Reteaua de fibra optica

Reteaua de fibra optica

1 Caracteristici generale ale sistemului prin firbra optica

1.1 Bazele transmisiei in sistemele bazate pe fibra optica

1.2 Constructia fibrei optice

1.3 Tipuri de fibra optica

1.4 Constructia cablului de fibra optica

1.5 Transmitatoare optice

1.6 Receptoare optice

Materiale si tehnologii pentru obtinerea fibrelor optice

1.8 Tehnologia de montaj a fibrei optice

1.9 Proprietati ale fibrei optice

1.10 Proiectarea unui sistem bazat pe fibra optica

1.11 Avantajele sistemelor bazate pe fibra optica

1. Caracteristici generale ale sistemelor prin fibra optica

Epoca tehnologica in care traim astaza este rezultatul a multe inventii ingenioase si descoperiri, dar cea care este probabil responsabila pentru aceasta evolutie, este abilitatea noastra de a transmite informatia si mediul pe care il folosim pentru aceasta. Progresand de la cablul de cupru de acum un secol, pana la cablul de fibra optica de astaza, abilitatea crescanda de a transmite informatia, mai repede si pe distante mai mari, a extins granitele dezvoltarii tehnologice in toate domeniile.

Astaza cablurile de fibra optica cu pierderi mici (low-loss fiber optic cable) ofera latime de banda aproape nelimitata si avantaje unice fata de toate mediile de transmisie precedente.

In termeni simpli, cablajul de fibra optica este descris ca un mediu pentru transportarea informatiei de la un punct la altul sub forma de lumina. Spre deosebire de transmisia prin cupru, transportul prin firbra optica un este de natura electrica.

Informatia in reteaua optica este transportata cu ajutorul luminii prin cable de fibra optica.

Din punctul de vedere al opticii, pentru a obtine informatii despre un obiect trebuie indeplinite cel putin trei conditii si anume:

a) obiectul sa fie luminos, adica sa emita lumina direct sau indirect ;

b) lumina care provine de la obiect sa fie transmisa catre locul unde se face detectia fara pierderi prea mari ;

c) cantitatea de lumina care ajunge la locul de detectie sa fie suficient de mare. Observam ca mediul prin care se transmite informatia optica este de importanta esentiala pentru ca semnalul optic transmis sa nu fie "mutilat" sau distorsionat ;

Metodele clasice, bazate pe folosirea lampilor cu incandescenta, nu numai ca sunt greoaie si implica iluminari mici, dar prezinta si riscuri datorita folosirii conexiunilor electrice. Toate aceste dificultati sunt eliminate daca iluminarea se face din afara prin intermediul unei fibre optice subtiri.

Aceasta posibilitate este faciliata de natura electromagnetica a luminii, frecventa undelor luminoase fiind mult mai mare decat cea a undelor radio. Intr-un context mai general fibrele optice reprezinta un domeniu al opticii integrate, iar progresele care vor fi obtinute in cadrul opticii integrate vor depinde foarte mult de progresele ce se vor realiza in domeniul fibrelor optice.

Ca domeniu al opticii, care a aparut exclusiv din necesitati practice dintre cele mai diverse, fibrele optice au cunoscut o dezvoltare rapida dupa anul 1950 ca rezultat al obtinerii primelor fibre optice cu performante ridicate. Principiul de functionare al fibrelor optice este asemanator, din multe puncte de vedere, cu principiul de transmitere a luminii printr-o bagheta de sticla transparenta. Teoretic, lumina poate fi transmisa printr-o astfel de bacheta de sticla optica, daca indicele de refractie al sticlei este mai mare decat indicele de refractiei al aerului. Din punct de vedere practic insa, neomogenitatile de compozitie si de prelucrare, precum si impuritatile de pe suprafata materialului implica piederi foarte mari de lumina de-a lungul parcursului luminii. Pe de alta parte, natura electromagnetica a radiatiei luminoase arata ca pot aparea pierderi de lumina si fenomene parazite care limiteaza drastic posibilitatile de folosire practica a fibrelor optice.

Fibrele optice sunt ghiduri de lumina folosite pentru transmiterea informatiilor cu piederi mici de energie dintr-un loc in alt loc. Vom analiza transmiterea radiatiei luminoase prin fibrele optice din punctul de vedere al opticii geometrice si din punctul de vedere al opticii ondulatorii.

Fibra optica simpla

Prin fibra optica simpla intelegem un mediu optic transparent, de mare lungime, cu sectiunea transversala circular simetrica si indicele de refractie constant sau radial variabil, separat de un alt material cu indicele de refractie constant si mai mic, pentru ca la suprafata de separare sa se produca reflexia totala a radiatiei luminoase, fara pierderi. Tehnologia de obtinere a fibrelor optice este prezentata de Tader si Spulber (1985).

Fibra optica simpla are deja multiple aplicatii practice. Ea poate fi folosita ca aparatura de dimensiuni mici in cele mai diverse dispozitive. De asemenea, ea este folosita pentru transportul energiei radiative in scopuri de incalzire locala a materialelor. De exemplu, in cuplaj cu o lampa incandescenta de 100W fibra optica simpla s-a folosit pentru sudarea conexiunilor din dispozitivele electronice.

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:

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;

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.

CABLURILE 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.

Diametrul fibrelor optice de sticla folosite pentru alcatuirea cablurilor poate ajunge pana la 0,15mm fara ca flexibilitatea cablului sa se reduca prea mult. Daca se folosesc fibre optice de material plastic, diametrul maxim poate fi de cca 1,5mm. Prin curbarea (indoirea) cablurilor, cele mai solicitate sunt fibrele optice exterioare. Astfel de solicitari duc la micsorarea transmitantei cablului. In cazul cablurilor de sticla transmitanta se stabilizeaza la o valoare cu cca 1% sau 2% mai mica decat cea initiala dupa aproximativ 100 de solicitari, pe cand la cablurile din fibre de material plastic transmitanta continua sa se reduca cu cresterea numarului de solicitari.

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 4ooºC, iar temperatura maxima la care se mai pot folosi cablurile de plastic este impusa de materialul plastic folosit pentru obtinerea fibrelor.

CABLURILE COERENTE

Deoarece fiecare fibra optica simpla, componenta a cablului, poate transporta o anumita cantitate de energie, corespunzatoare unui anumit element de suprafata a obiectului, independent si fara influenta fibrelor vecine, cablurile coerente servesc pentru transmiterea imaginilor dintr-un loc in altul.

Fibra optica este extrasa din furnal pe un tambur, avand insa grija de a pozitiona spirele succesive ale elicoidului unele langa altele fara sa se suprapuna. Dupa ce s-a obtinut latimea dorita, se depune un nou strat prin inversarea sensului de spiralare a fibrei, numarul straturilor depinzand de numarul de fibre care trebuie sa alcatuiasca cablul. Dupa ce s-a realizat numarul dorit de straturi, fibrele de pe tambur se taie paralel cu axa tamburului. Procedeul nu permite obtinerea unor fibre mai subtiri de cca 20 μm, motiv pentru care se procedeaza la reincalzirea cablului si intinderea sa obtinandu-se fibre cu diametre de cca 5 μm.

Datorita grosimii finite a materialului invelisului protector, o anumita cantitate de energie se pierde. Imprastierile din miezul fibrei si la suprafata fibrelor duc de asemenea la pierderi de energie. Ambele fenomene contribuie la trecerea luminii dintr-o fibra in alta. 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.

Izolatia dintre fibre nu este perfecta, incat de aceea, in fibre poate aparea lumina parazita. Cand iluminarea suprafetei de intrare a cablului se mentine in conul de lumina cu semiunghiul la varf i<i_max, lumina parazita se poate datora uneia din urmatoarele cauze:

patrunderea luminii prin materialul dintre miezul fibrei;

abaterea de la reflexia interna totala;

imprastierea luminii in fibra sau la suprafata ei;

curbarea cablului.

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.

1.1 Bazele transmisiei in sistemele bazate pe fibra optica

Intr-un sistem     bazat pe fibra optica, informatia (voce, date sau video) este transmita prin fibra in urmatorul fel: odata codate in semnale electrice, acestea sunt convertite in semnale luminoase care parcurg fibra pana ajung la un detector care transforma semnalele luminoase inapoi in semnale celectrice care sunt apoi decodate in informatie sub forma de voce, date sau video. Un sistem de transmisie prin fibra optica punc-la-punct (point-to-point) consta din trei elemente de baza: transmitatorul optic, cablul de fibra optica si receptorul optic.

