Atenuatoare optice

39
Atenuatoare Optice 1. Cuprins: Introducere. 3 3 Atenuarea.4-5 4 Pierderele de absorbtzie de material.5 4.1Absorbtia intrinsecă.5-6 4.2 Absorbtia extrinsecă.6-8 4.3Atenuatoare optice variabile cu cel mai mic factor.9 4.4 Imbinarile fibrelor.9-10 4.5 Structuri constructive a conectorilor opticii.10- 11 4.6 Cuplaje, imbinari, conectori.11-13 4.7 Radiatia extern 4 . 0"diafonia optica .13-14 4.8 Difuzia material.14-15 4.9 Absorbtia materiala in fibra optică .14-16 4.10 Absorbtia materiala in fibra optică .16-17 4.11 Radiatia neinterceptată .17-18 4.12 Fractiunea de impachetare.18 4.13 Diverse atenuări de valoare redusă .19-21 4.14 Atenuarea radiatiei la imbinarea fibrelor ofitice .21 5. Concluzia .22 6. Bibliografia.23 - 1 -

description

Niste info despre atenuare si atenuatoare optice

Transcript of Atenuatoare optice

Page 1: Atenuatoare optice

Atenuatoare Optice

1. Cuprins:

Introducere. 3

3 Atenuarea.4-5

4 Pierderele de absorbtzie de material.5

4.1Absorbtia intrinsecă.5-6

4.2 Absorbtia extrinsecă.6-8

4.3Atenuatoare optice variabile cu cel mai mic factor.9

4.4 Imbinarile fibrelor.9-10

4.5 Structuri constructive a conectorilor opticii.10-11

4.6 Cuplaje, imbinari, conectori.11-13

4.7 Radiatia extern 4 .0"diafonia optica .13-14

4.8 Difuzia material.14-15

4.9 Absorbtia materiala in fibra optică .14-16

4.10 Absorbtia materiala in fibra optică .16-17

4.11 Radiatia neinterceptată .17-18

4.12 Fractiunea de impachetare.18

4.13 Diverse atenuări de valoare redusă .19-21

4.14 Atenuarea radiatiei la imbinarea fibrelor ofitice .21

5. Concluzia .22

6. Bibliografia.23

INTRODUCERE- 1 -

Page 2: Atenuatoare optice

Factorii care afecteaza cel mai mult performanțele fibrelor optice ca mediu

de transmisie sunt atenuarea şi lățimea benzii. Aceste caracteristici de

transmisie au un rol important în procesul de comunicare prin fibrele optice.

Utilizarea pe larg a fibrelor optice a stimulat mult dezvoltarea

comunicațiilor optice prin ghizii de sticlă si siliciu curat. Cercetarile ulterioare

privind atenuarii au aratat absorbția cauzată de impuritațile din sticlă, stimuland

investigerile și descoperiri în domeniu sticlelor pure pentru comunicațiile prin

fibre optice. În prezent, se folosesc fibre cu pierderi de ordinul a 0,2 dB/km.

După cum atenuarea determine distanța de transmisie a semnalului,

dispersia limitează lătimea benzii fibrei optice. Altfel zis, limitează numarul de

biti a informației transmise intr-o perioada dată de timp.

I ATENUAREA

- 2 -

Page 3: Atenuatoare optice

Atenuarea - este fenomenul prin care semnalele electromagnetice îşi pierd

din puterea inițială (cu care au fost transmise in mediu) o data cu creşterea

distantei. Acest fenomen apare din cauza faptului ca mediul de transmisie

absoarbe o parte din energia semnalelor. Din acest motiv se impun limitari ale

distanței pe care un semnal o poate parcurge fara a pierde prea multă energie(și un

o să fie observat la ieșire). Cu cat semnalul este receptionat la o mai mare

distanta fața de sursă, cu atît posibilitatea de a fi decodificat corect este mai

mica din cauza atenuarii şi a interferențelor.

Atenuarea semnalului este un factor foarte important in procesul proiectării

sistemului de comunicații prin fibre optice, precum şi a oricăror altor sisteme de

comunicatii. Din cauza, că receptoarele necesita că puterea de intrare a lor sa fie

mai mare decît un anumit nivel minimal, atunci pierderile de transmisie determine

distanta maximă de signal pînă la care este posibil transportul semnalului.

Comunicațiile prin fibre optice au inceput se devina mai atractive cand aceste

pierderi ale fibrei au fost reduse mai jos decat ale conductorilor metalici.

Principalele puncte ale sistemului de comunicații prin fibre optice unde au

loc pierderile de semnal sunt conectorii, cuploarele de intrare, îmbinarile, precum și

în însăși fibra optică. În capitolul dat vom cerceta doar pierderile din limitele fibrei

optice, cele alte le vom studia in capitolele urmatoare. Atenuarea constă in

micșorarea puterii impulsului, care are loc datorită absorbției luminii în fibra

optică. Menționăm că doar impuritațile din sticlă absorb lumina, iar insăși sticlă nu

absoarbe lumina la lungimea de unda de operare. Pe cînd variațiile in

uniformitatea sticlei cauzează doar imprăștierea luminii, care de asemenea, este

dependentă de lungimea de unde a luminii. In fibrele optice moderne

majoritatea pierderilor au loc doer datorits imprs~tierii luminii in interiorul fibrei

Atenuarea semnalului in interiorul fibrei optice se exprims, de obicei, in

decibeli (dB). Este un termen general folosit pentru a descrie scederea puterii optice

intre dour puncte, la o lungime de unda data. Deci atenuarea AT poate fi exprimats

prin relatia .

- 3 -

Page 4: Atenuatoare optice

AT(dB)=-10•lg P,. (3.1)

P1e

unde P; este puterea optice de intrare (transmisa) prin fibra, iar P1e este

puterea optics la iqirea fibrei (receptionats). Fiecare tip de fibre optice este

caracterizat de un coefficient de atenuare in decibeli pe o unitate de lungime a fibrei

optice (de exemplu dB/km), mesurat la o anumits lungime de unda a luminii

incidente. In domeniul comunicatiilor prin fibre optice se folosqte frecvent

expresia:

(AT )dB • L=10 • lg P, (3.2)

Pe

unde (AT)dB este atenuarea semnalului in decibeli pe o unitate de

lungime, iar L este lungimea fibrei optic.Atenuarea semnalelor optice depinde, in

primul rand, de proprietetile proprii ale fibrelor optice, iar in al doilea rand, de

procesele fizice ce au loc la transmiterea luminii. Conform datelor experimentale

reprezentate in figure 3.1 pierderile in fibra din plastic sting valori de 120 - 160

dB/km in diapazonul lungimii de unda de 0,5 = 0,7 µm, in fibra multimod aceste

pierderi sting valorile de I _ 8 dB/km in diapazonul 0,75 = 1,2 µm, iar in fibra

monomod pierderile sunt minime: 0,1 - 1,2 dB/km in diapazonu10,85 _ 1,75 µm

[2,3].

