transmit informatia in forma digitala, constand in impulsuri de lumina, efectul dispersiei modale a intarzierii limiteaza capacitatea fibrei de a transporta impulsuri care sa poata fi recunoscute. Aceasta deoarece dispersia modala largeste impulsurile in domeniul timp, asa cum se arata in figura de mai jos. Efectul dispersiei impulsurilor consta in dificultatea sau imposibilitatea unui receptor optic de a distinge un impuls de altul, la o anumita distanta de transmisie. Astfel, dupa o distanta de transmisie predefinita, o fibra multimod fie determina o rata foarte mare de erori, fie exclude posibilitatea recunoasterii impulsului si anuleaza posibilitatea de utilizare a cablului pentru comunicatii.

Dispersia impulsurilor.

Daca diametrul miezului fibrei este doar de cateva ori mai mare decat lungimea de unda a luminii transmise (sa presupunem de 3 ori mai mare), va fi propagata doar o singura raza (sau mod) si nu va aparea nici o interferenta distructiva intre raze. Aceste fibre, numite fibre monomod, sunt mediile

utilizate in majoritatea sistemelor de transmisie. In figura de mai jos a. si b. ilustreaza distributia indicelui de refractie de-a lungul fibrelor multimod si monomod, precum si diametrele tipice ale acestora.

Una din diferentele principale dintre fibrele monomod si multimod este ca, in cazul fibrei multimod, cea mai mare parte a puterii este transportata prin miez in timp ce in cazul fibrelor monomod, o mare parte a puterii este propagata in infasurarea din jurul miezului. In cazul in care lungimea de unda a luminii devine suficient de mare pentru a provoca propagarea monomod, aproximativ 20% din putere este transportata in infasurare, iar daca lungimea de unda a luminii se dubleaza, acest procent depaseste 50%.

Figura c. ilustreaza distributia unui alt tip de fibra multimod, numita fibra cu indice gradat. Indicele de refractie variaza lin de-a lungul diametrului miezului, dar ramane constant in infasurare. Aceasta proprietate reduce dispersia inter-modala, deoarece razele care se deplaseaza de-a lungul unei fibre cu indice gradat au intarzieri aproape egale. Au fost generate si alte profile de indice, de refractie, pentru a rezolva diverse probleme, cum ar fi reducerea dispersiei cromatice. O parte dintre aceste profile sunt ilustrate in figura urmatoare; profilele in treapta si gradat sunt reluate pentru comparatie. Fibrele multimod cu indice gradat au intarzieri de propagare aproape egale, datorita reducerii dispersiei intermodale.

Diverse profile de indici de refractie pentru fibre optice.

Largimea de banda

Limitarile largimii de banda a sistemelor de fibre optice provin din doua surse principale: dispersia modala a intarzierii si dispersia de material. Dispersia modala a intarzierii, descrisa anterior, este esentiala in cazul fibrelor multimod. Dispersia de material provine din variatia vitezei luminii prin fibra in functie de lungimea de unda a luminii. Daca sursa de lumina, de exemplu o dioda electroluminiscenta (LED), emite impulsuri de lumina cu mai multe lungimi de unda, acestea se deplaseaza prin fibra cu viteze diferite. Acest fenomen provoaca imprastierea (dispersia) impulsurilor. La o lungime de unda tipica pentru un LED, de 0,8 m, variatia intarzierii este de aproximativ 100 picosecunde (ps) pe nanometru (nm), pe o lungime de 1 km. Daca latimea spectrului emis de LED este de 50 nm, impulsurile de la sursa sunt imprastiate cu 5 nanosecunde (ns) pe km. Aceasta limiteaza eficienta largimii de banda a modulatiei la aproximativ 50 pana la 100 MHz/km. Din fericire, la anumite lungimi de unda (in jurul valorilor de 1,3 si 1,5 nm pentru anumite tipuri de fibre), exista un punct de minim in curba dispersiei de material ceea ce permite o performanta mult mai buna a largimii de banda a modulatiei. Figura de mai jos ilustreaza relatia dintre pierderile din fibrele de sticla din siliciu dopat si lungimea de unda a luminii. O buna parte din eforturile actuale de dezvoltare sunt indreptate spre producerea de fibre, surse de lumina si detectoare care sa functioneze eficient la valori minime ale pierderilor, corespunzatoare lungimilor de unda de 1,3 si 1,5 m.

