Fibra optica - Birefringenta, Polarizarea

Fibra optica

Fibra este un ghid de unda cilindric, descris de coordonatele cilindrice Φ, f, z. Mediul conductiv interior se numeste miez, iar mediul exterior se numeste invelis. Miezul are un indice de refractie mai mare decat al invelisului (pentru a avea loc fenomenul de reflexie totala interna).

n₂ n₂

n₁ n₁

n₁- indicele miezului n₂= indicele invelisului

Fig. 10 Indice treapta (n₁>n₂) Fig. 11 Indice gradat n₁>n₂)

O raza de lumina incidenta ajunge pe miez. Aceasta este refractata in miez. Raza refractata atinge granita dintre medii in punctul A. Daca unghiul de incidenta Ө₃ este mai mare decat unghiul critic pentru acest mediu, atunci raza refractata va suferi o reflexie interna totala. Fenomenul se repeta pe directia de propagare z fiind principiul comunicatiei prin fibra optica.

n

A

n₁

n₂ A

Fig. 12 Principiul opticii geometrice pentru comunicatia optica intr-o fibra

n- indicele de refractie al mediului din care provine raza

n₁- indicele miezului n₂-indicele invelisului

O- punctul in care raza incidenta atinge miezul fibrei

Ө₁-unghiul de incidenta al razei incidente; Ө₂-unghiul de refractie; Ө₃-unghiul de incidenta al razei refractate; Ө₄- unghiul de refractie in A

Cu ajutorul legii lui Snell putem calcula unghiul maxim pe care-l poate face raza incidenta cu directia z pentru a ramane in interiorul miezului. Apertura numerica reprezinta capacitatea fibrei optice de captare a luminii. Unghiul de admisie α determina cantitatea de lumina pe care o poate colecta fibra. In figura de mai sus α= Ө₁.

Apertura numerica

nsinα = n₁sinӨ₂ (rel. 6)

n₁sinӨ₃ = n₂sinӨ₄ (rel. 7)

Daca vom considera mediul in care este fibra ca fiind aerul, atunci n=1.

sinα = n₁sinӨ₂ (rel. 8)

Ө₂ (rel. 9) din geometrie

n₁sin( Ө₂) = n₂sinӨ₄ (rel. 10)

dar sin( Ө₂) = cosӨ₂ (rel. 11)

si revenind n₁cosӨ₂ = n₂sinӨ₄ (rel. 12)

n₁cosӨ₂ = n₂  (rel. 13) intrucat pentru unghiul critic Ө₄=90, iar sin90=1

cosӨ₂= (rel. 14)

cum sin²Ө+cos²Ө=1 (rel. 15)

sinӨ= (rel. 16)

sinӨ₂= (rel. 17)

sinα=n₁ (rel. 18)

O fibra este un ghid de unda cilindric in care lumina se propaga pe baza teoriei modale. Modurile reprezinta solutii ale ecuatiilor lui Maxwell pentru conditii particulare la limita. Modurile sunt caile de propagare in miezul unei fibre. Relatia dintre cele doua componente ale luminii, campul electric E si campul magnetic H, este definita de ecuatiile lui Maxwell. Teoria propagarii undei electromagnetice descrie cel mai bine propagarea impulsului optic in fibra.

1 Birefringenta

La unele materiale transparente indicele de refractie variaza in functie de directia undei incidente si de polarizare. Aceste materiale se numesc birefringente. Atunci cand lumina nepolarizata cade pe materialul nepolarizat, raza incidenta nepolarizata se refracta in doua raze ortogonale de lumina polarizate. Aceste raze sunt polarizate vertical si orizontal. Una se numeste raza ordinara O si respecta legea lui Snell, iar cealalta se numeste raza extraordinara E si nu respecta legea lui Snell. Cristalele care au o structura de retea cubica au anumite proprietati birefringente. Exista unele materiale care au un comportament birefringent atunci cand sunt supuse unei tensiuni mecanice.