0,01 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 ?,„ µm

Fig. 1. Pierderi de semnale in diferite fibre optice. Realizsrile realer 1 - cu

fibre din plastic; 2- multimod; 3 - cu laser stimulat; 4 -

telecomunicatii; 5 - cu laser stimulat; 6 - telecomunicatii; 7 - monitor

cu fibre optice.

Pentru intelegerea problemelor ce tin de proiectarea ~i fabricarea fibrelor optice

cu pierderi joase in domeniul lungimilor de unde de la 0,5 µm pans la 1,6 µm,

vom studia mecanismele pierderilor in interiorul lor. Atenuarea semnalului in - 4 -

Page 5: Atenuatoare optice

interiorul fibrelor are loc datorits mecanismelor ca compozitia materialului,

metodelor de purificare 5i de preparare, precum 5i structure ghidului de

unde.Pentru fibrele de bioxid de siliciu mecanismele responsabile de atenuarea

semnalului la frecvente joase sunt:

- absorbtia fundamentale de material a sticlei;

- pierderile de tip Rayleigh;

- pierderile datorita impuritatilor;

- pierderile de curbura ale fibrei.

Pentru atenuarea semnalului la frecvente inalte mecanismele responsabile

sunt:

- dispersia modala ~i

- dispersia spectrala.

II. PIERDERILE DE ABSORBTIE DE MATERIAL

Pierderile de absorbtie de material constau in disiparea unei parti a puterii

optice a semnalului transmis prin fibra optica. Aceste pierderi ce au loc datorita

compozitiei materialului, proceselor de reducere pot fi

- intrinseci 5i

- extrinseci.

Absorbtia intrinseca este cauzata in silica de catre rezonanta. Absorbtia este mai

mica decat 0,03 d/km in regiunea lungimilor de unda 1,3 µm - 1,6 µm.

Absorbtia extrinseca in fibrele din silica este cauzata de astfel de impuritati ca

Cu, Ni, Fe, Mn, Cr etc. in regiunea lungimilor de unda 0,65 µm - 1,6 µm. Insa in

fibrele moderne principala cauza a absorbtiei extrinseci o constituie ionii OH [3].

Din aceste considerente vom incepe cu caracteristicile principalelor materiale

din care se produc fibrele optice.

1.Absorbtia intrinsecă

Sticla pură absoarbe intens lumina in limitele unor regiuni specifice ale

- 5 -

Page 6: Atenuatoare optice

lungimii de unda. Aceasta proprietate a sticlei se numeste absorbtie intrinseca. Ea

are doua mecanisme majore de absorbtie la lungimile de unde optice, care lasa o

fereastra de absorbtie intrinseca joasa in diapazonul lungimilor de unde de la 0,8

µm pana la 1,7 µm. Absorbtia intrinseca este foarte mare in regiunea

ultravioleta a lungimilor scurte de unda a spectrului electromagnetic. Aceasta are

loc datorita stimularii tranzitiei electronilor in limitele sticlei, datorita excitarilor

cu energii inalte.Atenuarea optica fata de lungimea de unda caracteristica sticlei

pure .

Un alt pic al absorbtiei intrinseci are loc in regiunea infrarosu. Insa picurile sunt

intre 7 µm şi 12 µm, adica sunt departe de regiunea de interes. Pierderile in

infraro$u sunt asociate cu vibratiile legaturilor chimice, astfel ca Si-O. Energia

termica face ca atomii sa se mişte constant, astfel legatura Si-O se contractA şi

se extinde continuu. Aceasta vibratie are o frecventa de rezonanta in diapazonul

infrarosu. Mecanismul dat al pierderilor in infraroşu de asemenea contribuie

putin in diapazonul de interes al lungimilor de unda .

Se poate trage concluzia ca pierderile intrinseci nu sunt importante in regiunea

lungimilor de unda in care opereaza sistemele de comunicatii prin fibre optice.

Insa aceste pierderi ingreuneaza extinderea sistemelor cu fibre spre regiunea

ultravioleta, adica spre lungimi de unda mai mici.Totuşi efectele acestor procese de

absorbtie intrinseca pot fi minimizate prin alegerea convenabila a compozitiilor

miezului şi invelişului optic.

2. Absorbtia extrensecă

Absorbtia extrinseca in fibrele optice practice, este cauzata de catre

impuritati ce constituie o sursa majora a pierderilor. Adica in acest caz, se mai

spune ca, atenuarea semnalului este determinata de absorbtia extrinseca.

Principalele tipuri de impuritaji in fibrele optice sunt ionii OH şi ionii metalelor

de tranzitie. Impuritatile metalice, astfel ca Fe, Cr, Ni, Cu, Co, V, Mn, cauzeaza

absorbtii intensive in regiunea lungimilor de unda utilizate in comunicatiile prin

- 6 -

Page 7: Atenuatoare optice

fibre optice. Din aceasta cauza concentratiile acestor impuritati nu trebuie sa

intreaca nivelul chiar al unei parti din 109 pentru a mentine pierderile sub valoarea

dorita . In prezent, metodele de purificare a bioxidului de siliciu au fost

imbunatatite pana la nivelul cand impuritatile nu mai prezinta dificultati.

Mecanismul pierderilor in metale este determinat de invelişurile electronice

exterioare, care sunt incomplete. Absorbtia luminii cauzeaza trecerea electronilor

de pe un nivel electronic mai jos pe altul mai inalt. Valorile acestor energii de

tranzitie corespund fotonilor a caror frecvente sunt in regiunea comunicatiilor

optice.

