IX

Ministerul Educaiei al Republicii Moldova

Universitatea Tehnic a Moldovei

Facultatea de Inginerie i Management n Electronic i Telecomunicaii

Catedra Radiocomunicaii

Dare de seamaLa lucrarea de laborator N 1La disciplina: Comunicatii optice

Tema: TIPURI I PARAMETRI AI FIBRELOR OPTICE

A efectuat

studenta gr.TLC-121

Semntura

Burduniuc A.

A verificat

lector superior

Semntura

Masnic A.Chiinu 2015

1.1. Scopul lucrrii: studierea tipurilor de fibre optice i principiul de transmitere a semnalului prin fibrele optice.

1.2. Noiuni generaleO fibr optic este un ghid de und dielectric cilindric realizat din materiale cu pierderi mici, cum este sticla de siliciu SiO2. Fibra optic are un miez central (cu raza a) n care se propag lumina (fig.1.1). Miezul este nconjurat de un strat cu indice de refracie mai mic dect al miezului (cu raza b). ntr-o astfel de fibr optic lumina poate fi ghidat cu pierderi foarte mici de doar 0,1 dB ((3,6%). Reprezentarea schematic a unei fibre optice

Exist dou tipuri de fibre optice:

1. monomod (SMF-single mode fiber);

2) multimod (MMF-multi mode fiber),

ce difer prin diametrul miezului prin care se transmite lumina.

Materiale pentru fibrele optice

Pentru a obine variaia indicelui de refracie dintre miezul i cmaa fibrei optice sunt necesare, cel puin, dou materiale diferite transparente pentru lumin (n diapazonul de unde de la 0,8 m pn la 1,6 m. Pierderile de mprtiere i absorbie intrinsec ale acestor materiale trebuie s fie ct mai mici. Iar n cazul fibrelor cu indicele gradat aceste dou materiale trebuie s posede solubilitate reciproc n diapazon larg al concentraiei.1.2. Efectuarea lucrarii.

Varianta 6VariantaPerechea de sticleDiametrul

miezuluiDiametrul nveliuluiLungimea de und

6 6-9 8 125 1,55

Valorile coeficienilor Ai i li

Nr.Componena

sticleiTipul

coeficientuluiValorile coeficientului pentru i egal cu:

123

63,0% Be2O397,0% SiO2Aili0,6935408

0,07170210,4052977

0,12563960,9111432

9,896154

91% F

99% SiO2Aili0,691116

0,0682270,399166

0,1164600,890423

9,993707

1. Determinam indicii de refracie ai prilor componente ale fibrei optice:

2. Apertura numeric ce determin condiiile de introducere a radiaiei n fibra optic se determin prin formula

3. Determinam unghiul de acceptan n aer:

4. Aflam valoarea unghiului critic miez-cma:

5. Frecvena normat se determin prin formula:

1.4. ntrebri de control

1. Enumerai tipurile de fibre optice.

Exist dou tipuri de fibre optice:

1. monomod (SMF-single mode fiber);

Fibra monomod standard (SF), (tip G.652);

Fibra monomod cu dispersie deplasat nul (DSF), (tip G.653); Fibra monomod cu dispersie deplasat (NZDSF), (tip G.655). 1. multimod (MMF-multi mode fiber),

fibre multimod cu profilul indicelui de refracie n trepte (step index multi mode fiber);

fibre multimod cu profilul indicelui de refracie gradient (graded index multi mode fiber).Care difer prin diametrul miezului prin care se transmite lumina.

2. Ce numim apertur numeric a fibrei optice?

Definim astfel apertura numeric a fibrei ca fiind sinusul ghidului de inciden maxim pe care l poate avea o raz cnd ptrunde din aer n miezul fibrei pentru ca apoi s fie reflectat total (altfel spus, s fie o raz ghidat de fibr).

Atunci cnd diferena relativ a indicelor de refracie este mic, se mai poate aproxima:

(1.5)

i unghiul se mai numete i unghi de acceptare al fibrei (fig.1.6). Apertura numeric descrie capacitatea fibrei de a ghida lumina.3. Cu ce compui trebuie dopat cuarul pentru a mri coeficientul de refracie?

