1

Lucrarea de laborator nr. 4 CONECTORII ȘI POLISH-AREA CAPETELOR FIBRELOR OPTICE

OBIECTIVELE LUCRĂRII

La terminarea lucrării de laborator studenții vor fi capabili să taie și să șlefuiască capătul unui cablu cu FO din plastic. Totodată, vor putea identifica pierderile de putere optică în conexiuni prin inspectare vizuală și prin măsurarea puterii. ECHIPAMENTE NECESARE:

1. Modul de laborator pentru COMUNICAȚII PE FIBRE OPTICE; 2. Adaptor de alimentare de la rețea; 3. Multimetru digital; 4. Cabluri cu FO; 5. Trusă prelucrare capete FO.

CONSIDERAȚII TEORETICE

Se consideră două raze de lumină paralele care se propagă spre capătul unei fibre optice. Una dintre raze trece într-o a doua fibră și continuă propagarea. Cealaltă rază se pierde în momentul în care ratează intrarea în cea de-a doua fibră optică.

1. Cum pot ambele raze să treacă în cea de-a doua fibră? a. aliniind capetele celor două fibre; b. schimbând lungimea de undă.

Conectorii pentru fibre optice contribuie la o atenuare redusă prin realizarea alinierii FO conectate. Părțile principale ale unui conector pe fibră optică sunt:

- manșon de siguranță (ferrule); - corpul conectorului (coupling receptacle); - nit de cuplare (coupling nut); - piesa de fixare (strain relief).

Manșonul de siguranță și corpul conectorului asigură alinierea fibrei,  în timp ce restul conectorului oferă suport mecanic.

Manșonul de siguranță este un cilindru care susține fibra optică. Fibra trece printr-o gaură din centrul acestuia, permițându-se expunerea capătului fibrei. 

2

Fibra este atașată de manșon folosindu-se un adeziv sau printr-o acțiune de îmbinare mecanică. Corpul conectorului aliniază cu precizie manșoanele de siguranță. Fibrele sunt concentrice cu manșoanele de siguranță determinând alinierea capetelor fibrelor când

manșoanele sunt aliniate. Manșonul și corpul conectorului sunt fabricate din plastic, metal sau ceramic. Conectorii ceramici

fiind produși cu o toleranță mai mică decât cei din plastic, asigură o aliniere mai bună și o atenuare redusă.

Metalul (oțelul) se comportă mai bine decât plasticul, însă nu la fel de bine ca ceramica. Atenuarea conectorilor este specificată de către producător în dB. Un conector optic obișnuit

determină o pierdere de putere de aproximativ 0,5dB.

Lumina care intră prin capătul fibrei trebuie să treacă printr-o zonă cu indice de refracție crescut, care se află la separarea aerului cu miezul.

O rază de lumină ce trece de la un indice de refracție scăzut (aer) la un indice de refracție ridicat (miezul fibrei), este curbată (refractată) către o linie normală la suprafața de separare dintre cele două medii.

h1 × sin(θ1) = h2 × sin(θ2).

Relația dintre unghiul de incidență și unghiul de refractie este descrisă de Legea lui Snell. Conform legii lui Snell, pentru unghiul de refracție este valabilă relația:

θ2 = arcsin ((h1 × sin(θ1)) / h2).

În figură, o rază de lumină se propagă dinspre mediul aer (h1 = 1,000) și trece în miezul fibrei (h2 = 1,492) la un unghi de incidență (θ1) de 20 grade.

Unghiul de refracție este: θ2 = arcsin (sin(20) / 1.492) = 13 ̊.

Unghiul de refracție și cel de incidență la limita învelișului fibrei, sunt unghiuri complementare. Astfel, unghiul de incidență este de 77grade (90̊ - 13̊ ) la separarea miez – înveliș.