Practic, este necesar de minimizat principalul tip de impuritate - ionul hidroxil

OH, care este cauzat de prezenta apei. Este extrem de dificil de a elimina apa din

fibra optica pe parcursul fabricarii. Mecanismul pierderilor cauzat de ionii OH

are la baza vibratiile de extindere. Atomii de oxigen §i hidrogen vibreaza

datorita mi5carii termice, avand frecventa de rezonanta de 2,73 µm. Cu toate ca

picul acestei absorbtii este in afara benzii utilizate in comunicatiile optice, au loc

benzi de combinatie a acestor rezonante la lungimile de unda din diapazonul de la

0,9 µm pana la 1,4 µm.

Varful de absorbtie reprezentat in figura 3 este la aproximativ 1,4 µm §i este

extins datorita prezentei ionilor OH. De mentionat ca acest varf este mai inalt

decat cel reprezentat, fiind de pana la 4 dB/km. Pentru atingerea unor atare

rezultate este necesar ca impuritatea OH sa aiba concentratii mai mici de

cateva parti la 106 parti. In interiorul regiunii cu pierderi intrinseci joase, doar

absorbtia ionilor OH dicteaza care lungimi de unda trebuie ocolite pentru

propagarea eficienta a semnalului .

Defectele atomare contribuie de asemenea, la absorbtia fibrei optice. Aceste

defecte pot fi cauzate de iradiatia sticlei cu electroni.

- 7 -

Page 8: Atenuatoare optice

Fig. 3. Spectrul schematic al atenuarii fibrei optice.

Curba reprezentată prin linie continua reprezintA pierderile totale ale fibrei

monomod moderne din sticla care contine cateva procente de Ge02 in miez, iar

curba intrerupta de sus reprezinta fibra multimod moderna cu indicele gradat.

Aceste pierderi descresc pana aproape de 1,3 µm, ca apoi sa creasca dupa 1,55

µm. Pierderile in fibrele cu continut mare de bioxid de siliciu sunt de 2,5 dB/km

pe kilorad al dozei de radiatie.

Ca rezultat al celor expuse, se poate de separat diapazonul lungimilor de

unde utilizate in comunicatiile prin fibre optice in trei regiuni:

- banda lungimilor de unde scurte;

- banda lungimilor de unde medii si

- banda lungimilor de unde lungi.

Banda lungimilor de unde scurte se afla la aproximativ 0,8 - 0,9 µm.

Aceasta banda a fost utilizata pe scara larga in anii 1970 - 1980, datoritautilizArii

surselor optice §i a detectorilor ieftini, precum si a atenuarii joase .Banda medie a

lungimilor de unde se afla in apropierea a 1,31 µm, care a inceput sa fie utilizatA

prin 1985. In zilele noastre aceasta regiune este atractivA datoritA dispersiei zero a

fibrei monomod. Atenuarea este sub valoarea de 0,4 dB/km. Majoritatea

sistemelormoderne de comunicatii magistrale functioneaza in aceasta banda.

AT,dB/km

3. Atenuatoare optice variabile cu cel mai mic factor

- 8 -

Page 9: Atenuatoare optice

Prezentate ca cele mai mici dispozitive de tipul lor, atenuatoarele optice

variabile cu cristale lichide PolarTune suporta atenuari si reglari de putere in timp

real. Eficace atat in aplicatii dinamice cat si in cele de tip set-and-forget,

dispozitivele usureaza migratia retelelor optice de la proiectare statica catre o

proiectare dinamica si catre sisteme configurabile de la distanta. Disponibile in

modelele de 5 si ±12V, dispozitivele au pierderi de insertie sub 0,6dB si pierderi de

polarizare mai mici de 0,1dB pentru un domeniu de atenuare de la 0 la 10 dB si

mai mici de 0,2 dB pentru domeniul de atenuare de la 10 la 20 dB. Dispozitivul

functioneaza cu lungimi de unda de la 1.525 la 1.570nm (banda C) sau de la 1.570

la 1.610nm (banda L). Dimensiunile carcasei sunt de 12 x 5,5 x 8,3mm pentru

dispozitivele de ±12 V, iar pentru dispozitivele de 5V dimensiunile sunt de

27,5mm (cu IDE) sau 20,0mm (cu ASIC) x 5,5 x 8,7mm (cu IDE) sau 8,2 mm (cu

ASIC). Chorum Technologies Richardson

4. Imbinarile fibrelor

Imbinarea fibrei optice este o conexiune permanenta cu pierderi joase intre

doua fibre individuale. Proiectarea sistemului inainteaza anumite cerinte fatra de

proprietatile optice ale conexiunilor fibrelor (astfel ca pierderile joase), fapt ce

poate fi satisfacut prin utilizarea anume a imbinarilor fibrelor.

Acestea de asemenea permit repararea fibrelor optice deteriorate pe parcursul

instalarii, tensionarilor, a accidentelor, precum şi a rearanjarii retelelor. Insa, cel

mai frecvent imbinarile fibrei se folosesc pe parcursul instalarii legaturilor

magistrale prin fibre optice in locurile unde nu este necesara.

Astfel se obtin urmatoarele reiatii circa aproximartiv „plaj datorate

nealineerilor dintre cele doua fre’’

Daca suprafetele terminale ale fibrei nu sint pe pendiculare pe asa optice, ceea

ee se intimpla --afrecvent la prelncrarea for grin rupere decit la prelucrarea

prin sirfuire, apare o atenuare suplimentar datorita modifică:rii unghiului ? cu o

cantitate undo y este abaterea unghiulard cie neperpendicularitate produsa la

- 9 -

Page 10: Atenuatoare optice

capatul fibrei, n este indicele de refractie al fibrei, no indicele de refractie al

mediului de separatie. Jaca n = no atenuarea suplimentara se anuleaza. Pentru un

set de valvri reprezentative ale fibrelor cuplate, (7 = 20 µm, A,, - 0,2 se obtin

atenuari de nealineere de 0,2 dB, fie Jaca d = 1.5 ;em, fie dace n = G,5° dace

sau s ---= 7 am.)De fapt aceste nealineeri sent greu de evitat practic intr-un cuplaj

optic; aceasta explica limpede ce probleme deosebite se ridica la executia unui

cuplaj on atenuare redusa, in special in cnplajele demontabile, in comparatie on

imbinarile permanente, deoarece o actionare repetata poate introduce atenuari de

valori diferite.

