TRANSMISIUNI PRIN FIBRA OPTICA

Scurt istoric al fibrei optice:

Primii pasi in comunicatiile optice au fost facuti in 1870 de catre John Tyndall, care a reusit sa ghideze o raza de lumina printr-un jet de apa. Astfel, el a demonstrat ca lumina se poate propaga pe directia dorita, intr-un mediu diferit de aer.

In 1880, William Wheeling a patentat o metoda de transmitere a luminii. El a realizat un sistem de tevi care reflectau lumina. Astfel, el dorea iluminarea mai multor incaperi folosind o singura sursa de lumina prin intermediul tevilor, la fel cum se alimenteaza cu apa cladirile. Din cauza ineficacitatii, dar si din cauza inventiei tubului cu lumina incandescenta, conceptul de iluminare prin tevi nu a fost folosit.

In acelasi an, Alexander Graham Bell a dezvoltat un sistem optic de transmitere a vocii numit Fotofon. Fotofonul folosea lumina exterioara pentru a transporta vocea pe distanta de 200m. Oglinzile montate in locuri speciale reflectau lumina soarelui catre o diafragma atasata de microfonul fotofonului. La capatul opus a montat intr-un reflector parabolic un rezistor din seleniu sensibil la lumina.

Tehnologia fibrei optice a inregistrat un progres extraordinar in a doua jumatate a secolului 20. in anii 1950 s-a inventat Fibroscopul, un aparat de transmisie a imaginii care folosea in premiera fibra de sticla. Primele fibre construite numai din sticla aveau pierderi foarte mari limitand distanta transmisiei. Acest lucru i-a motivat pe cercetatori, care au perfectionat fibra si i-au aplicat o manta de protectie confectionata tot din sticla, dar cu un indice de refractie mai mic, care avea rolul de a reflecta lumina care strapungea miezul fibrei, limitand pierderile.

Dezvoltarea tehnologiei laser a fost urmatorul pas important in industria fibrei optice. Dioda Laser si dioda cu emisie de lumina aveau potentialul de a genera cantitati mari de lumina intr-un orificiu destul de ingust pentru a fi folosit pentru fibra optica. Semiconductorii laser au fost realizati in 1962; astazi acestia sunt cei mai folositi in industria fibrei optice.

Datorita posibilitatilor mari de modulare in frecventa, tehnologia laser nu a trecut neobservata de catre inginerii de telecomunicatii. Lumina are capacitate de transmitere a informatiei de 10.000 de ori mai mari decat cele mai inalte frecvente radio. Totusi, tehnologia laser nu este potrivita pentru transmisiuni in aer liber datorita sensibilitatii sporite la conditiile de mediu. Acesta a fost motivul pentru care cercetatorii au cautat un mediu propice propagarii laser-ului, altul decat aerul. Fibra optica putea sa fie un mediu propice transmisiunii, daca, in conditiile in care atenuarea putea fi mentinuta la valori de sub 20 dB/Km. La acea data, valoarea atenuarii pe distanta de 1 km era in jurul valorii de 1000 dB. O valoare de 20 dB/Km inseamna ca doar 1% din lumina transmisa de emitator ajunge la receptor. Cercetatorii sustineau ca valorile mari ale pierderilor erau datorate impuritatii materialului din care era confectionata fibra de sticla.

Cercetatorii au inceput sa dezvolte tehnologii de purificare a sticlei, iar in 1970, compania Corning reuseste sa fabrice prima fibra de sticla cu o pierdere de sub 20dB/km. Aceasta era cea mai pura sticla confectionata vreodata si a reprezentat un prag care a facut ca fibra optica sa reprezinte o tehnologie viabila.

Dezvoltarea surselor de lumina ale emitatoarelor si detectorii de lumina ai receptorilor a decurs incet, de multe ori imprumutand tehnologii din alte domenii. Odata cu cresterea cererii, s-au construit surse de lumina speciale pentru fibra optica, care aveau timpi de comutatie mai mici, lungimi de unda adecvate si puteri de iesire mari.