2. Care este unghiul de refracție (θ2) când o rază de lumină întâlnește învelișul de protecție al FO sub un unghi de incidență de 77 grade.

a. 13̊; b. 68̊; c. 77̊; d. Nici unul din cele de mai sus. Se consideră o a doua rază de lumină paralelă cu prima care întâlnește o suprafață neuniforma de

fibră, fapt ce conduce la obținerea unui unghi de refracție de 20 grade.

3

Unghiul de refractie de 20 grade determină raza de lumină să aibă un unghi de incidență de 70 grade (90 - 20) la suprafața învelișului fibrei.

3. Care este unghiul de refracție (Ɵ2) când o rază de lumină întâlnește învelișul unei FO sub un unghi de incidență (Ɵ1) de 78 de grade.

a. 70; b. 77; c. 82; d. Nici unul de mai sus.

O suprafață de fibră neuniformă dispersează lumina și în consecință mărește atenuarea. Pentru reducerea dispersiei capetele fibrei optice sunt polish-ate (finisate) corespunzător, folosindu-

se o peliculă abrazivă specială (lapping film). Aceste filme sunt capabile să realizeze o suprafață cu o granulație de până la 0.05 micrometri.

DESFĂȘURAREA LUCRĂRII:

1. Identificați bucata de cablu cu fibră optică din plastic (fără conectori) din kit-ul pentru polish-area FO.

Pentru a menține eroarea datorată lungimii fibrei sub 0,1dB, cablul fără conectori trebuie să aibă o lungime cuprinsă între 1.3 m (max) si 66 cm (min).

Toate tăierile și șlefuirile se vor realiza pe această bucată de cablu fără conectori. Nu încercați să modificați sau să polish-ați oricare alte cabluri cu conectori.

2. Localizați cleștele de tăiat în kit-ul pentru polish-are. Cleștele se ține cu partea plată către partea de cablu care doriți să

o păstrați. Asigurați-vă că lamele sunt poziționate astfel încât să producă o taietură perpendiculară pe axa fibrei.

Se taie aproximativ 3-4mm de la ficare capăt al cablului de plastic fără conectori.

4

3. Selectați cu ajutorul shunt-ului domeniul de măsurare HI pentru fototranzistor.

4. Conectați voltmetrul digital (DVM) între emitorul fototranzistorului și masă.

5. Conectați cablul cu fibră optică din plastic fără conectori între LED-ul roșu (635nm) și fototranzistor.

6. Măsurați tensiunea la blocul fototranzistorului pentru a determina puterea relativă a luminii furnizate de cablul cu FO fără conectori.

Fibră neșlefuită = _______mV.

7. Înlocuiți cablul cu FO de plastic de lungime necunoscută cu cel de 1m cu FO de plastic, cu conectori (finisat).

6. Măsurați puterea relativă a luminii transmise către fototranzistor.

Fibră șlefuită cu conector 1m =_______ mV.

9. Care cablu transmite cantitatea cea mai mare de lumină fototranzistorului?

a. nefinisat (neșlefuit); b. cu conector (finisat).

10. Care este raportul puterilor (în dB) între cele două cabluri?

PR (power ratio) = ______dB.

Cleștele a lăsat o suprafață neuniformă la capetele fibrei. Suprafața neuniformă dispersează lumina care intră în fibră. O parte din lumina dispersată intră în învelișul de protecție cu indice de refracție mai mic și în consecintă nu mai ajunge la fototranzistor.

5

13. Puneți o bucată de hârtie abrazivă de 500/600 pe placa de polish-are cu fața abrazivă în sus. Se pun câteva picături de apa pe suprafața abrazivă.

Apa va ajuta la înlăturarea materialului îndepartat de la capătul cablului cu FO, prevenindu-se astfel acumularea de material pe suprafața abrazivă.

14. Plasați un capăt al cablului de plastic nefinisat prin discul de polish-are. Discul de polish-are va ghida fibra menținând-o în poziție perpendiculară față de suprafața abrazivă. Cablul se mișca liber prin disc, permițând fibrei optice să ajungă la suprafața abrazivă în timpul

polish-ării.

