1

Lucrarea de laborator nr. 3 PIERDERILE PRIN ABSORBȚIE ŞI DISIPAŢIE

OBIECTIVELE LUCRĂRII La terminarea lucrării de laborator studenţii vor cunoaşte fenomenul de atenuare care se produce

atunci când lumina parcurge un cablu cu fibră optică. Se vor calcula şi măsura pierderile de putere printr-o fibră optică.

ECHIPAMENTE NECESARE:

1. Modul de laborator pentru COMUNICAŢII PE FIBRE OPTICE; 2. Adaptor de alimentare de la reţea; 3. Multimetru digital; 4. Osciloscop cu 2 canale; 5. Generator de semnal.

CONSIDERAŢII TEORETICE Toate cablurile cu fibră optică au două părţi componente principale: fibra optică şi învelişul

exterior.

Cablul fibrei optice livrat cu modulul de laborator împiedică expunerea la fibra de sticlă. Nu încercaţi să modificaţi cablul sau conectorii. Cablul fibrei optice de sticlă este marcat cu numerele 62.5/125, ceea ce indică diametrul miezului

şi învelişului de protecţie. Cablul fibrei optice de plastic, livrat deasemenea cu modulul de laborator, are indicele de refracţie

variabil prin salt. Indicele de refracţie al fibrei se modifică brusc la separaţia dintre miez şi învelişul de protecţie.

Fibra optică consta într-un miez şi un înveliș de protecţie (cladding).

Miezul şi învelişul formează împreună un ghid de undă care direcţionează lumina prin fibră.

Învelişul exterior protejează fibra şi asigură suportul mecanic.

Fibrele de sticlă sunt de obicei protejate de straturi adiţionale de rezistenţă şi tampon. Aceste straturi protejează fibrele de sticlă de şocuri si îndoiri excesive.

Diametrul unei fibre de sticlă este suficient de mic pentru a trece uşor prin piele şi să provoace o leziune “serioasă”.

2

1. Cum este ghidată lumina prin miezul fibrei cu indice de refracţie variabil prin salt?

a) prin refracţie; b) prin reflexie.

2. Care parte a fibrei de sticlă are indicele de refracţie cel mai mare? a) miezul; b) învelişul de protecţie.

Indicele de refracţie al învelişului de protecţie este 1,417.

Indicele de refracţie al miezului este cu 5% mai mare, respectiv 1,492.

Lumina ce parcurge miezul fibrei se reflectă de învelişul de protecţie datorită modificării prin salt a indicelui de refracţie.

Cablul cu fibră optică de sticlă (62,5/125) livrat cu modulul de laborator are indicele de refracţie al fibrei gradual.

Indicele de refracţie al miezului se modifică gradual, odată cu îndepărtarea luminii de centrul miezului.

3

Cu cât lumina înaintează spre învelişul fibrei, cu atât indicele de refracţie scade gradual şi curbează

direcția de propagare, mărind unghiul de incidenţă. Atunci când unghiul de incidenţă devine destul de mare, lumina se reflectă înapoi spre centru.

3. Cum ghidează fibra cu indice gradual lumina prin miez? a) prin refracţie; b) prin reflexie şi refracţie.

Fibrele optice nu sunt ghiduri de undă ideale. O parte din puterea luminii de intrare se pierde prin absorbţie şi disipaţie.

Impuritătile din materialul fibrei absorb o parte din puterea optică şi o disipă sub formă de căldură. Pierderile prin absorbţie depind de materialul miezului fibrei şi de lungimea de undă a luminii. Variaţiile densităţii sau compoziţiei fibrei datorate procesului de fabricaţie determină disipaţia unei

părţi din radiaţia optică. Imperfecţiunile la suprafaţa de separare dintre miez şi înveliş (microbends) conduc la pierderi prin

disipaţie suplimentare. Pierderile prin disipaţie descresc odată cu creşterea lunigimii de undă.

4. Care este atenuarea estimată pentru fibra optică de plastic atunci când este folosită la transferul luminii cu lungimea de undă de 820nm?

a) 2000dB/m; b) 200dB/m; c) 2dB/m.

Producătorii fibrelor optice specifică pierderile însumate datorate fenomenelor de disipaţie şi absorbtie, în decibeli pe kilometru (dB/km).