Dispersia de material consta in imprastierea impulsurilor care apare atunci cand sursa de lumina transmite prin fibra optica lumina cu mai multe lungimi de unda.

Atenuarea

Pierderea de putere a semnalului pe masura ce lumina se deplaseaza prin fibra se numeste atenuare. Atenuarea din fibre este influentata in principal de patru factori:

1. radiatia luminii propagate, numita dispersie;

2. conversia energiei luminoase in caldura, numita absorbtie;

3. pierderile in conexiuni, in nodurile si in punctele de jonctiune ale fibrei;

4. pierderile in punctele de indoire ale fibrei.

Pierderile prin dispersie

Dispersia apare ca urmare a imperfectiunilor microscopice ale fibrei, cum ar fi particulele de apa introduse in sticla. Efectul impuritatilor din mediul de transmisie este evident atunci cand ne uitam la cer si vedem o culoare albastra. De fapt, spatiul nu are nici o culoare (apare negru) dar, datorita imprastierii luminii solare de catre praful din atmosfera, cerul apare ca fiind albastru stralucitor.

Exista o limita sub care dispersia nu mai poate fi redusa, indiferent cat de perfect este fabricata fibra de sticla, datorita neregularitatilor din structura moleculara a sticlei. Aceasta limita, numita limita de imprastiere Rayleigh, depinde puternic de lungimea de unda ( ¹_λ ). Astfel, pe masura ce lungimea

4

de unda a sursei de lumina creste, efectul dispersiei Rayleigh asupra pierderilor optice scade. Acest efect este ilustrat grafic in figura in cazul luminii cu lungimea de unda de 0,8 m, limita este de aproximativ 2,9 dB/km. La o lungime de unda de 1,3 m, valoarea limita este de 0,3 dB/km, iar la o lungime de unda de 1,55 m, limita este de aproximativ 1,15 dB/km. Fibrele de sticla comercializate au pierderi de aproximativ 3,5 dB/km la 0,8 m si de

0,7 pana la 1,5 dB/km la 1,3 si 1,5 m. Atenuarea printr-o fibra optica din sticla de buna calitate cu lungimea de 6 metri (20 de picioare) este mai mica decat cea printr-o fereastra obisnuita.

Pierderile prin absorbtie

Absorbtia se refera la transformarea energie fasciculului luminos in

caldura in unele materiale sau in imperfectiuni care sunt partial sau complet opace. Aceasta proprietate este benefica, de exemplu in cazul camasii fibrei, pentru a impiedica lumina sa iasa din cablu, dar constituie o problema atunci cand apare la incluziunile sau imperfectiunile din fibra. Sistemele actuale de fibre optice sunt proiectate astfel incat sa reduca la minimum absorbtia intrinseca prin transmisii la lungimi de unda de 0,8, 1,3 si 1,5 m, valori la care curba absorbtiei luminii prezinta puncte de minim.

Pierderile in conexiuni

Pierderile in conexiuni sunt inevitabile. Ele reprezinta o sursa importanta de pierderi in sistemele comerciale de fibre optice. In afara de conexiunile de instalare, vor fi necesare conexiuni pentru reparatii, deoarece experienta a aratat ca o linie obisnuita va fi intrerupta accidental de doua sau trei ori pe kilometru, intr-o perioada de 30 de ani. Alinierea fibrelor optice, necesara la fiecare conexiune, reprezinta o performanta mecanica importanta. Scopul conexiunii nu este atins decat daca partile componente sunt aliniate. Capetele fibrelor trebuie sa fie paralele, cu o toleranta mai mica de un grad, iar miezul trebuie sa fie concentric cu infasurarea, cu o toleranta de 0,5 m. Au fost dezvoltate tehnici de fabricatie care cupleaza fibre monomod cu diametre mai mici de 10 m, prin utilizarea unei monturi si a unui mic incalzitor electric. Incalzitorul este de obicei un arc electric care netezeste cele doua capete taiate ale fibrei si permite ca fibrele sa fie lipite impreuna. Din cauza costului unui arc electric si a timpului necesar racirii capetelor incalzite, pentru conectarea fibrelor intrerupte se utilizeaza mai frecvent alte metode, cum ar fi jonctiuni si cuple mecanice. Jonctiunile mecanice se bazeaza pe utilizarea unei clame mecanice care fixeaza permanent cele doua fibre. Aceasta operatie se realizeaza cu ajutorul unui banc de lucru portabil, care este folosit la pregatirea fiecarui capat de fibra. Pregatirea cuprinde indepartarea unui strat subtire din invelisul de plastic al miezului fibrei, inainte de fixare. Pierderea tipica intr-o jonctiune mecanica este de aproximativ 0,15 dB. Prin comparatie, utilizarea unui conector permite lipirea fibrelor de acest dispozitiv cu ajutorul unei rasini epoxidice, dupa ce fibrele au fost aduse la dimensiunea adecvata. Conectorul asigura o imbinare a celor doua fibre pentru a permite luminii sa treaca dintr-o fibra in alta. Desi pierderile in conectori variaza de la 0,25 pana la 1,5 dB, se prefera utilizarea lor in multe aplicatii care implica un efort mare de lucru, deoarece operatia este relativ rapida, putand fi finalizata in cel mult 30 de minute, cu un minimum de echipamente.

