LUCRAREA NR. 3 UTILIZAREA FIBREI OPTICE LA TRANSMISIA

SEMNALELOR ELECTRICE

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ 1

UTILIZAREA FIBREI OPTICE LA TRANSMISIA

SEMNALELOR ELECTRICE

1. NOŢIUNI TEORETICE

1.1. Generalităţi privind transmisiile pe fibră optică

Fibra optică este un mediu de transmisie transparent la radiaţia luminoasă, format dintr-

un miez dielectric (sticlă sau material plastic) înconjurat de un înveliş dielectric cu indice de

refracţie mai scăzut. Fibrele optice sunt utilizate pentru transmisiuni pe distanţe foarte mari

(continentale, oceanice), dar pot fi folosite şi pentru distanţe foarte mici.

Pentru semnalul digital, cea mai bună soluţie este transmisia pe fibră optică, ce permite

regenerarea pe secţiuni mai mari de 50 km.

În sistemele optice de transmisie, fibrele optice (FO) se utilizează ca mediu de transmisie,

înlocuind cablurile conven¡ionale, faţă de care prezintă o serie de caracteristici net superioare:

imunitatea la interferenţele electromagnetice, izolarea electrică a transmiţătorului de receptor,

absenţa problemelor legate de scurtcircuitare şi străpungere, pierderi reduse, lărgime de bandă

extrem de ridicată, reducerea volumului, a greutăţii şi a preţului de cost.

Există şi două mari dezavantaje importante ale transmisiilor pe fibră optică şi anume

atenuarea în fibră şi dispersia.

1.2. Caracteristicile fizice ale fibrei optice

1.2.1. Structura fibrei optice

Un conductor de fibră optică este format din următoarele părţi aşa cum reiese din

figura 1:

- miezul – centrul subţire al fibrei pe unde circulă lumina;

- învelişul – material plastic;

- mediul protector- înveliş de plastic care protejează fibra de eventualele deteriorări şi de

umezeală.

Din punct de vedere tehnic transmisia datelor prin fibra optică se bazează pe conversia

impulsurilor electrice în lumină. Aceasta este apoi transmisă prin mănunchiuri de fibre optice

până la destinaţie, unde este reconvertită în impulsuri electrice.

miez mediu

t t

înveliş

Fig. 1. Structura fibrei opticeLUCRAREA NR. 3 UTILIZAREA FIBREI

OPTICE LA TRANSMISIA SEMNALELOR ELECTRICE

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ 2

În figura 2 a şi b sunt prezentate 2 imagini reprezentând structura fibrei optice.

Transmisiile optice ghidate s-au dezvoltat mult odată cu perfecţionarea tehnologiilor

legate de fibrele optice cu pierderi mici (sub 10 dB/km), pierderile în fibră ( L f

) reprezentând

principala sursă de pierderi în astfel de canale.

Celelalte surse de pierderi sunt pierderile de cuplaj Lc

, pierderile în conectori Lcn şi

pierderile de îmbinare Li

.

Ţinând seama de aceste pierderi puterea la recepţie se poate scrie:

R S c cn i i f f

P = P − L − L − L N − L l 2 (1) ⋅

unde PS este puterea de ieşire a sursei, Ni

- numărul de îmbinări de tronsoane ale FO, iar l f

lungimea totalå a fibrei optice utilizate.

1.2.2. Tipuri constructive de fibră optică

Sunt cunoscute două tipuri de fibre optice:

- fibre optice din material plastic;

- fibre optice din sticlă.

a) Fibra optică din plastic este mai flexibilă şi mai robustă decât fibra optică din sticla

convenţională. Este deja mai uşor de utilizat şi mai uşor de fabricat. Are o gamă largă de

aplicaţii, de la industria de automobile la industria aeronautică, iluminat şi telecomunicaţii.

Fibra optică din plastic s-a dovedit a fi soluţia ideală, atât pentru cerinţele din industrie, cât şi

pentru utilizări personale, în ambele cazuri fiind de dorit performanţe superioare la costuri

mai mici.