Datorita birefringentei in comunicatia prin fibra optica are loc imprastierea impulsului. In realitate miezul fibrei nu este un cilindru perfect. Din aceasta cauza si a stresului mecanic ce poate deforma miezul apare fenomenul de birefringenta, ceea ce face ca un singur impuls de lumina nepolarizata sa se imparta in impulsuri polarizate vertical si orizontal. Astfel ca apare o intarziere diferentiala de grup (DGD) intre impulsurile orizontale si verticale, iar impulsul care parcurge fibra devine distorsionat in timpul transmisiunii. Rata maxima de transfer posibila pe o fibra depinde in mare masura de DGD. Intarzierea de grup este o functie a birefringentei pe toata lungimea fibrei si depinde de temperatura si stresul mecanic al fibrei.

DGD afecteaza semnalele optice de-a lungul intregului spectru de transmisiune, nedepinzand de lungimea de unda a semnalului.

2 Polarizarea

Lumina este o forma de radiatie electromagnetica. Ea este descrisa atat de campuri electrice (E), cat si de campuri magnetice (H), care sunt perpendiculare unul pe celalalt. Campurile E si H sunt variabile in timp, polarizate liniar daca directia componentelor si marimilor lor este constanta in timp.

Interactia luminii cu mediul in decursul propagarii duce la o schimbare a momentului dipolului electric pe unitatea de volum producand campuri eliptice.

p = (rel. 19)

Polarizarea poate fi rezultatul unei reflexii, refractii sau imprastieri. Gradul de polarizare depinde de unghiul de incidenta, indicele de refractie si de profilul de imprastiere a mediului.

Fig. 13 Diferite tipuri de polarizare indusa unui impuls electromagnetic

3 Dispersia

Dispersia este o proprietate a fibrei care poate fi atribuita raspandirii unui impuls optic in domeniul timpului datorita diferentei de viteze a numeroaselor componente spectrale care sunt asociate cu acel impuls optic. Fiecare componenta spectrala are viteza ei proprie si poate calatori pe o cale diferita. Aceasta conduce la o decalare a momentelor in care componentele spectrale ajung in celalalt capat al fibrei. Astfel diferenta de timp suferita de componentele spectrale duce la imprastierea longitudinala a impulsului pe directia z a ghidului de unda cilindric. Dispersia reprezinta variatia vitezei de propagare a luminii cu lungimea de unda.

Cantitatea de imprastiere optica depinde de doi factori: lungimea canalului de comunicatie si rata de transfer. Doua impulsuri consecutive sunt apropiate unul de celalalt la rate mari de transfer.

Viteza de grup este viteza cu care diferitele componente spectrale dintr-un impuls se propaga.

v_g (rel. 20)

unde - frecventa optica, - este constanta de propagare

(rel. 21) intarzierea diferentiala

unde L-lungimea fibrei, λ- lungimea de unda, dispersia vitezei de grup.

D (rel. 22)

O forma de dispersie o reprezinta cea intermodala. Apare cand mai multe moduri ale aceluiasi semnal se propaga cu viteze diferite de-a lungul fibrei. Dispersia intermodala nu apare in fibrele monomod.

Dispersia materiala sau cromatica reprezinta tot o forma de dispersie. Intr-un mediu dispersiv indicele de refractie este o functie de lungimea de unda. Daca semnalul transmis consta in mai mult de o lungime de unda, apare dispersia materiala in cele mai multe sisteme.

Dispersia ghid de unda este cauzata de faptul ca propagarea diferitelor lungimi de unda depinde de caracteristicile ghidului de unda, ca de exemplu indicii sau forma miezului si a invelisului.

La 1300 nm dispersia materiala intr-o fibra monomod conventionala este aproape zero. Prin comutarea dispersiei se fabrica fibre cu dispersie zero pentru lungimi de unda cuprinse intre 1300 - 1700 nm. In fibra cu dispersie comutata miezul si invelisul sunt proiectate astfel incat dispersia ghid de unda sa fie negativa in raport cu dispersia materiala, astfel anulandu-se dispersia totala. Dispersia va fi zero doar pentru o singura lungime de unda.

