FIBRE OPTICE

1) Fibra optica folosita in comunicatii este un ghid unde infrarosii, cilindric, de cuart, in care undele sunt retinute prin reflexie totala.

Locul ei este determinat in cadrul mijloacelor de comunicatii de trei calitati principale:

atenuare mica - transport de informatie la distante mari; distanta poate fi crescuta, in tehnica numerica, prin regenerarea impulsurilor purtatoare de informatie

- largime de banda modulatoare mare - capacitatea de transport mai mare decat a oricarui alt mijloc de comnicatie; crescuta prin constructia de cable cu numar mare de fibre

- imunitate la perturbari externe - consecinte calitative si de domeniul secretului comunicatiilor: o fibra poate fi distrusa, dar nu "citita".

Se adauga greutatea si volumul, mici fata de alte mijloace de comunicatii.

Dezavantajele fibrei sunt legate de finetea ei:

- productie si manipulare - foarte dificile

- imbinarea si racordarea la aparate - foarte dificile

- fragilitate

la care se adauga, neesential azi, randamentul energetic mic.

Fibra optica inlocuieste radioreleele si coaxialele in transportul de informatie cu mare capacitate pe distante mici (locale) si medii (nationale). Nu este adecvata in traficul international (distante prea mari, necesitati de capacitate mult sub posibilitatile ei) si nici in distributia de informatii (ramificare densa , aparatura terminala scumpa, montaj in cladiri existente foarte greu).

2) Fibra optica este constituita din 4 cilindri coaxiali: miez (core), manta (cladding) si doua invelisuri protectoare (coating).

Genul de fibra dominant azi este fibra unimod (single mode fibre) cu indice de refractie constant in miez (step index) si cu miez foarte subtire. Fibrele incercate in timp, cu miez mai gros,dar cu indice de refractie scazand parabolic dinspre ax spre manta - cu randament energetic mai mare, dar si mai dificile tehnologic, etc. nu au atins parametri calitativi superiori care sa le justifice.

Miezul fibrei tipice este realizat din cuart dopat cu germaniu, are diamertul 8,3 mm si indicele de refractie n₁=1,471.

Mantaua este din cuart, are diametrul 125 mm si indicele de refractie n₂ = 1,457.

Invelisurile sunt din material plastic (poliacrilati). Cel interior, protector mecanic (buffer) poate fi de doua tipuri:

- lipit de manta (tight) mai rezistent la socuri

- lejer (loose), incat fibra pluteste intr-un fel de gel, dand rezistenta mai buna la indoire.

Diametrul exterior al fibrei invelite este 250 mm. Fibra este vopsita la suprafata.

Tehnologia de turnare a cuartului cere o perfecta omogenizare si lipsa de ioni straini - indeosebi fosfor, hidrogen, oxidril.

Fibrele optice se folosesc in doua domenii de frecvente: unul centrat pe 1,31 mm si altul centrat pe 1,55 mm. Nu se intrevad utilizari de anvergura, in comunicatii, in afara acestor portiuni de spectru inguste.

3) Fiind un ghid, fibra optica admite mai multe moduri de oscilatie. Numarul acestor moduri este dat aproximativ de parametrul

N = 2P.(n₁² - n₂²). S/l² (rotunjit la intregi)

unde S este sectiunea fibrei. Cu valorile indicate mai sus S = 216.10^-12 si N are valorile

24 pentru l = 1,31 mm

17 pentru l = 1,55 mm.

In functie de unghiul de incidenta pe suprafata de separatie miez - manta, modurile de oscilatie posibile se comporta diferit:

- daca refractia e totala, modul se propaga in miez si este util: mod legat (bound mode);

- daca patrunde in manta, dar nu paraseste mantaua, modul se propaga in manta,nu poarta energie utila si poate perturba transmisia utila: mod de manta (cladding mode); n₁ foarte apropiat de n₂ si mantaua mult mai groasa decat miezul elimina acest pericol;

- daca incidenta este si mai mare, unda iese si din manta si dispare: mod evanescent (evanescent mode).

Se urmareste mentinerea pe fibra a unui singur mod legat din doua motive:

- randament cat mai bun (oricum e mult sub 100%)

- evitarea dispersiei de mod (v mai jos)

Din energia care intra in fibra prin sectiunea perpendiculara pe ax de la capatul ei, se reflecta total numai cea a carei incidenta I_o pe acea sectiune asigura la suprafata miezului depasirea unghiului de reflexie totala I = arcsin (n₂/n₁). Rezulta

(apertura numerica)

Pentru fibra descrisa mai sus, apertura numerica este 0,2025; I_o 11⁰48^` .

4. Atenuarea undelor in ghiduri are, de regula, ca functie de frecventa, un minim, diferit ca valoare si frecventa de la un mod la altul.