ATENTIE: Este important să se aplice presiune asupra cablului. Discul este doar un ghidaj pentru a păstra fibra perpendiculară pe partea abrazivă.

17. Asigurați-vă că fibra optică nu este conectată la o sursă de lumină.

Ambele tipuri de surse, atât vizibile cât și invizibile pot transmite suficientă energie optică astfel încât să vă afecteze grav ochii. Trebuie sa vă asigurați întotdeauna că fibra este deconectată înaintea inspectării unui capat al acesteia.

11. Localizați placa de polish-are din plastic și discul în kit-ul de finisare.

 

12. Poziționați placa de polish-are pe o suprafață netedă și plasați câteva picături de apă pe aceasta. Apa va ajuta hârtia abrazivă să adere la placă.

 

15. Se amplasează discul de polish-are pe suprafața abrazivă și se apasă ușor cablul cu FO spre suprafața abrazivă.

16. Se polish-ează cablul deplasându-l pe suprafața abrazivă sub forma cifrei opt, de aproximativ 100 de ori.

6

Inspectați capătul fibrei și comparați-l cu diagramele de mai sus.

18. Este suprafața polish-ată fără zgârieturi sau crăpături? a. da; b. un.

19. Amplasați capătul fibrei pe care tocmai l-ați finisat în LED-ul rosu (635nm).

20. Folosiți fototranzistorul pentru a determina puterea relativă a luminii transmise prin cablu cu FO.

Fibră șlefuită fără conector (600) = _______ mV.

Polish-area slabă a capătului cablului determină dispersia unei părți din radiația luminoasă, înainte de a ajunge la fototranzistor.

21. Polish-area capătului de ieșire a FO a redus atenuarea cablului? a. da; b. un.

22. Deconectați cablul de la sursa de lumină.

23. Puneți capătul nepolish-at al cablului cu FO în discul de polish-are și amplasați-l apoi pe suprafața abrazivă 500/600.

24. Folosindu-se o mișcare în formă de opt, se polish-ează cu aproximativ 100 de mișcări.

ATENTIE: Este important să se aplice presiune asupra cablului. Discul este doar un ghidaj pentru a păstra fibra perpendiculară pe partea abrazivă.

Inspectați capătul fibrei și comparați-l cu diagramele de mai sus.

25. Finisarea este bună, fără urme sau crăpături? a. da b. nu

7

26. Amplasați cablul cu FO pe care tocmai l-ați finisat între LED-ul roșu și fototranzistor.

27. Măsurați puterea relativă a luminii transmise prin cablu către fototranzistor.

Fibră șlefuită fără conectori (600) =_______ mV.

28. Se va înlătura hârtia abrazivă cu granulație 600 de pe placa de finisare.

Puneți câteva picături de apă pe placa de finisare.

29. Plasați o folie de film de șlefuire pentru fibră optică (de 3 micrometri) pe placa de finisare cu partea abrazivă în sus. Puneți câteva picături de apă pentru înlăturarea resturilor de fibră.

Fiți siguri că ați polish-at ambele capete ale cablului cu FO pe filmul de 3 μm cu cel puțin 40

mișcări. Folosiți o bucată de stofă fină sau un șervețel pentru a înlătura orice reziduri de pe capetele fibrei, rezultate în urma șlefuirii.

31. Conectati cablul cu FO din plastic, fără conectori, între LED-ul roșu și fototrazistor.

32. Măsurați puterea relativă a luminii transmise pin cablu.

Fibră șlefuită fără conectori (3µm) =_______ mV.

30. Realizați aproximativ 40 de mișcări sub forma cifrei opt pentru a finisa fiecare capăt al fibrei.

Apăsați ușor cablul ce urmeaza a fi finisat, menținând discul pe suprafața filmului abraziv.

Capătul fibrei va fi zgâriat dacă nu se menține discul de polish-are pe film.

8

33. Care este raportul de putere (în dB) între cele doua cabluri?

PR = _______dB.

Calitatea polish-ării se determină comparând cablul prelucrat cu un cablu comercial similar.