Fig.1 - Sistem bazat pe fibra optica

1.2 Constructia fibrei optice

Va puteti gandi la fibra optica la fel ca si la un conductor de lumina. Componentele din interiorul unei fibre optice folosesc materialele cu indici de refractie diferiti pentru a ghida lumin. O fibra optica este alcatuita dupa cum se arata in figura 2, din:

O fibra optica are urmatoarele parti (vezi fig. 2)

miezul (core) - centrul subtire al fibrei pe unde circula lumina;

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

invelisul extern (buffer coating) - invelis de plastic care protejeaza fibra de stricaciuni si umezeala.

Fig. 2 - Componenta fibrei o ptice

Core (miezul) este regiunea centrala a unei fibre optice prin care "calatoreste" lumina si prin care este transportata informatia. Dupa standardele telecomunicatiilor, marimea miezlui folosit astazi este de 8.3 m (single mode), 50 m (multimode), 65 m (multimode).

Miezul are un indice de refractie scazut si este mediul de lumina primar.

Un fir de par are aproximativ 70 m.

Cladding (manta) inconjoara miezul (core). Mantaua este de asemenea facuta din sticla dar are un indice de refractie mai scazut decat miezul. Acesta face ca lumina sa se reflecte in manta si sa ramana continut in miez.Diametrul acestuia este de 125 m.

Miezul si mantaua sunt fabricate impreuna ca o singura bucata de sticla din siliciu cu mici diferente de compozitie si nu pot fi separate una de alta. Sticla nu are o gaura in miez si este complet solida peste tot.

Coating (invelisul extern) este invelisul extern si protejeaza mecanic fibra. De obicei este fabricat din plastic si protejeaza fibra de umezeala si distrugere. De obicei invelisul extern este un acril tratat cu lumina ultravilota (UV) aplicat in timpul procesului de fabricare pentru a proteja fibra. In timpul procesului de instalare, invelisul este inlaturat de pe manta pentru a permite terminarea unui sistem de transmisie optic. Marimea standard este de 250 m sau 900 m.

TRANSMITATORUL OPTIC converteste informatia - cum ar fi vocea, date sau video, codate in semnale electrice - in semnale luminoase. Transmitatorul optic primeste un semnal electric modulat si il converteste intr-un semnal luminos modulat, dupa care trimite semnalul luminos in cablu de fibra optica.

Tranmitatorul converteste un semnal electric analog sau digital intr-un semnal optic corespondent. Sursa unui semnal optic poate sa fie un LED (Light Emmiting Diode) sau o dioda LASER. Cele mai folosite lungimi de unda pentru transmitatoare sunt 850, 1310 si 1550 nanometri [2]. Toate trei benzile au o latime de banda de 25000 pana la 30 000 GHz [5]

CANALUL DE FIBRA OPTICA este mediul care transporta semnalul. Cablul de fibra optica consta din una sau mai multe fibre de sticla, care se comporta ca ghid de unda (waveguides) pentru semnalul optic. Cablul de fibra optica este asemanator cu cablul electric in constructie, dar ofera protectie speciala pentru fibra optica din el. Pentru sisteme care necesita transmisii pe distante de mai multi kilometri sau unde doua sau mai multe cabluri de fibra optica se unesc, se foloseste un conector optic.

RECEPTORUL OPTIC este cel care primaste semanlul luminos si il convertiste la loc in semnal modulat, adica convertiste semnalul optic inapoi in replica semnalului electric original. Detectorul semnalului optic este fie o fotodiodo de tip PIN sau o fotodiodo de tip avlansa.

1.3 Tipuri de fibra optica

Constructiv, sunt doua tipuri de fibra optica care se folosesc astaza: step index si gradet index. Lumina se propaga diferit prin aceste doua tipuri de fibre, ca in figura de mai jos.

Fig.3 - Fibra optica de tip step index si graded index

Dupa cum este aratat in Figura 3, fibra step index consta dintr-un miez de sticla cu indice de refractie mic inconjurat de o manta cu un indice de refractie si mai mic. Aceasa diferenta intre indicii de refractie face ca lumina sa balanseze (bounce) intre interfata miez/manta de-a lungul intregii fibre.

La fibra graded index este folosit un singur tip de sticla care insa e tratat in asa fel incat indexul de refractie descreste gradual dupa cum se mareste distanta de la miez. Rezultatul acestei constructii este ca lumina se indoaie continuu catre centrul fibrei aproape la fel ca o lentila continua.

Fibra optica este caracterizata in functie de dimensiunile miezului si ale mantalei, care sunt date in microni. In acest moment sunt trei marimi pentru uz general desi exista si alte marimi care sunt folosite pentru aplicatii speciale. Acestea sunt 50/125 si 62,5/125 la fibra multimode si 8-10/125 la fibra single-mode. Cele de 50 si 62.5 microni sunt folosite cu LED-uri si sunt folosite de obicei pentru lungimi mici si medii in transmisii point-to-point. Miezul de 8-10 microni este folosit cu LD-uri si este folosit adesea pentru telecomunicatii la mare distanta.

Odata ce lumina intra in fibra optica ea calatoreste sub forma unui modul. Pot fi de a unul pana la sute de module depinzand de tipul de fibra. Fiecare modul transporta o portie din lumina de la semnalul de intrare. In general numarul de module intr-o fibra este o functie a relatiei dintre diametrul miezului, apertura numerica si lungimea de unda.

Fibrele optice sunt de doua feluri:

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

- fibre multiple (multi-mode) - folosite sa transmiti mai multe semnale pe aceeasi fibra (folosite la retelele de calculatoare). (fig. 4)

Ambele tipuri au rol de transmisie pentru lumina, dar opereaza in moduri direfite, au caracteristici diferite si sunt folosite la aplicatii diferite.

Fig.4 - Fibra optica multimode si single-mode

Single-mode (SM) au miezul foarte subtire (cam 3,5∙10-4 inci sau 9 microni in diametru) si transmit lumina laser inflarosu. Permite doar unui singur modul de lumina sa strabata fibra. De obicei marimea miezului este de 8.3 m. Din cauza ca miezul este asa mic, lumina continuta in aceasta este fortata sa calatoreasca in linie dreapta. Fibra single-mode, in general, are o capacitatea mai mare de a transporta informatia (latime de banda) si poate transporta informatia pe distante mai mari. De asemenea, aceasta este mai scumpa decat fibra multimode. Este folosita in aplicatii unde sunt necesare pierderi scazute de semnal si rate de date mari, pentru rute mari unde spatiul dintre repetoare/amplificatoare trebuie maximizat.

Fibra multimode permite mai multe module de lumina. Au miezul mai mare (cam 2,5∙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 (0,04 inci sau 1 mm diametrul) si transmit lumina rosie din LED-uri.

Dimensiunile obisnuite sunt de 50 m si 62.5 m. In fibre cu miezul de aceasta dimensiune lumina calatoreste pe o cale mai lata ceea ce permite luminii sa se segmenteze in mai multe cai, sau module multiple (multimode). Modularea ratelor de pana la 200 Mbs este posibila cu acest tip de fibra si pentru distante scurte. Unde costul electronicii este concentrat masiv, costul primar al sistemului nu se bazeaza pe cablu. In asemenea cazuri fibra multimode este mai economica deoarece poate fi folosita cu conectori ieftini si transmitatoare LED, asftel incat se ajunge la un cost total al sistemului mai mic.

Proiectarea tuturor fibrelor este un compromis deoarece producatorii nu stiu exact cum vor fi folosite in practica.

1.4 Constructia cablului de fibra optica

Cablurile de fibra optica sunt de toate marimile si formele. La fel ca si cablul coaxial, constructia este in functie de aplicatia pentru care este dorita. La fel are aceeasi aparenta si feeling.

Fig. 5 - Cablu de fibra optica

In figura 5 este prezentata o schema a cablului de fibra optica.

Fibra optica are un invelis care este folosit in general pentru protectie in timpul procesului de fabricatie. Apoi fibra este inchisa intr-un tup de PVC central care permite fibrei sa se indoaie mai ales atunci cand este trecuta pe langa colturi sau cand sunt trase prin contacte.