Ca dopani pentru majorarea indicelui de refracie al SiO2 pur se utilizeaz urmtoarele materiale: GeO2, P2O5, Al2O3, TiO2 ZrO2 .a.4. Cu ce compui trebuie de dopat quartzul pentru a micora coeficientul de refracie?

Pentru micorarea indicelui de refracie se folosesc B2O3 i F.5. Care sunt principiile fizice ale transmisiunii semnalelor prin fibrele optice?

n vid razele au viteza c = 3108 m/s, pe cnd n alte medii ele au o vitez puin mai mic, exprimat prin relaia:

,

unde n este indicele de refracie al mediului dat. Pentru aer i gaze n ( 1, adic . Pe cnd sticla, care poate avea multe compoziii, are i diferite viteze ale razelor. Pentru sticlele din SiO2 ce se folosesc n fibrele optice, indicele de refracie ia valori ntre 1,45 i 1,48.

Cnd indicele de refracie pentru un ghid de unde optic este funcie de raza ghidului, expresia profilul indicelui poate fi utilizat pentru a descrie cum lumina se transmite prin ghidul de unde. Profilul indicelui indic cum se schimb indicele de refracie de la axa central a ghidului de unde la periferia lui sau nveli. Lumina se transmite sau se refract n conformitate cu acest profil.

Propagarea luminii n ghidul de unde depinde de profilul indicelui de refracie.

Fig.1.5. Reprezentarea grafic a trei tipuri diferite de profiluri ale indicelor de refracie ce se propag prin miezul fibrelor optice

Profilul indicelui din punct de vedere matematic poate fi descris prin formula:

i suplimentar:

n1 indicele de refracie al miezului (ghidului de unde);

diferena relativ a indicilor de refracie;

r distana de la axa central a fibrei n m;

a raza miezului n m;

g indice de profil;

n2 indicele de refracie al nveliului.

Expresia pentru diferena relativ a indicilor de refracie este legat de apertura numeric (NA), sau de ambii indici de refracie n1 i n2, astfel:

pentru Pentru indicele de profil g, exist cteva cazuri speciale ce trebuie menionate:

g = 2, pentru profilul indicelui de refracie parabolic;

g = , pentru profilul indicelui de refracie n trepte.

Numai n ultimul caz (cnd g = ) indicele de refracie este constant: n(r) = n1 pe tot diametrul miezului. n cellalt caz, indicele de refracie se schimb treptat de la axa central a miezului (n1) de-a lungul diametrului pn la nveli (n2).

Profilurile, la care indicele de refracie se schimb, sunt numite profiluri gradiente ale indicelor de refracie. Cel mai des ntlnit profil gradat al indicelui este g = 2 (parabolic), care tehnic asigur o propagare excelent a luminii n fibra multimod.

O raz incident ptrunde din aer ntr-o fibr optic sub un unghi fa de normala la planul de inciden. Se pune problema de a calcula ct de mare trebuie s fie unghiul astfel nct raza refractat s fie reflectat total n interiorul fibrei.

O und este ghidat de ctre fibra optic dac are un unghi de inciden mai mic dect (unghiul de acceptare ce determin n spaiu un con de acceptare)

6. Care sunt ferestrele de transparen ale cuarului?

Deosebim trei ferestre de transparen(lungimile de und la care se transmite semnalul cu pierderi minime):

850 nm;

1310 nm;

1550 nm .

Dou ferestre de transparen, 850 i 1310 nm, de regul, pentru transmiterea luminii folosesc fibra multimod.7. Care sunt particularitile de construcie ale cablurilor optice?

Pentru a obine variaia indicelui de refracie dintre miezul i cmaa fibrei optice sunt necesare, cel puin, dou materiale diferite transparente pentru lumin (n diapazonul de unde de la 0,8 m pn la 1,6 m. Pierderile de mprtiere i absorbie intrinsec ale acestor materiale trebuie s fie ct mai mici. Iar n cazul fibrelor cu indicele gradat aceste dou materiale trebuie s posede solubilitate reciproc n diapazon larg al concentraiei.