5. Structuri constructive a conectorilor opticii

Constructia conectorilor optici, folositi in cuplarca unor manuncniuri de fibre

optice (cu diametrul mare, de peste 0.5 mm) nu a-r dicat pine acum probleme

deosebite intrucit tolerantele mecanice impuse unor astfel de conectnri, de

ordinul zecin:ilor de milimetru, s-, obtineau u<or prin tehnologia folosita in

realizarca conectorilor electrici traditicnali (BNC, TNC, SMA). Trebuia numai sa se

evite frecarea capeteior fibrelor ce se cupleaza, asigurindu-se totusi o distanta

sufficient de mica intro acestea, astfel ca pierderile prin difractie i nealineere sa

se incadreze in valoarea admisa, de circa 0,2 dB. Pentru un manunchi de fibre

cu diametrul de 1 mm o separatie de 100 um dintre capetele color doua cabluri

asigura toleranta permisa. Pierderile totale in acesti cuplori standard se

incadreaza de regula intro 2,5 si 3,5 dB. Se poate vedea un capat de cablu optic,

fixat cu ajutorul unei rasini siliconice intr-un conector-stecar clasic, tip SMA,

folosit de regula la cuplarea cablurilor coaxiale de diametru mic. Alaturi de

cablul optic se prezinta un':fotodetector fixat in conectoruY-prize corespnryra`tor

SMA, prin interinediul caruia se poate cupla cu Cablul optic.

Îmbinarea permanenta sau demontabila a-fibrelor optice individuale este

mult mai greu de realizat, tinind seamy de tolerantele micepermise in cuplaj. Cu

toate acestea se realizeaza curent imbinari cu atenuari sub 0,5 dB.Polisterul

mentine stabilitatea dimensionala a cablului, avind o temperatura de topire mai

ridicata decit polietilenul. Polietilenul este in schimb usor de prelucrat termic si

- 10 -

Page 11: Atenuatoare optice

la o anumita temperatura si presiune se poate mula in jurul fiecarei fibre optice, ca

in figura.Rezistenta mecanica a acestei panglici optice, numite LAIVIFIR, depinde

de numarul de fibre optice; ea creste odata cu acest numar.

Proprietatile sale optice depind in principal de valoarea raportului tJd,

in care r este distanta dintre centrii fibrelor si d diametrul acestora; ele scad

cu cresterea acestui raport. Daca t/d < 1,3 iar AN = 0,15, pierderile

suplime.aare de radiatie introduse de acest tip de structura se mentin sub 2

dB/km.

Cu o banda din fibre optice ca cea din figura 5 se pot confectiona usor cabluri

optice de mare rezistenta folosite in legaturile telefonice la distanta. S-a realizat

astfel o legatura subterana pe cablu optic cu atenuarea sub 10 dB/km, pe distanta

de peste 1 km. Cablul optic putea suporta o greutate de 2,4 tone pe metru

(lungime) §i o forta de tensionare de 400 kgf, la o raza minima de curbura de 30

cm. Elementul optic util in constituia o platbanda din cel mutt 12 fibre optice

infasurate elicoidal in jurul unei bare din plastic, in interiorul unui-sant din aceasta

banda, asa cum se observa in figura 2.18 b. Raza minima de infasurare era de cel

putin de 7,5 cm; inalj=imea minima a;Rktbenzii a fost de 6 mm. Acest ansamblu

era antrodus intr-un tub d alummitxcu diametrul de 1,9 cm, acoperit cu ' a

camasak inferna dir~~olieti,len. Peste aceasta camasa s-a bobinat o alta cama,5a

din fir de o jel, acopen

in final cu o cama§a externa, tot din"polie01en. Diametrul Aterior-al cablulu

6. Cuplaje, imbinari, conectori

Atenuari in cuplajele unui sistem de comunicatii prin fibre optice

Asa cum s-a mentionat la inceputul lucrarii, intr-un sistem de comunicatii

prin fibre optice exista trei tipuri deosebite de cuplaje in care pot aparea atenuari

suplimentare ale radiatiei: cuplajul de intrare, dintre sursa• de radiatie (o dioda

luminescenta sau o dioda laser) si cablul optic, cup{aje intermediare intre diverse

segmente de cablu optic, numite de regula imbinari si in sfirsit cuplajul de iesire, - 11 -

Page 12: Atenuatoare optice

dintre cablul optic şi fotodetectorul receptor. '

In aceste puncte de cuplaj radiatia sufera atenuari caracterizate de relatia

generala:

unde Pi este puterea radiatiei la intrarea in cuplaj, iar P2 este puterea radiatiei

luminoase la iesirea din cuplaj. Atenuarea totala a radiatiei in canalul optic de

comunicatii se va calcula atunci cu relatia generala:

a 1' - aF 1 al + aE + N - ac (2.2)

unde L este lungimea fibrei, in km, aF este atenuarea specifica a fibrei optice

in dB/km, a, si a$ sint atenuarile in cuplajul de intrare si respectiv de iesire din

cablua optic, iar N§i a, sint numarul de cuplaje intermediare ~i respectiv atenuarea

medie in aceste cuplaje~.

6.1 Atenuari in cuplajul de intrare

Exista cinci cornponente principale ale atenuarii unei radiatii incidente in

cuplajul de intrare in fibra optica.