Imperfectiunile opace provoaca de asemenea pierderi de putere a semnalului, deoarece atunci cand sunt atinse de un fascicul de lumina, o parte din energia luminoasa se transforma in caldura. O parte relativ mare din puterea semnalului se pierde in fiecare punct de conexiune, in special in jonctiunile destinate reparatiilor.

Pierderile prin indoire

Indoirea unei fibre optice provoaca, de asemenea, pierderi de putere. La deplasarea razelor de lumina printr-o indoitura, lumina dinspre exteriorul indoiturii trebuie sa se deplaseze mai repede pentru a mentine o faza constanta a undei. Pe masura ce se micsoreaza raza de curbura, se atinge un

puna in care o parte a undei trebuie sa se deplaseze mai repede decat viteza luminii in mediul respectiv - ceea ce, evident, este imposibil. In acel punct, lumina se pierde din ghidul de unda. In cazul cablurilor din fibra optica monomod de uz comercial care functioneaza la 1,3 si 1,5 m, indoirile care apar in procesul de fabricare (cablurile sunt produse cu fibrele bobinate in spirala in jurul unui centru) si de instalare nu conduc la cresteri sesizabile ale atenuarii.

Apertura numerica si unghiul de acceptanta

Apertura numerica a fibrei optice este o masura a capacitatii de concentrare a luminii (foarte asemanatoare cu apertura unui obiectiv de aparat fotografic). Apertura numerica este definita ca unghiul maxim de incidenta al unei raze care este reflectata total la frontiera dintre miez si infasurare.

Puterea optica acceptata de fibra variaza cu patratul aperturii numerice, dar, spre deosebire de apertura unui obiectiv, apertura numerica nu depinde de nici o dimensiune fizica a fibrei.

Unghiul de acceptanta este unghiul maxim pe care il poate face o raza care intra in fibra, cu axa fibrei si care permite inca propagarea de-a lungul fibrei. Un unghi mare de acceptanta face ca alinierea capetelor sa fie mai putin critica, atunci cand fibrele sunt imbinate sau conectate.

Subsisteme si componente specifice fibrelor optice

Exista mai multe componente care stau la baza constructiei sistemelor

si subsistemelor de fibre optice.

Fabricarea fibrelor optice

Fibrele optice sunt fabricate in diverse moduri, in functie de producator

si de destinatia sistemului. Zonele miezului si infasurarii fibrei sunt tratate

(dopate) pentru a li se modifica indicele de refractie. Tratarea se realizeaza prin incalzirea vaporilor unor substante, cum ar fi germaniu, fosfor si fluor, si depunerea particulelor de vapori oxidati (asa-numita "funingine') pe bare din sticla de siliciu topita, numite preforme. Preformele reprezinta o versiune la scara mare a miezului si infasurarii, care sunt incalzite pana ajung la o consistenta adecvata si sunt introduse in fibra propriu-zisa.

Dimensiunile miezului si infasurarii verifica exact aceeasi relatie in fibra finala si in preforma. Depunerile de vapori se realizeaza in trei modalitati standard: depunere exterioara, interioara si axiala.