3.1 Dispersia Raman stimulata (SRS)

Are drept cauza interactia luminii cu vibratiile moleculare. Lumina ce cade pe molecule formeaza lumina dispersata cu o lungime de unda mai mare decat a luminii incidente. O parte din lumina ce strabate la fiecare frecventa o fibra Raman este deplasata in jos de-a lungul zonei cu frecvente scazute. Unda Stokes reprezinta lumina generata la frecvente joase. Creste procentul de putere transferata undei Stokes cu cresterea semnalului de intrare. In sisteme cu lungime de unda multipla, canalele cu lungime de unda mai mica pierd putere pentru fiecare canal cu lungime de unda mai mare din spectrul Raman. Aceste pierderi se pot reduce prin impunerea unui anumit nivel de putere pe fiecare canal ce nu trebuie depasit.

3.2 Dispersia Brillouin stimulata (SBS)

Este cauzata de unde acustice si nu de vibratiile moleculare. Imprastierea Brillouin stimulata (SBS) este un efect neliniar care se produce in fibrele optice pentru valori ale puterii de intrare mult mai mari decat cele pentru imprastierea Raman stimulata. Se genereaza o unda Stokes care se propaga in sens invers semnalului emis si care transporta cea mai mare parte din energia de intrare cand se atinge pragul Brillouin. SRS in comparatie cu SBS se poate propaga prin fibra optica in ambele directii. Pragul puterii de pompaj pentru SBS depinde de largimea spectrala asociata cu unda pompata. Diferentele dintre cele doua tipuri de efecte sunt date de faptul ca la SBS participa fononii acustici, iar la SRS participa fononii optici. Are loc o interactiune intre unda pompata, unda Stokes si unda acustica. Unda pompata genereaza unde acustice. Pompajul induce o variatie a indicelui de refractie si se imprastie prin difractie Bragg.

4 Atenuarea fibrei

Atenuarea fibrei reprezinta pierderea optica ce este acumulata de la o sursa, observata pe un tronson al fibrei. Este alcatuita din doua componente: atenuarea extrinseca a fibrei (cuprinde atenuare a puterii de absorbtie a materialului si imprastiere Rayleigh) si deformarea extrinseca a atenuarii.

Absorbtia materialului tine cont de imperfectiunile si impuritatile fibrei. Cea mai des intalnita impuritate este molecula - OH. Aceasta are o absorbtie de varf la 73 μm in spectrul optic, ceea ce face ca lungimile de unda din apropierea lungimii de 73 μm au atenuare mare. Molecula - OH are armonici la 0.95 si 1.4 μm ( varful de 1.4 fiind un obstacol mare pentru comunicatiile optice).

Fig. 14

Imprastierea Rayleigh este preponderenta in fibrele optice si profilul ei urmeaza o distributie unica a lungimii de unda. Dispersia conduce la deformarea impulsului. Dispersia poate fi cromatica sau de polarizare.

Imprastierea Rayleigh este data de lumina care se imprastie din cauza fluctuatiilor dense din miez. Fenomenul se obtine in urma coliziunii cuantelor de lumina cu moleculele de siliciu ceea ce duce la imprastierea lor pe mai multe directii. O parte din lumina se propaga inainte, iar cealalta parte este deviata din calea de propagare, iesind din miezul fibrei, in functie de unghiul incident. Cantitatea de imprastiere Rayleigh la care este supus un semnal este invers proportionala cu lungimea de unda la puterea a patra. Astfel ca lungimile de unda mai mici sunt imprastiate mai mult. Comunicatia optica nu foloseste lungimi de unda mai mici de 800 nm, tocmai pentru ca atenuarea datorata imprastierii Rayleigh este mare. Ceea ce se propaga peste 1.7 μm nu poate avea loc datorita atenuarilor mari ce rezulta din absorbtia in infrarosu.