Radiaţia neinterceptata reprezinta portiunea- din- puterea sursei ce nu ajunge

la capatul manunchiului de fibrese concentreaza in stratul exterior din borat de

sodiu, care se departează în aceasta prima etapa impuritaiţiile metalelor de

tranzitie, Fe, Cu etc.care moleculele de borat de sodiu se separa de structura din

silica (Si02)600°C, timp de citeva ore, obtinindu-se o stare cristalina bifazica

inbomsilicat de sodiu, este mai intii tratata termic la o temperatura destandard

in forma de bare, . Bara cilindrica, de exemplu dinIn procedeul cusepararea

fazelor se folosesc de regula sticle- opticeporoasa, asemanatoare cu cea a

preformei obtinute prin metode DESV,Inainte de sinterizare. Bara este apoi

impregnata intr-o solutie saturatede exemplu CsN08i si apoi spalata, ob(:inindu-se

o suprafata exterioară a fibrei. In continuare, bara din Si02 este uscata prin

suflare de gazeregiunea exterioaa, saraca in dopant, va constitui in final

învelişul barei din care se va trage In continuare miezul fibrei optice, pe cind

saraca In dopant (Cs) ; dopantul ridica indicele de refractie din interiorull rent!, ca

- 12 -

Page 13: Atenuatoare optice

In tehnologia DCSV. In final, fibra optica este trasa la tempeinerte si sinterizata

termic, obtinîndu-se un lingou de silica transparentă si de dimensiunile mici ale

preformei oblinute.dopant.deanare, puritate chimice, de numărul mare de etape

ale proceavantaje. Caracteristicile principale ale procedeului sunt dotate în

numeroase Iaboratoare ; s-a trecut deja la o produc{ie limi ratura ridieati prin-

tehnica cunoscuta. Metoda expusa aici este in stu descreste, in general, cu

cre*terea lungimii de unda. Din aceasta

Ele corespund domeniilor spectrale de emisie ale diodelor laser GaAs-

GaAIAs, intre 800-900 nm şi laserilor semiconductori cu InGaAsP, pentru X =

1100 ... 1300 nm. Lucrind - cu surse laser care emit radiatie apropiata de

ultraviolet (sub 500 nm) atenuarea cre§te mult ca urmare a difuziei Rayleigh ,şi

absorbiriei in ultraviolet,

Lucrind cu radiatie in infrarosul apropiat,incidicele de absorbţie cu maximul

de 2700 . nm. Intre 700 si00 nm, o crestere a atenuarii peste 2 dB/km se dato-

reste numai asorbtiei in ionii OH. Eliminarea moleculelor reziduale de apa duc la

scaderea absprbtiei si difuziei diametrul miezului de 1,18 µm si un indice

diferenta 0= 0,001 (daca lungimea de unda a radiatiei incidente este ~= 0,63

~tm) se obtin coeficientii Ci z 104; C2 -_ 100,

80100 10 4 60 80100

d miez (}um) d m iez ( um 1

Variatia raportului dintre diametrul inveli~ului curbur5. si a cimpului in

diametrul miezului unei fibre optice pentrn diferite .

Pentru o curba de raza R=0,18 m rezulta x, = 8,68 dB/km. DubJfnd raza de

curbura;- a; descreste de 6,5 • 10' ori, ceea ce face atenuarea practic neglijabiia:

In concluzie, pentru A > 0,001, atenuarile induse de curbarea fibrelor

optice sint neglijabile, atunci cind raza de curbura depasqte 1 cm, (1.33].

7. Radiatia extern 4 .0"diafonia optica

- 13 -

Page 14: Atenuatoare optice

In procesul de propagare IrTadiatiei printr-o fibra optica o parte a radiatiei

se propaga in inveliş în acelasi timp, o parte fnsemnata a radiatiei difuzate in

miez este cantata de inveli§ unde sufera efecte de pentru rare trebuie luate in

consideratie atenuare. Acesta este motivul, atit atenuarile radiatici in invelis`, cit

şi pierderile de radiatie in exteriorul fibrei optice.Pierderile externe de radiatie se

i'educ prin depunerea pe suprafata fibrei optice a unui strat subtiie alisorbailt,

antireflex. Acest lucru va produce atenuarea prin absnrbtie a unei ;iarti a

radiatiei, dar va impiedica difuzia radiatiei in exterior §i dia#om>le, optice cu alte

fibre optic e alaturate.ca se pot redire . ~' stfel la minimum, diafoniile

Se va propaga 3n învelis. Totusi, pentru reducerea optică introduse de

radiatia ce se cerea pierderilor prin absorbtia supbiilend era datorate depunerii

absorbtiei corespunzatoare grosimii bandei ce se prefera; in general o

dimensloflare fnvelisului.

Astfel, pentru fibrele nMi.ttfMod, fn figura 9 se dau indicatii cantitative asupra

alegerii' raportului F dmtre diametrul 19 .astfel, curbele de variatie a diametrilor

pentru dnua valori ale lungimii de unda a radiatiei ineidente, X= 1060 nm si X

= 900 nm. Criterjul de alegere al diametrului fnvelisului cere ca. 90% din radiatia

incidenta sa aiba pierderi externe ai.mici de 1 dB/km, ca urmare a absorbtiei sau

difuziei radialiei in invelis.

De exemplu, pentru un diametru al in~elisului de 100 ~m si 0= 0,02, din fig.

1.34 se gase~te pentru X = 900m nm un raport al diametrilor, d/2d = 1,33,

din care rezulta grosimea invelisului 12 µli~ si diametrul iniezului, 2a, de 75 µm.

In final, trebiiie mentionat ca pot aparea atenuari ale radiatiei in invelis,

produse de :diferenta dintre coeficientii de atenuare prin absorbtie. Se tie ca nu

s~ pot obtine indici de refractie diferiti, intre inveliş şi miez, decft printr-o

compozitie diferita a materialului dielectric. De aceea defineste un coeficient

echivalent de atenuaye al fibrei optice:unde am si a; sint coeficientii de atenuare

ai miezului, respectiv al invelisului, AN este apertura numerica, a este raza

miezului si k este numarul de unda al radiatiei incidente,

- 14 -

Page 15: Atenuatoare optice

Deoarece' fn mare parte radiatia se propaga prin ,miezul fibrei optice,

atenuarea totala a

- ionul Cu2 cu conccntratia 2,5 X 10-9 (cm--3), prcduce aceea ;i atenuare ;

- ionul Fe2t cu concentratia 1 X 10-e (cm 3), produce aceeasi atenuare ;

- ionul Cr3+ cu concentratia I X 10'9 (cm 3), produce aceeasi atenuare.

Pentru a area o atenuare redusa a radiatici laser incidente este deci

necesara o mare puritate a sticlei optice. Au fost realizate, de exemplum fibre optice

unimod cu atenuari prin absorbtie de numai 0,3 ... 0,5 dT3f Lm.