Surse de lumina

Sursele de lumina pentru sistemele de fibre optice trebuie sa converteasca energia electrica primita de la calculator sau de la circuite terminale in energie optica (fotoni), intr-o maniera care sa permita luminii parcurgerea efectiva a fibrei. Exista doua asemenea surse in productie curenta: dioda electroluminiscenta (LED) si dioda laser (ILD).

Diode electroluminiscente (LED-uri)

Figura de mai sus ilustreaza o sectiune transversala printr-un LED. Acest tip de dioda emite lumina cu un spectru relativ larg si disperseaza lumina emisa sub un unghi destul de mare. Aceasta face ca LED-ul sa introduca in fibra semnale luminoase de mai mica putere, sub un unghi de acceptanta dat, decat o dioda laser. La ora actuala, LED-urile sunt capabile sa genereze o putere de aproximativ 100 microwati (nW) intr-o fibra cu o apertura numerica de 0,2 sau mai mult, ceea ce inseamna o eficienta de aproximativ 2%. Avantajele principale ale LED-urilor sunt costul scazut si fiabilitatea ridicata.

Pentru a converti energia electrica a calculatorului sau a terminalului in energie luminoasa utilizabila de un sistem de fibre optice, se folosesc LED-uri si diode laser.

Diode laser

Figura de mai sus ilustreaza o sectiune transversala printr-o dioda laser. Datorita spectrului de emisie ingust si eficientei de cuplare a luminii in ghidul de lumina al fibrei, dioda laser furnizeaza niveluri de putere intre 5 si 7 miliwati (mW). In prezent, diodele laser sunt mult mai scumpe decat LED- urile, iar durata lor de viata este in general de 10 ori mai mica decat a LED- urilor. Alte dezavantaje ale diodelor laser sunt necesitatea unor circuite de reglare automata a nivelului necesitatea reglarii puterii de iesire a razelor laser si faptul ca dispozitivul trebuie protejat la varfurile tranzitorii ale sursei

de alimentare.

Detectoare de lumina

Receptorul sistemului de comunicatii optice trebuie sa aiba o mare senzitivitate si un zgomot scazut. Pentru a indeplini aceste cerinte, exista doua tipuri de dispozitive care detecteaza fasciculul de lumina, il amplifica si il convertesc intr-un semnal electric: ansamblul integrat de tip tranzistor p-i-n cu efect de camp (FET) si fotodioda in avalansa (APD).

In dispozitivul FET de tip p-i-n, exista o fotodioda cu amplificare unitara

(dispozitivul p-i-n), care este cuplata cu un amplificator de linie cu impedata mare de intrare. Acest dispozitiv asigura functionarea la tensiuni scazute, sensibilitate redusa fata de temperatura de lucru, fiabilitate ridicata si un proces simplu de fabricare.

Fotodioda in avalansa asigura o amplificare de 100 de ori sau mai mult; ea produce totusi un zgomot care poate limita senzitivitatea receptorului. Dispozitivele APD necesita tensiuni inalte de referinta care variaza cu temperatura. Receptoarele care utilizeaza diode APD sunt atat de sensibile incat necesita detectia la receptor a doar 200 de fotoni pentru fiecare bit transmis cu viteze de la 200 la 400 Mbps.

Multiplexarea lungimilor de unda

Combinarea fibrei monomod (dispersie scazuta introdusa de mediul de transmisie) cu spectrul ingust de iesire (putere concentrata pe o singura frecventa) si unghiul mic de dispersie (cuplare buna de putere) specifice diodelor laser conduce la caracteristicile largime de banda-distanta foarte performante ale sistemelor de fibra optica, prezentate la inceputul acestui capitol. Spectrul ingust de emisie al diodei laser face posibila si transmisia mai multor semnale de la surse diferite prin aceeasi fibra, printr-o tehnica numita multiplexarea lungimilor de unda.

Asa cum este ilustrat in figura de mai sus, multiplexarea lungimilor de unda la frecvente optice reprezinta echivalentul multiplexarii FDM la frecvente joase. Lumina cu doua sau mai multe frecvente discrete este cuplata in fibra, fiecare lungime de unda transportand un canal, indiferent de viteza de modulatie utilizata de echipamentul de transmisie care comanda sursa de lumina. Astfel, capacitatea informationala a fiecarei fibre este dublata sau triplata.