Fibrele optice din polimeri acrilici sau poliamidici au o ductibilitate, o rezistenţă şi o

elasticitate mult superioare fibrelor din sticlă minerală. Polimerii cu structură tridimensională

de foarte mare regularitate, cilindrică sau în lamele echidistante reprezintă o altă soluţie bună

de realizare a fibrelor optice.

b) Fibra optică din sticlă are o atenuare mai mică decât fibra din plastic rezultă că pot

fi folosite pentru lungimi foarte mari în comunicaţii cu un număr redus de amplificatoare.

a)

b)

Fig. 2. Imagini reprezentând structura fibrei optice multimod LUCRAREA NR. 3

UTILIZAREA FIBREI OPTICE LA TRANSMISIA SEMNALELOR ELECTRICE

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ 3

- Pot fi executate de diametru foarte mic (100 microni) ceea ce permite un fascicul cu

multe canale pe acelaşi cablu şi flexibilitate mecanică.

- Pot fi folosite pentru transmisii de imagini optice atunci când au un număr suficient

de mare de fibre pe acelaşi cablu.

De asemneea fibrele optice mai pot fi clasificate astfel:

- single-mode mode. Acestea au miezul de 9 microni în diametru şi transmit lumina de la

laser în infraroşu (lungimea de undă este de la 1300 nm până la 1550 nm).

- multi-mode. Fibrele optice multi-mode au miezul de 62.5 microni în diametru şi transmit

lumina în infraroşu de la LED-uri (lungimea de undă de la 850nm la 1300nm).

Pentru fibrele optice făcute din plastic cu miezul de până la 1 milimetru diametru şi

lungimea de undă de 650nm, lumina roşie transmisă prin acestea este vizibilă.

1.2.3. Propagarea luminii în fibra optică

Legile opticii permit descrierea reflexiei totale la suprafaţa de separaţie dintre miez-

înveliş a fibrei optice. Reflexia totală poate avea loc doar în cazul trecerii unei raze luminoase

dintr-un mediu mai dens într-un mediu mai puţin dens; invers nu este posibil.

Superpoziţia a două sau mai multe unde şi combinarea lor într-o singură undă se

numeşte interferenţă.

O manifestare tipică a interferenţei a două unde este obţinută când ele au aceeaşi

lungime de undă şi când există un defazaj constant între ele. Astfel de unde se numesc unde

coerente.

Dacă se consideră două surse luminoase obişnuite (becuri electrice) cu incandescenţă

şi suprapunem aceste surse nu se va observa nici un tip de interferenţă pentru că lumina lor e

incoerentă. Acest fapt e datorat procesului de emisie a luminii (în acest caz precizat:

filamentele incadescente).

În virtutea fenomenelor spontane şi aleatorii, fiecare atom al filamentelor incadescente

emite flash-uri de lumină care sunt serii de unde cu o durată de viţă în jur de 10

-8

s.

Considerând că viteza luminii în aer este 3

.

10

8

m/s, aceste serii de unde au o lungime de 3 m

purtând denumirea de lungime coerentă. Suprapunerea acestor serii de unde este complet

neregulată şi produce doar iluminarea globală a spaţiului înconjurător.

Pentru transmisia pe fibre optice este necesar să se găsească o sursă luminoasă cât mai

coerentă, prin urmare lărgimea spectrală va trebui să fie cât mai mică. Spre deosebire de

diodele electroluminiscente, dioda laser oferă, graţie unei emisii simulate, o diferenţă de fază

constantă la o aceeaşi lungime de undă.

Prin urmare, fenomenele de interferenţă apar în ghidul de undă, ceea ce poate fi

constatat din faptul că lumina se propagă doar sub unghiuri bine precizate în miezul fibrei;

prin „precizate” înţelegându-se că propagarea are loc în direcţii în care undele luminoase sunt

amplificate prin suprapunerea lor şi prezintă o interferenţă constructivă.

