Op 11 (Reparat)

download Op 11 (Reparat)

of 73

description

opto

Transcript of Op 11 (Reparat)

CURS 1

Lumina ca purttor de informaie. Propagarea radiaiei optice prin ghiduri i mediul nconjurtor. Medii de transmisie, proprieti. Moduri de propagare. Modelul general al unui sistem de comunicaii optice.

INTRODUCERE. IMPORTANA OPTOELECTRONICIITehnologiile moderne electronice i informatice se regsesc din plin n comunicaiile militare. Evoluiile tiinei din a doua jumtate a sec. XX-lea i nceputul acestui secol au determinat implicaii majore n ce privete dezvoltarea aplicaiilor din domeniul militar.Localizarea inamicului, urmrirea i lovirea lui n intervale foarte apropiate de timp apar ca posibile n teatrul de lupt ca urmare a legturilor informaionale, evalurii i procesrii datelor, conducerii automate a focului, supravegherii continue a inamicului. Se creeaz premisa creterii spre certitudine a posibilitii de distrugere a primei lovituri, ceea ce duce implicit la reducerea necesarului de for uman numeroas. Rezult de aici importana instalaiilor, sistemelor i aparaturii energetice, electrotehnice i electronice, a funcionrii lor n condiii de rzboi electronic, perturbaii, interferene. Se Disting n aceast privin, dou aspecte care trebuie abordate.a. Stabilitatea la perturbaii reprezint capacitatea sistemului de a-i menine parametrii funcionali n condiiile prezenei i aciunii perturbaiilor. Prin suprapunere peste semnalele utile acestea i modific forma de variaie n timp, se altereaz mesajul coninut, apar la ieire i alte semnale inutile, care pot compromite funcionarea sistemului informaional. Pe msura creterii cerinelor privind calitatea sistemelor informaionale, multiplicrii surselor de perturbaii, stabilitatea fa de perturbaii capt o importan sporit i trebuie s in pasul cu aceste condiii adverse. Se disting dou tipuri de stabilitate la perturbaii a sistemelor electronice. o stabilitate potenial, teoretic adic limita maxim posibil de stabilitate n condiiile de semnal perturbator reprezentat numai de zgomotul intern al instalaiei de recepie o stabilitate real aceea care trebuie s se manifeste cnd acioneaz semnalele perturbatoare exterioare, al cror numr, intensitate i caracter se modific mult n decursul funcionrii sistemului. b. Protecia la perturbaii reprezint un ansamblu de msuri adoptate n scopul funcionrii sigure a diferitelor echipamente i instalaii i sisteme informaionale n medii afectate de puternice perturbaii electromagnetice. Aceast protecie trebuie s fie prezent datorit importanei n funcionare pe care o au respectivele echipamente i ea se refer la ridicarea robusteii i imunitii la perturbaii a diferitelor pri ale instalaiilor respective, iar pe de alt parte la reducerea emisiilor perturbative a eventualelor surse poluante.Este poziia de pe care domeniul optoelectronicii prezint aspecte inedite deosebit de interesante cu importante aplicaii practice.Pe de alt parte, performanele tehnicii militare de transmisiuni, chemat s joace n cmpul de lupt modern un rol esenialmente decisiv, asigur acestui domeniu o poziie determinant, susinut prin preocuprile permanente de implementare a celor mai performante metode de protejare.Apariia i dezvoltarea sistemelor de comunicaii prin fibre optice a reprezentat o trecere fireasc spre utilizarea frecvenelor tot mai nalte prin nevoia accesrii unor canale de band ct mai larg i de cea a creterii numrului de canale.

Scurt istoric

Dei comunicaiile prin fibre optice sunt de dat relativ recent, ideea de transmitere ghidat a luminii nu este nou. Astfel, la 1870 I. Tyndall arta c lumina poate fi ghidat n interiorul unor ghiduri electrice i poate "curge" asemntor unui jet de ap. Zece ani mai trziu Bell studia posibilitatea transmiterii vorbirii prin fluxul luminos. n anii 1910 se fceau primele studii teoretice ale ghidurilor de und dielectrice, iar n anii 1950 au fost realizate primele ghiduri optice asemntoare celor utilizate astzi, afirmndu-se posibilitatea utilizrii lor.Performanele de astzi au fost atinse prin parcurgerea unor etape i pai succesivi prin care s-a asigurat perfecionarea continu a tehnologiilor optoelectronice. Astfel: introducerea nveliului cu indice de refracie mai mic dect al miezului (von Hell 1950); utilizarea fasciculelor de fibre optice n locul unei singure fibre, ceea ce a permis reducerea diametrului i creterii flexibilitii cablurilor optice; introducerea nveliului absorbant exterior; inventarea n 1961 a laserului cu fibr optic de ctre Snitzer; producerea n 1968 a fibrei cu gradient de ctre Nippon Glass Company; producerea n 1970 de ctre firma Carning Glass a primei fibre optice cu atenuarea sub 20 dB/km. Acest pas a fost hotrtor n evoluia fibrelor optice, realizndu-se pn n prezent n trei generaii:1. Prima generaie de sisteme de comunicaii pe fibre optice elaborate i introduse n exploatare n anii 1970, caracterizate prin: =0.8 0.9 m, atenuarea fibrei optice =210 dB/km, frecvena maxim 34 144 MHz, lungimea de regenerare Lmax = 5 15 km, fibrele sunt de tipul multimod de cuar cu gradient i salt al indicelui de refracie.2. A doua generaie introdus n anii 80 este caracterizat de urmtoarele: =1.3 1.5 m, fibre optice monomod cu atenuare =0.20.5 dB/km, banda de trecere pn la 1 GHz, lungimea de regenerare Lmax = 50 200 km, utilizeaz ca surs optic dioda laser, iar ca fotodetector fotodiode cu avalan.3. Sistemele de transmisiuni de generaia a treia, funcionnd pe lungimea de und de 1550 m, se bazeaz pe minimul de atenuare al fibrelor optice monomod, la aceast lungime de und, minim situat n jurul la 0.2 0.3 dB/km. Pentru a putea pstra i o dispersie nul la aceast lungime de und profilul indicelui de refracie este modificat, obinndu-se fibre optice cu dispersia plat. Prin utilizarea acestora se poate crete enorm capacitatea de informaie transportat printr-o fibr optic prin utilizarea multiplexrii n lungimea de und. Ca surse optice sunt utilizate LED-uri i diode laser pe baz de InGaAs precum i dispozitive de fotodetecie fotodiode PIN pe baz de GaAs cu sensibilitate n jur de 0.8 A/W i ntr-o mai mic msur fotodiode cu avalan din Ge. Pentru aceast generaie de sisteme s-au dezvoltat i amplificatoare optice bazate pe fibre optice dopate cu erbiu, care permit amplificri ale semnalelor optice de 20-30 dB. Cu ajutorul acestor dispozitive se pot realiza legturi la foarte mare distan i de foarte mare capacitate, de ex. legturile transoceanice (cablul transatlantic TAT-9 care are capacitatea echivalent a 80000 canale telefonice).

La ora actual sistemele de comunicaie prin fibre optice reprezint mijlocul cel mai eficace de transmisie prin cablu a semnalelor informaionale ocupnd o band larg de frecvene pentru diferite scopuri.

Comunicaiile optice se utilizeaz cu succes n comunicaiile terestre, cosmice i subacvatice, n domeniul civil i militar, n reele locale sau n marile magistrale de telecomunicaii. Dintre caracteristicile tehnice care favorizeaz aceast larg utilizare se amintesc: posibilitatea de transmitere a radiaiei laser; diametrul foarte mic al fibrelor optice (sub 100 m); atenuarea relativ mic; consumul de materii prime la un cost redus i n volum mic avantaj net fa de cablurile coaxiale; posibilitatea instalrii n medii periculoase (cu pericol de explozie, coroziune, etc.), n cmpuri electromagnetice foarte intense; permite lucrul n condiii meteo grele sau medii periculoase; nu necesit adaptare la impedana de linie; pot lucra ntr-o gam larg de temperatur, fr modificri apreciabile ale proprietilor de transmisie; banda de transmisie foarte mare (rezult implicit o vitez de transmisie foarte mare); lungimea spectral foarte ngust (banda de frecven 10-11) deci ofer posibilitatea filtrrii optice; imunitate mare la zgomote i la cmpuri electromagnetice perturbatoare; diafonie redus, atenuare mic (de regul); izolare electric ideal etc. posibilitatea redus a interceptrii nedorite, imunitate mare la zgomote i cmpuri electromagnetice exterioare.Particularitile dielectrice ale fibrelor optice permit creterea compatibilitii electromagnetice a aparaturii, mrirea stabilitii la zgomote n impulsuri i de nalt frecven, ceea ce le face extrem de utile n mediile cu perturbaii, inclusiv n aplicaii cu specific militar.Dezvoltarea domeniului transmisiunilor de date a fost puternic impulsionat de creterea apreciabil a posibilitilor de stocare, prelucrare i transmitere a unei cantiti din ce n ce mai mare de informaii sub form de date. La aceasta contribuie puternic progresele tehnologiilor electronice i a tehnicii de calcul. Domeniul transmisiilor de date s-a constituit ca un ansamble de concepte, principii i metode care ofer posibilitatea realizrii unor sisteme de teletransmisie a datelor cu viteze i precizii corespunztoare cerinelor actuale ale ducerii moderne a luptei.Comunicaiile optice sunt de o importan deosebit pentru domeniul militar. Progresul nregistrat n cercetarea i evoluia fibrelor optice i componentelor optoelectronice a determinat un transfer rapid n stadiul produciei de astfel de componente. Sistemele prin fibre optice au devenit din ce in ce mai competitive fa de cele utiliznd cablul coaxial, iar pentru viteze de transmisie mai mari de 34 Mb/s sistemele cu fibre optice sunt net superioare d.p.d.v. al performanelor i costurilor.Fibra optic a ajuns n majoritatea rilor s nlocuiasc reelele bazate pe cablu coaxial, permind oferirea de servicii integrate de band larg. Altfel spus, optoelectronica reprezint unul din paii eseniali pentru aa-numita magistral informaional aflat n construcie n toat lumea.Inveniile promovate de acest domeniu (laserii, LED-urile, dispozitivele cu fibr optic, detectorii, modulatorii, camerele video, display-urile plate, etc) au determinat schimbri deosebite n toate ramurile tiinelor, care, evident au nevoie de performanele oferite de optoelectronic (industrie, medicin, comunicaii). Factorul care determin utilizarea pe scar att de larg a luminii este acela c lumina reprezint energie n form pur, deci orice surs de lumin este o surs de energie.

PROPAGAREA RADIAIEI OPTICE

1.1 Lumina ca purttor de informaie

Dezvoltarea nevoilor de culegere, prelucrare i transmitere a informaiei a impus trecerea spre domeniu frecvenelor foarte nalte, Pentru a putea realiza: un numr mare de canale de legtur benzi ct mai mari de frecven pentru fiecare canal.Frecvenele foarte nalte clasice au fost depite, domeniul spectral a fost extins spre infrarou i chiar X i gamma. Trecnd de la undele centimetrice la undele optice (luminoase) volumul informaiei transmise crete proporional cu raportul frecvenelor respective (aprox. de 104 ori).Undele optice emise de sursele clasice de lumin sunt improprii pentru transmiterea semnalelor, datorit emisiei necoerente i ntr-o band larg de frecvene (proprietile semnalelor optice emise de o astfel de surs le apropie mai mult de caracteristicile unor semnale aleatoare pure - zgomote dect de cele ale unei purttoare cu o faz i frecven bine determinate. De aceea s-au dezvoltat generatoarele i amplificatoarele cuantice de radiaie, care funcioneaz pe baza fenomenului de emisie stimulat a luminii: laserii (de la light amplification by stimulated emission of radiation) i maserii (microwave amplification by stimulated emission of radiation), dispozitive care acoper domeniul infrarou (IR) i cel ultraviolet (UV).Undele electromagnetice pot interaciona cu un sistem atomic (molecular) producnd variaia energiei interne a acestuia. Dac unda interacioneaz de ex, cu un atom (ion, molecul) energia acestuia va crete pn la o anumit valoare sistemul atomic va fi excitat prin trecerea sa de la starea fundamental n la o stare energetic cuantificat superioar m. Revenirea la starea fundamental are loc prin eliberarea de ctre atom a energiei acumulate sub form de radiaie de frecven min:(1)unde Em,n reprezint energiile strilor m (excitat) i n (fundamental), iar h reprezint constanta lui Planck.Dac asupra sistemului atomic acioneaz cmpul undei incidente (unda electromagnetic) avnd frecvena - corespunztoare tranziiei considerate sistemul atomic va ceda o und care se gsete ntr-o relaie bine determinat fa de unda incident. La rndul su aceast und poate stimula un alt sistem atomic, etc, procesul conducnd la amplificarea undei incidente adic s-a obinut principiul de funcionare al amplificatoarelor de radiaie.