In jurul tubului este un strat de kevlar care absoarbe socurile la instalare. In sfarsit un invelis exterior din PVC nu permite umezelii sa intre in interior.

Cablu este ideal pentru aplicatii inter-cladiri unde nu este necesara rigiditatea. Pe langa cablul "basic" exista o varietate de cabluri pentru orice aplicatie, pentru ingropare directa, armat, rezistent la eroziune cu invelis exterior din otel, cablu rezistent la temperaturi, arial ADSS, arial OPGW.

Exista cabluri multi-fibra codate color. [2]

Exista inca doua tipuri de fibra - fibra cu miez cu diametrul foarte mare facut din silica si fibra facuta complet din plastic - nu sunt folosite, in general, pentru transmisii de date.

Fibra silica este folosita in aplicatiile care implica lasere de putere mare si senzori, cum ar fi in chirurgia medicala cu laser.

Fibrele din plastic sunt folositoare pentru legaturi de date foarte scurte intr-un echipament deoarece pot fi folosite cu LED-uri ieftine. Un exemplu, poate fi un sistem de izolare pentru folosire ca parte a unei surse de putere de voltaj inalt sau o legatura de date intre DF-ul unui copiator si restul copiatorului.

1.5 Transmitatoare optice

Transmitatoarele optice de baza convertesc semnalul electric de intrare in lumina modulata pentru transmisia prin fibra optica. Depinzand de natura acestui semnal, lumina modulata rezultata poate fi pornita si oprita sau poate fi variata liniar in intensitate intre doua nivele predeterminate.

Pentru transmisia semnalului optic, acesta este modulat in cablu de fibra optica sub forma de impulsuri de lumina. Semnalul este generat prin pornirea si oprirea sursei de lumina. Ideal semnalul ar trebui sa fie sub forma de "valuri patrate" (square wave) dar in realitate arata ca un "val sinusoidal" (sine wave) (fig.6).

Fig. 6 - Semnale optice

Desi modularea sursei de lumina poate fi facuta direct pornind si oprind sursa de lumina in configuratiile cu rate mari de date (multiple de Gbps) si distante mai mari de cativa km modularea este de obicei facuta in exteriorul sursei de lumina. Sursa de lumina este tinuta la o putere constanta si un fel de mecanism de inchidere lasa sa treaca sau blocheaza, alternativ, semnalul luminos (fig. 7).

Fig.7 - Modularea semnalului optic

Cele mai intalnite dispozitive folosite ca sursa de lumina la transmitatoarele optice sunt LED (light emmiting diode) si LD (laser diode). Intr-un sistem bazat pe fibra optica aceste dispozitive sunt amplasate intr-un pachet care permite unei fibre optice sa fie plasata an proximitatea regiunii de emitere a luminii pentru a absorbi cat mai multa lumina posibil in fibra. In unele cazuri emitatorul este prevazut cu o lentila sferica pentru a colecta si concentra "fiecare strop" de lumina in fibra iar in alte cazuri fibra este rasucita direct pe suprafata emitatorului.

LED-urile sunt surse de lumina mai raspandite si relativ ieftine. In general, au putere mica si sunt folosite unde distanta nu este critica (de exemplu intre aparatele din camera calculatorului unde distanta este mai mica de cateva sute de metri)

Diodele laser sunt mai scumpe decat LED-urile si sunt folosite de obicei in aplicatii single-mode de inalta performanta pe distante mult mai mari. Pot fi folosite ca surse de lumina si in sisteme multimode daca e necesar.

Tabelul de mai jos prezinta o comparatie intre LED-uri si LD-uri.

Sursele de lumina emit impulsuri de lungimi de unda diferite. O lungime de unda se noteaza cu lambda (λ). Termenii λ si lungime de unda sunt deseori folositi simultan. In practica echipamentele optice suporta rate de date de pana la 10Gbs. Desi lungimile de unda sunt infrarosii si de aceea invizibile ochiului, sunt adesea numite "culori".

Transmitatoarele sunt construite sa emita lumina pe una dintre urmatoarele serii de lungimi de unda: 850, 1310 sau 1550 nanometri.

LED-urile pot emite lumina atat pe 850 cat si pe 1310 nanometri si au modularea frecventei de 200 MHz sau mai putin. Un laser obisnuit transmite pe 1310 sau pe 1550 nm si are capacitati de modulare mai mari de 1 Ghz.

LED-urile au relativ o suprafata de emisie mai mare si deci nu sunt la fel de bune surse de lumina ca LD-urile. Totusi, ele sunt folosite pe scara larga pentru distante de tranmisie de la mici la moderate pentru ca sunt mult mai economice aproape liniare in termeni de lumina iesita versus temperatura ambientala de operare. LD-urile pe de alta parte au suprafata de emisie foarte mica si pot "pompa" mult mai multa putere luminoasa in fibra decat LED-urile. LD-urile sunt de asemenea liniare in termeni de lumina iesita versus curent electric de intrare dar spre deosebire de LED-uri nu sunt stabile peste o gama larga de temperaturi de operare si necesita circuistica mai elaborata pentru a ajunge la o stabilitate acceptabila. In plus costul lor le face in primul rand folositoare pentru aplicatii care necesita transmisii de semnale pe distante mari.

LED-urile si LD-urile opereaza in spectrul electromagnetic infrarosu deci lumina este de obicei invizibila ochiului uman.

Lungimile de unda la care opereaza sunt alese pentru a fi compatibile cu cele mai scazute lungimi de unda de pierdere ale transmisiei ale fibrei de sticla si cele mai ridicate sensibilitati a fotodiodelor. LED-urile si LD-urile sunt modulate, dupa cum am mai aratat, in unul din cele doua moduri: pornit - oprit (On - Off) sau liniar.

Fig. 8 - Circuistica LED si LD

Figura 8 arata circuisitica simplificata pentru a ajunge la fiecare metoda de modulare cu un LED sau LD.

In figura A un tranzistor este folosit pentru a comuta LED-ul sau LD-ul in pozitiile pornit - oprit in pas cu un semnal digital de intrare. Acest semnal poate fi convertit din aproape orice format digital cu circuistica corespunzatoare conducerii de baza corecte pentru tranzistor. Viteza generala totala este determinata de circuistica si de viteza corespunzatoare LED-ului sau LD-ului. Folosita in aceasta maniera se obtin viteze de cateva sute de megaherzi (MHz) pentru LED-uri si mii de MHz pentru LD-uri. Circuistica pentru stabilizarea temperaturii pentru LD a fost omisa din exemplu pentru simplitate. LED-uri nu necesita in mod normal stabilizarea temperaturii.

Modularea liniara a unui LED sau LD este realizata de circuitul amplificator operational din figura B. Intrarea inversata este folosita pentru aprovizionarea conducerii modulatoare a LED-ului sau LD-ului in timp ce intrarea neinversata aprovizioneaza referinta DC. La fel a fost omis circuitul pentru stabilizarea temperaturii la LD pentru simplitate.

Modularea digitala on/off a unui LED sau LD poate lua mai multe forme. Cea mai simpla dupa cum am vazut este lumina aprinsa (on) pentru "1" logic si lumina stinsa (off) pentru "0" logic. Celelalte doua forme cunoscute sunt pulse width modulation (modularea latimii pulsului) si pulse rate modulation (modularea ratei pulsului). Un sir constant de pulsuri este produs cu o latime insemnand "1" logic si cu alta latime "0" logic. In cel de-al doilea pulsurile sunt de aceeasi latime dar rata pulsului se schimba pentru a diferentia intre "1" si "0" logic.

Fig. 9 - Modularea ca functie de lumina emisa

Modularea in format analog poate lua diferite forme. Cea mai simpla este modularea intensitatii unde luminozitatea unui Led este variata in pas cu variatiile semnalului transmis. In alte metode un purtator RF este intai modulat in frecventa cu alt semnal sau, in unele cazuri, mai multi purtatori RF sunt modulati separat cu semnale separate apoi sunt combinati si transmisi ca o forma de unda complexa. Figura 9 arata tote metodele de modulare ca functie de lumina iesita emisa.

