STRUCTURA INTERNA A FIBRELOR OPTICE

STRUCTURA INTERNA A FIBRELOR OPTICE

O fibra optica este un ghid de unda dielectric de forma cilindrica, care permite trecerea luminii de-a lungul axei sale, datorita reflexiei totale interne. Fibrele otice sunt alcatuite dintr-un miez si un invelis de aceeasi natura cu miezul, dar cu un indice de refractie mai mic, avand rolul de a mentine lumina in interiorul miezului.

Fibrele optice sunt relizate din sticla (oxizi de siliciu si oxizi de gemaniu, fluorozirconat, fluoroaluminat, sau calcogenid) sau din materiale plastice, dar in domeniul telecomunicatiilor sunt folosite, in general, cele din sticla datorita atenuarii mult mai mici. Tehnologia actula de realizare a fibrelor optice este formarea oxizilor de siliciu direct din starea de vapori, pentru a evita contaminarea cu particule metalice. Procesul de formare consta in doua etape: realizarea unei fibre de diametru mare ("preform") cu paramentrii controlati si apoi obtinerea, din acesta, de fibre subtiri.

Oxizii de siliciu germaniu se obtin injectand tetraclorura de siliciu (SiCl₄) si tetraclorura de germaniu (GeCl₄) impreuna cu oxigen, la temperatura de 1900 Kelvin, intr-un tub de sticla de 40 de cm lungime asezat orizontal.

Depunerea oxizilor se face datorita diferentei de tempereatura dintre centrul tubului unde unde acestia se afla in stare gazoasa si peretii de sicla. Controlul indicelui de refractie se face prin varierea concentratiei gazelor introduse in tubul de sticla. Ca dopanti se folosesc: dioxidul de germaniu (GeO₂), pentaoxidul de fosfor (P₂O₅) si trioxidul de bor (B₂O₃).Metale precum fer, cupru, cobalt, nichel, mangan si crom absorb puternic razele de lumina in intervalul 0,6-1,6 m. Prin tehnologia actuala se obtin fibre optice in care concentratia de matale sa fie mai mica decat 1000 ppm. (<). De asemenea trebuie eliminati si ionii de hidroxil (OH) care, impruna cu oxizii de siliciu, produc absortie la 1390, 1240, 950 nm. Concentratia ionilor de hidroxil nu trebuie sa depaseasca 100 ppm. ().

O abordare a propagarii luminii prin fibra optica se poate face folosind optica geometrica. Conform principiului lui Fermat, raza de lumina parcurge acea traiectorie care corespunde celui mai scurt timp de propagare. Mecanismul prin care lumina este constransa sa ramana in mizul fibrei optice este reflexia totala.

Fig.1.2 Reflexia si refractia unei raze de lumina.

Cunoscand legea refractiei (legea lui Snell) si considerand ca indicele de refractie al primului mediu este mai mare decat al celui de al doilea, atunci cand unghiul de incidenta creste la o valoare pentru care, . In consecinta daca, din lumina care, parcurgand mediul 1, ajunge la suprafata de separare cu mediul 2, o parte se va intoarce in mediul 1 (prin reflexie) iar o parte trece in mediul 2 (prin refractie). Daca insa , refractia nu se mai poate produce si apare fenomenul de reflexie totala.

Fig. 1.3. Propagarea luminii prin fibra optica.

Fibra optica este un mediu de transmisie dispersiv, ceea ce conduce la marirea duratei impulsului optic in timpul propagarii prin fibra si la aparitia unor distorsiuni de faza. Altfel spus, fibra optica se comporta ca un filtru trece jos, a carei frecventa de taiere scade cu cresterea lungimii fibrei. Fiecare fibra optica este caracterizata de produsul dintre largimea benzii in care se transmite mesajul si lungimea sa. De exemplu o fibra optica cu 500 MHzkm poate transmite un semnal cu largimea de banda de 500 MHz pe distanta de 1km sau un semnal de 100 MHz pe 5 km. Pentru fibre multimod produsul largime de banda-distanta este de 500 MHzkm, iar pentru cele monomod 100THzkm (limita practica a sistemelor)

In functie de diferenta intre indicele de refractie al mezului si al invelisului, fibrele optice se impart in doua categori: fibre cu salt de indice de refractie si fibre cu variatie gradata a indicelui de refractie.