Aspecte fizice

Radiaia electromagnetic din domeniul optic difer de radiaia electromagnetic de RF nu numai ca frecven, dar i ca proprieti.Cmpul electromagnetic coninut de un rezonator poate avea numai valori discrete pentru frecven. n gama optic cmpul electromagnetic este cuantizat i ca energie sub form de fotoni. Materia are i proprieti de und. Dac o particul este mrginit spaial, unda asociat particulei va avea numai valori discrete pentru frecven i energie. Natura cuantic a radiaiei trebuie luat n considerare cnd hf kT(2)adic atunci cnd fluctuaiile cuantice depesc pe cele termice. Detecia luminii pe o fotodiod este un proces discret deoarece crearea unei perechi electron-gol este urmarea absorbiei unui foton.Undei electromagnetice sinusoidale i corespunde n teoria cuantic unda de lumin coerent monomod. Fluctuaiile undei unei unde luminoase de intensitate constant sunt denumite fluctuaii de particule. Deoarece fluctuaia de particule este proporional cu rdcina ptrat din intensitatea luminii, raportul semnal/zgomot cauzat este invers proporional cu intensitatea luminii.Lumina necoerent este emis de atomi independeni fr corelaie de faz ntre procesele de emisie. Lumina necoerent este analog zgomotului de radiofrecven.. fluctuaia instantanee a luminii necoerente este proporional cu intensitatea luminii i sunt de aceeai mrime.

Modalitatea de generare a purttorilor

Ca rezultat al absorbiei radiaiei n corpul solid au loc urmtoarele modaliti de generare a purttorilor prin:1. Absorbie intrinsec. Electronii de valen preiau de la radiaie energia fotonilor i cu ajutorul acesteia trec din banda de valen n cea de conducie; se genereaz astfel n cristal perechi electron-gol. Fenomenul este util n optoelectronic i are loc numai dac energia fotonului este mai mare dect banda interzis. El poate avea loc att n domeniul infrarou ct i n domeniul radiaiilor vizibile funcie de lrgimea benzii interzise.2. Absorbia purttorilor mobili. Energia fotonilor este preluat de purttorii liberi existeni n cristal, care n felul acesta i mresc energia cinetic sub aciunea componentei de cmp electric a radiaiei luminoase.3. Absorbia cu emisie de electroni. Cnd energia fotonilor este suficient de mare pentru a genera electroni liberi, a cror energie este mai mare dect energia de reinere, atunci electronii prsesc corpul solid, realizndu-se emisia fotoelectronic.4. Absorbia proprie n reeaua cristalin. Radiaia intr n interaciune cu vibraiile termice ale reelei, energia fotonilor este convertit n fotoni pe care i preia reeaua cristalin; aceast energie nu produce fenomene optice i de aceea absorbia apare ca un fenomen nedorit care reduce intensitatea fenomenelor optoelectronice.

Modaliti de recombinare a purttorilor

Cnd un sistem fizic trece de la o stare cu energie mai mare la o alta cu energie mai mic, se elibereaz o cantitate de energie egal cu diferena dintre energiile celor dou stri. n cazul corpurilor cu band interzis direct, recombinrile electron-gol se fac prin tranziii verticale, cu pstrarea momentului mecanic al corpului, deci fr apariia fotonilor; n acest caz energia eliberat prin recombinare se transform n lumin conform relaiei:(3)Radiaia produs are caracteristicile: frecvena:(4) lungimea de und:(5)n cazul corpurilor cu band interzis indirect, recombinrile elctron-gol se fac prin tranziii nclinate, n care se modific momentul mecanic al corpului, energia eliberat prin recombinare se transform n fotoni; de aceea aceste corpuri nu sunt apte a fi folosite pentru dispozitive generatoare de lumin.

Noiuni de optic geometric

Optica este o tiin care studiaz lumina i interaciunile ei cu substana. Funcie de specificul fenomenelor studiate, optica poate fi: optica ondulatorie descrie fenomenele n care se relev preponderent caracterul ondulatoriu al luminii optica fotonic sau corpuscular studiaz fenomenele n care se relev natura corpuscular a luminii; optica geometric opereaz cu raze de lumin, nelund n considerare nici unul din aspectele ondulatorii sau corpusculare ale luminii.

Natura luminiiPrimele explicaii tiinifice ale fenomenelor optice se bazeaz pe teoria corpuscular a lui Newton i pe teoria ondulatorie a lui Huygens.Conform lui Huygens lumina se transmite ntr-un mediu omogen prin unde sferice concentrice cu sursa de lumin. Teoria a fost completat de Fresnel (1815-1818) cu teoria undelor elastice (asemntoare sunetului).Maxwell (1865) emite teoria electromagnetic a luminii dup care propagarea acesteia are loc sub form de unde transversale. Teoria electromagnetic nu contravine teoriei ondulatorii ci o completeaz. Broglie susine teoria ondulatorie i o completeaz cu afirmaia c oricrui corpuscul material i este asociat o und.

Fenomenele luminoase se pot explica prin procesele care au loc n interiorul atomului. Electronii se mic n jurul nucleului pe orbitali bine definii ca energie, n funcie de distana lor fa de nucleu. Energia unui electron este cu att mai mare cu ct se afl la o distan mai mare fa de nucleu. Deplasarea unui electron pe o orbit superioar presupune aadar un aport de energie n atom, el devenind n aceast situaie excitat. Starea de excitaie dureaz un timp foarte scurt cca 10- 8 s dup care electronul revine pe orbita iniial emind energia adugat iniial sub form de radiaie (und electromagnetic) denumit i cuant. Deoarece trecerea electronului de pe o orbit pe alta nu se face continuu, ci n salturi, rezult c energia emis va fi discontinu.

Gama undelor electromagnetice emise este foarte larg, cuprinznd radiaii luminoase emise sub form de cuante denumite fotoni. n funcie de energia fotonilor, rezult pentru radiaiile luminoase diferite lungimi de und, organizate n spectrul undei electromagnetice astfel:- unde radio: = 0.3107 A U 0.310-8 MeV - unde infraroii: IR- unde vizibile = 0.5104 . 104 A U0.510-6...10-6 MeV- unde ultraviolete UV- raze X i gama - raze cosmice. Spectrul vizibil al luminii naturale conine urmtoarele radiaii (descompunerea luminii albe): violet = (390430) nm indigo = (430470) nm albastru = (470500) nm verde = (500530) nm galben verde = (530560) nm galben = (560590) nm portocaliu = (590620) nm rou = (620750) nm.

Optica geometric folosete noiunea de raz de lumin definit ca direcia de-a lungul creia se propag lumina. Aceast direcie este dreapt dac mediul este omogen i izotrop. Un grup de raze de lumin este formeaz un fascicul de lumin. Un fascicul poate fi: omocentric (izogen sau conic) dac razele sunt concurente ntr-un punct i pot fi divergente sau convergente; paralel, dac razele sunt paralele.Principiul independenei fasciculelor de lumin cnd un fascicul poate fi mprit n fascicule izolate, efectul produs de un fascicul este acelai, indiferent dac celelalte fascicule i exercit simultan aciunea lor sau sunt eliminate.Principiul reversibilitii drumului razelor de lumin drumul unei raze de lumin nu depinde de sensul ei de propagare.

Optica geometric st la baza construirii aparatelor optice, care dau posibilitate obinerii de imagini mrite ale obiectelor. Toate punctele obiectului luminos pot fi considerate ca vrfurile unor fascicule divergente care trimit n aparatul optic o mulime de fascicule cu ajutorul crora se va forma imaginea. Pentru ca imaginea s se asemene cu obiectul, trebuie ca fiecrui punct al obiectului s-i corespund un singur un singur punct n imagine. Pentru formarea imaginii unui punct este necesar ca orice fascicul conic s rmn conic i dup trecerea prin sistemul optic. n acest fel se obin imagini clare stigmatice (stigma = punct).Datorit sistemelor optice fiecrui punct luminos i corespunde ca imagine o pat luminoas mai mare sau mai mic. n funcie de receptorul optic (ochi, plac fotografic, receptor fotoelectric) o imagine de o anumit dimensiune poate fi considerat nc punctiform atta timp ct dimensiunile sale nu depesc o anumit limit. Pentru ochi, de ex., dou puncte alturate nu se mai vd separate dac distana dintre ele este mai mic dect 510-6 m. Aadar este dificil a realiza un stigmatism absolut. n funcie de posibilitile limitate ale receptorilor de a distinge detalii este suficient s se realizeze un stigmatism aproximativ.O imagine poate fi:- real, cnd ea se obine din intersecia razelor de lumin;- virtual, cnd ea se obine din intersecia prelungirilor acestor raze.

Reflexia luminiiDac lumina cade pe suprafaa de separaie dintre dou medii, se manifest un fenomen de ntoarcere parial n mediul din care au venit a radiaiilor ondulatorii corpusculare.Cantitatea de lumin reflectat depinde de unghiul de inciden 1 format de raza incident cu axa de inciden (normala la suprafaa de separaie). Raza de lumin formeaz un unghi 2 cu axa incident.

Fig.1. Reflexia luminii.Raza incidentmediul 1 cu v1Raza reflectatmediul 2 cu v212Normala (axa de inciden)Legile reflexiei:a). Raza incident, normal i cea reflectat se gsesc n acelai plan i se ntlnesc n punctul de inciden O. Raza reflectat este situat de partea opus axei de inciden n raport cu raza incident.b). Unghiul de reflexie 2 este numeric egal cu unghiul de inciden 1.

Refracia luminiiCnd raza de lumin incident (care se propag ntr-un mediu transparent) ntlnete o suprafa de separaie cu un alt mediu transparent cu o alt densitate, raza reflectat va fi deviat de la direcia razei incidente. Aceast deviaie se datorete vitezelor diferite de propagare a razelor n cele dou medii transparente. Se definete indicele de refracie relativ al mediului al doilea fa de primul n21 prin relaia:(4)Aceast relaie este legea refraciei. Primul mediu este ntotdeauna cel n care se afl raza incident, iar al doilea mediu cel n care se afl raza refractat. n cazul materialelor izotrope (cele care au aceleai proprieti n toate direciile) se aplic legea de refracie a lui Snell:(5)unde , sunt unghiurile de inciden i respectiv de refracie, v1 i v2 vitezele luminii n mediile 1, respectiv 2.Pentru dou medii cu indici de refracie n1 i n2 i vitezele de propagare v1 i v2 se poate scrie:(6)unde c0 este viteza de propagare a razei luminoase n vid.Prin deducie, se ajunge la o form diferit a legii refraciei a lui Snell:(7)Ex.: pentru un indice de refracie n1 = 1.5 (fibr optic din sticl) viteza de propagare v1 n fibr este:(8)respectiv de 5 s pentru 1 km de fibr optic sau 5 ns pentru 1 m de fibr optic.