8. Explicai noiunea reflexie total intern.Cnd unda reflectat preia toat energia undei incidente, are loc reflexia total intern la nivelul suprafeei de separaie .Reflexia total se produce doar dac sunt ndeplinite urmtoarele condiii (fig.1.7):

reflexia are loc la suprafaa de separaie dintre dou medii transparente, atunci cnd unda incident ce provine din mediul cu indicele de refracie este mai mare ca n2;

unghiul de inciden al undei incidente trebuie s fie mai mare dect un unghi limit: .

Optica geometric explic reflexia total prin faptul c, n condiiile date, raza incident nu mai sufer i o refracie n punctul de inciden, deoarece nu mai poate fi satisfcut legea refraciei pentru :

,

ceea ce este imposibil pentru c .

Reflexia total a undei incidente la suprafaa de separaie dintre dou medii cu indici de refracie

n optica electromagnetic se demonstreaz c atunci cnd sunt ndeplinite condiiile reflexiei totale, unda refractat devine o und evanescent care se atenueaz foarte repede pe o distan fa de suprafaa de separaie .9. Enumerai avantajele transmisiei informaiei prin fibrele optice.

Avantajele transmisiei de informaii prin fibre optice:

1) potenial enorm privind banda de transmisie;

2) und purttoare de frecven foarte mare ((1014Hz);

3) pierderi mici de informaii (( ( 0,2 dB/km chiar pentru sticl);

4) repetoarele pot fi eliminate;

5) securitate crescut pentru transmiterea de informaii: nu pot fi aflate datele transmise fr a afecta semnalul;

6) fibrele optice sunt neutre din punct de vedere electric ceea ce nu mai presupune utilizarea de antene sau legturi pentru potenialul de referin. De asemenea,neutralitatea electric conduce la utilizarea cu succes a fibrelor optice n mediu ostil.

10. Ce materiale sunt utilizate pentru confecionarea fibrelor optice?

Cel mai mult se utilizeaz urmtoarele materiale:

bioxidul de siliciu SiO2 pur i amestecurile acestuia cu ali oxizi n cantiti mici;

sticle multicompozite;

materiale plastice.

Din punct de vedere al nivelului de producere a materialelor menionate este evident superioritatea polimerilor, care nu necesit temperaturi de lucru prea nalte. Dar caracteristicile optice ale fibrelor cu miezul i cmaa din materiale polimere sunt inferioare fa de cele din sticl. Datorit acestui fapt, fibrele din material plastic se utilizeaz pentru transmisii la distane mici, de lime ngust a benzii, unde atenuarea semnalului de-a lungul fibrei are doar o importan secundar.

Sticla de cuar bioxidul de siliciu SiO2, material pentru ghiduri de und de nalt calitate (atenuare joas, band de transmisie mare).

11. Scriei i explicai ce reprezint funciile Bessel.Funcii de tip Bessel:

unde sunt funciile Bessel de spea I de ordin l; sunt funcii Bessel modificate de ordin l (funcii Bessel de spea II).

Funcia oscileaz ca un sin sau cos atenuat pentru x>> 1:

iar descrete exponenial cu x pentru x >>1:

Funciile Bessel pentru dou moduri de propagare: (a) l = 0 i (b) l = 3.

12. Parametrul fibrei V.

Se pot defini doi parametri X i Y adimensionali conform relaiilor:

i pentru cei doi parametri este valabil relaia:

X2 + Y2 = V2unde

este un parametru important de care depinde numrul de moduri pentru fibra optic i constantele lor de propagare. Acest parametru se numete parametrul fibrei sau, mai scurt, parametrul V. O und electromagnetic este ghidat de ctre fibra optic dac X < V.13. Prezentai soluia grafic a ecuaiei caracteristice.

14. Moduri electromagnetice de propagare a luminii prin fibra optic.

Modele metode matematice i fizice de descriere a propagrii undelor electromagnetice ntr-un mediu arbitrar. n form matematic, teoria undelor electromagnetice este descris de ctre Maxwell.