Frecventa echivalenta de operare a luminii, care este radiatie electromagnetica este extrem de ridicata de ordinul a 1 000 000 GHz. Latimea de banda de iesire a luminii produse de LED si LD este destul de larga. Din pacate tehnologia de astazi un permite latimii de banda sa fie folosita in mod selectiv la fel ca si frecventele radio conventionale. De fapt, intreaga latime de banda optica este pornita si oprita. Totusi, cu timpul, cercetatorii vor trece peste acest obstacol si transmisiile coerente (coherent transmissions), dupa cum sunt numite, vor deveni directia inspre care va evolua fibra optica.

1.6 Receptoare optice

La celalalt capat al cablului de fibra optica, pornind de la transmitator, se afla receptorul care foloseste un detector foto pentru a converti semnalele luminoase care vin prin cablu in semnale electrice. Lungimea de unda a receptorului trebuie sa se potriveasca cu cea a transmitatorului.

Caracteristicile importante ale receptoarelor sunt performantele sistemului care sunt Bit Error Rate (VER) (Rata bitilor eronati) pentru sistemele digitale iar pentru cele analogice Signal to Noise Ratio (SNR) (rata semnal-zgomot). Mai exista saturarea si sensibilitatea.

Rata bitilor eronati (VER) este numarul de erori care au loc intre transmitator si receptor, un numar tipic fiind 10^-9 care inseamna o eroare la fiecare 1 miliard de biti transmisi.

Saturarea arata puterea maxima receptata care poate fi acceptata. Daca este primita prea multa putere, rezultatul este o distorsiune a semnalului, care duce la o performanta slaba.

Sensibilitatea este puterea minima care trebuie primita la un semnal care soseste. Un semnal pera slab poate cauza biti cititi eronat sau deloc sau o rata semnal-zgomot mica (SNR).

Receptorul optic de baza converteste lumina modulata, care vine de la fibra optica, inapoi intr-o replica a semnalului original aplicat transmiatatorului.

Detectorul acestei lumini modulate este de obicei o fotodioda de tip PIN sau avalansa. Acest detector este montat intr-un conector similar folosit pentru LED sau LD. Fotodiodele au de obicei o suprafata senzitiva de detectie mare care poate fi pana la cateva sute de microni in diametru. Aceasta relaxeaza nevoia pentru precautii speciale la centrarea fibrei in conectorul receptor si face alinierea mai putin critica decat la transmitatoarele optice.

Deoarece cantitatea de lumina care exista la iesirea dintr-o fibra este destul de redusa, receptoarele optice au amplificare. Din aceasta cauza, pentru orice sistem, e important sa se foloseasca fibra de marimea potrivita. Altfel se poate ajunge la supraincarcarea receptorului optic. Daca, de exemplu, o pereche transmitator/receptor proiectate pentru fibra single-mode ar fi folosite cu fibra multimode, cantitatea mare de lumina prezenta la iesirea fibrei ar incarca receptorul si ar cauza un semnal distorsionat la iesire. La fel, daca o pereche transmitator/receptor proiectate pentru fibra multimode ar fi folosite cu fibra single-mode la receptor ar ajunge prea putina lumina, rezultatul fiind un semnal la iesire cu exces de zgomot sau un ar fi semnal deloc. Singurul caz in care un astfel de receptor care un se potriveste ar putea fi considerat, este atunci cand fibra este cu exces de pierderi astfel incat un extra de 5 pana la 15dB de lumina cuplat la o fibra multimode printr-o sursa de lumina pentru single-mode este singura sansa de obtinere a unei operatii bune. Totusi acesta este un caz extrem si un este recomandat in mod normal.

Ca si in cazul transmitatoarelor, receptoarele optice sunt atat analogice cat si digitale. Ambele tipuri au de obicei o faza de preamplificare de tip analog, urmat fie de o faza de iesire de tip analog sau digital (depinzand de tipul de receptor).

Fig. 10 - Receptor optic analog

Figura 10 este diagrama funtionabila a unui receptor optic analog simple. Prima faza este un aplificator operacional conectat ca si convertir curent-voltaj. Acest pas ia putin curent de la fotodiodo si il convertiste in voltaj folosind de obicei gama minivolt. Urmatorul pas este o simpla operatie de amplificare a voltajului. Aici semnalul este ridicat la nivelul dorit la iesire. [2]

Fig.11 - Receptor optic digital

In figura 11 este diagrama functionala a unui receptor optic digital simple. Ca si in cazul celui analog, prima faza e cea de conversie corent-voltaj. Iesirea intra intr-un comparator de voltaj care produce un semnal de iesire digital curat cu o crestere rapida, nivelul de intrerupator este folosit pentru a atinge punctul pe semnalul analog unde comparatorul se schimba. Acesta permite simetria dorita la semnalul digital recuperat.

Pasi aditionali sunt adaugati adesea la receptoarele optice pentru a furniza drivere pentru cabluri coaxiale, convertoare de protocol sau pentru a gazdui alte functii petnru a reproduce semnalul original cat mai exact posibil.

Este de notat ca, desi cablul de fibra optica este imun la toate formele de interfata, receptorul electronic nu este. Din aceasta cauza, precautiile normale, cum ar fi impamantarea sau shielding, ar trebui luate cand folosim componentele electronice pentru fibra optica.

Materiale si tehnologii pentru obtinerea fibrelor optice

Indiferent de compziti a aleasa , materialul dielectric utilizat pentru obtinerea fibrelor optice trebuie ssa raspunda urmatoarelor cerinte:

sa aiba transparenta cat mai buna la lungimea de unda a semnalului luminos folosit;

sa posede stabilitate chimica cat mai buna in timp ;

sa fie usor prelucrabil in toate fazele procesului tehnologic;

Materialele cu ce ami larga utilizare se pot grupa in trei categorii:

- bioxid de siliciu pur si amestecuri ale acestuia cu alti oxizi in cantitati mici , denumiti si dupanti ;

- sticle multi compozite ;

- materiale palstice.

Daca se are in vedere gradul de prelucrare a materialelor mentionate mai sus, este evidenta superioritatea polimerilor, care nu necesita temperaturi de lucru prea inalte.Cu toate ca utilizarea materialelor plastice nu numai pt invelisul optic, ci si pentru miez est eun subiect interesant de cercetat si experimentat, caracteristicile optice net inferioare in raport cu cele ale sticlei le recomanda numai pentru transmisii la distante mici, unde atenuare a semnalului optic de-a lungul fibrei are o importanta secundara.

Atat bioxidul de siliciu pur, cat si sticla multicompozitac au structura amorfa, sunt antizotrope si si se trag in fire din stare lichida la temperaturi inalte . Racirea rapida a materialului topit duce la formarea unei sticle stabile si omogene ,in pofida tranzitiei printr-un domeniu termic in care este posibila aparitia cu totul nedorita a cristalelor.

Dezavantajele utilizarii sticlelor cu continut inalt de bioxid de siliciu se pot rezuma dupa cum urmeaza: in fazele de depunere de material si de tragerea fibrei vitezele sunt mici, iar procesele se desfasoara la temperaturi inalte, la care controlul geometriei preformei si al fibrei este dificil de realizat. Aceste dezavantaje sunt compensateinsa din plin de calitatea net superioara a fibrelor ptice obtinute prin oricare dintre cele cateva variante ale tehnoogiei depunerii chimice din faza de vapori.

Tehnologii de obtinere a fibrelor optice din sticle multicompozite

Fibrele optice din sticle multicompozite se pot realiza utilizand o gama larga de materiale, cu conditia de a se asigura proprietatile optice necesare si prelucrabilitatea ceruta de procesul de fabricatie.

Un alt aspect care are o influenta deosebita asupra performantelor fibrei optice est ecel legat de prezenta impuritatilorin compozitia materialului de baza. Faptul ca fibrele optice din sticle multicompozite prezinta valori mai ridicate ale atenuari decat celecu continut inalt de bioxid de siliciu se datoreaza prezentei in compoziti e a impuritatilor si, in special, a ionilor metalelor de tranzitie, care determina benzi de absorbtie considerabile in spectrul vizibil si infrarosu, chiar pentru valori foarte scazute ale concentratiei.Valuarea atenuarii la diferite lungimi de unda depinde de concentratia in impuritati, de gradul lor de oxidare si de compozitia sticlei in care se gasesc.Tabelul de mai jos prezinta cresterea atenuarii determinata de o marire cu o parte de milion a concentratiei in impuritati pentru trei tipuri de sticle si lungimea de unda de 850nm a fasciculului optic.