Fig.2. Refracia luminii.Raza incidentmediul 1 cu v1Raza refractatmediul 2 cu v2Normala (axa de inciden)Indicele de refracie n al unui material depinde fundamental de lungimea de und a radiaiei. Pentru sticla de cuar i n gama de unde infraroii, care este important pentru comunicaii optice, indicele de refracie descrete proporional cu creterea lungimii de und.

Valoarea n este valabil pentru unde care se propag cu o singur lungime de und i cu o amplitudine constant, deci care nu pot transmite informaii. Pentru ca informaia s poat fi transmis, aceste unde trebuie modulate. Pentru comunicaii optice digitale se utilizeaz impulsuri de lumin. Aceste impulsuri sunt grupuri de unde, formate din unde luminoase cu lungimi de und diferite.n aceste grupuri undele individuale se propag cu viteze diferite. Viteza de propagare a unui astfel de grup de unde poart numele de vitez de grup. Relaia ntre indicele de refracie de grup ng i indicele de refracie n este:(9)Indicele de refracie de grup este considerat mai mare dect indicele de refracie n pentru toate lungimile de und. Pentru a calcula timpul de propagare al semnalelor optice trebuie utilizat doar indicele ng. Trebuie remarcat faptul c indicele de refracie de grup atinge un minim n jurul unei valori de lungime de und de 1300 nm ( aceast gam prezint un interes deosebit n transmisia prin fibr optic).

Reflexia totalDac raza de lumin trece dintr-un mediu optic dens ntr-altul mai puin dens (n1 n2) din legea refraciei rezult:(10)n acest caz, pentru o anumit valoare a unghiului i = l, unghiul de refracie poate atinge valoarea r=/2, rezult:(11)Pentru unghiuri de inciden mai mari dect l, raza refractat nu mai trece prin al doilea mediu, avnd loc reflexia total.n acest caz raza se propag paralel cu suprafaa de separare dintre cele dou medii. Unghiul de inciden l se numete unghi limit.Pentru unghiul limit 0 este valabil relaia: (12)adic unghiul limit depinde de raportul indicilor de refracie n1 i n2 ai celor dou medii.Ex.; unghiul limit dintre ap (n1=1.333) i aer (n0=1) este egal cu:(13)cu care 0 = 49.ntre sticl (n1=1.5) i aer (n0=1) obinem:(14)deci 0 = 42. Pentru toate razele luminoase cu unghiul de inciden mai mare ca unghiul limit 0nu mai exist raze refractate n mediul mai puin dens. La suprafaa de separare dintre cele dou medii aceste raze luminoase se rsfrng n mediul mai dens.Reflexia total poate avea loc numai n cazul trecerii unei raze luminoase dintr-un mediu mai dens (de ex, sticl cu n1 = 1.5) ntr-un mediu mai puin dens (de ex. aer cu n2 = 1). Invers nu este posibil.Pentru a efectua o analiz mai detaliat a posibilitilor de propagare ale luminii n miezul sticlei, trebuie considerate fenomenele opticii ondulatorii, lucru necesar datorit diametrelor caracteristice miezurilor fibrelor, cuprinse ntre 10 i 100 m, i care sunt n consecin, cu puin mai mari dect lungimea de und a luminii transportate, care e n jur de 1 m. Din aceast cauz anumite fenomene de interferen nu pot fi explicate dect cu ajutorul opticii ondulatorii.Superpoziia a dou sau mai multe unde i combinarea lor ntr-una singur este denumit interferen.O manifestare tipic a interferenei a dou unde este obinut cnd ele au aceeai lungime de und i cnd exist un defazaj constant ntre ele. Aceste unde se numesc unde coerente. Dac ntr-un punct din spaiu cele dou unde difer n faza lor, printr-un multiplu par al lungimii de und , atunci are loc o nsumare a amplitudinilor. n cazul unui defazaj egal cu un multiplu al jumtii de und /2 se produce o scdere, iar n cazul a dou unde de aceeai amplitudine are loc o anulare local a undelor.Considernd dou surse luminoase obinuite (de ex. becuri electrice) i suprapunnd lumina lor, nu se observ nici un fel de interferen, deoarece lumina lor este incoerent. Acest fapt se datoreaz modului de generare a luminii n acest caz filamente incandescente.n cazul fenomenelor spontane i aleatorii, fiecare atom al filamentelor emite flash-uri de lumin care au serii de unde cu o durat de via de cca 3108 m/s, aceste serii de unde au o lungime de 3 m. Aceast lungime este denumit lungime de coeren. Suprapunerea acestor serii de unde este complet neregulat i ocazioneaz doar iluminarea global a spaiului nconjurtor.Pentru transmisia pe fibre optice este necesar s se gseasc o surs luminoas ct mai coerent. Prin urmare, lrgimea spectral va trebui s fie ct mai mic. Spre deosebire de diodele electroluminiscente, dioda laser ofer, datorit emisiei stimulate, o diferen de faz constant la o aceeai lungime de und. Prin urmare, fenomenele de interferen apar n ghidul de und, ceea ce se poate constata din faptul c lumina se propag doar sub anumite unghiuri n miezul fibrei; prin anumite se nelege c propagarea are loc n direcii n care undele luminoase sunt amplificate prin suprapunerea lor i prezint o interferen constructiv. Undele luminoase capabile s se propage ntr-o fibr optic sunt numite moduri (unde naturale).

1.2 Schema bloc a unui sistem de comunicaii optice

Informaia analogic sau digital furnizat de sursa de date este transpus pe purttoarea optic n blocul modulator. Blocul de emisie optic prelucreaz semnalul modulat n vederea transmiterii sale pe canalul optic (colimare, adaptare). Canalul optic poate fi mediul deschis (spaiul liber sau ghidul optic). n afara comunicaiilor cosmice, de regul se utilizeaz transmisia ghidat pe fibre optice (deoarece propagarea este independent de condiiile de mediu). La recepie dup prelucrarea optic n blocul de recepie optic (filtrare optic, focalizare, filtrare spaial, determinnd apariia Surs de radiaie opticModulator opticBloc de emisie opticCanalBloc de recepie opticFoto-detectorSurs de dateBloc de prelucrare semnalBloc de modulare opticBloc de fotodetecieAnten optic de emisieAnten optic de recepieTransmitor (emitor) opticReceptor opticFig. 3. Sistemul de comunicaie optic.unui semnal electric (semnal prelucrat ulterior electronic pentru extragerea informaiei).

Transmitorul optic Este constituit din blocul de modulare i antena optic de emisie.Se consider:(15)cmpul electric complex emis de sursa optic, aflat n originea sistemului de coordonate, unde E(t,r) este anvelopa (nfurtoarea complex a undei).BLOCUL DE MODULARE. n dispozitivul de modulare se impun anumite legi de variaie n timp a amplitudinii complexe E(r,t) n conformitate cu semnalul modulator. Datorit diversitii fenomenelor fizice pe care se bazeaz, modulaia fascicolului optic (laser) este privit ca un proces de interaciune a trei componente (unde): - dou optice: purttoarea i unda modulat- una de radiofrecven: semnalul modulatora. Se cunosc urmtoarele metode de realizare a modulaiei:- modulaia electro-optic- modulaia acusto-optic- modulaia magneto-optic- modulaia spectral- modularea optic a parametrilor cavitii laser, etc.b. O alt clasificare a metodelor de modulaie optic se face n funcie de caracteristica radiaiei laser modificat n procesul de modulare: intensitatea, amplitudinea, frecvena, faza, polarizarea. Aceste procese pot s aib loc: - n interiorul cavitii laser (modulaie intern) Aceasta este legat direct de obinerea purttoarei optice i se poate realiza prin: modularea constantei dielectrice a mediului din rezonator modularea ctigului cavitii laser modularea puterii de pompaj modularea prin absorbie modularea spectral, etc.- n afara cavitii laser (modulaie extern). Ea const n modificarea fascicolului optic prin: modularea electrono-optic modularea magneto-optic modularea prin efect Doppler modulare cu celul de absorbie modulare spectral, etc.

BLOCUL DE EMISIE. Elementul principal este antena optic. Parametrii cei mai importani ai antenei optice sunt: - ctigul antenei - deschiderea unghiular a acesteia. Ctigul antenei Ga se definete ca raportul dintre densitatea maxim de putere i a domeniului spaial de radiaie (a cmpului de radiaie al antenei) i densitatea de putere a unei antene izotrope (care emite uniform n toate direciile):(16)unde:(17)Deschiderea unghiular a antenei a se definete ca unghiul solid (exprimat n ster-radiani) msurat cu o anten dup o direcie oarecare, n care ar putea fi concentrat densitatea de putere maxim pentru a se obine aceeai putere total cea a antenei analizate:(18)- lrgimea planar a antenei a este un parametru auxiliar reprezint proiecia deschiderii unghiulare a antenei pe un plan care trece prin centrul acesteia, astfel c:(19)unde este lungimea de und, iar d este diametrul lentilei circulare a antenei.Rezult pentru ctig relaia aproximativ:(20)iar puterea incident pe o arie A este:(21)unde Ps(t) este puterea emis de surs, iar impedana mediului.

CANALUL OPTICEste constituit din calea de legtur dintre transmitor i receptor.Transmisia fascicolului optic se poate face:- ghidat cnd canalul este format dintr-un ghid optic (fibra optic)- neghidat canalul este reprezentat de spaiul liber (vid, atmosfer, ap).Folosind transmisiile ghidate, este posibil, conform teoriei ghidurilor optice, transmisia la distan a fasciculelor optice modulate prin fibre optice. n acest caz soluiile ecuaiilor cmpului electromagnetic pentru ghidul cu simetrie plan sau circular cu condiii la limita corespunztoare structurii ghidului impuse constituie modurile de propagare prin acesta. Creterea distanei de transmisie se realizeaz prin utilizarea unor repetori optici (blocuri de recepie, regenerare i emisie a semnalelor optice.La transmisiile neghidate, cmpul optic transmis este afectat de fenomene de absorbie, turbulen i mprtiere pe parcursul propagrii prin aer sau un alt mediu.

RECEPTORUL OPTIC

BLOCUL DE RECEPIE. Este constituit n principal dintr-o lentil care focalizeaz radiaia incident pe suprafaa fotodetectoare. Pe aceasta se va forma figura de difracie a fasciculului incident. n funcie de unghiul de inciden se vor forma diferite figuri de difracie deplasate n planul focal (ceea ce influeneaz n ru calitatea recepiei). Aceste efecte sunt avute n vedere la definirea parametrului receptorului denumit cmp de vedere: unghiul solid pentru care undele incidente i formeaz figura de difracie pe detector.Considernd c blocul de recepie conine o lentil de arie AL i distan focal F, cmpul incident este de intensitate EL(t, xL, yL), iar suprafaa fotodetectoare pe care el este focalizat are aria AD, cmpul difractat corespunztor figurii de difracie format se calculeaz cu relaia: Cmpul pe suprafaa detectorului rezult:Se poate arta c pentru unghiuri de inciden diferite de zero ale radiaiei incidente rezult figuri de difracie deplasate n planul focal, ceea ce conduce la o detecie de calitate sczut. Parametrii detectorului prin care se caracterizeaz aceast comportare sunt: cmpul de vedere al receptorului V unghiul solid pentru care undele plane incidente i formeaz figura de difracie pe detector: cmpul de vedere limitat de difracie: .Se poate arta c dezvoltrile n serie de funcii ortonormale ale cmpurilor receptoare i respectiv detectate duc la funcii proprii care sunt corelate ntre ele prin transformare Fourier, ca i cmpurile totale recepionat i respectiv detectat, existnd astfel posibilitatea unei conversii reciproce ale celor dou baze.