Coeficientul de atenuare reprezinta atenuarea in dB km a fibrei.

Atenuarea in putere:

(rel. 23)

5 Fereastra de operatiuni

Retelele WDM functioneaza in trei benzi discrete: C, L, S. Banda conventionala (C) este situata in intervalul 1525-1575 nm. Are atenuari mici la 0.2 dB/km. Banda are aproximativ 40 nm, cu pana la 50 de lungimi de unda diferite. Retelele metropolitane si cele de mare distanta folosesc aceasta banda.

Banda lunga (L) intre 1570-1620 nm, are o atenuare mai mare fata de banda C.

Banda scurta (S) este localizata in jurul ferestrei de 1310 nm. In jurul a 1300 nm dispersia este aproape inexistenta din cauza neutralizarii dintre dispersia de material si dispersia ghidului de unda. Banda S are atenuarea de aproximativ 0.5 dB km.

Banda traditionala de 850 nm a fost folosita la inceput in sistemele de comunicatii optice. Fereastra 850-980 nm este folosita pentru retele LAN mici si pentru sistemele multimod. Atenuarea este de 2-3 dB km.

6 Multiplexarea

6.1 Multiplexoare si demultiplexoare

Multiplexorul (MUX) se utilizeaza pentru unirea intr-o fibra optica a catorva canale cu diferite lungimi de unda fig. 15. Pentru multiplexarea canalelor de intrare de obicei se utilizeaza metode bazate pe utilizarea filtrelor optice. Multiplexoarele de banda ingusta existente DWDM unesc canalele cu diferite lungimi de unda intr-un canal comun cu pierderi minimal posibile.

Fig. 15 Lungimile de unda multiplexate trebuie sa fie date exact cu intervale egale

Demultiplexorul (DEMUX) divizeaza din canalul de baza mai multe canale. Tehnologiile de producere a multiplexoarelor si demultiplexoarelor, sunt asemanatoare. Producerea demultiplexoarelor este o sarcina mai grea insa, pentru ca DEMUX in mare parte este caracterizat de parametrul - izolatie, pe cand MUX este caracterizat de directivitate. Cu cat este mai mica valoarea fiecarui parametru cu atit sunt mai inalte caracteristicele dispozitivului. Din punct de vedere tehnologic este mai complicat de produs dispozitive cu valoare mica de izolatie.

Multiplexoarele si demultiplexoarele cu ajutorul diferitor metode de divizare a undelor unesc semnale optice pentru transmiterea pe o singura fibra urmand sa le divizeze dupa transmisiune. Deseori este necesar de adaugat in semnalul de baza si de evidentiat din el numai un canal, neschimbind toata structura semnalului. Se utilizeaza multiplexoare de int/ext a canaleor OAPM ( Optical Add/Drop Multiplexer).

Fig. 16 Multiplexor de int/ext a canalelor

6.2 Banda de transmisiune a canalului

Un multiplexor demultiplexor are eficacitatea dependenta de capacitatea lui de a izola unele de altele, canalele de intrare sau de iesire.

Banda de transmitere arata acel diapazon spectral, in limitele caruia dispozitivul poate fi folosit efectiv. Valoarea latimii benzii de transmisiune la o atenuare foarte mare (-20 dB sau -30dB) este utila pentru prognozarea nivelului perturbatiilor intercalate in canalele de iesire a DWDM.

Fig. 18

6.3 Lungimea de unda centrala

Canalul multiplexorului/demultiplexorului este caracterizat de lungimea de unda centrala. Ea reprezinta valoarea medie aritmetica a lungimii de unda de separare: _superior+λ_inferior)/2 (rel. 24). Lungimea de unda de separare - de sus si de jos - reprezinta lungimile de unda, la care pierderile introduse ajung la nivelul necesar (de obicei 3 dB). Lungimea de unda spectrala poate sa nu corespunda cu lungimea de unda a maximului spectral.