Dezvoltarea fibrei optice a avut loc in mai multe generatii, care puteau fi asociate cu lungimea de unda. Primele sisteme de fibra optica foloseau lungimea de unda de 850nm. Aceasta lungime de unda corespunde asa numitei 'prima fereastra' a fibrei optice. Aceasta fereastra reprezinta intervalul de lungimi de unda care ofera pierderi optice mici. Initial, aceasta lungime de unda a fost apreciata datorita faptului ca se dezvoltasera tehnologii pentru producerea de emitatori si receptori luminosi care functionau pentru aceasta frecventa. Odata cu progresul tehnologic, 'prima fereastra' nu a mai fost atractiva datorita pierderilor mari inregistrate, de aproximativ 3 dB/km.

Majoritatea companiilor au inceput sa foloseasca cea de-a doua fereastra, la 1310 nm, cu atenuari mai mici, care ajungeau in jurul valorii de 0,5dB/km. in 1977, compania japoneza NTT a dezvoltat 'a treia fereastra' la 1550nm, cu o pierdere de doar 0,2dB/km.

Astazi sunt folosite lungimi de unda de 660 nm, 850nm, 1310nm si 1550nm, iar o a patra fereastra la 1625nm este in curs de dezvoltare. Fiecare lungime de unda are plusurile si minusurile sale. Lungimile de unda mari sunt folosite pentru transmisii pe distante lungi, dar sunt mai scumpe.

CE ESTE FIBRA OPTICA ?

Este un fir foarte subtire si flexibil din material transparent, de exemplu sticla, care este invelit intr-un strat care ajuta la producerea reflexiei totale

Sunt aranjate in snopuri numite cabluri optice si sunt folosite pentru a transmite semnale de lumina pentru distante lungi.Astfel, daca trimitem la un capat un semnal luminos, acesta se ve reflecta total de mai multe ori in fibra optica pana cand va ajunge in celalalt capat aproape cu aceeasi intensitate.

. Un cablu din fibre optice este format dintr-un numar foarte mare de astfel de fibre. La un capat se afla un aparat electronic care trimite semnalul codificat si la celalalt capat un aparat care receptioaneaza si decodifica semnalul.

Fibra optica are urmatoarele parti componente

miezul - centrul subtire al fibrei pe unde circula lumina;

invelisul- materialul optic din afara care inconjoara miezul si reflecta lumina inapoi in el;

mediul protector- invelis de plastic care protejeaza fibra de stricaciuni si umezeala

Sute sau mii de aceste fibre optice sunt aranjate in snopuri in cablu optic. Snopurile sunt protejate de invelisul extern al cablului numit imbracaminte.

Fibrele optice sunt de doua feluri:

fibre simple- folosite sa transmiti un semnal pe fibra (folosite la tefoane si cablu TV);

fibre multiple - folosite sa transmiti mai multe semnale pe aceeasi fibra (folosite la retelele de calculatoare).

Fibrele simple au miezul foarte subtire (cam 3 ∙10-4 inci sau 9 microni in diametru) si transmit lumina laser inflarosu.

Fibrele multiple au miezul mai mare (cam 2 ∙10-3 inci sau 62,5 microni in diametru) si transmit lumina inflarosie de la o dioda luminoasa (LED). Unele fibre optice sunt facute din plastic. Acestea au un miez mai mare (0 inci sau 1 mm diametrul) si transmit lumina rosie din LED-uri.

SISTEMUL DE FIBRA OPTICA

Un sistem de transmisie prin fibra optica este compus din

transmitator- produce si codeaza semnalele luminoase;

fibra optica- conduce semnalele luminoase (pe distante lungi);

regeneratorul optic- poate fi necesar pentru amplificarea semnalului;

receptorul optic- primeste si decodeaza semnalele luminoase

TRANSMITATORUL

Transmitatorul este ca marinarul de pe puntea vaporului care emite semnalele. Primeste si directioneaza aparat optic pentru a focaliza lumina in fibra. Lasarele au mai multa putere decat LED-urile, dar variaza mai mult cu schimbarile in temperatura si sunt mai scumpe. Cea mai uzuala lungime de unda a semnalului luminos este de 850nm, si 1550nm (inflarosu si parti invizibile ale spectrului