BLOCUL DE FOTODETECIE. Detecia optic const n transformarea semnalului optic recepionat ntr-un semnal electric purttor al informaiei coninute de mesajul transmis pe canalul optic.Fotodetectorii funcioneaz pe baza urmtoarelor efecte: fotoemisia fotoconducia efectul fotovoltaic efectul fotomagnetic, termic, etc.La analiza proceselor de recepie detecie trebuie avute n vedere procesele cuantice care au loc la aceste frecvene.Starea receptorului este ntotdeauna perturbat de zgomotul termic, peste care se suprapun cel mai adesea i alte forme de zgomote, de ex. cel de fond, de ntuneric. Adic limita superioar a performanelor receptorului se poate obine numai atunci cnd studiul are loc n prezena numai a semnalului util i a zgomotului termic.Pe de alt parte, la msurarea performanelor, cea mai bun structur de recepie este cea bazat pe teoria statistic a deteciei, prin care se consider receptorul ca fiind un instrument care testeaz anumite ipoteze cu privire la intrarea sa i aplic metodele teoriei statistice la luarea deciziilor.Semnalele optice sunt descrise cu exactitate numai prin intermediul legilor statistice, cu considerarea aspecte lor pur cuantice care se manifest la aceste frecvene. Pe baza principiului de incertitudine (Heisenberg) amplitudinea i faza cmpului de intrare nu mai pot fi stabilite cu precizie orict de mare. Chiar mai mult, un cmp de amplitudine i faz precizate nu mai poate fi generat, n principiu.Comparativ cu comunicaiile radio, unde limitrile impuse de legile mecanicii cuantice nu afectau sistemele de comunicaii, la frecvene optice efectul lor nu mai poate fi neglijat, iar metodele de calcul au n vedere modele matematice corespunztoare.

2. MEDIUL DE TRANSMISIE AL RADIAIEI LASER

Transmisia semnalelor optice poate avea loc: ghidat, cnd canalul este format dintr-un ghid optic (fibra optic); neghidat, cnd canalul este format din spaiul liber (vid, atmosfer, ap).

2.1 Transmisia neghidat a radiaiei optice

Are loc n special n cazul transmisiilor cosmice (spaiale). Mediul de transmisie este aici vidul.Transmisia prin atmosfer se utilizeaz rar, pe distane scurte din cauza atenurii - transmisia ghidat se prefer pe distane mari, datorit atenurilor mici. Un exemplu de propagare prin atmosfer l constituie interconectarea reelelor de calculatoare (LAN), aflate n cldiri diferite, ntre care exist vizibilitate direct.De asemenea se studiaz posibilitatea transmisiilor neghidate optice prin ap, folosind acele frecvene care sufer atenuri i absorbii minime n acest mediu (de ex. radiaia verde).n ceea ce privete laserii, radiaiile lor sunt puternic absorbite de atmosfer. Pentru utilizarea lor este important cunoaterea caracteristicilor optice de transmisie ale mediului atmosferic.

Influena mediului atmosferic asupra propagrii radiaiei laser

Atmosfera constituie principalul canal optic pentru transmisiile neghidate care pot avea loc ntre puncte situate pe sol sau n aer.La utilizarea atmosferei ca mediu de propagare se manifest particulariti ce constituie dezavantaje: turbulena mprtierea absorbian cazul laserilor de mare putere au loc i modificri ale proprietilor mediului prin: ionizri strpungeri evaporri locale gradieni termici, etc.i n acest caz se utilizeaz frecvene optice selectate, acelea care presupun o ct mai mic perturbare de mediul de propagare.

Atenuarea atmosferic a semnalelor optice modulate se datoreaz att fenomenului de absorbie, ct i celui de difuziune.Absorbia se explic prin prezena unor constitueni ai atmosferei care se manifest n benzi largi de frecvene. Efectele de turbulen, mprtiere, absorbie care se manifest n atmosfer pot fi cuantificate definind un coeficient de absorbie . Pentru o lrgime de band i un parcurs L al radiaiei se definete coeficientul de absorbie n band prin relaia:a. Absorbia n atmosfer se datoreaz prezenei unor constitueni moleculari (vapori de ap, bioxid de carbon, ozon, etc.).Spectrul de absorbie const din benzi electronice, de vibraie,etc. ale diferitelor gaze coninute de atmosfer, spectre constituite dintr-un numr mare de linii de absorbie. Ex: vaporii de ap absorb benzile de (2.53) m, i (5..7) m, ozonul n banda de (9.49.9) m, bioxidul de carbon (2.63.8) m i (4.14.4) m. Liniile se lrgesc odat cu creterea presiunii atmosferice, mai puin cu creterea temperaturii, iar odat cu altitudinea absorbia scade.b. Difuzia n atmosfer apare prin dou mecanisme: difuzia Rayleigh care apare datorit particulelor de dimensiuni moleculare, ea predomin la lungimi de und mici (ctre violet) difuzia Mie apare datorit particulelor de cea, fum i altele de dimensiuni comparabile cu lungimea de und a radiaiei. Este mai puin dependent de lungimea de und. De cele mai multe ori difuzia Rayleigh este mult mai mic dect cea Mie i poate fi practic neglijat.Atenuarea total prin difuzie a radiaiei laser funcie de lungimea de und a acesteia poate fi reprezentat grafic n diagrame reprezentative pentru fenomenul studiat.Lund n consideraie ambele tipuri de atenuare absorbie i difuziune se pot reprezenta rezultatele msurtorilor privind transmitana atmosferei ca o funcie de lungimea de und. Scderile transmitanei pentru lungimi de und sub 200 nm este cauzat n special de fenomenele de difuziune. Regiunile din diagrame n care absorbia selectiv nu se manifest reprezint "ferestre atmosferice" pentru radiaia considerat.

Turbulena atmosferic

Contribuie la diminuarea transmitanei i este legat de neomogenitatea indicelui de refracie. Se manifest cel mai mult n straturi subiri pn la altitudinea de 100 m fa de sol i la cca 3 km sub limita troposferei.Un canal optic cu turbulen este caracterizat de variaii aleatoare ale indicelui de refracie al mediului (fluctuaii temporale i neomogeniti spaiale) de-a lungul traseului de propagare al fasciculului optic. Cauza o constituie gradienii de temperatur din atmosfer care apar ca urmare a micrii sale turbulente.Influena mediului turbulent asupra fasciculului optic se manifest prin: fenomene de interferen local degradarea polarizrii fasciculului fluctuaii aleatoare ale amplitudinii i fazei care determin deteriorarea coerenei spaiale i temporale a fasciculului.Dependena indicelui de refracie de lungimea de und a radiaiei, presiunea atmosferic i temperatura este dat prin relaia:A1 i A2 fiind constante.Dac se definesc fluctuaiile atmosferice prin relaiile: Se obine pentru cantitatea n care descrie turbulena expresia:Rezult de aici dependena puternic a fluctuaiilor indicelui de refracie de temperatura i posibilitile neglijrii variaiilor de presiune n comparaie cu cele ale temperaturii.Studiul canalului optic cu turbulen implic elaborarea unui model statistic de analiz pe baza funciilor de corelaie i a unor mrimi statistice.Caracterizarea gradului de turbulen atmosferic se poate face prin funcii statistice numite structuri constante ale fluctuaiilor indicelui de refracie cn(r) ale cror valori variaz cu altitudinea i cu ora din timpul zilei: turbulen slab cn = 810-9 m1/3 turbulen medie cn = 410-8 m1/3 turbulen puternic cn = 510-7 m1/3Se poate concluziona c: n condiii de slab turbulen atmosferic, cu laseri genernd n domeniul vizibil sau infrarou apropiat se pot realiza legturi de comunicaii la distane ntre 5 km, perturbaiile de amplitudine pn la 50% putnd fi eliminate n receptor. fluctuaiile fazei dintre punctele din fascicul separate prin distana n plan transversal apare la orice distorsiune a frontului de und i produce efecte ca: schimbarea direciei, mprtierea i scintilaia fascicolului ca i dansul imaginii.

Canalul optic cu mprtiere

La transmisiile neghidate ale fasciculelor optice modulate performanele canalului de comunicaii sunt puternic influenate de fenomenele de mprtiere care nu pot fi separate de cele de turbulen sau absorbie.Analiza fenomenelor de mprtiere se face diferit funcie de dimensiunea particulelor care determin neomogenitile mediului.Efectele pariale i temporale ale proceselor de mprtiere se pot determina cu ajutorul analizei Fourier a perturbaiilor mediului, cu luarea n consideraie a efectului Doppler datorat micrii particulelor.Efectele fenomenului de mprtiere asupra fasciculelor care se propag n cazul canalelor optice de transmisie const n degradarea coerenei temporale i spaiale, apariia fenomenelor de fading i dispersie.

Efecte asupra comunicaiilor pe purttoare laser i procedee pentru atenuarea lor

1. Deviaia unghiular a fascicolului. Se manifest prin schimbarea direciei fascicolului i afecteaz precizia de ntlnire cu antena receptorului.Valoarea deviaiei unghiulare a unei raze din fascicul este legat de unghiul de nclinare al planului de und distorsionat.Efectele produse de deviaia unghiular se pot atenua prin: mrirea unghiului de divergen al fascicolului la emisie, astfel antena de recepie ar rmne n cmpul luminos; aceast operaie are ca efect i o reducere a densitii de putere a radiaiei ajuns n planul de recepie; dimensionarea antenei receptorului astfel ca suprafaa antenei receptoare s fie mai mare dect suprafaa acoperit de baleiajul aleatoriu, ceea ce poate fi realizat tehnologic pentru cazul legturilor prin mediul slab turbulent pn la distane de 5 km.2. Dansul imaginii. Apare datorit variaiei unghiului de inciden al fascicolului receptor i produce micarea punctului luminos focalizat n planul imagine. n cele mai multe cazuri deviaia unghiular de inciden este mai mic i dansul imaginii neglijabil.Compensarea acestui efect se poate face prin folosirea unui detector cu suprafaa mare, mpreun cu mrirea cmpului de vedere n scopul creterii radiaiei de fond recepionate.3. mprtierea fascicolului. mprtierea fascicolului prin difracie sub unghiuri mici duce la creterea divergenei fascicolului produce o descretere a puterii dirijate n spaiu i a densitii de putere la recepie. Energia radiaiei n fascicul se mprtie aleatoriu n planul de recepie. Fraciunea recepionat din puterea radiaiei incidente este determinat de raportul dintre suprafaa antenei de recepie i suprafaa de mprtiere a fascicolului. 4. Scintilaia. Scintilaia apare ca urmare a interferenei distructive a traiectelor de lumin cuprinse n fascicul, are loc cnd exist variaii n densitatea spaial de putere la locul de recepie.n seciunea transversal a fascicolului care trece prin atmosfera turbulent apar poriuni luminate i poriuni ntunecate datorate interferenelor constructive sau distructive. Scintilaia fascicolului produs de un fading aleatoriu duce la scderea raportului semnal/zgomot. De asemenea ntre fluctuaiile de intensitate i informaia purtat pot s apar interferene. 5. Degradarea coerenei spaiale. Sau pierderea coerenei de faz a frontului de und conduce la degradarea sistemului optic i n special la partea de recepie (fotomixajul). Aceasta face ca n planul de recepie faza s varieze de la punct la punct, ceea ce n cazul deteciei heterodin i homodin s aib loc o scdere a raportului semnal/zgomot.6. Fluctuaii ale polarizrii se manifest ca variaii ale poziiei vectorului de polarizare liniar i degenerarea acesteia n polarizare eliptic.