1.8 Tehnologia de montaj a fibrei optice

Conectorii optici sunt modalitatile prin care cablul de fibra optica este de obicei conectat la echipamente periferice sau la alte fibre. Acestia sunt similari cu cei electrici in functie si ca aspect exterior insa sunt mecanisme de mare precizie. In operare, conectorul centreaza fibra astfel incat miezul de "adunare" al luminii sa fie in linie cu sursa de lumina (sau cu alta fibra) cu tolerante de cateva zeci de mii dintr-un inch. Deoarece marimea miezului este de obicei de 50 microni (0,002 inch), nevoia de asemenea tolerante extreme este de inteles. Exista mai multe tipuri de conectori optici care se folosesc astazi. Conectorul SMA care a fost dezvoltat inainte de inventia fibrei single-mode, a fost cel mai popular tip de conector pana recent. In figura 12 sunt reprezentate partile componente ale acestui conector.

Fig.12 - Conector SMA

Cel mai popular tip de conector multimode folosit astazi este conectorul ST. Construit initial de catre AT&T pentru aplicatii in telecomunicatii, acest conector foloseste un tip de incuietoare de tip twist care confera pierderi mai scazute decit la SMA. O pereche de conectori ST mate vor avea mai putin de 1 dB (20%) pierderi si nu neceista bucsa de aliniere sau alte mecanisme similare. Includerea unei agatatoare anti rotatie asigura ca in orice moment conectorul e mat, fibrele intorcandu-se intotdeauna la aceeasi pozitie de rotatie asigurand o performanta constanta si uniforma.

Conectorii ST exista si pentru fibrele multimode cat si pentru cele single-mode diferenta constand in general in tolerante totale. Conectorii ST multimode se vor comporta normal doar cu fibre multimode. Conectorii ST single-mode, mai scumpi, sunt potriviti si pentru single-mode cat si pentru multimode.

Fig. 13 - Conector ST

Procedura de instalare pentru conectorul ST este similara cu cea a conectorului STM si necesita aproximativ acelasi timp. Figura 13 prezinta conector ST.

Desi conectorii optici pot fi folositi pentru a conecta cablurile de fibra optica impreuna, exista si alte metode de conectare care au pierderi mai mici. Doua dintre cele mai cunoscute sunt lipirea mecanica si lipirea prin fuziune. Ambele sunt capabile de pierderi in gama de 0,15 dB (5%) pana la 0,1 dB (2%).

La lipirea mecanica, capetele celor doua bucati de fibra sunt curatate si dezvelite si apoi unite si aliniate folosindu-se un asamblor mecanic. Se foloseste un gel la punctul de contact pentru a reduce reflectia luminii si a mentine pierderile la minim. Capetele fibrei sunt tinute impreuna prin compresie sau frictiune, ansamblul de lipire avand un mecanism de inchidere astfel incat fibrele sa ramana aliniate.

O lipire prin fuziune implica topirea impreuna a capetelor celor doua bucati de fibra. Rezultatul este o fibra continua fara nici o intrerupere. Acest tip de lipire necesita un echipament de lipire foarte scump, insa poate fi efectuat foarte repede, astfel incat costul devine rezonabil pentru cantitati mari. Deoarece lipirile prin fuziune sunt fragile exista dispozitive mecanice care sa le protejeze.

1.9 Proprietati ale fibrei optice

Lumina calatoreste in fibra optica prin miez folosind principiul reflectiei interne totale.

Reflectia interna totala este atunci cand un semnal luminos calatorind printr-un material se loveste de un material diferit si se reflecta inapoi in primul material fara sa aibe loc pierderi de lumina (vezi figura de mai jos).

Din moment ce miezul (core) si mantaua (cladding) sunt construite din compozitii diferite de sticla, lumina intrata in miez este retinuta in limitele miezului deoarece se reflecta inapoi de fiecare data cand loveste mantaua. Pentru ca sa se produca reflectia interna totala, indicele de refractie al miezului trebuie sa fie mai mare decat cel al mantalei.

Indicele de refractie

Indicele de refractie indica un mod de a masura viteza luminii printr-un material. Indicele de refractie este calculat prin impartirea vitezei luminii in vid (aprox. 300 000 km/s) la viteza luminii prin alt material diferit.

Prin definitie indicele de refractie al vidului este 1. Valoarea tipica pentru mantaua unei fibre optice este 1,46. Valoarea pentru miezul fibrei optice este de 1,48. Cu cat indicele de refractie este mai mare cu atat circula mai incet lumina prin acel mediu. Un fapt interesant este ca in apa indicele de refractie este de 1,33 iar in aer de 1,0003.

Unghiul de admisie

Pentru a fi siguri ca semnalul luminos se reflecta si calatoreste corect prin miez, lumina trebuie sa intre in acesta sub un unghi de admisie. Marimea acestui unghi este o functie a diferentei dintre indicele de refractie al miezului si cel al mantalei. Mai simplu spus unghiul de admisie este suprafata inclinata sub care lumina intra pentru a "sari" prin fibra sau sa calatoreasca intre miez si manta.

Pierderile in fibra optica

Pe langa pierderile care au loc cand se cupleaza la fibra un LED sau LD, exista pierderi care au loc atunci cand lumina trece prin fibra.

Miezul unei fibrei optice este facut din sticla ultra pura cu pierderi mici. Avand in vedere ca lumina trebuie sa treaca prin mii de metri sau mai mult, sticla trebuie sa fie foarte pura. Pentru a aprecia puritatea sticlei, considerati sticla de la geamuri. Credem ca aceasta este curata deoarece permite luminii sa treaca libera prin ea, insa aceasta numai din cauza ca are doar cativa milimetri grosime. In contrast cu aceasta marginile sticlei de la ferestre par verzi si aproape opace. In acest caz lumina trece doar prin cativa metri. Inchipuiti-va cum ar fi sa treaca prin cateva mii de metri si cata lumina ar trece!

In general fibra optica are pierderi de pana la 6 dB/km (60% pana la 75% pierderi pe km) la o lungime de unda de 850 nm. Cand lungimea de unda este schimbata la 1310 nm, pierderea scade pana la 3-4 dB (50% - 60%) pe kilometru. La 1550 nm este si mai scazuta. Fibrele premium au pierderi de 3 dB (50%) pe kilometru la 850 nm si 1 dB (20%) pe kilometru la 1310 nm. Pierderi de 0,5 dB (10%) pe kilometru sunt comune la fibra pemium de 1550 nm. Acestea sunt in general rezultatul imprastierii luminii si absorbtiei luminii de catre impuritatile din sticla.

Alta sursa a pierderii din fibra este indoirea excesiva din cauza careia lumina paraseste miezul fibrei. Cu cat este mai mic unghiul de indoire cu atat pierderile sunt mai mari. Din cauza aceasta indoirea de-a lungul cablului de fibra optica trebuie sa aiba o raza de indoire de cel putin un inch.

Latimea de banda la fibra optica

Toti factorii de atenuare de mai sus au ca efect o atenuare simpla independenta de latimea de banda. O pierdere de 3 dB, inseamna ca 50% din lumina va fi pierduta indiferent daca e modulata la 10 Hz sau la 100 Hz. Exista totusi o limitare actuala a latimii de banda masurata in MHz/km. Figura 14 prezinta modul in care are loc pierderea.

Fig.14 - Atenuarea la trecerea luminii prin fibra optica

O raza de lumina care intra in fibra relativ drept sau sub un unghi mic (M1) are o cale mai scurta prin fibra decat lumina care intra sub un unghi apropiat de unghiul de acceptanta maxima (M2). Ca rezultat, diferite raze de lumina ajung la capatul fibrei la timpi diferiti chiar daca sursa originala este acelasi LED sau LD. Acesta produce un efect de ,,murdarire' sau nesiguranta unde se afla inceputul si sfarsitul pulsului la capatul fibrei - ceea ce duce la o limitare a frecventei maxime care poate fi transmisa. Cu cat sunt mai putine module cu atat e mai mare latimea de banda a fibrei. Prin micsorarea miezului fibrei se obtine un numar redus de module. Fibra single-mode, cu un miez de 8-10 microni in diametru are o latime de banda mult mai mare deoarece permite doar catorva module de lumina sa se propage prin miez. Fibrele cu un diametru al miezului mai mare, cum sunt cele de 50 sau 62,5 microni permit mai multor module sa se propage si de aceea se numesc fibre multimode.

