I. FIBRA OPTICĂ – PROPRIETĂŢI ŞI CARACTERISTICI

I.1. COMUNICAŢII OPTICE - SCURT ISTORIC ŞI PERSPECTIVE

Apariţia şi dezvoltarea puternică a sistemelor de comunicaţii optice a constituit o trecere firească spre domeniul frecvenţelor tot mai înalte, impusă printre altele de cererea de canale de bandă tot mai largă şi de un număr tot mai mare de canale. Dezvoltarea fără precedent a sistemelor de culegere, prelucrare şi transmitere la distanţă a informaţiei, crearea unor sisteme informaţionale în care abonaţii au acces la diverse tipuri de informaţii, (telefonie, TV pe cablu, video, programe muzicale, informaţii din bănci de date, etc) necesită un număr foarte mare de canale de comunicaţii . Acestea nu mai pot fi realizate pe cabluri electrice sau în microunde din cauza lărgimii limitate de frecvenţă a acestora, precum şi din alte cauze legate de atenuare, costuri, etc.

La ora actuală sistemele de comunicaţii pe fibre optice constituie mijlocul cel mai eficient de transmitere prin cabluri a semnalelor informaţionale de bandă largă.

În era “tehnologiei informaţiei “ (secolul ΧΧI) stocarea, prelucrarea şi transmiterea informaţiei vor avea un rol foarte important în societate. Informaţia va fi numerică, de mare viteză şi transmisă, în general, pe purtătoare optică.

Deşi comunicaţiile pe fibră optică sunt de dată recentă, ideea propagării ghidate a luminii nu este atât de nouă. Încă din 1870 Tyndall arată că lumina poate fi ghidată în interiorul unui jet de apă. Zece ani mai târziu, Bell studia posibilitatea transmiterii vorbirii pe un flux luminos. În 1910 se făceau primele studii teoretice asupra ghidurilor dielectrice, iar în 1950 au fost realizate primele ghiduri optice asemănătoare celor utilizate astăzi.

Era comunicaţiilor optice moderne începe cu invenţia laserului (1958) şi realizarea primului laser (1960). LASER este un acronim pentru Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation - Amplificarea luminii prin emisia stimulată de radiaţie; o sursă care produce lumină aproape monocromatică şi coerentă, folosind emisia stimulată.

În anii ’70 s-a lucrat mult la perfecţionarea diodei laser, astfel încât la sfârşitul deceniului al 8-lea era rezolvată şi problema sursei de radiaţie optică fiabilă, cu generare continuă la temperatura obişnuită. În paralel s-au studiat şi perfecţionat şi receptoarele optice (fotodiode cu Si,Ge, InP etc), care însă nu au ridicat probleme tehnologice deosebite .

Procesoarele pe siliciu se apropie de limitele lor fizice, date de viteza purtătorilor şi problemele de disipare a căldurii. Prin contrast, folosind tehnologiile actuale de fibre optice, banda de frecvenţă care poate fi atinsă este mai mare de 50 Tbps şi sunt mulţi oameni care caută materiale mai performante. Limita practică actuală de aproximativ 1Gbps este o consecinţă a imposibilităţii de a converti mai rapid semnalele electrice în semnale optice. Sunt deja în exploatare fibre optice de 2,5 şi 10 Gbps şi sunt în curs de cercetare şi experimentare fibre optice la 40 Gbps. În laborator sunt posibile rate de 100 Gbps pe distanţe scurte şi chiar 1 Tbps. Avantajele utilizării cablurilor pe fibră optică sunt următoarele: - viteză de transmisie foarte mare; - atenuare mică (0,3-0,2 dB/km); - eliminarea interferenţelor magnetice şi de diafonie; - volum şi greutate mult mai mici comparativ cu cablurile de cupru (≈1/20); - material ieftin.