Maxwell a artat c unda electromagnetic const din cmpul electric E i cmpul magnetic H, care variaz periodic i sunt perpendiculare reciproc. Moda este o soluie acceptabil a ecuaiilor lui Maxwell. Pentru simplitate, moda poate fi descris drept cale (traiectoria) posibil pe care unda o urmeaz, de exemplu, n fibra optic. Numrul maxim posibil de mode sau direcii ale energiei, care se pot propaga n fibr, este de la una pn la sute de mii.

Cte moduri exact pot fi transmise pe o fibr se determin n dependen de proprietile geometrice (dimensiuni) i parametrii optici ai fibrei.

Un mod determinat va transporta de asemenea o cantitate determinat de energie. Astzi este folosit oricare fibr, care transmite numai o mod ce se numete monomod single-mode fiber, iar cea care transmite n general sute de mode, se numete multimod multimode fiber.

Cnd lumina se introduce n fibr (aproape de sursa de lumin), diverse moduri vor transmite, sau prea mult, sau prea puin energie, n dependen de lumina injectat. De-a lungul direciei de propagare, energia se va distribui ntre diferite mode (se numete cuplarea modelor) pn cnd fiecare mod nu transmite cantitatea ei de energie determinat.

Cnd lumina ajunge la aceast etap, apare o stare de regim staionar sau echivalen ntre mode. n fibra plastic, aceasta are loc dup civa metri de fibr.

Pentru fibr de sticl de calitate nalt, aceasta are loc dup cteva sute de metri pn la un kilometru.

n general, modurile electromagnetice sunt distribuii ale cmpului electromagnetic n interiorul fibrei optice. Modul optic se exprim analitic, referindu-se la o soluie specific a ecuaiei undei n fibra optic care satisface condiiile de frontier. Modurile optice au proprietatea de a-i pstra distribuia spaial pe parcursul propagrii.

O explicaie mai simpl ar putea servi faptul cnd lumina care se propag de-a lungul unei traiectorii particulare n limitele fibrei optice trebuie s aib frontul undei n faz cu sine nsui. Unda trebuie s fie n faz n punctele corespunztoare (de exemplu A i A1) ale ciclului, dup cum este reprezentat n figura 1.15. Adic, ntre punctele de reflecie la interfeele miez i cma trebuie s fie un numr ntreg de lungimi de unde. Este evident c, datorit restriciei traiectoriilor, numrul de traiectorii posibile ale undei optice este finit.

Propagarea mai multor moduri prin miezul fibrei optice; n punctele corespunztoare ale traiectoriei (de ex. A i A1) fiecare mod trebuie s fie n faz cu sine nsui

Multe moduri se propag prin fibra optic cu indice gradat pe o traiectorie sub form de spiral. De fapt, majoritatea modurilor niciodat nu intersecteaz axa miezului fibrei pe parcursul propagrii, dup cum este reprezentat n figura 1.16.

Moduri elicoidale n fibra multimod

care nu trec prin axa fibrei n procesul propagriiO proprietate foarte important a modurilor const n faptul c toate modurile care se propag prin fibra optic sunt ortogonale. n acest caz, pentru fibrele fr defecte, cu indicii de refracie uniformi, cu un paralelism perfect ntre frontierele miez-cma nu va avea loc interferena sau transferul de la un mod la altul, aceasta fiind principala cauz pentru restricia ca punctele corespunztoare ale traiectoriei modului s fie n faz cu sine nsei. n caz contrar, va avea loc interferena dintre moduri i ele nu se vor propaga.Modurile fibrei pot fi clasificate ca moduri ghidate, moduri de scurgere i moduri de radiaie. Transmisia informaiei prin sistemele de comunicaii prin fibre optice are loc doar datorit modurilor ghidate. Cnd lumina intr n fibra optic, pe lng modurile ghidate care se propag, inevitabil, o parte din aceasta va intra i n cma. De asemenea, cnd sunt curbri ale fibrei sau imperfeciuni ale interfaei miez-cma, lumina poate fi refractat din miez n cma. O parte considerabil va prsi repede cmaa i fibra, iar alt parte se va propaga la distane considerabile ca moduri ale cmii. ns scopul este de a exclude aceste moduri care influeneaza considerabil asupra dispersiei. Pentru a exclude aceste moduri nedorite ale cmii este necesar de a minimiza reflecia, respectiv i ghidarea, la interfaa cma-nveliul de protecie al fibrei. Practic, acest scop se realizeaz prin utilizarea nveliului de protecie al fibrei cu indicele de refracie mai mare dect al cmii.Pe lng atare moduri ale cmii mai exist i moduri de scurgere, care nu satisfac condiiile de ghidare prin miez, dar totui parcurg distane considerabile. Acesta este cazul cnd modul este limitat ntre modul cmii i cel de frontier. De exemplu, n fibrele multimod acestea sunt razele oblice de un anumit tip. Dup parcurgerea unei anumite distane, modurile date prsesc miezul, apoi i cmaa fibrei optice. Vitezele de grup ale modurilor de scurgere sunt mai mici dect ale modurilor de frontier, contribuind astfel la dispersia semnalului. Aceste moduri pot fi eliminate prin utilizarea unor curburi nguste ale fibrei, cu raze care permit trecerea doar a modurilor de frontier.