Cuartul sufera o atenuare de difuzie pe neomogenitatile (Rayleigh), care scade cu cresterea lungimii de unda, si o atenuare prin efect termic, crescatoare cu lungimea de unda, care se manifesta de pe la 1,5 mm in sus. Atenuarea minima este cca 0,25 dB/km, in domeniul 1,55 mm.

Liniile de absorbtie ale OH (1,35.1,4 mm) si H₂ (1,23 .1,25 mm) delimiteaza intre ele o alta zona de minim, in domeniul 1,31 mm, unde atenuarea este de cca 0,35 dB/km.

Exista si alte cauze de atenuare, cu efect minor, ex. difuzia nelineara. ( efect Compton).

In vecinatatea unei valori de lungime de unda, in banda ocupata de o unda modulata, atenuarea are o variatie inobservabila.

Atenuarea limiteaza distanta maxima de transmisie optica fara amplificare, indiferent de modulatie:

L(km) = (Pemis, dBW - P_{rec min.dBW} )/a_dB/km

5) Indicele de refractie al mediului de propagare este p functie de lungimea de unda; acesta este cauza dispersiei luminii. Comportamentele unui grup de oscilatii care constituie un impuls au viteze diferite, viteza de grup este

v_g = v-l dv/dl

unde v este viteza de faza v=c/n, iar derivata are de regula semn pozitiv.

Un impuls dreptunghiular, parcurgand fibra, se deformeaza, devenind trapezoidal. Daca dv/dl este constant, distanta dintre flancul anterior si cel posterior, la mijloacele lor, latimea impulsului nu se altereaza si impulsul poate fi regenerat fidel.

Daca dn/dl al materialului depinde si el de l (dispersie nelineara), atunci dv/dl depinde de l si deformarea unui impuls este mai complexa, latimea impulsului se modifica cu o marime t si regenerarea lui poate duce uneori la erori.

Deformarea t este proportionala cu drumul parcurs in fibra si cu largimea radiatiei emise de sursa de lumina (nici o dursa nu poate fi riguros monocromatica; laserul folosit de ALCATEL are aceasta largime d = 3nm, aprox 2miimi din l)

In cuart derivata a doua a indicelui de refractie este negativa sub 1,3 mm si pozitiva este 1,3 mm ; in domeniul 1,31 mm deformarea e practic zero.

Marimea

Se numeste dispersie de material (material dispersion); t = .d.D

Largimea de banda modulatoare permisa, ca impulsurile succesive (presupune gaussiene) sa poata fi separate, este B=0,441/t

In consecinta dispersia de material plafoneaza atat largimea de banda modulatoare, cat si distanta parcursa fara o statie de regenerare.

B.L=0,441/d.D

Pentru fibra optica descrisa mai sus se dau urmatoarele valori:

Dependenta vitezei de propagare in ghid de raportul lungime de unda efectiva/lungime de unda critica induce un fenomen analog, dispresia de ghid (waveguide dispersion), mult mai slab si, in domeniul care ne intereseaza, peste 1,3 mm, de sens opus.

Accentuand artificial acest efect se poate obtine o compensare partiala a dispresiei de material si o mutare a punctului de trecere prin zero a dispersiei compuse. Astfel se poate face ca in domeniul 1,53 .1,57 mm D sa fie 2.10^-6 si plafonul Bl de ord. 73 km (dispersion shift).

Modurile de oscilatie diferite se propaga cu viteze diferite. Deoarece s-a preferat generalizarea fibrei unimod (single mode fibre ,SMF).

Reflrxia totala este insotita de o usoara polarizare eliptica, care are ca efect decalarea in timp a componentelor cu polarizare incrucisate (polarization mode dispersion). Este necesar ca prin calitatea fibrei acest efect sa ramana mic comparativ cu plafonul celor precedente.

Este evident ca decalarea dispresiei (dispresion shif), avantajand domeniul 1,55 mm il dezavantajeaza pe cel de la 1,31 mm. Asa dar, pentru transpor de capacitati mari, se alege sau o fibra, sau alta. Ofibra optimizata la o banda de lungimi de unda poate fi folosita in sens invers in cealalta banba numai daca in acel sens se cere o capacitate de cca 5 ori mai mica si daca atenuarea de traseu nu devine critica la randul ei.

Indoirea fibrei o pericliteaza mecanic, dar ii altereaza si proprietatile de transmisie. Directia de propagare axiala se pastreaza rectilinie si se aproprie de suprafata miezului, unghiul de incidenta scade sub arc sin (n2/n1), apare o atenuare suplimentara si se nasc moduri de oscilatie nedorite (in genere evanescente).

Pentru ca aceste efecte sa fie acceptabil de mici, raza de curbura trebuie sa fie cel putin 28 cm. in cursul montajului si in stare instalata.