8. Difuzia materială

Radiația laser sufera intr-o fibra optica diverse procese de difuzie pasivă sau

activă incluzind difuzia Rayleigh, difuzia 117ie, difuzia Rarnata stin-n--lata si

difuzia Brillouin stimulata.Difuzia Rayleigh este prezenta in toate tipurile de

fibre optice.Coeficicntul de atenuare prin difuzie Rayleigh nu depinde de intensi

tatea cimpului de radiatie incident. Ea poate fi produsa de difercnte de cempozitie

si densitate, de separatii de faza etc. coeficientul de atenuare prin difuzie

Rayleigh variaza proportio nal cu ;. 0 sticla optica buna duce la atenuari prin

difuzie Radiatiei h mai mici de 0,9 dB/km, pentru lungimea de unda de 1 µm.

Difuzia Rayleigh apare atit in miez, cit si in invelisul fibrei o)-L:ce,

9.Consideratii practice asupra atenuarii s i radiatiei in fibrele

optice

S-a văzut ca atenuarea radiaiiei laser in fibrele optiee se explica fn principal

prin, fenomenele de absorbjie si difuzie. Absoikia se datoiFeste ionilor de

impuritati prezenti.m materialul fibrei optice, constind l din ioni metalici si=ioni:

OH-. Procedeele actuale.-de fabriuatie a stictei ,optice permit reducerea

continutului de impuritaii metaltCe din fibra optica. Atenuarea prin difuzie este

îndeosebi consecinta fluctuaţiilor teimice si neomogemtatilor de constructie si de

material al fibrei optice. Difuzia este dependenta de lungimea de unda a radiatiei - 15 -

Page 16: Atenuatoare optice

incidente si necesita puteri de radialie incidente ridicate, aceste efecte

nelineare introduc o limitare superioara a niyelului de putere al fasciculului

laser incident.Orice fibra optica va,radia in exterior;daca nu este rectilinie.

Deoarece cimpul electric. din inveliose extinde spre valori mari ale lui x,

aceasta implica o arestere a vitezei de grup a undelor ,electromagnetice pe

direclia de propagare,

unde Cl si C2 sint constante independente de raza de curburA. Distribulia

exppneut.14A a: coefieieutul4 de atenuare ; Schema practic: ca poate lua

valori extrem de diferite pentru variţlii. mici ale razei de curbura R. De exemplu,

considerind o fibra optica subti:re, cu In figura 1.30 se observa cuiba cunoscuta ;

pentru la = 0, x=«Dp dispersia este minima si creste rapid daca diferenta ja- aoD; se

mare;. Pentru profilurile cu depresiune, valoarea lui a nu mai cste atit de

critica, de;i <-a creste in valoare absoluta. Punctul de dispersie minima,

«,V,cind h creste. Acest lucru poate fi explicat fizic prin faptul ca mcciurile de

ordin mic, care se propaga in apropierea axei fibrei, sint afectate puternic de

depresiune,,iar timpul de propagare de grup scade cind h creste, deoarece -, 9

este direct proportional cu n. :4Sodurile de ordin ridicat care se propaga pe raze

mai mari vor fi afectate prin cresterea razei depresiunii. Din exanunarea

raspunsului in impuls rezulta consideratii asupra prezentei si caracteristicilor

depresiunii mdicelui de refractie. S-a constatat ca prezenta acesteia medifica

indeosebi frontul anterior, crqterea lui h ducind la marirea acestuia.

10. Mecanismul de atenuare a radiaţiei in fibra optică

Un fascicul de radiaţie laser care se propagă printr-o fibră optică sufera o

atenuare datorita in general fenomenelor de absorbţie, difuzie şi difuzie stimulată.

Alte fenomene de atenuare sunt specifice fibrei optice, ca de exemplu difuzia

in înveliş şi efectul de radiaţie dintr-o serie de factori ca imperfectiunile

macroscopice ale materialului dielectric aparute in timpul tragerii fibrelor

optice si fabricarii cablurilor optice dintr-un manunchi de astfel de fibre,

- 16 -

Page 17: Atenuatoare optice

neregularitatile fibrei la suprafata dintre miez si invelis, grosimea insuficienta a

invelisului, microdeformari ale sectiunii fibrei, mici, dar numeroase, intro

duse in timpul cablarii, cuplari imperfecte intre fibre etc. pot produce atenua.ri

uplimentare si trebuie evitati cit mai mult posibil. Atenuarea radiatiei laser in

fibra optica este data indeosebi de:

- absorbtia materiala in fibra optica ;

- difuzia materlala ;

- difuzia geometrica a ghidului de unda ;

- radiatia de curbura a fibrei optice ;

- radiaiia externa si diafonia cptica.

11. Absorbtia materiala in fibra optică

Absorblia materiala este principalul fenomen de atenuare a radiatiei laser in

fibrele optice. Aceasta se produce datorita benzilor de absorbtie ale ionilor de

impuritati existenti in fibra optică. Astfel, in sticla_optica sau cuartul din care

este confectionata fibra optica se gasesc numerosi Ioni metalici care au benzi de

absorbtie in domeniul spectral 500-1000 nm!. In figura 11 se pot vedea aceste

berizi pentru ionii Cr3+, Cu2+ şi 1,e2+. Se observa ca intensitatea de absorbtie a

acestor benzi depinde conţinutul in impuritaţile fibrei optice.

Totodata, numarul de electroni de valenţă al ionilor metalici inlfluenteaza

lungimea de unda maximă de absorbtie, ca si forma benzii de absorbtie a

radiatiei incidente. De exemplu, Crs+ produce un maxim de absorbtie la o

lungime de unda. a radiatiei incidente de 700 nm. Prin urmare, procesul de

fabricatie al sticlei optice poate influenta mult atenuarea prin obsorbţie a

radiatiei transmise prin fibra (M Q9 nA(Wn) optica. 0 absorbtie puternică de

consecinta a ionilor OH-, produşi,de incluzlunlle Cu ,- Fig. 12 - Atenuarea prin

vapori de absorbtie,unor ioni in sticla Optice se poate.:vedea tot in figtu2tt`;1c32,; :

unde - -doua virfuri de absorbtie pentru X- 950 nm; yşi X = 720 nm, dar are,

maximul de absorbţie la 2,7 µm.Curhele de absorbtie din figtira 12 sint ridicate cu

concentraţiile ?0nice date mai jos, r-ionul , OH- cu concentraţia 1,25 X 10-6 (cm 3).