Latimea de banda tipica pentru fibrele comune are o plaja de la cativa MHz pe kilometru pentru fibrele multimode standard si ajungand la mii de MHz pe kilometru pentru fibrele singlemode. Cu cat creste lungimea fibrei cu atat latimea de banda descreste proportional. De exemplu, un cablu de fibra optica care suporta o latime de banda de 500 Hz pe o distanta de un kilometru, va suporta 250 MHz pe 2 km si 100 MHz pe 5 km. [4]

Deoarece fibra single-mode are o asa latime de banda mare factorul 'reducerea latimii de banda ca functie de lungime' nu reprezinta o problema reala la folosirea acestui tip de fibra. Totusi aceasta trebuie considerata la folosirea fibrei multimode deoarece latimea de banda maxima cade adesea in plaja semnalelor folosite la sistemele punct-la punct.

Factorii de limitare a fibrei optice

Urmatoarea sectiune va sublinia unii dintre factorii de limitare a fibrei optice. In practica acesti factori se combina pentru a limita distanta si rata bitilor care poate fi suportata de un sistem cu fibra optica deoarece fac dificila pentru receptor distingerea intre 1 si 0.

Fibrele optice sunt destul de clare (curate) dar nu perfect clare. Pot exista impuritati si limitari de constructie care vor restrange proprietatile transmisiei optice.

Dupa cum am vazut mai sus, din cauza ca mantaua nu absoarbe lumina de la miez, unda de lumina poate calatori distante mari. Totusi, o parte din semnalul luminos se degradeaza in fibra, de cele mai multe ori din cauza impuritatilor din sticla. Procentul cu care semnalul se degradeaza depinde de puritatea sticlei si de lungimea de unda a luminii transmise (de exemplu, 850 nm - 60% pana la 75% pe km; 13l0 nm - 50% pana la 60% pe km; 1550 nm - nu este mai mare de 50% pe km). Unele dintre fibrele premium au o degradare a semnalului mai mica - mai putin de l0%pe km la 1550 nm. [4]

In plus, multe dintre proprietatile de proiectare ale fibrei sunt bazate pe capabilitati1e si limitarile tebnologiei mostenite de la sursa de lumina de la timpul respectiv. De exemplu, odata LED-urile erau bune pentru fibrele multimode de 850 nm. Laserele de viteza mare la 1310 nm au nevoie de atenuare si dispersie mica in fibra. Ratele mari de date mai au inca nevoie de evolutie in 1550 nm. Atenuarea si dispersia sunt discutate mai departe.

Efecte liniare vs Efecte neliniare

Din cauza cresterii ratei datelor prin fibra optica, lungimii transmisiilor, numarului lungimilor de unda si a nivelelor de putere optica, au aparut efectele neliniare. In zilele timpurii ale fibrei optice, cele mai mari griji erau atenuarea fibrei si cateodata dispersia. Aceste probleme pot fi usor reparate folosindu-se o varietate de ocoliri a dispersiei si tehnici de anulare.

Efectele neliniare au devenit vizibile odata cu specializarea aplicatiilor cum ar fi instalatiile subacvatice. Unele dintre aceste efecte - importante de stiut la design-ul unui sistem pe fibre optice - includ: simulated Brillouin scattering (SBS), simulated Raman scattering (SRS), four wave mixing (FWM), self-phase modulation (SPM), cross-phase modulation (XPM) si intermodulation (rillxing).

Efectele neliniare limiteaza cantitatea de date care pot fi transmise pe o singura fibra optica. Constructorii de sisteme trebuie sa fie atenti la aceste limitari si la pasii care trebuie facuti pentru a minimiza efectele nelinearitatii fibrelor.

Mai intai vom vorbi despre efectele liniare care depind de lungimea fibrei. Efectele liniare includ atenuarea si dispersia.

Atenuarea

Atenuarea este pierderea puterii optice atunci cand lumina calatoreste prin fibra, rezultand un semnal care este prea slab. Este masurata in decibelilkm (dB/km). Pe o distanta data, o fibra cu o atenuare mai mica va permite sa ajunga la receptor mai multa putere decat la o fibra cu atenuare mai mare.

Atenuarea in decibeli este data de urmatoarea formula:

Atenuarea (dB) = 10 log₁₀ (puterea transmisa / puterea receptata)

De exemplu, un factor de doua pierderi da o atenuare de 10 log₁₀2 = 3 dB.[5]

Coeficientul de atenuare este rata pierderii puterii optice pe lungimea fibrei, de obicei masurata in dB/km la o lungime de unda specifica; cu cat este mai mic numarul cu atat este mai buna atenuarea fibrei. Lungimile de unda pentru fibra multimode sunt de obicei 850 si 1300 nm; fibrele single-mode au lungimi de unda de 1310 si 1550 nm.

Chiar daca sistemele optice cu pierderi mici sunt intotdeauna de dorit, este posibil sa se piarda o portiune mare din puterea semnalului initial fara probleme semnificative. O pierdere de 50% din puterea initiala este egala cu o pierdere de 30 dB. De fiecare data cand fibrele sunt unite intre ele vor fi anumite pierderi. Pierderile pentru imbinarea termica (fusion splicing) si pentru imbinarea mecanica (mechanical splicing) sunt de obicei de 0,2 sau mai putin.

Imbinarea termica este o imbinare permanenta produsa prin aplicarea unei temperaturi suficient de mari pentru a topi capetele fibrelor optice, formand astfel o fibra optica continua.

Imbinarea mecanica este imbinarea a doua fibre prin metode mecanice permanente sau temporare pentru a avea un semnal continu.

Atenuarea poate fi cauzata de diversi factori dar este in general de 2 tipuri: intriseca si extrinseca.

Atenuarea intriseca are loc din cauza a ceva ce este in fibra sau langa aceasta. Este cauzata de impuritatile din sticla din timpul procesului de fabricare. Desi fabricarea este precisa nu se pot elimina total impuritatile, dar totusi tehnologiile avansate au cauzat o scadere dramatica a atenuarii.

Daca semnalul luminos loveste o impuritate in fibra se pot intampla 2 lucruri: lumina ori va fi difuzata (scatter) sau va fi absorbita.

Difuzia este pierderea semnalului luminos din miezul fibrei cauzata de impuritati sau schimbari in indicele de refractie al fibrei. Lumina este redirectionata din cauza proprietatilor moleculare ale fibrei rezultate in urma defectului in manta sau este pierduta la jonctiuni sau reflectata inapoi la sursa.

Difuzia rayleigh este cauza majoritara (aprox 96%) in atenuarea din fibra optica. Lumina calatoreste prin miez si interactioneaza cu atomii din sticla. Daca undele de lumina intra in coliziune elastica cu atomii, lumina este difuzata. Acest tip de difuzie este deci rezultatul acestor coliziuni elastice intre raza de lumina si atomii din fibra. Daca lumina difuzata mentine un unghi care suporta calatoria inainte prin miez nu are loc atenuarea. Daca lumina este difuzata sub un unghi care nu suporta inaintarea, lumina este redirectionata afara din miez si are loc atenuarea.

O parte din lumina difuzata este reflectata inapoi catre sursa de lumina. Aceasta este o proprietate care este folosita in Oprima Time Domain Reflectometer (OTDR) pentru a testa fibrele. Acelasi principiu se aplica si la analiza pierderilor asociate cu evenimente asociate fibre cum sunt imbinarile.

Absorbtia este al doilea tip de atenuare intriseca in fibre. Lumina este absorbita din cauza proprietatilor chimice sau a impuritatilor naturale din sticla. Spre deosebire de difuzie absorbtia poate fi limitata prin controlul cantitatii de impuritati din timpul procesului de fabricare. Absorbtia conteaza in 3-5% din atenuarea fibrei.

Cea mai mare problema pe care o are orice fibra optica consta in pierderile de un fel sau altul. Asemenea pierderi, cum ar fi absorbtia unei parti din energia luminoasa de sticla insasi, nu poate fi ocolita.

Atenuarea extrinseca poate fi cauzata de doua mecanisme externe: macrobending si microbending. Amaudoua cauzeaza o reducere a puterii optice.