Jonctiunea intre doua fibre optice se realizeaza cap la cap, suprafetele terminale trebuind sa fie riguros plane si perpendiculare pe axul optic, realizate fara striviri si asezate cu axele in prelungire. Un decalaj intre axe, deci suprafete care nu se suprapun complet, creaza o atenuare de reducere a aperturii si genereaza moduri evanescente, care deasemeni reduce puterea utila. Daca axele fac un unghi (perpendicularitate imperfecta) atenuarea suplimentara este si mai pronuntata. Totusi abia intre suprafete ramane aer, o parte din energie se reflecta spre sursa. Se poate folosi un adaptor de indice (index matching) fluid intre ele, avand acelasi indice n1.

C.C.I.T.T. recomanda pentru transmisii de date sincrone serie (SSI) fibra unimod (C.C.I.T.T. rec. G. 654, EN 188101, la 1,31 si 1,55 mm) in urmatoarele regimuri:

mm: Putere emisie - 8.-15 dBmW

Putere receptie - 34 dBmW

(distanta maxima intre noduri 54.74 km pe criteriul atenuarii; distanta recomandata 40 km considerand si dispersia, la o capacitate pana la cca 1 Gbit/sec.)

Nivel maxim la intrare receptor - 10 dBmW

mm: Putere emisie 0. - 5dBmW

Putere receptie - 34 dBmW

(distanta maxima pe criteriul atenuarii 116.136 km; distanta recomandata 60 km considerand si dispersia)

Nivel maxim la intrare receptor - 10 dBmW.

Pentru transmisii de date in modul asincron (ASI) se recomanda o fibra multimod (diametru miez 62,5 mm, diametru manta 125 mm, cu plafonare superioara prin dispersie, atenuare max 1,5 dB/km, asadar pentru legaturi mai scurte, de ord. 10.15 km.

Fibrele multimod au atenuari si dispersii mai mari decat cele unimod, nu sunt apte pentru transmisii interurbane sau pentru trafic urban foarte intens, dar sunt mai ieftine si mai putin delicate, asa ca isi gasesc aplicatii la distante mici si trafic mediu sau mic.

8. Depasirea distantei maxime parcurse pe o fibra comporta regenerarea periodica a semnalelor numerice transmise. Regenerarea comporta corectarea distorsiunii de forma a impulsurilor, creata de dispersie, si stergerea zgomotului inerent emitatorului de lumina si care nu a creat o eroare de bit. Regenerarea riguroasa comporta conversia optic-electric, prelucrarea semnalului electric si reconversia electric-optic.

Capacitatea unei fibre optice poate fi crescuta considerabil prin diviziune de lungime de unda.

Un flux de N bit/sec. corespunde unei benzi ocupate, in domeniul lungimilor de unda, de

2,86 N pm in jurul lui 1,31 mm (1 pm = 10^-12 metri)

4 N pm in jurul lui 1,55 mm

Exista posibilitatea ca pe aceeasi fibra sa functioneze simultan mai multe purtatoare optice, modulate fiecare cu fluxuri numerice de ordinul gigabitilor; benzile ocupate sunt fiecare de ordinul picometrilor, iar distantele dintre ele de ordinul nanometrului.

Dupa NORTEL exista trei etape de multiplexare prin diviziune de lungime de unda (WDM - wavelength division multiplex):

larg: functionarea pe aceeasi fibra in 1,55 mm intr-un sens (cel de trafic mare) si in 1310 nn in sensul invers (cel de trafic mai mic)

strans: in domeniul 1,528 - 1,56 mm se insereaza 8 purtatoare intr-un sens, intre 1,529 si 1,539 mm si 8 in celalalt sens, intre 1,549 si 1,559 mm, fiecare modulata cu un flux de ordinul 1 Gbit/sec.

dens: purtatoarele mai apropiate intre ele, astfel incat numarul lor in fiecare sens sa fie mai ridicat (dupa ALCATEL 40 sau chiar 80 purtatoare in toata banda cu conditii de transmisie optime) totalizand fluxuri de ord. 10¹² biti/sec.

Cablul optic cuprinda de regula mai multe fibre (string), grupate cate 2,6 sau 12 manunchiuri (bundle), prevazute fiecare cu fire de otel pentru rigiditate si cu un invelis de solidarizare. Cablul are inca un invelis protector, mai ales chimic. Cablul se livreaza in lungimi de 1,6.11 km.

Cablul optic este un material de instalatii exterioare, in canalizare sau suspendat. Rezistenta la tractiune a fibrei de cuart fiind foarte mica, forta de tractiune permisa (la montaj si in suspensie) este limitata superior de alungirea pe care o provoaca firelor de otel, ca acestea sa nu ajunga la alungirea firelor de otel, ca acestea sa nu ajunga la alungirea maxima permisa a fibrei optice. Cablul coaxial rezista la tractiuni mult mai mari.