O alta clasificare a fibrelor optice se poate face in functie de grosimea miezului: fibre multimod si fibre monomod. Pentru fibrele multimod , datorita grosimii relativ mari a miezului fata de invelis, lumina poate sa patrunda la un unghi mare fata de axa fibrei determinand o dispersie pronuntata si intarzieri semnificative in propagare. Pentru fibrele monomod, grosimea redusa a miezului reduce posibilitatile de propagare ale luminii, deci reduce dispersia prin fibra.

Cablurile optice pot fi alcatuite din pana la 1000 de fibre optice. Invelisul interior este realizat din rasini speciale si are rolul de a proteja fiecare fibra optica de actiunea apei (datorita procedeului de realizare fibrele optice pot reactiona cu ionii hidrogen si hidroxil ceea ce poate duce la ruperea acestora sau la cresterea atenuarii). Fibrele de protectie (fibre sintetice cum ar fi Kevlarul) sunt adaugate pentru a conferi cablurilor rezistenta mecanica. Izolatorul este realizat din plastic usor si este folosit pentru a forma cablul propriu-zis.

Fig. 1.4 Structura unui cablu optic.

1.Fibre cu salt de indice de refractie

Fibrele cu salt de indice de refractie au miezul dintr-un material omogen si izotrop cu indicele de refractie constant , iar invelisul dintr-un material de asemenea izotrop si omogen cu indicele de refractie constant , unde . Prin urmare indicele de refractie fata de axul fibrei are un salt la distanta r=a fata de axul fibrei, adica pe suprafata de separatie intre miez si invelis.

Fig. 1.5 Fibre cu salt de indice de refractie

Raza de lumina provine din mediul ambiant (cu indice de refractie) si ajunge pe suprafata plana transversala a fibrei sub unghiul , si se trasmite in fibra la unghiul i. Conform legii refractiei . Pentru limita .

La extremitatea fibrei cu salt de indice de refractie, razele incidente vor fi ghidate daca se gasesc in interiorul unui con de admisie sau de acceptanta, al carui semiunghi la varf este caracterizat de apertura numerica (ANs)

(1.1)

Daca se noteaza prin marimea

(1.2)

Care pentru fibre optice cu salt de indice de refractie este

(1.3)

relatia (1.1) devine

(1.4)

In cazul cel mai des intalnit, pentru care mediul ambiant este aerul deci . In practica diferenta dintre indicii de refractie din centrul miezului si din invelis este foarte mica () deci rezulta .

Se constata deci ca apertura numerica nu depinde de distanta fata de axul fibrei.

2. Fibre optice cu indice de variatie gradat

Fibrele cu indice de refractie gradat au indicele de refractie al miezului variabil dupa o lege de simetrie radiala, in functie de aplicatia considerata. Pentru cele mai multe aplicatii, indicele de refractie scade progresiv de la centrul miezului catre invelis. In practica insa se folosesc legi de variatie a indicelui de refractie, nu neaparat continue.

Fig. 1.6. Traiectoriile a doua raze meridionale prin fibra optica cu indice gradat.

Cu cat razele de lumina se departeaza de ax, razele de lumina patrund in zone cu indici de refractie din ce in ce mai mici, sufera refractii succesive, ceea ce produce o marire treptata a unghiului de incidenta, pana cand ajungandu-se la unghiul limita se produce reflexia totala, traiectoriile devin paralele cu directia axului fibrei. Desi traiectoriile sunt mai lungi, lumina va parcurge zone in care viteza de propagare este mai mare. Astfel exista posibilitatea ca pentru cele doua traiectorii considerate, timpii de propagare sa fie egali. Pentru a se indeplini aceasta conditie este necesar ca legea de variatie a indicelui de refractie sa fie de forma

(1.5)

unde , iar (1.6)

In practica, pentru , rezulta

, (1.7)

Se arata ca pentru reducerea dispersiei profilul optim este aproximativ parabolic . Se observa ca fibra optica cu salt de indice de refractie este un caz particular al fibrei optice cu indice de refractie gradat .

Determinarea aperturii numerice ()pentru fibra optica cu indice de refractie gradat, se poate face apeland la fibra optica cu salt de indice de refractie si considerand o variatie in trepte foarte subtiri astfel incat in interiorul acestor trepte indicele de refractie sa fie constant. Folosind demonstratia din paragraful precedent aplicata pentru fiecare strat in parte, se determina variatia aperturii numerice in functie de distanta fata de axul fibrei:

(1.8)

Valoarea aperturii numerice, pentru fibra optica cu indice de refractie gradat, scade o data cu cresterea distantei fata de axul fibrei, si in acest caz se vorbeste de o valoare medie a aperturii numerice.