4

DESFĂŞURAREA LUCRĂRII:

Conectaţi cablul cu fibră optică din plastic de 1m cu conector ST, între LED-ul IRED (940nm) şi fototranzistor. Îndoirea în exces a cablului cauzează pierderi neasteptate şi rezultate incorecte în desfăşurarea experimentelor. Realizaţi curburi uşoare şi evitaţi îndoirile în exces când realizaţi conectarea cablului cu fibră optică între punctele menţionate. (Vezi SUPORT 1-5)

2. Folosiţi shunt-ul cu 2 pini pentru a selecta domeniul de măsurare HI (blocul fototranzistorului). 3. Conectaţi multimetrul digital între emitorul fototranzistorului (EMITTER) şi masă (GND).

4. Măsuraţi puterea optică relativă a luminii detectate de fototranzistor.

1m940 = ______mV.

5. Conectaţi cablul cu fibră optică din plastic de 5m cu conector ST, între LED-ul IRED (940nm) şi fototranzistor. Evitaţi îndoirile în exces realizând câteva bucle largi.

6. Măsuraţi puterea optică relativă a luminii detectate de fototranzistor.

5m940 = ______mV.

Lumina aplicată fototranzistorului controlează curentul (fotocurentul) acestuia (Ip). Fotocurentul tranzistorului circula prin rezistenţa de 1kΩ, producând o cădere de tensiune proporţională cu puterea optică relativă.

5

7. Folosind formula prezentată calculaţi raportul puterilor optice obţinute în cazul celor 2 cabluri cu fibră optică de plastic cu lungimi diferite.

PR940 = _______dB.

Raportul puterilor obţinute în cazul celor 2 cabluri este urmare a atenuării datorate celor 4m de cablu diferenţă a lungimilor.

8. Calculaţi pierderea de putere optică, sau atenuarea, în dB/m.

LOSS940 = _______dB/m.

9. Folosiţi graficul pentru a determina atenuarea estimată în dB/m (LOSSexp) pentru cablul cu FO de plastic la 940nm.

10. Valoarea observată se încadrează în domeniul 4dB/m ±0.5dB?

a) da; b) nu.

11. Conectaţi cablul cu fibră optică din plastic de 1m, cu conector ST, între LED-ul rosu (635nm)

şi fototranzistor.

12. Măsuraţi puterea optică relativă a luminii detectate de fototranzistor.

1m635 = ______mV.

13. Conectaţi cablul cu fibră optică din plastic de 5m, cu conector ST, între LED-ul roşu (635nm)

şi fototranzistor.

LOSSexp = _______dB/m.

Fiecare conexiune a fibrei optice atenuează lumina. Variatiile dintre conexiuni introduc erori în raportul puterilor în cazul fibrelor de 1m şi 5m.

Erorile introduse de variaţiile conectorilor pot ajunge la un total de ±0.5dB/m.

6

14. Măsuraţi puterea optică relativă a luminii detectate de fototranzistor.

5m635 = ______mV.

15. Calculaţi atenuarea pe cablu în dB/m (LOSS635).

16. Este atenuarea determinată în concordanţă cu valoarea aşteptată?

a) da; b) nu.

17. Conectaţi cablul cu fibră optică din plastic de 1m cu conector ST, între LED-ul verde (565nm)

şi fototranzistor.

18. Măsuraţi puterea optică relativă a luminii detectate de fototranzistor.

1m565 = ______mV.

19. Conectaţi cablul cu fibră optică din plastic de 5m cu conector ST, între LED-ul verde (565nm) şi fototranzistor.

20. Măsuraţi puterea optică relativă a luminii detectate de fototranzistor.

5m565 = ______mV.

21. Calculaţi pierderea pe cablu în dB/m.

LOSS565 = _______dB/m.

22. Puterea optică pierdută este în concordanță cu valoarea aşteptată?

LOSS635 = _______dB/m.

a) da; b) nu.

7

23. Atenuarea fibrei optice este dependentă de lungimea de undă? a) da; b) nu.

24. Care dintre următoarele lungimi de undă se aşteaptă să determine cele mai mici pierderi de putere în fibra optică din plasic?

a. 940 nm; b. 635 nm; c. 565 nm.

Producătorul specifică pentru acest cablu utilizarea la lungimea de undă de 650nm, deoarece sursele de lumină roşie sunt mult mai eficiente decât sursele de lumină verde.

Pozitionaţi shunt-ul din blocul PHOTOTRANSISTOR pentru selectarea unui domeniu de măsurare cu sensibilitate mai mare (LO).

