Comunicatii optice

download Comunicatii optice

of 24

  • date post

    04-Aug-2015
  • Category

    Documents

  • view

    562
  • download

    9

Embed Size (px)

Transcript of Comunicatii optice

I. FIBRA OPTIC PROPRIETI I CARACTERISTICII.1. COMUNICAII OPTICE - SCURT ISTORIC I PERSPECTIVE Apariia i dezvoltarea puternic a sistemelor de comunicaii optice a constituit o trecere fireasc spre domeniul frecvenelor tot mai nalte, impus printre altele de cererea de canale de band tot mai larg i de un numr tot mai mare de canale. Dezvoltarea fr precedent a sistemelor de culegere, prelucrare i transmitere la distan a informaiei, crearea unor sisteme informaionale n care abonaii au acces la diverse tipuri de informaii, (telefonie, TV pe cablu, video, programe muzicale, informaii din bnci de date, etc) necesit un numr foarte mare de canale de comunicaii . Acestea nu mai pot fi realizate pe cabluri electrice sau n microunde din cauza lrgimii limitate de frecven a acestora, precum i din alte cauze legate de atenuare, costuri, etc. La ora actual sistemele de comunicaii pe fibre optice constituie mijlocul cel mai eficient de transmitere prin cabluri a semnalelor informaionale de band larg. n era tehnologiei informaiei (secolul I) stocarea, prelucrarea i transmiterea informaiei vor avea un rol foarte important n societate. Informaia va fi numeric, de mare vitez i transmis, n general, pe purttoare optic. Dei comunicaiile pe fibr optic sunt de dat recent, ideea propagrii ghidate a luminii nu este att de nou. nc din 1870 Tyndall arat c lumina poate fi ghidat n interiorul unui jet de ap. Zece ani mai trziu, Bell studia posibilitatea transmiterii vorbirii pe un flux luminos. n 1910 se fceau primele studii teoretice asupra ghidurilor dielectrice, iar n 1950 au fost realizate primele ghiduri optice asemntoare celor utilizate astzi. Era comunicaiilor optice moderne ncepe cu invenia laserului (1958) i realizarea primului laser (1960). LASER este un acronim pentru Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation Amplificarea luminii prin emisia stimulat de radiaie; o surs care produce lumin aproape monocromatic i coerent, folosind emisia stimulat. n anii 70 s-a lucrat mult la perfecionarea diodei laser, astfel nct la sfritul deceniului al 8-lea era rezolvat i problema sursei de radiaie optic fiabil, cu generare continu la temperatura obinuit. n paralel s-au studiat i perfecionat i receptoarele optice (fotodiode cu Si,Ge, InP etc), care ns nu au ridicat probleme tehnologice deosebite . Procesoarele pe siliciu se apropie de limitele lor fizice, date de viteza purttorilor i problemele de disipare a cldurii. Prin contrast, folosind tehnologiile actuale de fibre optice, banda de frecven care poate fi atins este mai mare de 50 Tbps i sunt muli oameni care caut materiale mai performante. Limita practic actual de aproximativ 1Gbps este o consecin a imposibilitii de a converti mai rapid semnalele electrice n semnale optice. Sunt deja n exploatare fibre optice de 2,5 i 10 Gbps i sunt n curs de cercetare i experimentare fibre optice la 40 Gbps. n laborator sunt posibile rate de 100 Gbps pe distane scurte i chiar 1 Tbps. Avantajele utilizrii cablurilor pe fibr optic sunt urmtoarele: - vitez de transmisie foarte mare; - atenuare mic (0,3-0,2 dB/km); - eliminarea interferenelor magnetice i de diafonie; - volum i greutate mult mai mici comparativ cu cablurile de cupru (1/20); - material ieftin. I.2.CONSIDERAII DESPRE PROPAGAREA LUMINII Ceea ce noi numim lumin este doar o mic parte a spectrului radiaiei electromagnetice. Natura fundamental a oricrei radiaii electromagnetice este aceeai: poate fi vzut ca fotoni sau unde i se deplaseaz cu viteza c = 300.000 km/sec. Diferena dintre radiaia din diferite pri ale spectrului

electromagnetic este o cantitate care poate fi msurat n mai multe moduri: ca lungime und, ca energia unui foton sau ca frecven de oscilaie a unui cmp electromagnetic. Fiecare variant lungime de und, energie sau frecven are propria unitate de msur. Unitatea preferat depinde de partea spectrului n care ne gsim. n domeniul optic se discut de obicei n lungimi de und, mai precis m (10-6m) sau nm (10-9m). ntre aceste uniti de msur avem relaiile binecunoscute de la fizic: c = f Iar energia fotonului, E = hf unde f este frecvena oscilaiei, iar h constanta lui Plank. Sau 1,2399 E (eV ) = ( m) relaie care energia se exprim n electron-voli i lungimea de und n micrometri. n figurile I.1 a) i b) este prezentat spectrul electromagnetic, cresctor n lungime de und (cazul a) i n frecven (cazul b). Anticipnd puin, s-au marcat i intervalele adecvate transmisiilor pe fibre, aa numitelor ferestre.UltravioletRaze X Raze gamma A patra fereastr band L A treia fereastr band C V I A V G OR 700 800 Prima fereastr 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 A doua fereastr nm

Vizibil

InfrarouUnde radio Unde lungi

850

1310

a)