2.2 TRANSMISIA GHIDAT A FASCICULELOR OPTICE

Ghidul de und optic este o structur dielectric alctuit dintr-un canal optic cu indicele de refracie nr care permite transmisia luminii la distan printr-un proces continuu de reflexie intern total la suprafaa de separaie canal-receptor.Principalele tipuri de ghiduri optice sunt reprezentate de: ghidurile optice cu simetrie plan (straturi subiri dielectrice) fibrele optice (ghiduri optice cu simetrie cilindric)Teoria general a propagrii cmpului electromagnetic este aceeai la ghidurile metalice i dielectrice.n cazul radiaiei luminoase lungimea de und este mult mai mic dect dimensiunile fibrelor (cazul fibrelor monomod) i se poate studia propagarea luminii neglijnd lungimea de und n raport cu aceste dimensiuni, adic se pot aplica principiile opticii geometrice. Se poate considera n acest caz c lumina se propag prin "raze de lumin" care reprezint de fapt traiectoria energiei undei luminoase. Raza rmne ghidat n fibra optic datorit reflexiei interne totale.Propagarea se face simultan pe mai multe raze (moduri) provenite toate de la aceeai surs.La un ghid metalic cmpurile magnetic i electric au numai componente transversale i deci n aceste ghiduri se propag numai moduri pure (transversal electrice TE sau transversal magnetice TM). La ghidurile dielectrice pot aprea i moduri hibride (adic vectorii E i H au i componente longitudinale.n plus la ghidurile metalice ntreaga energie este coninut n interiorul ghidului, pe cnd la cele optice radiaia (energia) poate ptrunde i n nveliul dielectric (rezultnd radiaie exterioar), iar propagarea are loc ntr-un mediu optic cu proprieti de absorbie i radiaie. La ghidurile optice regimul de unde staionare nu prezint importan prea mare deoarece acesta poate fi evitat (prin depuneri antireflexie pe capetele fibrei). Rezult c nu se pune problema adaptrii de impedan ca la ghidurile metalice.

2.2.1 Ghiduri optice cu simetrie plan

Un astfel de ghid este format dintr-un strat subire dielectric cu indicele de refracie nc situat ntre dou straturi dielectrice cu indicii de refracie nr1 i nr2 mai mici dect nc.Modurile ghidate sunt reprezentate prin undele pentru care energia cmpului care se propag este localizat n principal n canalul ghidului. Aceste moduri corespund condiiei:unde k i kz sunt constantele de propagare n ghidul propriu-zis i respectiv de-a lungul axei z acestuia.Modurile de radiaie ale ghidului optic sunt caracterizate de existena unor valori ale intensitii cmpului la distane orict de mari de acesta (energia cmpului care se propag nu mai este concentrat n ghidul propriu-zis). Aceste unde corespund condiiilor:cnd nr1 reprezint aerul i:pentru modurile de radiaie n substrat.Pentru valori pur imaginare ale constantei de propagare kz se obin modurile evanscene ale ghidului optic, moduri al cror cmp se caracterizeaz prin atenuarea exponenial dup axa Ox n imediata vecintate a canalului (miezului). Apariia acestor moduri este corelat cu fenomenul de reflexie intern total la frontiera canal-reflector.

2.2.2 Ghiduri optice cu simetrie cilindric

Fibra optic const din:- un miez subire din sticl pur d.p.d.v. optic- manta sau reflector o pelicul tot de sticl, dar mai puin pur, care asigur un indice de refracie diferit, astfel nct s se realizeze o reflexie total intern a luminii prin ghid. Refracia are loc datorit faptului c lumina se deplaseaz mai repede ntr-un mediu (canal sau miez) dect prin cellalt (manta), ele diferind ca indici de refracie. Valoarea indicelui de refracie este dat de:unde c este viteza luminii n vid, iar v viteza luminii n mediul respectiv. Viteza luminii n aer este puin diferit de cea din vid (puin mai mic indicele de refracie al aerului este 1.00023), dar uzual n practic ele se consider egale. Viteza luminii n sticl este aproximativ egal cu 2/3 din viteza luminii, considernd o sticl cu indicele de refracie n = 1.5). Ghidurile optice cu simetrie cilindric (fibrele optice - FO) reprezint tipul cel mai rspndit de ghiduri dielectrice.La analiza propagrii prin fibra optic se consider ipoteze simplificatoare:- profilul indicelui de refracie este circular simetric n seciunea fibrei- diametrul fibrei este mare n comparaie cu lungimea de und;- diferena normat a indicilor de refracie este mic- variaia indicelui de refracie n miez pe o lungime egal cu lungimea de und este neglijabil- fibrele au o atenuare uniform- nu exist cuplaj energetic ntre moduri- toate modurile se realizeaz simultan.

O raz de lumin ptruns n miezul fibrei sub un unghi convenabil va rmne ghidat prin mecanismul reflexiei totale. Se tie c la trecerea dintr-un mediu n altul (de ex. din aer n sticl) razele de lumin sunt deviate cu un unghi a crui valoare depinde de raportul dintre indicii de refracie relativ ai celor dou medii. Dac unghiul de inciden are o anumit valoare unghiul critic unda din aer nu va mai ptrunde n al doilea mediu (sticla), ci va fi transmis de-a lungul liniei de interferen a celor dou medii. Dac unghiul de inciden este mai mic dect unghiul critic, raza de lumin este reflectat napoi n acelai mediu (aer) reflexia total.n cazul fibrei optice, lumina se propag n interiorul miezului prin acest fenomen, dac unghiul de inciden este mai mic dect unghiul critic. Datorit dimensiunilor transversale mici i putnd considera sursa de lumin suficient de ndeprtat, undele de lumin au suprafee de und aproximativ egale i pot fi reprezentate local prin vectori de und k perpendiculari pe aceste suprafee. Modulul vectorului de und este n orice punct egal cu produsul dintre indicele de refracie local n(r) i vectorul de und n ghid k0:

unde f(r) se numete funcie de profil a indicelui de refracie, iar este diferena normat a indicilor de refracie.

u(r)kn(r)kzFig.2.2. Vectorul de und.Deci kn2(r) poate lua valori ntre k1 i k2, unde:pe nveliul fibrei. Vectorul de und kn(r) se poate descompune ntr-un sistem de coordonate cilindrice (r, , z) ca n figura 2.2:a. componenta axial () - constanta de faz (de propagare) care nu depinde de r. Este o mrime care caracterizeaz propagarea de-a lungul axei z (axa longitudinal a fibrei optice) i se poate exprima n funcie de lungimea de und n ghid:

Fig. 2.3. Polarizarea circular a luminii.b. componenta azimutal (k) este legat de propagarea elicoidal a razei de lumin i determin periodicitatea circular a acesteia pe o suprafa cilindric r = t. Valoarea sa depinde de r, iar condiia de periodicitate circular este:unde: - este proiecia lungimii de und pe cercul r = cst tangent la raza n punctul considerat- l este un numr ntregRezult deci c circumferina oricrui cerc de raz r trebuie s fie un numr ntreg de lungimi de und .c. componenta radial (u(r)) caracterizeaz propagarea razei de lumin n zigzag, iar valoarea ei se poate deduce prin suma vectorial:u(r) este real dac . Prin rezolvarea acestei inecuaii rezult dou valori r = R1 i r = R2. Aceste soluii determin ntr-o seciune transversal dou cercuri concentrice, iar n fibr determin dou suprafee cilindrice. n interiorul acestui domeniu se propag (n care n(r) este real) raza de lumin. Condiia: de descretere radial a cmpului n afara acestui domeniu este ca la faza undei s se adauge un numr de semiperioade (m/2).Numerele ntregi m i l se numesc indici de mod i caracterizeaz modurile de propagare pe fibra optic. Cele aflate n domeniul dintre cele dou caustice se numesc moduri ghidate. Celelalte moduri scap din ghid i sunt puternic atenuate n nveliul fibrei. Indicii de mod pot fi determinai experimental prin numrarea pe un ecran a franjelor de interferen care apar la ieirea radiaiei prin fibr: se constat apariia a m cercuri concentrice de raze diferite, pe fiecare cerc alternnd 2l puncte luminoase.Analiznd dou cazuri extreme se pot deduce concluzii importante:- dac l = 0, m = maxim, R1 = 0, R2 = Rmax atunci nu exist component azimutal (k) i vor rezulta raze mediane reprezentate cu linii frnte la FOD sau sinusoidale la FOG ntre +Rmax i Rmax, linii situate permanent ntr-un plan care conine axa fibrei optice (raza median)- dac l = lmax, m = 0, R1 = R2 = R i atunci nu exist componenta radial a vectorului de und, iar raza de lumin se nfoar pe o suprafa cilindric (R = cst.) n jurul fibrei optice (raza elicoidal).n caz general, razele de lumin au o poziie intermediar ntre razele mediane i cele elicoidale. Modurile care se propag prin fibra optic sunt foarte bine aproximate de soluiile ecuaiilor simplificate ale lui Maxwell. Undele naturale oscileaz pe un singur plan i sunt polarizate liniar. Denumirea lor este LP , cu cei doi indici modali i .Valoarea lui este indicele modal azimutal i indic jumtatea numrului de puncte luminoase pe inel luminos concentric.Valorile lui pot fi 0, 1, 2, 3, , i pentru = 0 fiecare inel luminos exist fr subdiviziuni. Valoarea lui este indicele modal radial i indic numrul de inele luminoase concentrice ale modului; poate lua valorile 1, 2, 3,

Propagarea radiaiei prin fibra optic este caracterizat de urmtorii parametri modali (structurali):- frecven normalizat (sau constant de structur a fibrei) , undecu (n miezul fibrei), respectiv (n nveliul fibrei)a fiind raza miezului fibrei optice;- acceptana numrul efectiv de moduri N este un parametru de caracterizare global a sistemelor optice n prezena surselor necoerente, deoarece cantitatea de lumin acceptat crete odat cu numrul de moduri transmise. Acceptana fibrei optice reprezint numrul total de moduri care poate fi transmis prin fibr i este direct corelat cu frecvena normalizat w:Pentru o funcie general de profil de forma numrul total de moduri este:unde: , cu numrul de und n vid; diferena normat a indicilor de refracie, cu n1 indicele de refracie al miezului (canalului), n2 indicele de refracie al nveliului (mantalei), parametrul care caracterizeaz funcia de profil.g = 1 indice gradat triunghiularg = 2 - indice gradat parabolicg = - salt de indiceRezult c numrul total de moduri normalizate crete cu ptratul frecvenei normalizate, iar o fibr optic parabolic ( = 2) admite numai jumtate din numrul total de moduri al unei fibre cu salt al indicelui ( = ) FOD. Numrul de moduri este cu att mai mare cu ct este mai mare diametrul 2a al miezului, mai mare indicele de refracie n i diferena normat i mai mic lungimea de und.Frecvena normalizat (de tiere) depinde de raza a, de apertura numeric AN a sticlei miezului, de lungimea de und i de numrul de und k. Parametru v este adimensional i se poate determina ca:unde:a raza miezului - lungimea de undAN apertura numerick numrul de und

Numrul N de moduri ghidate prin sticla miezului depinde de acest parametru:- pentru profilul cu indice treapt (g): - pentru profilul cu indice gradat: Ex.: o fibr de sticl cu indicele gradat g = 2, avnd un diametru al miezului 2a = 50 m, o apertur numeric AN = 0.2 are ca frecven pentru lungimea de und = 1 m are:i numrul de moduri ghidate n miezul fibrei este atunci:

Pe baza analizei propagrii cmpului electromagnetic folosind ecuaiile lui Maxwell rezult urmtoarele concluzii:- pentru toate modurile ghidate n fibr constanta de propagare este cuprins n intervalul:- constanta de faz depinde de mai muli parametri: a, n1, n2, f;- pentru v de valori mici, numrul de moduri ghidate scade; pe msur ce v crete se ndeplinete condiia de amorsare pentru noi moduri;- condiia de amorsare monomod este:care impune ca diametrul fibrei (2a) s fie mic, diferena normat a indicilor de refracie s fie mic i frecvena s fie mic;- condiia de propagare monomod poate fi ndeplinit pentru o fibr optic dat la o anumit frecven, dar poate s nu fie ndeplinit pentru aceeai fibr la o alt frecven mai mare. Frecvena critic (frecvena limit) la care are loc blocarea modului corespunde la w = 0 (adic vcr = ucr).n ghidurile optice pot coexista att unde ghidate, ct i unde slab ghidate, respectiv unde radiante n funcie de valorile parametrilor u, v, w:- unda ghidat se formeaz pentru: , adic w 0 i real. Aceasta se propag prin miezul fibrei, dar ptrunde i n nveli unde se atenueaz repede.- unda slab ghidat corespunde domeniului 0 w 10 i l 10. Cmpul acestei unde scade ncet cu deprtarea de limita miez-nveli, poate depi nveliul fibrei i dac nu ntlnete un strat absorbant iese n mediul exterior.- unda radiant se formeaz pentru , caz n care coeficientul transversal de faz devine complex, iar cmpul undei electromagnetice nu mai scade exponenial n nveli, ci oscileaz de-a lungul razei (r a) i crete cu deprtarea.Dac se dorete reducerea numrului de moduri, adic s se reduc parametrul v, trebuie fie s micorm diametrul miezului 2a, fie s micorm apertura numeric, fie s se mreasc lungimea de und . Fibra optic care ghideaz mai multe moduri este numit multimod.Deoarece cantitatea de lumin care poate fi injectat n fibr depinde, n mod determinant, de apertura numeric aceasta trebuie s rmn att de mare ct este posibil. Reducerea razei miezului a este limitat, deoarece manipularea i tehnica conexiunilor devin din ce n ce mai dificile. Pe de alt parte devine dificil construcia surselor i detectoarelor pentru lungimi de und mai mari i, prin urmare, o cretere substanial a lui nu este posibil.Dac pentru o fibr optic cu salt al indicelui de refracie (g ) parametrul v devine mai mic dect constanta , atunci prin fibr se va propaga un singur mod, modul fundamental (fibr optic monomod).Constanta vC reprezint o valoare limit pentru fibra optic cu indice de treapt (g ). Indicele c provine din expresia cut-off value (eng.) Pentru un profil de indice valoarea limit vC se calculeaz cu relaia:Pentru o fibr optic cu indice gradat (g = 2) valoarea limit VC este aproximativ:

Exemplu: o fibr optic cu indice n treapt cu un diametru al miezului 2a = 9 m i o apertur numeric AN = 0.11 are frecvena v = vC pentru o lungime de und de:Lungimea de und calculat C corespunztoare valorii limit vC este numit lungime de und de tiere:Pentru toate lungimile de und superioare lui C doar un singur mod este posibil s se propage n miezul unei fibre considerate (fibr optic monomod pentru toate lungimile de und superioare lui C).Urmare polarizrii luminii, modul fundamental i toate modurile de ordin superior sunt constituite din dou moduri care oscileaz perpendicular unul n raport cu cellalt. Efectele acestor moduri polarizate nu sunt importante dect pentru aplicaiile speciale ale fibrelor optice care menin polarizarea (tehnici de detectare optic, busole cu fibr optic). Efectele datorate separrii n dou moduri sunt n prezent nesemnificative pentru tehnica cablurilor optice i pentru tehnologia comunicaiilor. Aceasta este ilustrat de faptul c se vorbete despre fibre optice monomod, n ciuda prezenei celor dou moduri polarizate.

FIBRA OPTIC

Fibra optic este un ghid de und dielectric n gama optic, de seciune circular, prin care are loc transmiterea la distan a purttoarei optice modulate.Dpdv practic, fibra optic este alctuit din:- canal (miez) din sticl cu indicele de refracie n1 i diametru 2a (zeci de m)- un nveli reflectorizant din sticl cu indicele de refracie n2 (sute de m) - unul sau mai multe straturi de protecieDiametrele miezului i al nveliului sunt standardizate. Radiaiile optice provin de la un laser (diod laser) sau de la un LED (Light Emitting Diode). Propagarea lor are loc prin reflexii succesive pe pereii miezului. Condiia de producere a propagrii este ca fascicolul luminos s intre n fibra optic sub un unghi mai mic dect unghiul limit corespunztor reflexiei totale. Diametrul interior al fibrei optice este n acest caz mult mai mare dect lungimea de und a radiaiei incidente. Acest diametru este de regul mai mare de 50 m. O astfel de fibr cu un diametru interior mare va permite propagarea cu aceeai atenuare a unui numr mare de moduri de oscilaie electromagnetic. Fibra este n acest caz multimod i prin ea se poate propaga att un fascicol laser coerent ct i un fascicol de radiaie necoerent, cu banda optic larg.

Fig. 2.4. Fibra optic.Miezul fibrei este mediul n care are loc propagarea radiaiei. Este de seciune circular, cu diametrul 2a de:- 46 m la fibrele monomod;- 5060 m la fibrele multimod;- sute de m la fibrele realizate din plastic.Fibra trebui s prezinte de-a lungul su:- dimensiune transversal i compoziia material ct mai uniforme- coeficient de atenuare ct mai mic.nveliul protector are un rol de ghidare a luminii prin reflexie intern total i de atenuare a radiaiei care prsete miezul i ptrunde n nveli, diametrul su 2b de cteva sute de m nu prezint importan dpdv al propagrii.

Fig. 2x. Propagarea unei raze prin reflexie total n fibra optic.n1n2n0nveliul de protecie este realizat din unul sau mai multe straturi cilindrice n care fibra poate fi fixat rigid sau nu. Diametrul exterior al nveliului prezint importan dpdv al realizrii joncionrii fibrelor.Indicele de refracie al ansamblului celor trei nveliuri variaz de-a lungul razei cablului: n miez el este constant de valoare mare, sau cu variaie uniform nc , iar n nveliul reflectorizant este constant n i de valoare mic.Propagarea radiaiei de la sursa optic se face pe mai multe raze de lumin. O raz este asociat unui mod de propagare n teoria cmpului electromagnetic. n cazul general analiza propagrii se face pe baza ecuaiilor lui Maxwell cu impunerea de condiii la limit n funcie de dimensiunea i caracteristicile canalului i reflectorului. Soluiile rezultate poart numele de moduri de propagare.Numrul efectiv de moduri (acceptana) reprezint un parametru pentru caracterizarea sistemelor optice n prezena surselor de radiaie necoerente, ntruct cantitatea de radiaie acceptat de fibra optic crete odat cu numrul de moduri transmise. Cu ct diametrul canalului unei fibre optice este mai mare, cu att numrul de moduri transmis este mai mare. Se poate observa c numrul total de moduri crete odat: - cu creterea indicelui de refracie al canalului- cu creterea diametrului canalului fibrei - cu diferena indicilor de refracie al canalului i respectiv al reflectorului.Dac se asigur condiia ca prin fibra optic s se transmit un singur mod de propagare (N=1), fibra optic este monomod, iar dac se transmit mai multe moduri (N1) fibra optic este multimod.Modurile de propagare care stabilesc pe fibra optic nu depind numai de construcia ei sau de lungimea de und, ci i de condiiile de excitare, adic modul de cuplare a sursei de radiaie cu fibra. Ca urmare numrul de moduri de propagare depinde de:- tipul sursei optice- dimensiunile i divergena fascicolului optic- poziia relativ a sursei fa de axa fibrei- apertura numeric, etc.Pentru o fibr optic cu diametrul miezului comparabil cu lungimea de und a radiaiei incidente, propagarea va avea loc prin reflexie intern total. Acest tip de fibr permite propagarea numai a fascicolelor laser coerente cu banda optic ngust, ea fiind de tip monomod. Peste nveliul dielectric al fibrelor optice se depune uneori un strat subire de material absorbant.Cea mai simpl fibr optic este format dintr-un material dielectric omogen. La suprafaa fibrei indicele de refracie n va suferi o discontinuitate de la valoarea n1 a materialului dielectric la o valoare n0 a mediului ambiant. Valori tipice ale indicelui de refracie sunt de n1 = 1.5 (sticl)n0 = 1 (aer)La o fibr optic fr nveli (ca cea analizat) cmpul electromagnetic care se propag prin ea se va extinde i n exterior ceea ce are drept consecin distorsionarea puternic a distribuiei radiaiei din interiorul fibrei. De aceea, fibra optic fr nveli nu se folosete n practic.La fibrele optice cu nveli dielectric indicele de refracie n1 al mediului fibrei este puin mai mare dect indicele de refracie n2 al nveliului. ntre cei doi indici exist relaia:D (sau ) este indicele de refracie diferen sau diferena normat a indicilor de refracie.nveliul are att rol de ghidare a radiaiei n miez (n principal), dar i de protejare a miezului fa de introducerea de radiaii suplimentare. Se elimin astfel interferene nedorite ale radiaiei transmise i n plus se confer o rezisten mecanic suplimentar fibrei optice.Att la fibrele optice monomod cu diametru foarte mic (5 m) ct i la cele multimod cu diametre mult mai mari (5060 m) cmpul electromagnetic se propag n interior datorit configuraiei indicelui de refracie. Intensitatea cmpului electric scade astfel exponenial n nveli, iar n exteriorul fibrei optice poate fi considerat neglijabil, deci fibra afecteaz foarte puin calitatea semnalului transmis. Diametrele exterioare uzuale ale acestor fibre optice sunt de ordinul 75125 m.

Se tie c o purttoare optic laser cu o frecven cuprins ntre 1014 i 1015 Hz poate transporta o cantitate mult mai mare de informaie dect microundele. Spre deosebire de sistemele cu microunde transmisia radiaiei laser prin fibre optice individuale sau multiple grupate n interiorul unui cablu optic prezint avantajul unei benzi de transmisie mult mai ridicat, imunitate fa de parazii i interferene electromagnetice. De asemenea fibrele optice confer rezisten fa de mediile acide, corozive, temperaturile nalte, microorganisme, umiditate, sunt uoare i simplu de instalat i nlocuit.Mai multe fibre optice asamblate n interiorul unui nveli protector formeaz un cablu optic sau ghid de und optic. ntruct fiecare fibr este protejat de un nveli dielectric cu indice de refracie mai sczut dect al fibrei, interferenele optice dintre fascicolele optice transmise prin diferitele fibre sunt mult reduse. Astfel, fiecare fibr poate constitui un canal independent de transmisie a informaiei.

Materiale utilizate pentru obinerea fibrelor optice:Indiferent de compoziia lor i de materialul dielectric utilizat, fibrele optice trebuie s rspund urmtoarelor criterii:- s aib o transparen ct mai bun la lungimea de und a semnalului luminos folosit- s posede stabilitate chimic ct mai bun n timp- s fie uor prelucrabil n toate etapele procesului tehnologic al fabricaieiMaterialele utilizate se pot grupa n trei categorii:- bioxid de siliciu pur i amestecuri ale acestuia cu ali oxizi n cantiti mici (dopani)- sticle compozite- materiale plasticeUtilizarea maselor plastice nu numai pentru nveliuri optice, dar i pentru miez, conduce la caracteristici optice net inferioare fa de cele din sticl, ceea ce le recomand n utilizare numai pe distane mici. Atenuarea semnalului optic n aceste cazuri are doar o importan secundar.Ca atare rezult superioritatea primelor dou categorii de materiale, n care se utilizeaz o aceeai component de baz, trioxidul de siliciu. Att trioxidul de siliciu ct i sticla multicompozit au o structur amorf, sunt anizotrope i se trag n fire din stare lichid la temperaturi nalte.Primele fibre optice realizate experimentate i instalate n sistemele de comunicaie optice au fost pe baz de cuar i aveau o atenuare minim de 10 dB/km n domeniul vizibil i IR apropiat. Creterea lungimii de und nspre IR mediu a determinat scderea atenurii i creterea vitezei de transmitere a informaiei: = 0.63 m = 20 dB/kmC = zeci Mb/s = 0.80.9 m = 56 dB/kmC = 140 Mb/s = 1.21.3 m = 0.30.5 dB/kmC = 1 Gb/sn gama 1.510 m se utilizeaz urmtoarele materiale de baz pentru realizarea fibrelor optice:- sticlele pe baz de oxizi de germaniu: dispersie mic n gama = 1.71.8 m i pierderi n jur de 0.15 dB/km;- sticle pe baz de fluor (fluoruri ale metalelor grele): prezint atenuare mic n gama de 2.56 m;- sticle pe baz de sulf, seleniu, telur i alte combinaii de elemente din grupele 4 i 5: prezint pierderi de 0.10.01 dB/km n gama de 56 mLa utilizarea sticlelor cu un coninut nalt de bioxid de siliciu exist dezavantaje: temperatura nalt de desfurare a procesului; fazele de depunere de material i de tragere a fibrei se desfoar cu viteze mici, ns ele sunt compensate din plin de calitatea net superioar a fibrelor optice obinute. Fibrele optice trase din preform au rezistena mecanic destul de ridicat. Ea poate fi ns afectat de anumii factori externi: tasri, torsionri puternice, cu raze de curbur mici, frecrile dintre fibr i mediul material nconjurtor sau dintre ele, atacul corosiv al unor ageni chimici. Diminuarea rezistenei mecanice este nsoit de regul de modificri ireversibile ale structurii i geometriei acesteia, microfisuri i microdeformri, variaii locale ale diametrului, toate influennd negativ transmisia radiaiei prin fibr.