Macrobending

Daca se impune o indoire a fibrei optice, aceasta indoire va afecta indexul de refractie si unghiul de admisie al razei de lumina in acea regiune. Ca rezultat, lumina care traverseaza miezul se poate refracta in exterior si au loc pierderi. Pierderea este, in general, reversibila odata ce indoitura este corectata.

Pentru a preveni fenomenul de macrobending, toate fibrele optice (si cablurile de fibre optice) au specificata o raza de indoire minima care nu ar trebui depasita. Este o restrictie despre cat de mult poate fi indoita o fibra optica pana sa ridice probleme in performanta optica sau mecanica. Regula pentru raza de indoire este de 1 pentru fibra single-mode goala; de 10 ori diametrul exterior al cablului pentru cablul ne-armat si de 15 ori diametrul extern al cablului pentru cablul armat.

Microbending

A doua cauza extrinseca a atenuarii este microbending, care este o distorsiune la scara, in general un indicator al presiunii pe fibra. Microbending este legat de temperatura, forte de tragere si de presare. La fel ca si macrobending, acesta va cauza o reducere a puterii optice in sticla. Microbending este localizat precis si de aeeea poate sa nu fie bine vizibil la o inspectie. La fibra goala poate fi reversibila insa in procesul de cablare, nu.

Saturarea, este inversa atenuarii si inseamna ca semnalul este prea puternic. Desi saturarea nu este un factor de limitare in acelasi sens ca si atenuarea si dispersia, trebuie totusi luat in considerare la proiectarea unui sistem cu fibra optica. Daca semnalul e prea puternic, receptorul poate fi suprasaturat ceea ce poate duce la erori la date sau imposibilitatea de a detecta semnalul. In aceasta situatie este necesar sa adaugam atenuatori in sistem pentru a aduce semnalul la un nivel acceptabil.

Dispersia este imprastierea semnalului luminos care traverseaza fibra optica si este cauza limitarii latimii de banda in fibra optica. Deoarece impulsurile se imprastie ele tind sa se suprapuna si nu mai sunt detectate de receptor valorile de 1 si 0. Impulsurile luminoase lansate prea aproape unele de altele (rate mari de date) care se imprastie prea mult (dispersie mare) au ca rezultat erori si pierderi de informatie.

Dispersia limiteaza cat de repede, ce cantitate de informatii poate fi transmisa prin fibra optica. Problema de baza cauzata de efectul de dispersie este ca se limiteaza ratele la care datele pot fi transmise prin fibra optica. Daca amplitudinea luminii este modulata la o rata prea mare, dispersia tinde sa limiteze schimbarile astfel incat lumina este de aproape o amplitudine constanta la capatul departat al fibrei. Rezultatul este ca modularea nu este indescifrabila si toate datele se pierd.

Tipurile majore de dispersie sunt: dispersia modala, dispersia cromatica si dispersia prin polarizare (PMD).

Dispersia este calculata in picosecunde/nanometru si depinde de lungimea de unda si de lungimea fibrei.

Dispersia modala (numita si distorsiune multimode) este cauzata de lungimile diferitelor cai optice intr-o fibra multimode; diferite module traverseaza fibra pe diferite cai.

Fig. 15 - Dispersia modala la fibra optica

De exemplu, in figura 15 lumina intra sub diferite unghiuri si urmeaza caile m₀ si m₁ si fiecare cale are lungime diferita si deci ajunge la timpuri diferite.

Fibrele multimode au diametrul miezului de 50-62.5 microni. Toleranta este mai mica si deci constructia este mai usoara. Imbinarea si conectorii sunt mai usor de folosit. De obicei folosite pentru distante sub 2 km (rate de date diferite).

Prin constructia diametrului miezului ca o functie de lungimea de unda si indicii de refractie ai miezului si mantalei, unda poate fi constransa sa duca doar un singur modul al semnalului laser.

Fibre1e single-mode au diametrul miezului de 8-11 microni. Fibra single-mode nu are disperisie modala (cu cat diametrul este mai mare cu atat poate suporta mai multe moduri de propagare si deci efectul de dispersie modala va fi mai pronuntat. Pe de alta parte daca avem miezul destul de mic putem bloca toate modurile in afara celui principal, minimizand acest efect).

Dispersia cromatica este cauzata de diferite1e intarzieri ale diferitelor lungimi de unda ale luminii prin fibra optica. Dispersia cromatica are loc ca rezultatul paletei de lungimi de unda din sursa de lumina. Lumina de la lasere si LED-uri consta dintr-o paleta de lungimi de unda (laserele nu emit o singura lungime de unda). Fiecare dintre aceste lungimi de unda calatoresc cu o mica diferenta de viteza (diferite lungimi de unda de lumina calatoresc cu viteze diferite intr-un

mediu dat). La distanta acest lucru poate duce la imprastierea impulsului de lumina in timp.

Exemple de calculare a dispersiei:

Cum afecteaza o dispersie cromatica o legatura OC84 cu laser la +/- 1 nm linie spectrala? Bit period = 416 ps

2nm spectral band * 5 ps/nm/km = 10ps/km

Rezultat: rise/fall time este 25% din bit period pentru 10 km

OC192 cu 0,005 nm spectral width Bit period = 104 ps

0,005 nm spectral band *5 ps/nm/km = 0,025 pslkm

25% rise time dupa 100 km

Cu cat este mai fin laserul cu atat scad efectele dispersiei cromatice.[5]

Dispersia prin polarizare (PMD) este o proprietate a tuturor mediilor optice. Este cauzata de diferenta dintre vitezele luminii de propagare in principala polarizare ortogonala a mediului de transmisie.

In esenta componenta 'electrica' si ,,magnetica' a luminii se propaga prin fibra cu diferite viteze. Se pare ca sunt cauzate de inconsistentele din fibra insa nu se stie sigur. De obicei se intersecteaza la rate de date de peste 2,4 Gbps. Se masoara in ps/sqrt(km).

La fel ca si dispersia cromatica, PMD face ca impulsurile transmise sa se imprastie astfel incat modurile de polarizare ajung la destinatie dupa timpi diferiti. Pentru rate mari de date acesta poate duce la erori la nivel de bit la receptor sau limiteaza sensibilitatea receptorului.

Efecte neliniare

Efectele neliniare limiteaza cantitatea de date care poate fi transmisa pe o singura fibra optica. Proiectantii de sisteme trebuie sa fie atenti la aceste limitari si la pasii ce trebuie facuti pentru a minimiza efectele acestora. Efectele neliniare include: difuzia stimulata Brillouin (SBS), difuzia stimulata Raman, multiplexarea a 4 unde, modularea in propria faza, modulare cu faza incrucisata si intermodularea.

Compensarea efectelor limitarilor fibrei optice

O parte cheie in implementarea unui sistem bazat pe fibra optica este intelegerea a ceea ce este nevoie sa faci intr-un sistem pentru a manevra atenuarea, saturarea si dispersia. Odata cu avansul tehnologic si cu faptul ca se suporta rate mari de biti, acesti factori au devenit tot mai importanti deoarece impulsurile de lumina se apropie unul de altul in timp si sunt mai dificil de diferentiat de catre receptor. Sistemul trebuie proiectat pentru a compensa aceste caracteristici ale fibrei optice.

Unele dintre dispozitivele folosite pentru compensarea efectelor liniare si neliniare necesita conversia semnalului optic in electric si apoi inapoi in optic (numite OEO, regeneratoare de semnal optic-electric-optic). Acesta este scump in termeni de eficienta.

Amplificarea

Un amplificator este folosit pentru a mari puterea unui semnal optic care a fost degradat din cauza atenuarii. Amplificarea poate fi facuta fara a converti semnalul in semnal electric (nu necesita conversie OEO).

Retelele optice de tip regional, metro si Long-Haul au nevoie de obicei de un tip de amplificare sau regenerare in puncte intermediare pentru a compensa pierderile din cablul de fibra optica. Pentru retele regionale si metro amplificarea ofera un boost de putere suficient semnalului. Pentru distante mai mari de cateva sute de km, semnalul optic va avea nevoie de ceea ce se numeste cele 3 R-uri (,,3 R's'): Re-timing (verifica si compenseaza), Re-sharping (compenseaza atenuarea si/sau dispersia, ascute 'ochiul'), Re-generation (decodeaza complet si recreeaza fluxul digital de biti.