1550

1625

Radio

Microunde

Infrarou

Vizibil

Ultraviolet

Raze X

Raze

R Lungimi de und mari Frecvene mici Energie mic

V Lungimi de und mici Frecvene mari Energie mare

b) Fig. I.1 Spectrul electromagnetic: a) cresctor n lungime de und b) cresctor n frecven

O caracteristic important a undelor luminoase este faza acestora care msoar poziia la un moment dat n cadrul ciclului (perioadei) de variaie a undei. Dou unde cu aceeai lungime de und pot avea o diferen de faz ntre 00 i 3600. Faza este important deoarece ea determin modul de combinare a undelor luminoase sau mai corect modul n care interfer una cu alta. Interferena poate fi: - constructiv undele au acelai semn; - destructiv undele au semne contrare. Dac diferena de faz este de 1800, undele se vor anula.Interferen constructiv Interferen distructiv

+

+

Defazaj 1800

Fig. I.2 Interferena undelor

Ne intereseaz doar o mic parte a spectrului, acolo unde lucreaz fibrele optice i alte dispozitive optice. Aceast zon include lumina vizibil ochiului uman la lungimi de und de la 400 la 700 nm i prile din apropierea infraroului i ultravioletului unde se ntlnesc proprieti similare. Lungimile de und folosite n mod obinuit pentru comunicaii prin fibre optice din sticl de siliciu sunt ntre 0,75-1,7 m n infraroul apropiat unde obinem cel mai transparent siliciu. I.2.1.INDICELE DE REFRACIE Viteza luminii este adesea considerat viteza limit universal. Aceast vitez limit universal este ns viteza luminii n vid. Lumina ntotdeauna cltorete mai ncet cnd trece printr-un material transparent. Gradul de ncetinire depinde de natura materialului i de densitatea sa i este exprimat prin indicele de refracie raportul dintre viteza luminii n vid i viteza luminii n material:

n=

cvid c material

Pentru materiale optice normale indicele de refracie este ntotdeauna supraunitar n partea optic a spectrului. n practic indicele de refracie este msurat prin compararea vitezei luminii n material cu viteza luminii n aer; aceasta pentru c indicele de refracie al aerului la temperatura camerei i presiune atmosferic normal este 1,000293, deci foarte aproape de 1,0 i diferena este nesemnificativ. Conform legilor refraciei, la suprafaa de separaie ntre dou medii cu indici de refracie diferii, raza de lumin va trece n al doilea mediu sub un unghi cu normala diferit fa de cel de inciden. Relaia cunoscut ca legea lui Snell se scrie:

ni sin I = nr sin Runde: ni indice de refracie al mediului iniial din care provine lumina;

nr indice de refracie al mediului n care lumina a fost refractat; I, R unghiurile de inciden i refracie formate de unde cu normala la suprafaa de separaie. Avem 3 cazuri posibile reprezentate grafic n figura I.3: R nr ni I IR I > critic (reflexie total)

Unghiul critic peste care are loc reflexia total a undei n mediul din care a provenit se deduce din legea lui Snell:

critic = arcsin(nr/ni)

Lund ca exemplu lumina ncercnd s ias dintr-o sticl cu n = 1,5 ctre aer, unghiul critic este arcsin(1/1,5), adic 41,80. I.3. STRUCTURA FIBREI OPTICE Fibra optic este un ghid de und dielectric n gama optic, cu seciunea circular, compus din miez i nveli, utilizat pentru transmiterea la distan a purttoarei optice modulate. Avnd dimensiuni transversale foarte mici i fiind fragile, fibrele optice trebuie protejate n mod corespunztor, ele intrnd n compunerea cablurilor optice. Fibra optic este realizat dintr-un miez cilindric central cu un indice de refracie mai mare (n1) i un nveli concentric cu indice de refracie mai mic (n2). Cnd indicele de refracie n1 al miezului depete indicele de refracie n2 al nveliului optic concentric, se obine o reflexie total. Rezult c toat energia se transmite n mediul mai dens, astfel c miezul devine un canal de propagare a luminii. Cablul optic conine una sau mai multe fibre optice, precum i elemente de protecie, de asigurare etc, nchise ntr-un nveli comun. Fiecare fibr optic din compunerea cablului constituie un canal independent de comunicaie.

Miez

nveli de protecie nveli reflector Materiale pentru rigidizarea fibreiFig.I.4 Fibr optic

mbrcminte exterioar

Benzi i gel pentru blocarea apei mbrcminte nylon 1 mm

Tub de plastic codat dup culoare

Membru central pentru rigidizare

mbrcminte exterioar 10,4 mm

Fibr SM

Fig.I.5 Fibra optic n seciune

n figurile I.4 i I.5 se poate observa o fibr optic, lateral i n seciune. Principalele componente sunt:

-Miezul fibrei (core) reprezint mediul prin care are loc propagarea cmpului optic. Are seciune circular cu diametrul sub 10 m la fibrele monomod i 50-60 m la fibrele multimod. Miezul trebuie s fie ct mai uniform ca dimensiuni, compoziie, mod de variaie al indicelui de refracie i s aib coeficient de atenuare ct mai mic. -nveliul reflector (cladding) este realizat tot din materiale transparente (sticl), cu rol de ghidare a cmpului optic prin reflexie intern total. Diametrul exterior are, de regul, valoarea cuprins ntre 125 i 200 m. Dimensiunea sa nu este att de important n ceea ce privete propagarea radiaiei, dar est