Cel mai important parametru pentru fibrele optice cu forma simetrica a spectrului este lungimea de unda centrala a canalului. Lungimea de unda nominala a emitatorului trebuie sa fie cat mai aproape de lungimea de unda centrala. De obicei, aceasta este una din lungimile de unda, ce corespunde planului de frecventa ITU (International Telecommunication Union).

Fig. 19 Planul de

frecventa ITU

6.4 Intervalul intre canale

Intervalul intre canale trebuie sa corespunda planului de frecventa WDM. Cel mai raspandit este planul de frecventa ITU cu intervalul de frecventa regulat intre canale: 100 GHz. Intervalele neregulate intre canale se utilizeaza pentru a minimiza sau a exclude deplasarea neliniara cu patru unde, cand in rezultatul interactiunii neliniare a radierii in fibra pe doua sau mai multe frecvente apar semnale cu frecventa noua. La intervale regulate intre canale, semnalul nou parazit poate corespunde dupa frecventa cu semnalele existente a altor canale si sa duca la aparitia perturbatiilor incrucisate.

6.5 Reteaua cu multiplexare in lungime de unda punct cu punct

WDM multiplexeaza diferite semnale optice purtatoare de informatie in functie de lungimile lor de unda pe o singura fibra. In sistemul WDM punct cu punct, nodul A transmite date catre nodul C printr-un nod intermediar B. Banda in care se opereaza este banda C. Fiecare canal este separat de o frecventa de 100 GHz/0.8 nm, conform standardului ITU.

In nodul A, un sistem de dispozitive introduce date electrice la diferite lungimi de unda. Aceste dispozitive pot fi platforme SONET, comutatoare ATM sau chiar routeri. Datele introduse sunt modulate pe un canal la o lungime de unda specifica.

Fig. 20 Sistem de comunicatii DWDM punct cu punct

Apoi datele sunt transmise laserelor direct sau cuplate optic cu lumina emisa de laser intr-o cavitate externa modulatoare. Nivelele de putere ale fiecarui canal sunt ajustate folosind atenuatoare optice controlabile pentru a evita efectele neliniare excesive. Semnalele optice sunt multiplexate intr-un semnal WDM compus intr-un ghid de unda sub forma de matrice.

In continuare semnalul compus este amplificat chiar inainte de transmisiunea pe fibra, cu ajutorul amplificatoarelor de fibra. Semnalul este introdus pe fibra de transmisiune. La nodul intermediar B, semnalul este intai amplificat de un amplificator de prelinie. Acesta poate fi o fibra dopata sau un amplificator Raman. Semnalul compus amplificat este demultiplexat de demultiplexor.

Fiecare canal este introdus intr-o structura de comutatie (comutator optic (O-O-O) sau un comutator optoelectronic (O-E-O).) Comutatorul O-O-O are rolul de a ruta canalele in domeniul optic sau de a comuta.

Comutatorul O-E-O face aceleasi lucruri ca cel O-O-O, insa functia de comutatie se realizeaza prin transformarea semnalului optic in semnal electric, urmand convertirea acestuia din nou in semnal optic. Se poate intampla ca semnalul de iesire sa aiba alta lungime de unda fata de semnalul de intrare. Canalele individuale pot fi scazute la nodul dorit daca destinatia canalului este in acel nod.

Scaderea unui canal duce la reconvertirea canalului in lungimea de unda a clientului, lucru realizat de repetoarele de impulsuri. Adaugarea unui canal la locul unui nod intermediar este facilitata de repetoare.

Fig. 21 Sistem DWDM ce are capacitati de add drop ale canalului

Reteaua de comutatie face operatiuni precum comutatia canalelor optice, adaugarea sau transmiterea acestora mai departe nemodificate. Canalele ajung intr-un multiplexor si sunt recombinate intr-un semnal WDM compus.

Semnalul este reamplificat la nodul C si apoi demultiplexat in lungimi de unda individuale.

Calea luminii este fluxul de date de la nodul de intrare pana la nodul de iesire pe o lungime de unda.