Mecanisme de atenuare n fibra optic

Un fascicul de radiaie laser va suferi n timpul propagrii printr-o fibr optic atenuare datorat fenomenelor de absorbie, difuziune i difuziune stimulat. Atenuarea se mai poate produce i prin alte fenomene specifice fibrei optice ca de exemplu difuzia n nveli sau efectul de radiaie cauzat de curbarea fibrei optice.Atenuarea radiaiei laser n fibra optic este dat de :- absorbia de material n fibra optic- difuzia de material- difuzia geometric a ghidului de und- radiaia de curbur a fibrei optice- radiaia extern i diafonia optica. Absorbia de material n fibra opticEste principalul fenomen de atenuare a radiaiei laser n fibrele optice i se datoreaz benzilor de absorbie ale ionilor de impuriti existeni n fibra optic. Astfel, n sticla optic sau cuarul din care este confecionat fibra optic se afl numeroi ioni metalici care au benzi de absorbie n domeniul spectral 0.51 m. Este evident c intensitatea de absorbie a acestor benzi depinde de coninutul de impuriti al fibrei optice.De asemenea numrul de electroni de valen al ionilor metalici influeneaz lungimea de und maxim de absorbie ca i forma benzii de absorbie a radiaiei incidente. De ex. Ge3+ produce un maxim de absorbie la o lungime de und a radiaiei incidente de 0.7 m. Prin urmare, procesul de fabricaie al sticlei optice poate influena mult atenuarea prin absorbie a radiaiei transmise prin fibra optic.O absorbie puternic se datoreaz ionilor OH- produi de incluziunile cu vapori de ap din interiorul fibrei optice: banda de absorbie are dou vrfuri de absorbie pentru = 0.95 m i = 0.72 m, dar are maximul de absorbie la 2.7 m.Pentru a avea o atenuare redus a radiaiei laser incident este deci necesar o puritate mare a sticlei optice. Au fost realizate fibre optice fr nveli cu atenuri prin absorbie de numai 23 dB/km.b. Difuzia de material. Radiaia laser sufer ntr-o fibr optic diferite procese de difuziune pasiv sau activ: difuzia Rayleigh , difuzia Mie, difuzia Raman stimulat i difuzia Brillouin stimulat. Difuziile Rayleigh i Mie sunt efecte liniare, pasive, iar cea Raman i Brillouin sunt efecte neliniare datorate interaciunii radiaiei incidente cu atomii de material ai fibrei optice. Ele se pot caracteriza prin absorbia unei pri din energia radiaiei incidente de frecvena i emisia stimulat sau spontan a unei radiaii de frecven diferit care difuzeaz n fibra optic. Deoarece fibrele optice concentreaz o densitate de putere a radiaiei ridicat pe o seciune redus, se observ adesea efecte neliniare, chiar la puteri medii ale radiaiei incidente. Aceste efecte produc atenuri importante ale fascicolului incident. Deci pentru distane mari de transmisie care necesit puteri de radiaie incident ridicate, aceste efecte neliniare introduc o limitare superioar a nivelului de putere al fascicolului laser incident.Difuzia Brillouin stimulat este un fenomen de interaciune opto-acustic. Ea este predominant cnd puterea radiaiei incidente depete un anumit prag care depinde de natura sursei de radiaie, monofrecven sau multifrecven.Pentru fascicolele de radiaie multifrecven, cum este cazul diodelor laser homojonciune sau heterojonciune, puterea maxim depinde de raza fascicolului, banda spectral i coeficientul de atenuare a fibrei. O fibr optic monomod poate fi proiectat pentru un diametru al fascicolului incident de 1020 m, ceea ce duce la o cretere a puterii maxime admisibile de 516 ori. n fibrele optice multimod destinate s lucreze cu diode electroluminiscente LED limea miezului este de 50 m, iar fenomenele neliniare sunt total neglijate n astfel de fibre.c. Difuzia geometric a ghidului de und. Este un efect caracteristic fibrelor optice multimod subiri al cror diametru prezint variaii. Variaiile geometrice ale diametrului unei fibre optice multimod produc un transfer de putere ntre modurile electromagnetice ale radiaiei incidente sau ntre aceste moduri i cmpul electromagnetic ambiant. Acest efect de difuziune poate produce o atenuare suplimentar a fascicolului de radiaie. Coeficientul de atenuare depinde de lungimea de und a radiaiei incidente, de propagarea modurilor radiaiei i de geometria fibrei optice. De ex. ntr-o fibr optic cu diametrul miezului de 5 m, un indice diferen D = 0.001 prin care se propag dou moduri alturate, ntre care apare o distan de propagare numit lungime de coeren de 5 cm, o variaie de numai 0.1 % a diametrului miezului va produce o atenuare a fascicolului de 10 dB/km.Acesta este unul din motivele pentru care diametrul fibrei optice multimod este mult mai mare dect lungimea de und a radiaiei incidente.d. Radiaia de curbur a fibrei optice.Orice fibr optic va radia n exterior dac nu este rectilinie. Acest lucru se justific astfel: deoarece cmpul electric din nveli se extinde spre valori ale lui R mari (R raza de curbur a fibrei) aceasta implic o cretere a vitezei de grup a undelor electromagnetice pe direcia de propagare. Distribuia exponenial a coeficientului de atenuare nseamn practic c coeficientul de atenuare poate lua valori extrem de diferite pentru variaii mici ale razei de curbur R (pentru un indice diferen D sub 0.001 atenurile datorate curbrii fibrelor optice subiri sunt neglijabile, cnd raza de curbur depete 1 cm.e. Radiaia extern i diafonia optic.n procesul de propagare a radiaiei printr-o fibr optic o parte a radiaiei nu se propag prin nveli. n acelai timp, o parte nsemnat a radiaiei difuzate n miez este captat de nveli unde sufer efecte de atenuare. De aceea trebuie luate n consideraie att atenurile radiaiei n nveli ct i pierderile de radiaie n exteriorul fibrei optice.Pierderile externe de radiaie se pot reduce prin depunerea pe suprafaa fibrei optice a unui strat subire antireflex. Pe aceast cale se va produce atenuare prin absorbie a unei pri a radiaiei, dar se va mpiedica difuzia radiaiei n exterior i diafonia optic cu alte fibre optice alturate. S-a constatat c se pot reduce astfel la minim diafoniile optice datorate radiaiei care se propag prin nveli. Totui, pentru reducerea pierderilor prin absorbia suplimentar n depunerea exterioar se prefer, n general, o dimensionare corespunztoare a grosimii nveliului dielectric n locul acestei depuneri.Astfel, pentru fibrele multimod se pot da indicaii asupra alegerii raportului dintre diametrul nveliului i diametrul miezului lund indicele diferen ca parametru. Criteriul de alegere al diametrului nveliului cere ca 90% din radiaia incident s aib pierderi externe mai mici de 1 dB/km datorate absorbiei sau difuziei radiaiei n nveli.Se mai menioneaz c pot apare atenuri ale radiaiei n nveliul dielectric datorate diferenei dintre coeficienii interni de atenuare prin absorbie. Se tie c nu se pot obine indici de refracie diferii ntre nveli i miez dect printr-o compoziie diferit a materialului dielectric.Din acest motiv se recomand utilizarea fibrelor optice multimod cu diametre relativ mari ale miezului i a fibrelor optice cu indice parabolic att pentru propagarea radiaiei multimod emise n general de laserii cu semiconductori, ct i a radiaiei monomod emise de diodele laser cu dubl heterostructur i geometrie de band.

Consideraii practice privind atenuarea radiaieiAtenuarea radiaiei laser n fibrele optice se datoreaz n principal fenomenelor de absorbie i difuziune. Absorbia se datoreaz n special ionilor de impuriti prezeni n materialul fibrei optice, constnd din ioni metalici i ioni OH-.Procedeele actuale de fabricaie a sticlei optice permit reducerea coninutului de impuriti metalice n fibra optic. Atenuarea prin difuziune n principal se datoreaz fluctuaiilor termice i neomogenitilor de construcie i de material ale fibrei optice, innd seama c exist dou regiuni spectrale n care fibrele optice actuale au o atenuare redus.Ele corespund domeniilor spectrale de emisie a diodelor laser GaAs-GaAsIAs, ntre 800900 nm i laserilor solizi cu Nd-Jag, pentru = 1.06 m. Lucrnd cu surse laser care emit radiaie apropiat de ultraviolet (sub 0.5 m) atenuarea crete mult datorit difuziei Rayleigh i absorbiei n UV, prezent n toate tipurile de fibr optic. Lucrnd cu radiaie n IF apropiat peste 1.1 m se va obine o cretere a absorbiei n ionii OH- care au o band de absorbie cu maximul pe 2.7 m. ntre 0.71.1 m o cretere a atenurii peste 2 dB/km se datorete numai absorbiei de ioni OH-. Eliminarea moleculelor reziduale de ap duce la scderea absorbiei i difuziei.

Tipuri de fibre optice

Tipurile actuale de fibre optice comercializate au caracteristici geometrice, optice i de transmisie diferite, n funcie de destinaie i de condiiile impuse de utilizator. Clasificarea lor se poate face dup mai multe criterii.1. Dup numrul de moduri de propagare din fibr: fibre optice monomodn acestea se propag un singur mod de oscilaie electromagnetic HE11 i sunt caracterizate de: - diametru mic al miezului- apertur numeric- band de trecere (cea mai) mare fibre optice multimodPermit propagarea simultan a unui numr mare de moduri:- au un diametru mai mare- apertura mare- banda de trecere relativ mic

Gruparea n aceste dou categorii are n vedere n special diametrul miezului.La fibrele monomod el este comparabil cu lungimea de und a radiaiei laser injectate. Sursele de radiaie laser nu pot fi ns dect coerente, de intensitate mai mare dect cea a surselor folosite pentru fibrele multimod. Fibrele multimod au diametrele mult mai mari dect lungimea de und a radiaiei. Aici vor fi posibile tolerane mai mari n dimensiunile lor, ale elementelor de cuplare cu sursa i chiar ale surselor de radiaie. Este posibil utilizarea de surse de radiaie incoerent, ieftine i sigure n exploatare (LED-uri) i sunt simplificate aspectele de manipulare i mbinare. Ca atare ele sunt mai bine studiate i mult mai larg rspndite n practic.Ca dezavantaje ele prezint problema creterii duratei impulsurilor care se propag prin ele datorat fenomenului de dispersie a impulsului de radiaie multimod n interiorul fibrei. Acest dezavantaj poate fi eliminat n mare msur prin alegerea unei distribuii corespunztoare a indicelui de refracie n n seciunea miezului fibrei.