34. Folosiți adaptorul pentru a conecta cablul fără conectori cu FO din plastic cu cel de 1m cu conectori cu FO din plastic.

În timp ce efectuați măsurătorile, va trebui aplicată o presiune ușoara pentru a menține cablul fără conector în adaptorul de conectare.

35. Conectați cablul cu FO din plastic de 1m la LED-ul roșu.

36. Conectați celălalt capăt al cablului fără conector la fototranzistor.

37. Țineti cablul fără conector în adaptor în timp ce ajustați încet poziția și unghiul cablului.

38. Se schimbă nivelul de putere a luminii transmise fototranzistorului pe măsura ce ajustați alinierea fibrei?

a. da; b. nu.

39. Măriți și micșorați distanta dintre capetele fibrelor, deplasând cablul fără conector spre înafara și înauntrul adaptorului de conectare.

40. Se mărește nivelul de putere a luminii transmise fototranzistorului pe măsură ce crește distanța dintre fibre?

a. da; b. nu.

Următorii factori mecanici influențează atenuarea datorată conectării mecanice:

- Dispunerea laterală atenuează deoarece o parte din lumina transferată nu va intra în fibra urmatoare.

- Lipsa de aliniere unghiulară atenuează lumina prin schimbarea unghiului de incidență în fibra următoare.

- Separarea capetelor permite ca o parte din lumină să se piardă în locul liber dintre capetele celor două fibre.

9

Prin folosirea a doi conectori pe fibra optică, se reduce atenuarea datorată lipsei de aliniere și

posibilului spațiu dintre capete.

Un defect de conectare des întâlnit poartă denumirea de pistonare.

Dacă adezivul sau îmbinarea mecanică cedează, fibra este liberă să alunece (mișcare tip piston) în interiorul manșonului din conector (ferrule).

Ce se întâmplă în cazul în care capătul fibrei se deplasează din manșonul de siguranță?

a. atenuarea creste; b. atenuarea scade.

Capătul manșonului de siguranță nu poate fi fabricat perfect plat și în unghi drept. Spațiul liber dintre manșoanele conectorilor va fi ocupat de aer.

Din această cauză vor aparea două schimbari ale indicelui de refracție atunci când lumina va ieși din prima fibră, va trece prin aer și apoi va intra în cea de-a doua fibră.

Reflexiile Fresnell apar de fiecare dată când lumina trece dintr-un mediu cu un indice de refracție în altul cu indice diferit. Diferența dintre indicii de refracție determină câtă lumină este reflectată.

Partea de lumină care este reflectată poate fi determinată calculând reflectivitatea(r) pentru granița dintre cele două medii. r = ((h2-h1)/( h2+h1))

2

41. Calculați reflectivitatea la granița aer-miez(fibră)-lumina reflectată din aer (h1=1) către miezul fibrei (h2=1.492).

r = _______.

Raportul dintre puterea luminii (totală) și cea care iese din fibră este egal cu (1-r).

10

Atenuarea se calculează folosind acest raport (1-r).

-10 × log(1-0,039) = 0,173dB

Lumina trebuie să treacă prin două schimbări ale indicelui de refractie (2× 0.173) pentru o atenuare totală de 0,346 dB.

Erorile de aliniere (poziționare) la capetele fibrei trebuie minimizate pentru ca pierderile prin conexiune să poata fi determinate.

42. Ajustați alinierea fibrei în adaptorul de conectare pentru a obține valoarea maximă posibilă a puterii relative transferate, și rețineți această valoare:

Cuplaj = ________mV.

43. Calculati diferența de atenuare (Pierderea) dintre cablul cu conectori și cele două cabluri cuplate.

Pierderea = _______dB.

45. Pentru a corecta pierderea în fibră datorată lungimii suplimentare, aproximați lungimea cablului fără conectori în metri, înmulțiți această valoare cu 0,3 și scădeți valoarea atenuarii fibrei din Pierderea.

Pierderea* = _______dB.