1.3. Parametrii fibrei optice: atenuarea fibrei optice şi banda de trecere

Lumina care se propagă într-o fibră optică, suferă o atenuare, adică are loc o pierdere

de energie. Aceste pierderi trebuie să rămână mici, pentru a putea parcurge mari distanţe, fără

regeneratori intermediari. Atenuarea fibrei optice este un parametru important pentru

LUCRAREA NR. 3 UTILIZAREA FIBREI OPTICE LA TRANSMISIA

SEMNALELOR ELECTRICE

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ 4

efectuarea proiectării instalării cablurilor optice. Ea se datorează, în principal, fenomenelor

fizice: absorbţie şi difuzie.

Importanţa acestor pierderi luminoase depinde, între altele, de lungimea de undă a

luminii injectate. Din această cauză este, în general, util să se măsoare atenuarea fibrei optice

în funcţie de undă (măsura spectrală). Putem, astfel, determina gamele de undă cu pierderi

mici, deosebit de interesante pentru transmisia optică.

Dacă se observă propagarea luminii într-o fibră optică în stare de echilibru, se poate

constata că puterea luminii P descreşte exponenţial cu lungimea L a fibrei optice:

( )

/10

( ) 0 10

L

P L P

−λ

= (2) ⋅

P(0) este egală cu puterea luminii injectate în fibra optică; P(L) este puterea luminii

care se calculează la lungimea L şi a este coeficientul de atenuare, care este o măsură pentru

atenuarea pe unitatea de lungime. Atenuare unei fibre optice de lungime L şi cu un coeficient

de atenuare a este egală cu:

( )

P L( )

P

aL

0

=10log dB/km (3)

În timp ce atenuarea descrie pierderile optice de linie ale fibrei optice, banda de

trecere reprezintă o măsură a fenomenului de dispersie.

1.4. Conectoare optice

Conectoarele sunt utilizate pe linie de transmisie optică pentru a separa cu uşurinţă

două fibre optice şi, dacă e cazul, de a le cupla cu pierderi minime.

Primul conector folosit înaintea invenţiei fibrei de tip single-mode a fost conectorul

SMA. La ora actuală cel mai folosit tip pentru fibrele multi-mode este conectorul ST (prezintă

mai putin de 1dB pierdere). Există conectori ST şi pentru fibrele single-mode. Un alt conector

de largă răspândire folosit pentru fibrele single-mode este cel de tip SC. Are un preţ scăzut,

este simplu şi durabil.

Dacă diametrul miezului fibrei utilizate şi atenuarea de inserţie tolerabilă (admisibilă)

pentru conexiune, trebuie satisfăcute cerinţe variate în ceea ce priveşte toleranţele mecanice

ale conectoarelor.

Din punct de vedere al funcţionării lor, putem împărţi conectoarele în două grupe.

Prima grupă se bazează pe principiul cuplajului prin lentile (fig. 4) iar cea de-a doua pe

principiul cuplării feţelor (fig. 4). Plan de joncţionare

Fig. 4. Principiul cuplării prin lentile

a) b)

Fig. 3. Conector ST (a) şi conector SC (b) LUCRAREA NR. 3

UTILIZAREA FIBREI OPTICE LA TRANSMISIA SEMNALELOR ELECTRICE

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ 5

Cerinţele generale ale unei bune cuplări la fibră a surselor optice sunt determinate de

necesitatea realizårii unei excitări cât mai eficiente a modurilor ghidurilor şi de cea a realizării

unei cuplări cât mai stabile şi cât mai fiabile.

1.4.1. Cuplarea prin intermediul lentilelor

Acest procedeu utilizează lentile sau alte sisteme optice transformatoare de imagini, cu

care se poate efectua o transformare a luminii care iese din fibra emiţătoare. Lumina care iese

este transformată, mai întâi, în raze aproape paralele de un diametru cât mai mare şi apoi este

focalizată din nou pe faţa fibrei receptoare. Avantajul acestei metode de cuplare constă în cea

mai mare toleranţă de separaţie, care poate fi toleranţă în mod parţial la nivelul regiunii de

cuplare (reprezentată prin planul de alăturare din fig. 4).