2. Dup legea de variaie a indicelui de refracie n miez i n nveli fibrele optice pot fi: fibre optice discontinue FOD Sunt fibre cu salt al indicelui de refracie: indicii de refracie ai miezului n1 i nveliului n2 sunt constani, iar trecerea de la un strat la cellalt se face prin salt. n2n1n2xn1n2a2bFig.2x. Profilul fibrei optice discontinue. fibre optice gradate FOG Sunt fibre cu gradient al indicelui de refracie el se modific continuu de la centru spre periferie dup o anumit lege de variaie, numit funcie de profil.

Fig.2x. Profilul fibrei optice gradate.n2n1n2xn1n2a2b3. Dup natura materialelor din care sunt construite fibrele exist: fibre cu miez i nveli de sticl fibre cu miez de sticl i nveli din plastic fibre cu miez i nveli din plastic

Utilizarea unui tip de fibr optic este determinat de specificul aplicaiei (de parametrul sistemului care trebuie realizat).Cele mai bune performane sunt obinute cu fibrele optice monomod (atenuare mic 0.1 dB/km, band de trecere de zeci de GHz), ns dimensiunile mici ale diametrului le fac mai greu de excitat aplicarea energiei optice n miez) i de asemenea realizarea racordurilor. Fibrele optice multimod au banda de trecere mic i atenuare mare, dar n practic se poate lucra mai uor cu ele.n practic se ntlnesc cu precdere urmtoarele variante de fibre:- Fibrele optice monomod cu profil treapt FOD. Au diametrul miezului mic (max 10 m) i favorizeaz propagarea razelor axiale. Permit trecerea semnalelor la mari distane (zeci de km) fr amplificarea (regenerarea) semnalelor (au o dispersie modal mic). Se utilizeaz de obicei n benzile de 1550 nm. Prezint avantajul unor benzi de trecere de ordinul GHz ilor i a unei atenuri mici. Ca pre sunt fibre ieftine, ns echipamentele terminale relativ complicate i scumpe, modul de realizare al jonciunilor este pretenios presupune sudare-lipire. Sunt preferate n comunicaiile telefonice de mare distan i mare capacitate, interconectarea reelelor de calculatoare, pentru viteze mari de transmisie i distane mari ntre repetoare. Ca surs de radiaie este necesar un laser pentru a furniza o putere suficient de mare n miez, iar receptorul trebuie s prezinte o sensibilitate ridicat.

Tabel cu performanele de atenuare i dispersie ale fibrelor optice monomod.

a) Fibra monomod standard (Standard Single Mode Fiber SSMF) este optimizat pentru atenuare minim. Miez din SiO2 pur, doparea este realizat n nveli, dispersia cromatic la 1.55 m este cea mai mare. Sunt foarte comune, n SUA i n Europa se utilizeaz pentru majoritatea legturilor. b) fibre cu salt de dispersie DSF: zero dispersie la 1.55 m, dar atenuarea este uor mai mare dect la cele SSMF; foarte rspndite n Japonia. Canalele nvecinate n legturile WDM (Wavelenght Division Multiplexing) au aproape aceeai vitez. De aceea FWM (Four Wave Mixing) este puternic. Pentru ca totui s se transmit viteze agregate de date mai nalte, vitezele monocanal trebuie s fie mari sau s se foloseasc lungimi de und mai mari.c) Fibre cu compensare a dispersiei DCF (Dispersion Compensated Fiber) sunt optimizate pentru pentru dispersii negative puternice cu atenuare acceptabil. Se insereaz n module amplificatoare ntre preamplificator i amplificatorul principal. Fac legturile SSMF utilizabile n cazul vitezelor de date agregate mari i WDM. Sunt foarte comune.d) Fibre cu dispersie non-zero (NZDSF Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber, NDSF) se cascadeaz fibre cu dispersii pozitiv i negativ, pentru a menine o dispersie total mic cu supresarea concomitent a WDM. e) Fibra cu dispersie invers RDF (Reverse Dispersion Fiber) sunt fibre NZDSF moderne, pot fi cascadate cu SSMF n lungimi aproximativ egale. Foarte bun supresie a FWM.

- Fibrele multimod cu gradient al indicelui de refracie (FOG). Sunt utilizate pentru transmisia semnalelor pe distane mici, avnd o lrgime de band redus, de max 600 MHz. De obicei se utilizeaz la lungimi de und de 850 nm sau 1300 nm. Miezul acestor fibre se realizeaz dintr-un numr mare ( 70) de straturi concentrice de sticl (125/50; 125/62,5; 125/85; 125/100). Fiecare strat (de la ax spre exteriorul fibrei) are un indice de refracie mai mic dect al stratului precedent. Radiaia luminoas traverseaz mai repede mediile cu indici de refracie mici, nct, cu ct raza de lumin este mai deprtat de axa fibrei cu att va avea o vitez de propagare mai mare. Prin acest procedeu se compenseaz, pe distane mari de fibr, o "compensare" a vitezelor diferite de propagare a modurilor, rezultnd o dispersie modal limitat. Razele de lumin sunt curbe, refractate continuu ntr-un mod sinusoidal, astfel nct se poate considera c toate razele ajung la captul fibrei n acelai moment de timp. Dei nu au performanele fibrelor monomod, sunt mai uor de utilizat n practic n majoritatea aplicaiilor: conectare comod, performane medii ale echipamentelor terminale, pre de cost relativ mic.- Fibre optice multimod cu profil discontinuu FOD. Diametrul tipic al acestor fibre este 50 m, deci prin aceste fibre se pot propaga simultan mai multe moduri. De ex., fa de o raz de lumin care parcurge fibra de-a lungul axei ei, o alt raz (mod) care se propag prin reflexie multipl va parcurge un drum mai lung i deci va ajunge la captul fibrei mai trziu (fenomenul de dispersie modal). Banda asigurat este de cteva zeci de MHz i pot fi realizate din diferite materiale (sticl/sticl, sticl/plastic, numai polimeri). Se regsesc n industrie, medicin, fiind ieftine, au rezistena ridicat la eforturile de tensiune i torsiune, conectorii sunt simpli i sunt uor de instalat.O fibr optic cu profil parabolic poate transmite radiaia incident fr distorsiuni i cu atenuare redus. Ea este o fibr optic fr nveli dielectric. Tot fibra optic fr nveli dielectric este i fibra optic n care indicele de refracie are o distribuie axial simetric cu valoare maxim n0 pentru r = rm.Valoarea lui n0 nu depete cu mai mult de 1 % din valoarea indicelui de refracie al fibrei pe restul lungimii ei. Aceast fibr optic este o fibr optic cu indice gradat.Utilizarea unui tip sau altul de fibr este determinat de tipul aplicaiei i parametrii sistemului n care lucreaz.

Caracteristici ale fibrelor optice

1. Caracteristici optice

a. Profilul indicelui de refracie este definit ca repartiia indicelui de-a lungul unei drepte ce trece prin axa fibrei optice. n cazul fibrelor optice cu profil gradat avem:unde este indicele de profil, iar r[0, a].De asemenea: este diferena normat a indicilor de refracie, n1 al miezului i n2 al reflectorului.Dac indicele de refracie n al unei fibre optice este considerat n funcie de raza r, atunci vom vorbi despre profilul indicelui de refracie, ncepnd de la axa fibrei i mergnd spre exteriorul nveliului:n = n(r)Propagarea modurilor n fibra optic depinde de forma profilului indicelui de refracie. Dpdv practic se consider c profilele de indice sunt definite prin legi exponeniale.Studiind profilele indicilor de refracie pentru care legile de variaie sunt de forma:pentru r a n miezpentru r a n reflectorunde:n1 - indice de refracie pe axa fibrei (r = 0) - diferena relativ a indicilor de refracier - distana radial de la axa fibrei, r[0, a].a - raza miezului fibrei, n mg - puterea (exponentul) profiluluin2 - indicele de refracie al nveliului.Sunt importante cazurile:g = 1 profil triunghiularg = 2 profil parabolicg profil cu indice n treaptDoar n ultimul caz (profilul de indice n treapt) indicele de refracie n(r) = n1 este constant n miez. Pentru toate celelalte profile cu indice de refracie n miez n(r) crete proporional de la valoarea n2 n nveli la valoarea n1 pe axa fibrei. Din acest motiv aceste profile sunt denumite profile cu indice gradat. Denumirea a fost adoptat n special pentru profilul parabolic, cu g = 2, deoarece aceste fibre au proprieti tehnice bune n ghidarea luminii.

b. Apertura numeric.

n2n1Fig. 2.5. Apertura numeric.Definete conul de recepie al radiaiei incidente pe captul fibrei. n funcie de valorile indicilor de refracie n1 i n2 exist o valoare maxim a unghiului de inciden pentru care n punctul M are loc fenomenul de reflexie intern total i ghidarea radiaiei n interiorul miezului.Se definete apertura numeric ANL:Se observ c valoarea ANL depinde numai de indicii de refracie. Deci ANL se poate defini ca unghiul de acceptare al unei fibre optice i reprezint valoarea numeric maxim lim dintre direcia razei incidente i axa fibrei pentru care avem reflexie intern total.

2. Caracteristici de transmisieEle sunt indicate de ctre productor i sunt necesare n operaiunile de montaj i instalare.

a. Coeficientul de atenuare reprezint atenuarea radiaiei optice pe unitatea de lungime.Presupunnd c pe unitatea de lungime avem o atenuare de :unde P1 i P2 reprezint puterile optice corespunztoare celor dou seciuni ale fibrei (intrare, respectiv ieire).Dac fibra are caracteristica uniform pe lungimea fibrei, se lucreaz cu mrimea:n practic, datorit valorilor mici ale atenurii se prefer ca unitate de msur dB/km. Valoarea acestei caracteristici servete pentru determinarea distanei dintre repetori optici.b. Caracteristica de frecven K()Se determin de obicei n banda de baz.Cunoaterea caracteristicii de frecven este important dpdv al determinrii spectrului semnalului rezultat la ieirea fibrei.c. Banda de trecere BSe determin la -3 dB, adic reprezint 1/2 din valoarea maxim a lui K(). De regul se utilizeaz banda de trecere a unei seciuni de lungime fix (1 km).d. Rspunsul la impuls (g(Z))Este o mrime care caracterizeaz distorsionarea formei semnalului rezultat la ieirea fibrei i a ntrzierilor de propagare.e. Viteza de transmisie a informaiei C (b/s)Este o mrime proprie sistemelor numerice i reprezint viteza de tact atunci cnd se transmit semnale binare. Este aproximativ egal cu banda de trecere:

CABLURI OPTICE

Microdispozitive pentru fibrele i cablurile optice

Transmiterea semnalelor modulate prin FO

Prin sistemele optice se transmit semnale purttoare modulate de ctre un semnal util, fie direct n banda de baz, fie prin intermediul unei sub-purttoare (n RF). Transmiterea semnalelor optice este nsoit de distorsiuni care depind n primul rnd de proprietile de transmisie ale FO n banda semnalului modulator.

Dispersia semnalelor n FO

Dispersia sau distorsiunea de ntrziere sau de durat este principalul fenomen care limiteaz banda de trecere a FO. Fenomenul este mai evident n cazul propagrii impulsurilor i se manifest prin lirea impulsurilor de ieire fa de cele de intrare. Dac viteza de transmitere a informaiei este prea mare, impulsurile de ieire ncep s se suprapun i s apar interferenele (distorsiunile) inter-simbol.Cauzele dispersiei sunt diverse:- variaia indicelui de refracie cu frecvena- propagarea simultan a mai multor moduri cu viteze diferite- imperfeciuni de material, mecanice i constructive- curburi i micro-curburi ale fibrei care apar pe timpul instalrii, exploatrii sau datorit variaiilor de temperatur- modul de excitare al fibrei, etc.Dispersia reprezint abaterea medie a duratei impulsului pe unitatea de lungime a FO:unde este durata impulsului la un moment da