15. Scriei i explicai vitezele de faz i de grup Vf, Vg.

Dup cum am menionat mai sus, n limitele tuturor undelor electromagnetice sunt puncte cu faza constant. Pentru undele plane aceste puncte cu faza constant formeaz un front al undei. n domeniul fibrelor optice viteza de faz este viteza de propagare a undei electromagnetice prin mediu, adic viteza frontului cu faz constant a modului dup cum ele se propag prin fibr. Adic, viteza de faz este raportul dintre viteza luminii i indicele efectiv al fibrei optice

unde indicele efectiv nef este un numr situat ntre indicele de refracie al miezului i al cmii . Aceasta este valabil pentru unda monocromatic de lumin, ns practic fiind imposibil a produce astfel de unde,de aceea energia luminii este alctuit din suma componentelor de diferite frecvene. La propagarea prin fibr a grupului de unde cu frecvene aproape egale are loc formarea unui pachet de unde. Pachetul de unde format din dou unde cu frecvene aproape egale este reprezentat n figura 1.20.

Ca rezultat, pachetul de unde se deplaseaz nu cu viteza de faz vf, dar cu o vitez puin mai mic, numit vitez de grup vg. Expresia pentru viteza de grup este:

unde N1 este cunoscut ca indice de grup al ghidului i se determin din relaia :

Formarea pachetului de unde din dou unde cu frecvene aproape egale. Anvelopa acestui grup de unde se deplaseaz cu o vitez de grup

Noiunea de vitez de grup se utilizeaz la discutarea vitezei de propagare prin fibra optic. Adic, este viteza de propagare a modulaiilor prin fibr i este de o importan major n procesul de studiere a caracteristicilor de transmisie ale fibrei optice, deoarece se refer la caracteristicile de propagare a pachetului de unde.

Concluzie: In urma efectuarii lucrarii de laborator date am determinat mai multi dintre parametrii fibrei optice, si in urma calcularii frecventei =3.742053 > 2.405, de unde putem sa concludem ca fibra optica confectionate din aceste materiale ar lucra in regimul multimod.

_1485244566.unknown

_1485245066.unknown

_1485245070.unknown

_1485245142.unknown

_1485245474.unknown

_1485245475.unknown

_1485245476.unknown

_1485245473.unknown

_1485245140.unknown

_1485245141.unknown

_1485245071.unknown

_1485245068.unknown

_1485245069.unknown

_1485245067.unknown

_1485244570.unknown

_1485244572.unknown

_1485244974.unknown

_1485244571.unknown

_1485244568.unknown

_1485244569.unknown

_1485244567.unknown

_1485243203.unknown

_1485243207.unknown

_1485243209.unknown

_1485243211.unknown

_1485243212.unknown

_1485243210.unknown

_1485243208.unknown

_1485243205.unknown

_1485243206.unknown

_1485243204.unknown

_1485241520.unknown

_1485242195.unknown

_1485242196.unknown

_1485241578.unknown

_1485241419.unknown

_1485241470.unknown

_1485241252.unknown