REGENERATORUL OPTIC

Cum am mentionat mai sus o pierdere a semnalului apare cand lumina este transmisa prin fibra, in special pe distante lungi (mai mult de 1km), ca un cablu subacvatic. Deci, unul sau mai multe regeneratoare trebuie plasate pe cablu pentru a amplifica semnalul de lumina degradat. Regeneratorul optic consta din fibre optice cu un invelis special. Portiunea inbracata este pompata cu laser. Cand semnalul degradat intra in invelis, energia laserului permite moleculelor sa devina ele insesi lasere. Moleculele emit apoi un nou semnal luminos mai puternic cu aceleasi caracteristici ca semnalul slab primit. Regeneratorul este un amplificator pentru semnalul de intrare.

RECEPTORUL OPTIC

Receptorul optic este ca marinarul de pe vapor care primeste semnalul. El primeste semnalul luminos de intrare, il decodeaza si il trimite ca semnal electric celuilalt utilizator, computer, TV, sau talafon (capitanul celeilalte nave).

CABLURI DIN FIBRE OPTICE

Desi fibra optica simpla are o mare flexibilitate, datorita faptului ca energia si cantitatea de informatie transmise prin fibra sunt limitate, se folosesc cabluri alcatuite din mai multe fibre optice simple.

Cablurile de fibre optice sunt de doua feluri:

1 cabluri necoerente sau ghiduri de lumina, care se folosesc atunci cand semnalul transmis de o fibra optica simpla a cablului nu este corelat cu semnalele transmise se celelalte fibre simple ale cablului; in astfel de cabluri nu este importanta pozitia relativa a diferitelor fibre simple care alcatuiesc cablul;

2 cabluri coerente, folosite in special pentru transmiterea imaginilor; la asemenea cabluri pozitia relativa a diferitelor fibre simple care intra in componenta acestora este de importanta vitala.

CABLURI NECOERENTE

Functia primara a cablurilor necoerente este de a transmite lumina dintr-un loc in alt loc. Avantajele lor fata de alte dispozitive optice care pot indeplini acelasi rol sunt flexibilitatea, eficienta ridicata, compactitatea si posibilitatea de modelare a sectiunii transversale a fasciculului luminos. Flexibilitatea permite ghidarea luminii dupa drumuri complicate fara sa fie necesara folosirea oglinzilor sau a prismelor. Eficienta ridicata poate avea valori mai mari decat unul. Cu ajutorul cablurilor optice se poate modifica atat forma sectiunii transversale a unui fascicul luminos cat si numarul de fascicule transmise; un singur fascicul de lumina poate fi divizat in mai multe fascicule de lumina separate, sau mai multe fascicule de lumina pot fi combinate intr-un singur fascicul de lumina.

Structura de aranjare a fibrelor optice simple intr-un cablu poate fi sau hexagonala sau patratica. Diametrul fibrelor optice de sticla folosite pentru alcatuirea cablurilor poate ajunge pana la 0,15mm fara ca flexibilitatea cablului sa se reduca prea mult.

Temperatura pana la care se folosesc cablurile de sticla depinde de materialul stratului protector si de materialul folosit pentru unirea fibrelor si poate fi de pana la 4oosC, iar temperatura maxima la care se mai pot folosi cablurile de plastic este impusa de materialul plastic folosit pentru obtinerea fibrelor.

CABLURI COERENTE

Cablurile coerente servesc pentru transmiterea imaginilor dintr-un loc in altul.

In cazul cablurilor nocerente aceasta duce, in cel mai rau caz, la micsorarea fluxului luminos. In cazul cablurilor coerente insa trecerea luminii dintr-o fibra in alta este insosita de micsorarea contrastului din imaginea finala, motiv pentru care fibrele se acopera cu un strat metalic protector sau cu un strat opac de sticla.