25. Conectaţi cablul cu fibră optică din sticlă 62.5/125 de 1m cu conector ST, între LED-ul IRED (940nm) şi fototranzistor. (Vezi SUPORT 1-5)

26. Măsuraţi puterea optică relativă a luminii detectate de fototranzistor.

1m940 = ______mV.

27. Conectaţi cablul cu fibră optică din sticlă 62.5/125 de 5m cu conector ST, între LED-ul IRED (940nm) şi fototranzistor.

28. Măsuraţi puterea optică relativă a luminii detectate de fototranzistor.

5m940 = ______mV.

29. Calculaţi raportul puterilor optice obţinute în cazul celor 2 cabluri cu fibră optică de sticlă cu

lungimi diferite.

PR940 = _______dB. Atenuarea pe cablu în dB/m (LOSS940) este:

LUNGIME DE UNDĂ

ATENUARE AŞTEPTATĂ

ATENUARE OBSERVATĂ

IRED 940 nm 4.00 dB/m RED 635 nm 0.30 dB/m

GREEN 565 nm 0.18 dB/m

8

30. Folosiţi graficul pentru a determina atenuarea estimată în dB/m (LOSSexp) pentru cablul cu FO de sticlă 62.5/125 la 940nm.

LOSSexp = dB/m.

Conexiunile fibrelor optice pot introduce pâna la 1,2 dB eroare în măsurarea puterii relative. Atenuarea estimată a fibrei este de 0,0018 dB/m.

31. Care este cea mai posibilă cauză pentru pierderea relativă de putere între cablurile cu FO de sticla de 1m şi 5m?

a. atenuarea din fibra; b. atenuarea conectoarelor.

32. Dacă o sursă de lumina de 1300nm transmite printr-un cablu cu FO de sticla 62.5/125 de 2 km, care este valoarea estimată a atenuării fibrei?

LOSS = _______ dB

33. Care tip de fibră are cea mai mică atenuare pe unitatea de lungime? a. sticla; b. plastic.

34. Desfaceţi toate conexiunile de pe placa de circuit a modulului.

9

Concluzii

- Atenuarea fibrei este datorată dispersiei și absorbției luminii. - Atenuarea poate fi determinată prin compararea diferitelor lungimi ale aceleiaşi fibre. - Pierderile pe fibră optică sunt specificate în dB/km. - Atenuarea creşte odată cu lungimea fibrei. - Atenuarea este influenţată de lungimea de undă. - Atenuarea este influenţată de materialul fibrei optice.

Întrebări recapitulative

1. Cum pot fi reduse pierderile într-un sistem de comunicaţie care foloseşte un cablu cu fibră optică tip 62.5/125, la o lungime de undă de 940 nm şi având o lungime de 10 km? (Vezi SUPORT 3-1)

a. folosind o fibră optică mai lungă; b. folosind o fibră optică din plastic; c. alegând o lungime de undă de 1500nm; d. nici una din variantele de mai sus.

2. Cum poate fi redusă atenuarea într-un sistem cu fibră optică de plastic în cazul λ = 940 nm? a. folosind un cablu cu o atenuare în dB/km mai mică pt. λ = 940 nm; b. folosind o fibră optică mai scurtă; c. alegând o lungime de undă de 565 nm; d. toate variantele de mai sus. (Vezi SUPORT 3-2)

3. Două cabluri cu fibră optică diferă doar prin lungime. Când sunt conectate între aceeaşi sursă şi acelaşi detector de lumină, valoarea puterii la ieşirea cablului de 2m este 10 μW şi de 1 μW la ieşirea cablului de 8m.

Care din ecuaţiile următoare reprezintă atenuarea fibrelor optice folosite, în dB/m? a. (10 x log(10μW/1μW))/(8m - 2m); b. (20 x log(10μW/1μW))/(8m - 2m); c. (10 x log(8m/2m))/(10μW - 1μW); d. (20 x log(10μW /1μW)/8m. (Vezi SUPORT 3-3)

4. Atenuarea luminii într-o fibră optică este cauzată de: a. comportarea ca şi ghid de undă ideal; b. dispersie şi absorbţie; c. rezistenţă şi inductanţă; d. lungime de undă.

5. Indicaţia voltmetrului digital urmare a conectării la rezistenţa de 1kΩ din emitorul fototranzistorului reprezintă:

a. valoarea tensiunii de polarizare al lui Q1; b. puterea luminii la Q1; c. atenuarea fibrei în dB/km; d. nici una din variantele de mai sus.