Totodată, acest avantaj este obţinut cu preţul unor pierderi suplimentare, produse de

către sisteme transformatoare de imagini şi datorită reflexiei interfeţelor individuale, indicilor

de refracţie diferiţi şi celei mai stricte limite de alimentare unghiulară. Cu excepţia câtorva

aplicaţii speciale, cum ar fi cuplare diferitelor semiconductoare cu fibră, în practică, se

utilizează conectoare funcţionând după principiul cuplajului frontal al feţelor. Parametrul

important în determinarea fracţiunii din radiaţia emisă care se cuplează la fibră este apertura

numerică a fibrei sin θc

, unde unghiul critic:

2 2

arcsin

c c r

Θ = g n − n (4)

reprezintå cea mai mare valoarea a unghiului de incidenţă pentru care razele emise de sursă mai

intră în fibră; nc

şi nr

sunt, respectiv, indicii de refracţie ai miezului canalului şi învelişului

(anvelopei) fibrei.

1.4.2. Cuplaj frontal a două feţe

O caracteristică a cuplajului frontal a feţelor (fig. 5) este faptul ca feţele de ieşire şi de

recepţie a luminii sunt plasate în paralel şi foarte aproape una de alta; aceasta contează atât

pentru o fibră, cât şi pentru o diodă. Acest sistem permite realizarea unor conexiuni cu

pierderi mici numai pentru gama lungimilor de undă 860 nm şi 1500 nm.

Pentru a evalua calitatea transmisiei unei conexiuni (legături), se consideră atenuarea

sa de inserţie, adică se determină creşterea de atenuare a unui segment de legătură, când se

inserează o conexiune suplimentară. Pierderile de inserţie rezultă din tolerantele părţilor

conectorului şi ale fibrei.

Feţele trebuie curăţate şi uscate cu grijă, fără a le zgâria. În general, trebuie considerat

că pierderile sunt datorate nu numai reflexiilor la interfaţa sticlă – aer (pierderi Fresnel), ci şi

variaţiilor de atenuare prin interfeţe. Pierderile pot fi reduse printr-un tratament antireflexie

şi/sau prin aplicare unui "gel de indice".

Plan de joncţionare

Fig. 5. Principiul cuplării feţelor LUCRAREA NR. 3 UTILIZAREA FIBREI

OPTICE LA TRANSMISIA SEMNALELOR ELECTRICE

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ 6

Cablurile cu elemente de tracţiune din materiale sintetice sau fibre de oţel (pentru

aplicaţii speciale) pot fi prinse în mod suficient prin sertizare (punerea în funcţie a unei

conexiuni mecanice bune prin deformarea permanentă a unei bucşe în jurul unui element de

fixare). După diametrul fibrei – şi de asemenea pentru egalizarea toleranţelor diametrului –

este disponibil un sortiment de racorduri cu grade de precizie variate (gradaţii cu pas de 3µm).

Există formate speciale de conexiune pentru alte aplicaţii, de exemplu pentru

racordarea la convertoare optoelectronice sau pentru montarea în batiuri (rame) sau în alveole

de contact. Atenuare de inserţie este de aproximativ 1 dB. Pentru conexiunile monomod, se

încearcă să se stingă valori mai mici de 1 dB, ceea ce implică în mod natural toleranţe în mod

considerabil mai mici.

Pentru montajul pe şantier, în cazul în care fişele nu pot fi preconfecţionate la

fabricant, sunt disponibile kit-uri de montaj care permit un montaj uşor şi rapid al

conectoarelor. Atenuarea de inserţie este, în general, puţin mai ridicată comparată cu

conectoarele perfecţionate.

1.5. Principiul comunicaţiei optice

Pentru a fi posibilă transmisia de semnale prin intermediul fibrelor optice pe lângă

cablul de fibră optică sunt necesare şi echipamente optoelectronice de conversie, transmisie şi

recepţie a semnalelor optice (fig 6). Aceste echipamente optoelectronice sunt cunoscute cu

denumirea de traductoare optoelectronice.