In esenta amplificarea inlatura atenuarea, dar introduce alte probleme. De exemplu cand     amplificatorul ofera un boost nivelului semnalului, ofera un boost si nivelului de zgomot si in plus adauga si el zgomot, micsorand astfel SNR (Signaf to Noise Ratio). Aceasta limiteaza numarul de amplificatoare care pot fi inlantuite impreuna.

Compensarea dispersiei

Pentru a mentine integritatea semnalului si inlaturarea efectelor dispersiei sunt necesare unele tipuri de compensare a dispersiei. Este posibil si de cele mai multe ori suficient sa cumparam un cablu care controleaza dispersia ('dispersion managed cable'). Acest cablu include fibra cu caracteristici pentru compensarea dispersiei de-a lungul cablului, eliminand nevoia unei compensari externe a dispersiei.

Pentru aplicatiile in care folosim fibra single-mode avem diferite solutii.

Dispersia cromatica este suma dispersiilor undelor ghidate (+, depinde de raza miezului si apertura numerica a fibrei precum si de lungimea de unda) si dispersia materialului ( - , depinde de materialul fibrei). Constructia fibrei poate varia cantitatea dispersiei undelor ghidate pentru a inlatura dispersia materialului la o lungime de unda dorita. Acest tip de fibra se numeste Zero Dispersion-Shifted Fiber (ZDSF).

Efectele neliniare sunt amortizate de dispersia, deci, shiftam (mutam) punctul zero al dispersiei un pic peste lungimea de unda cu care se opereaza. Acest tip de fibra se numeste Non - Zero Dispersion shifted fiber (NZ-DSF).

Dispersia poate fi pozitiva sau negativa. Dispersia negativa poate contracara efectele fibrei normale. Acest tip de fibra se numeste Dispersion Compensating Fiber (DCF) [4].

Regenerarea

Cand amplificarea sau compensarea dispersiei sunt insuficiente pentru a restaura semnalul la un nivel in specificatiile sistemului, este necesara procesarea semnalului - 3R's. Din pacate din punct de vedere al performantei, 3R's este scump deoarece semnalul trebuie convertit din optic in electric pentru procesare si apoi reconvertit in optic pentru a continua transmisia.

Acest proces consuma timp. Este preferata amplificarea cand aceasta este suficienta, pentru ca poate fi realizata fara conversia OEO.

Astazi, de obicei, regenerarea este necesara pentru distante de peste 50 mile (80 km).

Lansarea luminii

Odata ce transmitatorul a convertit semnalul de intrare electric in forma modulata a luminii care este dorita, lumina trebuie 'lansata' in fibra optica.

Dupa cum am mai mentionat sunt doua metode prin care lumina este cuplata la fibra optica. Una este pigtailing, adica infasurarea fibrei in jurul sursei de lumina. Cealalta este plasarea capatului fibrei in proximitatea LED-ului sau LD-ului. Cantitatea de lumina care va intra in fibra este o functie a urmatorilor factori: intensitatea LED-ului sau LD-ului, suprafata de emisie a luminii (aria), unghiul de admisie al fibrei, pierderile din cauza reflectiei si difuziei.

Intensitatea unui LED sau LD este in functie de constructia sa si este de obicei specificata in termeni de putere totala de iesire. Uneori aceasta este data de puterea actuala care este 'predata' intr-un anumit tip de fibra. Ceilalti factori fiind egali, cu cat puterea LED-ului sau LD-ului este mai mare cu atat este lumina 'lansata' mai puternic in fibra.

Aria (suprafata). Cantitatea de lumina 'lansata' in fibra este o functie de aria suprafetei de emitere a luminii comparata cu aria miezului fibrei care accepta lumina. Cu cat aceasta rata e mai mica cu atat mai multa lumina e lansata in fibra.

Unghiul de admisie al fibrei este exprimat in termeni de apertura numerica. Apertura numerica (NA) este definita ca sinus din jumatatea unghiului de admisie al fibrei. Valorile tipice pentru NA sunt 0,1 pana la 0,4 care corespund unghiurilor de admisie de 11 pana la 46 grade. Fibrele optice vor transmite numai lumina care intra sub un unghi care este egal cu sau mai mic decat unghiul de admisie pentru un anumit tip de fibra.

Alte pierderi. In afara de obstructii opace pe suprafata fibrei, mai este pierderea datorata reflexiei de la intrarea si iesirea fibrei. Aceasta pierdere este numita pierderea fresnell si este egala cu aproximativ 4% pentru fiecare tranzitie intre aer si sticla. Exista gel special pentru cuplare care poate fi aplicat intre suprafetele de sticla pentru a reduce pierderea cand eset necesar.

1.10 Proiectarea unui sistem bazat pe fibra optica

La proiectarea unui sistem cu fibra optica, trebuie luati in considerare mai multi factori - care contribuie la scopul final, acela de a asigura ca suficienta lumina ajunge la receptor. Fara o cantitate de lumina suficienta, intregul sistem nu va functiona corespunzator. Figura de mai jos identifica multi dintre acesti factori.

Fig. 16 - Sistem cu fibra optica

Urmatoarea procedura pas-cu-pas trebuie urmata pentru proiectarea unui sistem cu fibra optica.

1. Determinarea combinatiei corecte de transmitator/receptor optic bazata pe semnalul care va fi transmis (analog, digital, audio, video, RS-232, RS-422, RS-485, etc.).

2. Determinarea puterii de operare (AC, DC, etc.).

3. Determinarea modificarilor speciale (daca e cazul) necesare (impedanta, latimi de banda, conectori speciali, marimea speciala a fibrei).

4. Calcularea pierderii optice totale (in dB) in sistem prin adaugarea pierderilor cablului, lipirilor conectorilor. Acesti parametri sunt disponibili la producatorul echipamentelor optice si a fibrei optice.

Compararea pierderii obtinute cu pierderea permisa de receptor. Pentru a fi siguri se adauga un factor de siguranta de cel putin 3 dB pentru intregul sistem .

6. Verificarea daca latimea de banda este adecvata pentru trecerea semnalului dorit. Daca aceste calcule arata ca latimea de banda este inadecvata pentru transmiterea semnalului pe distanta necesara, va fi necesara selectarea unei alte combinatii de transmitator/receptor (lungime de unda) sau alegerea unei fibre premium cu pierderi mai mici [4].

1.11 Avantajele sistemelor bazate pe fibra optica

Sistemele de transmisie prin fibra optica - un transmitator si un receptor pentru fibra optica, conectate printr-un cablu de fibra optica - ofera o gama larga de avantaje, beneficii pe care traditionalele fire de cupru sau cablu coaxial un le ofera. Acestea includ:

- abilitatea de a transporta mai multa informatie si de a o preda cu mai mare fidelitate decat firul de cupru sau cablul coaxial;

- cablul de fibra optica poate suporta rate de date mult mai mari, si pe distante mai mari, decat cablul coaxial, facandu-l ideal pentru transmisii seriale de date digitale;

- fibra optica este total imuna la virtual toate tipurile de interfete, incluzand fulgerul si nu conduce electricitatea. De aceea poate fi in contact drect cu echipament si linii de electricitate cu voltaj mare. De asemenea, nu poate sa creeze circuite inchise cu masa (ground loops) de nici un fel;

- deoarece fibra de baza este facuta din sticla u se va coroda si un este afectata de majoritatea chimicalelor. Poate fi ingropata direct in toate tipurile de sol sau expusa la cele mai corozive atmosfere in uzine chimice fara o grija semnificativa,

- deoarece singurul purtator prin fibra este lumina un exista posibilitatea unei scantei de la un fir rupt. Chiar si in cele ai explozive (inflamabile) atmosfere nu este pericol de foc, si nici pericol de electrocutare a personalului care repara fibrele stricate;

- cablurile de fibra optica sunt virtual neafectate de conditiile atmosferice, putand fi lasate direct pe stalpii telefonici sau cabluri existente fara grija pentru semnal;

- un cablu de fibra optica, chiar si cel care contine mai multe fibre, este de obicei mult mai mic si mai usor decat un cablu coaxial sau un fir cu aceeasi capacitate de transport. Este usor de manuit si de instalat, si foloseste mai putin spatiu in conducte (poate fi instalat fara conducte);

- cablul de fibra optica este ideal pentru sisteme de comunicatii sigure (securizate) pentru ca este foarte dificil de interceptat dar foarte usor de monitorizat. In plus un produce absolut nici o radiatie electrica.[2]