- 17 -

Page 18: Atenuatoare optice

Aceasta corespunde unei atenuari numite de imbackeiczre. Puterea care

ajunge totusi in acea activa c, (miezul) estc supusa unei atenuari suplimerităre ci

datorita unghiului de acceptare limitat al fibrei optice, cu alte aperte a

atenuării nerice a acesteia. De asernenea, o parte din aceasta împrăstiere (care

este acceptata teoretic de fibra) se pierde prin reflexii r1 canel la suprafaţa: de

separatie miez/aer (mediul ambiant). Exista o serie care produc atenuari

suplimentare, de valoare Mica, care totusi tinde la crearea randamentul

cuplajului,dintre care se îtîlntesc lustruirea imperfecta a capetelor fibrei si ruperea

unor capete. Aceste componente sint grupate toate in categoria diverselor

atenuari de valoare rednsa.

12. Radiatia neinterceptată

Radiatia incidentă care nu cade pe capatul manulichiului de fibre

optice este evident pierduta. Figura 13 prezinta schematic situatia in care

spotul produs este sursa in planul de intrare in fihra este mai mare decit

sectiun<<< cablului optic.

Fig13 - Pierderi prin radiatie neinterceptata in sectiunea de intrare a cablului optic

Daca intensitatea radiatiei este aceeasi pe toata suprafata iluminata, atunci

raportul dintre suprafata manunchiuiui de fibre si suprafaţa iluminată de

catre sursa va da fractiunea din putere interceptata de cablului optic. Din

pacate, intensitatea radiatiei nu este de regula aceeasi pe toata suprafata

spotului (distributie neuniforma) iar atenuarea prin neinterceptare este mai

greu de calculat. Toti producatorii de surse optice dau de regula si

caracteristica de radiatie a acestor surse (numite, caracteristică unglatiular de

- 18 -

Page 19: Atenuatoare optice

radiatie), iar unii dau fractiunea de radiatie emisa intr-un con de unghi

solid, dat. Aceste date, impreuna cu caracteristicile opticii de intrare (daca

exista) si cu datele despre fibra sinf utilizate in calculul numeric sau grafic

(cu ajutorul- nomogramelor, radiaţiei interceptate in fibra optica, tinind

cont si de distanţa dintre sursa si fibră. Ecuatia generala a atenuarilor de

acest tip este data de raportul dintre puterea ce ajunge ia intrarea in

fibra, 'Pi, si puterea emisa de sursa Pe:

13 .Fractiunea de impachetare

In figura 15 se observa capatui unui cablu optic. Se constata ca toata

radiatia incidenta care cade in interiorul sectiunii circulare a acestui manunchi,

dar nu pe suprafata miezurilor fibrelor optice, se pierde. Se defineste, din

acest motiv, drept fractiunede irnbachetare, FI, raportul dintre suprafata

totala a miezurilor fibrelor optice din manunchi si suprafata sectiunii circulare

a cablului optic , continuta in interiorul mantalei de protectie a cablului:

(FI ) =Am/Ac,

Fig. 15 - Sectiunea de intrare a unui cablu optic multifilar; radiatia care cade

în afara miiezului fibrei se pierde prin fractiunea de impachetare

unde Am; este suprafata totala a miezuriior fibrelor optice din cablu, iar Ac,

este sectiunea interioarl a cablului optic.Este evident, din aceasta definitie ca

in cazui cind grosimea invelisului este nula, fractiunea de impaehetare (FI) nu

va atinge unitatea, datorita spatiului existent intre fibrele optice. Valoarea

- 19 -

Page 20: Atenuatoare optice

teoretica maxima

in acest caz este 0,91. Pierderile exprimate in decibeli, datorate FI, se

calculeaza cu

14. Diverse atenuări de valoare redusă

Aceasta categorie de atenuari include orice atenuare de valoare redusa datorata

lustruirii imperfecte a capatului fibrei optice, ruperilor accidentale de fibre la

capete, absorbtiei in lentilele de intrare, depunerilor superficiale de impuritati pe

capetele fibrelor abaterilor de alineere. Primele doua tipuri de atenuare sint

incluse de regula in atenuarea specifică de transmisie a fibrei optice, mentionată de

catre fabricant in datele de catalog ale fibrei, in cazul cind tenninalele cablului

optic format dintr-un manunchi de fibre optice sint montate de catre acesta.

Daca aceste terminale sint montate de catre utilizator, trebuie sa se tina seama

de atenuarile datorate unor ruperi accidentale de -capete ale fibrelor si lustruirea

imperfecta, la acelasi nivel a intregului manunchi. Absorbtiile in lentile sint

principiu in putin importante, cu exceptia cazului lentilelor din material epoxidic

care distorsioneaza in cazul unei lipiri sau montari defectuoase in sistemul lor de

prindere.

De aceea, proiectantul de sistem trebuie sa includa in calcul o mica

aternuare suplimentara. Exista, de asemenea, posibilitatea aparitiei unor depuneri

de impuritati, umezeala pe capetele fibrelor in anumite medii ambiante ceea ce

poate provoca atenuari suplimentare, deoarece orice tip de cuplaj implica o alineere

mecanica cu un dispozitiv de. precizie, a1e- carui tolerante sint inerente, trebuie-

inclusa in calcul si o atenuare (de valoare redusă)datorată nealinierei.În finalul

acestui paragraf, se poate conchide ca valoarea atenuari din cuplajul de intrare

depinde atit de caracteristicile cablului optic utilizat, cit si de sursa de

radiatie aleasa. Alegerea sursei, DEL sau dioda laser, influenteaza, in mare

masura valoarea puterii optice cuplate in fibra şi este factorul determinat in

orice sistem de comunicatii prin fibre optice. Luind, de exemplu, o dioda

emitătoare de lumina si o diodi laser cu puteri de emisie identice, dioda laser va

- 20 -

Page 21: Atenuatoare optice

permite cuplarea unei puteri mai mari in cablul optic, datorita divergentei

mult mai reduse a fasciculului de radiatie emis de catre dioda, cit si suprafetei

sale mici de emisie. Din acest motiv radiatia emisa de catre o dioda laser

poate fi focalizata in miezul unei singure fibre optice, deci intr-un cablu optic

unifilar, multimod sau unimod, pe cind radiatia emisa de catre o DEL nu poate

fi cuplata decit la un cablu optic multifilar, multimodal. Ca principale metode de

cuplaj la intrare sint de retinut, prin urmare, cuplajul direct, schitat in fig. 16 a,

cuplajul sursei prin intermediul unei lentile confectionate dintr-un segment de

fibra optica cu profil Parabolic (lentila Sc/foc), ca in fig. 16 b, cuplajul prin

intermediul unei lentile sferice sau cilindrice (in cazul unei diode laser cu fascicul

asimetric de emisie), schitat in figura 16 c si, in fine, cuplajul cu două lentile, una

cilindrica si alta sferica (folosit tot in cazul unei diode laser, din fig. 16 d).