44. Care este atenuarea fibrei (dB/m) la 635 nm?

Fibra = _______dB/m.

11

46. Pentru a corecta diferențele dintre cablul cu conectori și cel fără, scădeți raportul de putere determinat anterior (PR) dintre cablul cu conectori și cel fără.

Pierderea** = _______dB.

Reflexiile Fresnel se calculează pentru 0,346 dB din pierderile de inserție (atenuare).

Corecțiile pentru reflexiile Fresnel: 2,71- 0,346 = 2,37 dB.

Această atenuare rămasă reprezintă pierderile datorate factorilor mecanici ai conectorilor și erorilor de măsurare.

Reflexiile Fresnel pot fi reduse prin eliminarea aerului dintre capetele celor două fibre.

Sunt folosite manșoane de siguranță cu capete rotunjite pentru a asigura contactul fizic al capetelor fibrelor.

Capătul de contact fizic al fibrei este polish-at cu ajutorul unui tampon mai moale. Acesta ia forma manșonului, realizând astfel o șlefuire uniformă a capătului rotund al fibrei.

Polish-ările tip contact fizic (PC) sunt des folosite, deoarece majoritatea sistemelor cu fibră optică

nu pot tolera întoarcerea fasciculului de lumina prin fibră.

Polish-ările tip contact fizic (PC) sunt apreciate în funcție de raportul dintre puterea transmisă și

cea reflectată înapoi în fibră.

Unghiul de incidență depinde de locul unde ajunge raza de lumină de-a lungul capătului curbat al fibrei. Reflexia Fresnell determinată de incidența razei cu un punct îndepărtat de centrul miezului, face ca raza sa fie trimisă înspre învelișul de protecție la un unghi care împiedică propagarea.

12

47. O sursă de lumină transmite 1mW lumină printr-o fibră optică către un capăt prelucrat super PC. Câtă putere este reflectată prin fibră către sursa de lumină?

PR = _______nW. Concluzii

Manșoanele din conectoare reduc atenuarea printr-o aliniere corectă a capetelor fibrelor. “Pistonarea” este procesul prin care fibra alunecă în interiorul manșonului, mărind astfel

distanța de separare dintre capetele fibrelor precum și atenuarea. Un adaptor de conectare poate fi folosit pentru a alinia o conexiune, permițând luminii să treacă

dintr-o fibră în alta. Polish-area (șlefuirea) capetelor fibrelor reduce atenuarea. Capătul cu terminație PC reduce reflexiile Fresnel. Masurările puterii optice pot fi folosite pentru a determina atenuarea unei conexiuni optice.

Întrebări recapitulative

1. Care tip de polish-are va produce cea mai mare reflexie Fresnel? a. polish-area plată; b. polish-area PC; c. polish-area super PC; d. polish-area ultra PC.

2. Cum poate fi redusă atenuarea unei conexiuni? a. mărind deplasarea laterală; b. mărind distanța (separarea) dintre capete; c. micșoând lipsa de aliniere unghiulară; d. toate variantele de mai sus.

3. “Pistoning”-ul mărește atenuarea prin: a. mărirea lipsei de aliniere unghiulară a manșoanelor fibrelor; b. mărirea distanței (separării) dintre capete; c. mărirea deplasării laterale; d. contactul fizic al capetelor fibrelor.

Două cabluri cu FO identice ca lungime diferă numai printr-o conexiune optică. Cablul cu doi conectori are o atenuare de 5 dB. Cablul cu 4 conectori are o atenuare de 6,5 dB.

4. Care este pierderea de putere prin conexiunea optică adițională? a. 2.5 dB; b. 1.5 dB; c. 0.75 dB; d. 0.375 dB.

5. Care dintre următoarele măsuri reduc atenuarea unui ansamblu de cablu cu FO? a. folosirea manșoanelor pentru alinierea capetele fibrelor; b. polish-area capetelor fibrelor; c. folosirea unui număr de conectori cât mai mic; d. toate variantele de mai sus.