Un traductor optoelectronic trebuie să asigure:

- conversia semnalelor electrice în semnale optice;

- conversia semnalelor optice în semnale electrice.

Traductorul optoelectronic conţine două tipuri de elemente: transmiţătorul şi

receptorul.

Transmiţătorul – realizează conversia semnalelor electrice în semnale optice. Acesta

conţine un driver, o sursă de lumină şi un dispozitiv de conectare la cablul de fibră optică.

Sursa de lumină poate fi realizată cu LED (Light Emitting Diode) sau cu LD (Laser Diode) în

domeniul vizibil sau invizibil..

Receptorul – realizează conversia semnalelor optice în semnale electrice. Acesta este

compus dintr-un cuplor de fibră, un detector de lumină (fotodiode, fototranzistoare) şi un

circuit de interfaţă optoelectronică.

Fig.6. Principiul comunicaţiei optice LUCRAREA NR. 3 UTILIZAREA

FIBREI OPTICE LA TRANSMISIA SEMNALELOR ELECTRICE

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ 7

2. SCOPUL LUCRĂRII

2.1. Se vor studia principalele tipuri de dispozitive de emisie şi de recepţie folosite la

la transmisiile prin fibră optică.

2.2. Se vor studia principalele tipuri de conectori folosiţi la transmisiile prin fibră

optică precum şi modul cum influenţează aceştia transmisiile prin fibră optiă.

3. SCHEMA DE MONTAJ ŞI APARATURA UTILIZATĂ

Schema de montaj utilizată pentru studiul transmisiilor de semnale pe fibră optică este

prezentată în figura 7.

unde:

1 – generator de semnal sinusoidal tip HAMEG cu frecvenţa maximă de 3 MHz

2 – platformă experimentală pe care sunt montate: transmiţătorul, receptorul, cele 2

conductoare de fibră optică din plastic (se observă ca fibra optica de la transmiţător este mai

lungă decât cea care face legătura cu receptorul) şi cuplorul optic frontal;

3 – osciloscop tip Tektronix cu 4 canale de intrare;

4 – sursa de alimentare pentru elementele electronice de pe platformă.

4. MODUL DE LUCRU

4.1. Se identifică elementele din schema bloc de montaj.

4.2. Se conectează ieşirea generatorului de semnal sinusoidal Hameg la intrarea

transmiţătorului optic.

4.3. Se leagă cele 2 sonde ale osciloscopului la punctele de oscilografiere de pe

transmiţător şi receptor.

4.4. Se alimentează circuitul electronic de la o sursă de 12 V, sursă care este înglobată

în generatorul de semnal.

Transmiţător Receptor

Cuplor frontal

Generator

Osciloscop

CH1 CH2

3

2

1

Sursă

12 V

4

Fig. 6. Schema de montaj pentru studierea

transmisiei semnalelor pri FO

Fibra opticăLUCRAREA NR. 3 UTILIZAREA FIBREI OPTICE LA

TRANSMISIA SEMNALELOR ELECTRICE

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ 8

4.5. Se reglează frecvenţa generatorului de la 0,3 Hz ÷ 3 MHz vizualizând pe ecranul

osciloscopului atât forma tensiunii pe dioda emiţătoare cât şi forma tensiunii pe dioda

receptoare, evaluând în felul acesta domeniul de funcţionare al sistemului de transmisie.

4.6. Se reglează frecvenţa generatorului la 1 kHz şi se studiază dependenţa transmisiei

optice de starea cuplorului, distanţa maximă între capetele fibrelor optice pentru care se poate

face transmisia de semnal.

4.7. Se repetă operaţiile de la punctele de mai sus pentru un semnal triunghiular aplicat

la intrare.

5. CONŢINUTUL REFERATULUI

- noţiuni teoretice;

- chestiuni de studiat;

- schema de lucru şi aparatele utilizate;

- formele de undă oscilografiate;

- observaţii personale şi concluzii.