Valorile reprezentative ale atenuarii radiatiei in aceste tipuri de cuplaje

se situeazala 6,5 dB, in cazul cuplarii directe, sau prin intermediul unei lentile

Selfoc si respectiv 4 dB ircazul cuplarii cu doua lentile, ca in figura16., Se

obtin totusi atenuari reduse,sub 2dB, in cazul cuplarii diodelor laser prin

intermediul unor microlentile cilindrice, o metoda practica, eficienta si larg

raspinditain ultimii ani reduce problema cuplajului de intrare la problema

imbinarii a.doua segmentede cablu. In acest caz, fabricantul livreaza sursa de

radiatie gata cuplata si alineata cu un segment de cablu optic cu - lungimea

decitiva centimetri.

Fiecare dintre componentele atenuarii radiatiei in cuplajul de iesire din cablul

optic este asemanatoare cu cele de la intrare.Atenuarea prin apertura numerica la

iesire apare numai in cazul folosirii fotodetectorilor cu lentila, in care caz trebuie

luata in calcul apertura numerica a lentilei. In figura 18 apare o sectiune printr-un

astfel de detector cu lentila sferica plan-convetia.Se observa ca radiatia incidenta

pe lentilă in interiorul unui con cu deschidere 0 va fi focalizata pe suprafata

fotosensibila. Orice radiatie ce intră sub un unghi mai mare decit 0 va cadea in

afara detectorului. Deci, un sistem cu lentile în care detectorul este plasat in focarul

lentilei (la o distanta, f, de planul acesteia) are un semiunghi de acceptare maxim,

- 21 -

Page 22: Atenuatoare optice

0, similar cu cel al sistemului optic.

Nu toti detectorii sint prevazuti cu lentile plan-convexe. Unii folosesc un

sistem optic cu lentina biconvexa care permite cresterea aperturii numerice a

fotodetectorului pentru u: diametru fix al sursei de radiatie.

Acest tip de interfata se observa in figura 18. Un cablu plasat in focarul fl

emite radiatia focalizata de catre lentila in focarul f2, pe

Suprafata fotodetectorului. Imaginea din acest plan va fi marită sau

micsorată, faţa de spotul din planul fibrei optice, in functie de raportul dintre

distantele focale ale lentilei. Pentru a calcula valoarea atenuarii datorate aperturii

numerice se poate deduce o expresie analitica puterii incidente pe fotodetector in

functie de unghiul 0. Un calcul exact şi precis este greu de facut, deoarece aşa cum

s-a mai aratat unghiul de emisie al cablului optic depinde de numerosi factori

(sursa si fibra) si poate fi doar aproximat cu unghiul de acceptare al fibrei optice.

Fig. 19 Cuplarea radiaţiei în fotodiodă cu lentilă biconvexă

Luînd acest caz, care este de fapt cel mai defavorabil, vom deduce o relatie

simpla de calcul a atenuarii prin apertura numerica a lentilei de receptie, daca 0

este semiunghiul de emisie al fibrei şi a semiunghiul de acceptare al sistemtilui

optic de receptie.

Puterea continuta in acest unghi (0) se va scrie:

si deci atenuarea prin apertur.It numerica la iesire va fi:

15. Atenuarea radiatiei la imbinarea fibrelor ofitice

Imbinarile dintre diverse segmente de cablu optic in timpul instalarii unei

linii de comunicatii pnn fibre optice trebuie sa asigure pierderi reduse de radiatie,

- 22 -

Page 23: Atenuatoare optice

sa fie usor de realizat sa fie stabile in timp,rezistente la şocuri, forte de apăsare si

torsionare, sa fie deci robuste si de mici dimensiuni. Totodata, si cuplajele de

intrare si de iesire Irebtre sa satisiaca aceleasi conditii. Dar altfel, aceste două

tipuri de cuplaje se reduc la o imbinare cablu-cablu daca sursele de radiatie si

fotodetectorii sint prevazuti din fabricatie cu un mic segment de fibra,numit

pigtail. Un conector de fibre optice trebuie sa indeplineasca numeroase

conditii.Capetele fibrelor nu trebuie de exemplu să se gaseasca in contact direct unul

cu altul.

Vibraţiile sau şocurile pot aşchia si zgiria suprafata fibrelor optice,

sporind atenuarea radiatiei in interiorul cuplajului. Pe dealtă parte, distantă

dintre capetele fibrelor ce se cupleaza nu poate fi nici prea mare, deoarece im-

prăştierea radiatiei va contribui la cresterea pierderilor de radiatie in cuplaj.

Există inca multe surse de atenuari intr-un cuplaj optic care se pot grupa in trei

(mari) categorii:

-atenuari datorate neconcordantei dintre parametrii fizico-geometrici ai

fibrelor cuplate ;

- atenuări datorate pierderilor de radiatie pria reflexie si difuzie;

- atenuări datorate unor îmbinari mecanice defectuoase care introduc

nealineeri.

Primele doua tipuri de atenuari formeaza categoria atenuarilor inlrinseci ale

fibrelor optice cuplate, ultimul tip cuprinzind atenuarile extrinseci.

Bibliografia utilizată

-www.Wikipedia.com

-www.site.uottawa.ca/-jpyao/courses/ELG4173 files/LECT2.PDF 19. F.

Fontaine, Optical Fibers, Module 4, Lecture notes,

Propagations in optical fibers, 1996,

-www.cooper.edu/engineering/projects/gateway/ee/solidmat/modlec4/

modlec4.htm1

C1.R. Niculescu, I.M. losif, "Initiere in comunicatiile prin fibre optice", Editura

- 23 -

Page 24: Atenuatoare optice

Tehnice, Bucuresti. (1982). p. 1-247.

- 24 -