In general, cele doua tipuri de cabluri optice, coerente si necoerente, prezinta aceleasi proprietati optice, desi din anumite puncte de vedere pot aparea deosebiri. De exemplu, folosirea izolatiei pentru prevenirea trecerii luminii dintr-o fibra optica in ,alta face ca apertura numerica a cablurilor optice coerente sa fie mai mica din cauza cresterii atenuarii razelor de lumina mai inclinate fata de axa. In plus, de interes deosebit devine functia de propagare efectiva.

Orice defect constructiv al fibrelor optice poate duce la distorsionarea imaginilor. Aceste distorsiuni include punctele intunecoase datorate fibrelor rupte sau sparte si deformarile imaginilor datorate alinierii incorecte a fibrelor in cablu. De cele mai multe ori abaterile de la alinierea axiala determina o deplasare laterala a imaginii.

CONEXIUNI PRIN FIBRA OPTICA

Transmisia datelor prin fibra optica se bazeaza pe conversia impulsurilor electrice in lumina. Aceasta este apoi transmisa prin manunchiuri de fibre optice pana la destinatie, unde este reconvertita in impulsuri electrice;

Asta inseamna:
- rata de transfer foarte mare in raport cu celelalte tipuri de conexiune (practic nelimitata, si inca imposibil de folosit la maximum de catre aplicatiile existente);
- mai multa siguranta - fibra optica este insensibila la perturbatii electromagnetice si este inaccesibila scanarilor ilegale (interceptari ale transmisiunilor);
- posibilitatea de instalare rapida si simpla, in orice conditii, datorita greutatii reduse a cablului optic si existentei mai multor tipuri de cabluri.

Reprezinta solutia pentru accesul de mare viteza la serviciile internet, utilizand fibra optica pentru conexiuni dedicate permanente. Este recomandat firmelor care au ajuns la o anumita maturitate informationala, cu un numar mare de posturi de lucru cuplate la reteaua internet si cu un transfer informational sustinut pe tot timpul unei zile de lucru.

COMPARATIE INTRE FIBRELE OPTICE SI FIRUL DE CUPRU

(avantaje si dezavantaje)

La inceputurile aparitiei fibrei optice au existat pareri conform carora in cativa ani, firele de cupru vor fi inlocuite cu fibra optica. Acest lucru este gresit.

Printre avantajele pe care le prezinta firele de cupru sunt: pretul scazut, usurinta de instalare, nu necesita atentie sporita in utilizare. Aceste avantaje fac firele de cupru mediul ideal pentru cablari in retele mici si mijlocii in interiorul cladirilor, unde nu se justifica fibra optica. Dintre dezavantajele majore ale fibrelor de cupru sunt: susceptibile la interferente electrice si pot fi folosite pe distante relativ mici - oricum mult, mult mai mici decat echivalentul lor in fibra optica.

Companiile de telefoane prefera fibra si din alt motiv: este subtire si foarte usoara.

Fibra are multe avantaje. In primul rand nu este afectata de socuri electrice, de interferenta campului magnetic si de caderile de tensiune. De asemenea, nu este afectata de substantele chimice corozive din aer, fiind ideala pentru mediile aspre din fabrici.

In comparatie cu firul de cupru fibra este mai:

mai ieftina- cateva mile de cablu optic sunt mai ieftine decat aceeasi lungime de fir de cupru;

mai subtire- fibrele optice pot fi trase in diametre mai mici decat firul de cupru;

capacitate purtatoare mai mare- pentru ca fibrele optice sunt mai subtiri decat firele de cupru, mai multe fibre pot fi adunate intr-un cablu de acelasi diametru. Aceasta permite mai multe linii telefonice prin acelasi cablu sau mai multe canale TV;

mai putina degradare a semnalului- pierderea de semnal pe fibre optice este mai mica decat pierderea pe firele de cupru;

semnale luminoase- spre deosebire de semnalele electrice din cupru, semnalele electrice din fibra nu interfereaza cu celelalte fire din cablu. Aceasta inseamna o conversatie telefonica mai buna sau o receptie TV mai buna;

putere mica- fibrele optice se degradeaza mai putin, pot fi folosite transmitatoarele mai mici;

semnale digitale- fibra opticp este ideala pentru transmiterea semnalelor digitale (foarte folosite pentru retelele de calculatoare);

neinflamabil- pentru ca nu trece curent electric prin fibre, nu exista riscul de foc;

greutate mica- o fibra optica este mai usoara decat un cablu de cupru, ocupa mai putin spatiu in pamant;

flexibile- fibrele optice sunt atat de flexibile, pot transmite si primi lumina, sunt folosite in camere digitale flexibile in urmatoarele scopuri:

imagine medicala;

imagine mecanica;

instalatii.