Pentru a transmite pe aceeasi fibra semnale luminoase de la mai multe surse de lumina, se utilizeaza multiplexarea lungimilor de unda, o tehnica similara cu multiplexarea prin divizarea frecventei.

Sisteme de transmisie

In ultimii 20 de ani, majoritatea sistemelor de transmisie din comunicatii au trecut de la firele de cupru la fibrele optice. De fapt, pe la mijlocul lui 1994, aproape 100% din comunicatiile la distanta se realizau in S.U.A. prin sisteme optice de transmisie.

Sisteme locale si interurbane - sistemul FT3C

Un studiu AT&T din 1978 a relevat un avantaj major al instalarii unui sistem de transmisie digital asupra sistemelor analogice: doar 900 $ pentru fiecare capat terminal de circuit atunci cand se interconecteaza mai multe echipamente de comutare digitala. Economiile proveneau din cerintele diferite ale echipamentelor terminale de multiplexare. A fost dezvoltat astfel sistemul optic FT3C al companiei AT&T, pentru a furniza cel mai economic sistem de transmisie digitala la nivelul din acea vreme al tehnologiei fibrelor optice. Acest sistem utiliza tehnici de multiplexare a lungimii de unda pentru a transmite trei semnale de 90 Mbps prin aceeasi fibra, oferind peste 240.000 de canale la 64.000 bps, intr-un cablu ce continea 144 de fibre optice. Prima aplicatie a sistemului a fost in cadrul proiectului AT&T North-East Corridor

(Coridorul Nord-Est), intre Boston si Washington, si in proiectul similar al companiei Pacific Telesis, pentru coasta de vest a Statelor Unite, intre San Francisco si San Diego. Figura anterioara prezinta o harta a sistemului North- East Corridor, care contine 78.000 de kilometri de circuite cu fibre optice.

Figura b. de mai jos este o harta a proiectului North/South Lightwave, dezvoltat de compania Pacific Telesis. Cele doua sisteme au devenit operationale in 1983 si, de atunci, au fost considerabil extinse.

Avantajele semnificative asociate cu utilizarea sistemelor de transmisie prin fibre optice au condus la instalarea a zeci de mii de mile de fibre optice in anii '80. La inceputul lui 1991, compania U.S. Sprint si-a convertit in proportie de 100% sistemele de transmisie interurbana, trecand de la microunde la fibre optice. Cativa ani mai tarziu, AT&T si MCI Communications au finalizat conversia la fibre optice a propriilor sisteme.

SONET

Progresele obtinute in utilizarea sistemelor de transmisie cu fibre optice au relevat necesitatea unor standarde care sa permita interoperabilitatea dintre transportatorii la nivel de centrale si companiile telefonice. in plus, cresterea considerabila a comunicatiilor companiilor si agentiilor guvernamentale a condus la necesitatea definirii unei interfete intre echipamentele comerciale de comunicatii si reteaua optica in curs de prefigurare. Standardul rezultat, cunoscut sub numele Retea Optica Sincrona

(Synchronous Optical NETwork - SONET) reprezinta un mijloc de transport capabil sa ofere viteze de date in domeniul gigabit, interfete optice, posibilitatea administrarii retelei si metode de testare si diagnosticare.

Pana la dezvoltarea standardelor SONET, exista un vid de compatibilitate intre echipamentele terminale de fibra optica ce functionau la viteze superioare vitezei de transmisie DS3 de 44,736 Mbps. Aceasta viteza de operare este asigurata de ^un transportator de comunicatii care utilizeaza un dispozitiv cunoscut sub numele de multiplexor M13 pentru a combina 28 de semnale DS1 intr-un semnal DS3. Semnalul DS3 rezultat este asincron, deoarece fiecare semnal DS1 este temporizat fa mod independent. Desi fiecare semnal DS1 include 8.000 bps pentru incadrare, semnalul multiplexat DS3 include trei semnale de incadrare mixate, ceea ce face aproape imposibila localizarea unui semnal DS0 individual In semnalul DS3. astfel, eliminarea unui semnal vocal digitizat PCM dintr-o ierarhie de transmisie DS3 a unui transportator impunea de obicei demultiplexarea prealabila a semnalului DS3, ceea ce necesita echipamente suplimentare si crestea costul