Cablul de 12 fibre cu armatura (armored feeder cable) - recomandat - are diametrul exterior de 12,5 mm, greutatea 75 kg/km si rezista la o tractiune de 240 kg.

Cablul "lejer" (loose tube cable), cu fiecare fibra intr-un tub si cu oarecare libertate de miscare relativa a tuburilor are 2.216 fibre; armat cantareste 360 kg/km.

Tractiunea maxima si raza de curbura minima pentru fiecare tip de cablu trebuie sa fie indicate de furnizor.

Cablurile se pot verifica la receptie chiar pe tambur cu un locator (OTDR - opticale - time - domain reflectometer, bazat in gol si in orice punct unde exista o anomalie de propagare; se depisteaza intreruperi, largirea impulsului prin dispersia, atenuarea, defecte de executie etc si distanta de la capatul accesibil al cablului la ele.

Cablul pozat se verifica.

In unele cable fiecare fibra are peste invelis (coating) o spirala deasa de aramid pentru marirea rezistentei la socuri.

10. Componente optice pasive

1. Cap de fibra (single mode patchcord): conector de aparat optic activ sau pasiv, constituit dintr-o fibra de 3.6 m lungime care se va jonctiona cu o fibra din cablu; atenuarea de insertie 0,2dB, reflexii sub - 50 dB.

Uneori aparatele au ca iesiri optica capete de fibra scurte (pigtail).

2. Conector (optical fibre connector) cu sacul baioneta; atenuarea de insertie sub 0,2 dB.
3. Racord cap la cap (splice); se executa fix, prin topire (fusion splice), sau prin fixare mecanica in manson (mechanical splice).
4. Cuplor (optical coupler) - de fapt repartitor optic cu o intrare si 2.4 iesiri cu parti egale sau inegale din puterea de intrare. Atenuarea intrare - iesire este atenuarea de reparatie plus cea de insertie.

Cuplor cu 2 iesiri egale: atenuarea 3,7 dB fiecare

Cuplor cu 2 iesiri 30% - 70%: atenuari 6 dB si 2 dB resp.

Cuplor cu 2 iesiri 20% - 80%: atenuari 7,8 dB si 1,3dB resp.

Cuplor cu 4 iesiri egale: atenuarea 7,4 dB fiecare.

Cuplor cu 4 iesiri, 2 cate 20% si 2 cate 30% din puterea intrata: atenuari 9,3 dB si 6,2dB respesctiv.

Se recomanda maxima economie de cuplori, deoarece ei consuma foarte mult din rezerva de putere emisie-receptie.

5. Combinor (combiner)- cuplor cu mai multe intrari si o iesire. Gpupeaza pe o fibra unde de lungimi diferite.
6. Izolator (isolator): diport cu atenuare de insertie foarte mica intr-un sens si foarte mica intr-un sens si foaret mare in sens opus.
7. Filtrul optic (optical filter): separator de unde care difera prin lungimea de unda. Filtrul dicroic separa domeniile 1,31 mm si 1,55 mm.

Componente optice active

Echipamente optice terminale (optic terminal device) sunt emitatoarele si receptoarele optice

Emitatorul optic (transmit fibre optic terminal device) esteun convertor electro-optic care debiteaza pe o fibra o putere luminoasa de ord. 0,1 mW.100mW modulata cu un semnal purtator de informatie. In prezent zgomotul propriu al unui emitator este pe la -50 dB (nu destul de bun), iar componentele de intermodulatie sub -60dB.

Emitatoarele pentru capacitati de transmisie mari sunt echipate cu laseri (ex: ILD = injection laser diode), iar cele de performante mai modeste cu diode luminiscente (LED = light emitting diode). Se pare ca inca n-au fost valorificate azantajele surselor de lumina coherenta.

Receptorul optic (receive gibre optic terminal device) este un convertor opto-electric. Raportul semnzl-zgomot propriu este la -50...-54 dB, componente de intermodulatie sub -80 dB.

Detectorul optic poate fi o fotodioda (ex.PIN photodiode) si conversie opto-electrica nu este lineara.

Tehnica diviziunii de lungime de unda va lansa o noua etapa in dezvoltarea echipamentului optic. Ea are nevoie de filtre optice, separand intre ele semnale distantate la 1/2000 din lungimea lor de unda fara sa introduca dispersii prohibitive; de combinori cu 8.40 intrari in lumina coherenta - la aceleasi distante relative de 1/2000; de emitatori si receptori de linearitate superioara; de amplificatori optici (fara conversie in domeniul electric); de regenatori optici (fara conversie in domeniul electric) si de echipamente complexe de nod, in intregime optice, care sa extraga de pe fibre, sa introduca in loc alta purtatoare optice si sa le combine cu restul de purtatoare, pa care aceasta operatie trebuie sa le lase neatinse.