Din cauza acestor avantaje, vezi fibrele optice in foarte multe industrii, mai ales in telecomunicatii si retele de calculatoare. Companiile de telefoane prefera fibra deoarece este subtire si foarte usoara. De exmplu, daca ai da telefon din Europa in SUA sau invers, si semnalul a fost ricosat de un sistem de comunicatii, adesea auzi un ecou pe linie. Oricum, cu fibra optica transatlantica ai o conexiune directa fara ecouri.

DEZAVANTAJE

principalul dezavantaj al fibrelor optice este pretul mare al instalarii cablurilor (in plus, ele sunt mult mai fragile decat firele metalice si sunt mai greu de ramificat );

. fibra optica nu permite transportul de energie;

. tehnicile instalatiilor trebuie sa protejeze ochii: cantitatea de energie optica emisa de sursa de lumina si in final prin extremitatea fibrei sunt suficiente pentru a afecta retina inainte ca victima sa observe;

.este indispensabila purtarea ochelarilor de protectie inflarosu pentru a lucra deasupra unui dispozitiv aflat in functiune.

APLICATII ALE FIBRELOR OPTICE

Aplicatii in telecomumnicatii si transmisiuni de date:

Odata cu aparitia fibrelor optice de performante acceptabile au inceput sa se dezvolte sisteme de comunicatii bazate pe acest nou mediu de transmisiune. Pentru realizarea lor s-au creat traductoare electrooptice necesare pentru transpunerea semnalelor din forma lor uzuala, electrica, in forma optica: surse luminoase, modulatoare optice, fotodetectoare.

Particularitatile fibrelor optice (banda foarte larga, dar si zgomot relativ ridicat) impun folosirea unor sisteme de comunicatii in care informatia sa fie transmisain cod, sub forma digitala. Sistemele cu modulatie analogica, de amplitudine sau frecventa, sunt mai mult raspandite.

Fibrele monomod realizeaza cea mai mare capacitate a canalului, putandu-se atinge valori de circa 50 000 Mbitkm si se folosesc practic doar in sistemele foarte mari, necesitand surse laser si precizii foarte mari la interconectarea fibrelor. In aplicatiile mai putin pretentioase se folosesc fibre multimod si surse LED, mult mai economice.

Sistemele cu fibra optica si-au gasit aplicatii in telefonia urbana si interurbana, in retelele de calculatoare, in retele de televiziune cu circuit inchis.

Reprezentand o tehnologie in plina dezvoltare, se poate presupune ca fibrele optice vor completa sau chiar inlocui din ce in ce mai mult sistemele actuale bazate pe comunicatii prin fir, prin cablu, prin ghiduri de unda sau prin unde radio.

.Aplicatii in alte domenii:

Capacitatea fibrelor optice de a ghida energia luminoasa poate fi folosita si in alte aplicatii. Astfel fibrele optice, grupate intr-un fascicul numeros, pot fi folosite la transportul unor imagini, fiecare fibra transportand energia luminoasa corespunzatoare unui "punct" al imaginii. S-au facut si unele incercari de a folosi fibrele optice la realizarea ecranelor tuburilor electronice speciale de tip cinescop, tub catodic.

O categorie aparte de aplicatii se refera la posibilitatea transportului luminii in locuri greu accesibile. In aceasta categorie se pot mentiona in mod special aparatele de tip endoscop, mult folosite in medicina, precum si unele aplicatii in tehnica de calcul si in tehnica militara. Fibrele optice folosite in  aceste aplicatii sunt mult mai putin pretentioase. Se folosesc, de regula, un numar mare de astfel de fibre grupate in paralel, alcatuind un manunchi de fibre optice.