I.2.CONSIDERAŢII DESPRE PROPAGAREA LUMINII

Ceea ce noi numim „lumină” este doar o mică parte a spectrului radiaţiei electromagnetice. Natura fundamentală a oricărei radiaţii electromagnetice este aceeaşi: poate fi văzută ca fotoni sau unde şi se deplasează cu viteza c = 300.000 km/sec. Diferenţa dintre radiaţia din diferite părţi ale spectrului

electromagnetic este o cantitate care poate fi măsurată în mai multe moduri: ca lungime undă, ca energia unui foton sau ca frecvenţă de oscilaţie a unui câmp electromagnetic. Fiecare variantă – lungime de undă, energie sau frecvenţă – are propria unitate de măsură. Unitatea preferată depinde de partea spectrului în care ne găsim. În domeniul optic se discută de obicei în lungimi de undă, mai precis μm (10-6m) sau nm (10-9m). Între aceste unităţi de măsură avem relaţiile binecunoscute de la fizică:

fc

=λ

Iar energia fotonului, hfE =

unde f este frecvenţa oscilaţiei, iar h constanta lui Plank. Sau

)(2399,1)(

meVE

μλ=

relaţie care energia se exprimă în electron-volţi şi lungimea de undă în micrometri. În figurile I.1 a) şi b) este prezentat spectrul electromagnetic, crescător în lungime de undă (cazul a) şi în frecvenţă (cazul b). Anticipând puţin, s-au marcat şi intervalele adecvate transmisiilor pe fibre, aşa numitelor „ferestre”.

Unde radio Unde lungi

Raze X Raze gamma

V I A V G O R

Ultraviolet Vizibil Infraroşu

850

Prim

a fe

reas

tră

1310

Ado

uafe

reas

tră

1550

A tr

eia

fere

astră

– b

andă

C

1625

A p

atra

fere

astră

– b

andă

L 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 nm

a)

R

Microunde Radio Infraroşu Vizibil Ultraviolet Raze X Raze Γ

Lungimi de undă mari Lungimi de undă mici

Frecvenţe mici Frecvenţe mari

Energie mică Energie mare

V

b) Fig. I.1 Spectrul electromagnetic:

a) crescător în lungime de undă b) crescător în frecvenţă

O caracteristică importantă a undelor luminoase este faza acestora care măsoară poziţia la un

moment dat în cadrul ciclului (perioadei) de variaţie a undei. Două unde cu aceeaşi lungime de undă pot avea o diferenţă de fază între 00 şi 3600. Faza este importantă deoarece ea determină modul de combinare a undelor luminoase sau mai corect modul în care interferă una cu alta. Interferenţa poate fi: - constructivă – undele au acelaşi semn; - destructivă – undele au semne contrare. Dacă diferenţa de fază este de 1800, undele se vor anula.

Interferenţă constructivă

Interferenţă distructivă

Defazaj 1800+ +

Fig. I.2 Interferenţa undelor

Ne interesează doar o mică parte a spectrului, acolo unde lucrează fibrele optice şi alte dispozitive optice. Această zonă include lumina vizibilă ochiului uman la lungimi de undă de la 400 la 700 nm şi părţile din apropierea infraroşului şi ultravioletului unde se întâlnesc proprietăţi similare.

Lungimile de undă folosite în mod obişnuit pentru comunicaţii prin fibre optice din sticlă de siliciu sunt între 0,75-1,7 μm în infraroşul apropiat unde obţinem cel mai transparent siliciu.

I.2.1.INDICELE DE REFRACŢIE

Viteza luminii este adesea considerată viteza limită universală. Această viteză limită universală este însă viteza luminii în vid. Lumina întotdeauna călătoreşte mai încet când trece printr-un material transparent. Gradul de încetinire depinde de natura materialului şi de densitatea sa şi este exprimat prin indicele de refracţie – raportul dintre viteza luminii în vid şi viteza luminii în material:

material

vid

cc

n =

Pentru materiale optice normale indicele de refracţie este întotdeauna supraunitar în partea optică

a spectrului. În practică indicele de refracţie este măsurat prin compararea vitezei luminii în material cu viteza luminii în aer; aceasta pentru că indicele de refracţie al aerului la temperatura camerei şi presiune atmosferică normală este 1,000293, deci foarte aproape de 1,0 şi diferenţa este nesemnificativă. Conform legilor refracţiei, la suprafaţa de separaţie între două medii cu indici de refracţie diferiţi, raza de lumină va trece în al doilea mediu sub un unghi cu normala diferit faţă de cel de incidenţă. Relaţia cunoscută ca legea lui Snell se scrie:

RnIn ri sinsin = unde: ni – indice de refracţie al mediului iniţial din care provine lumina;

nr – indice de refracţie al mediului în care lumina a fost refractată; I, R – unghiurile de incidenţă şi refracţie formate de unde cu normala la suprafaţa de separaţie. Avem 3 cazuri posibile reprezentate grafic în figura I.3:

ni

nr

I

R

nr

ni

I

R=900

I

I < R I = θcriticI > R

I > θcritic (reflexie totală) Fig.I.3 Cele 3 cazuri ale reflexiei

Unghiul critic peste care are loc reflexia totală a undei în mediul din care a provenit se deduce din

legea lui Snell: θcritic = arcsin(nr/ni)

Luând ca exemplu lumina încercând să iasă dintr-o sticlă cu n = 1,5 către aer, unghiul critic este

arcsin(1/1,5), adică 41,80.

I.3. STRUCTURA FIBREI OPTICE

Fibra optică este un ghid de undă dielectric în gama optică, cu secţiunea circulară, compusă din miez şi înveliş, utilizată pentru transmiterea la distanţă a purtătoarei optice modulate. Având dimensiuni transversale foarte mici şi fiind fragile, fibrele optice trebuie protejate în mod corespunzător, ele intrând în compunerea cablurilor optice.

Fibra optică este realizată dintr-un miez cilindric central cu un indice de refracţie mai mare (n1) şi un înveliş concentric cu indice de refracţie mai mic (n2). Când indicele de refracţie n1 al miezului depăşeşte indicele de refracţie n2 al învelişului optic concentric, se obţine o reflexie totală. Rezultă că toată energia se transmite în mediul mai dens, astfel că miezul devine un canal de propagare a luminii.

Cablul optic conţine una sau mai multe fibre optice, precum şi elemente de protecţie, de asigurare etc, închise într-un înveliş comun. Fiecare fibră optică din compunerea cablului constituie un canal independent de comunicaţie.

Miez

Înveliş reflector

Înveliş de protecţie

Materiale pentru rigidizarea fibrei

Îmbrăcăminte exterioară

Fig.I.4 Fibră optică

Îmbrăcăminte n

În figurile I.4 şi I.5 se poate observa o fibră optică, lateral şi în secţiune. Principalele componente

sunt: -Miezul fibrei (core) reprezintă mediul prin care are loc propagarea câmpului optic. Are secţiune

circulară cu diametrul sub 10 μm la fibrele monomod şi 50-60 μm la fibrele multimod. Miezul trebuie să fie cât mai uniform ca dimensiuni, compoziţie, mod de variaţie al indicelui de refracţie şi să aibă coeficient de atenuare cât mai mic.

-Învelişul reflector (cladding) este realizat tot din materiale transparente (sticlă), cu rol de ghidare a câmpului optic prin reflexie internă totală. Diametrul exterior are, de regulă, valoarea cuprinsă între 125 şi 200 μm. Dimensiunea sa nu este atât de importantă în ceea ce priveşte propagarea radiaţiei, dar este importantă în cazurile de aliniere şi cuplare a fibrelor între ele.

-Învelişul de protecţie (coating) este format din unul sau mai multe straturi cu structură cilindrică, cu rol de a proteja fibra şi de a atenua radiaţia care în anumite situaţii poate scăpa din miez. Primul strat de protecţie este un lac polimeric, cu grosimea de câţiva microni şi are rol important în asigurarea flexibilităţii fibrei.

I.3.1. MATERIALE UTILIZATE PENTRU REALIZAREA FIBRELOR OPTICE

La producerea fibrelor optice se utilizează materiale transparente în gama optică dată, cu coeficient de atenuare redus, cu proprietăţi fizice şi chimice care permit tragerea lor în fibre foarte subţiri.

Sticla folosită pentru fibrele optice moderne este atât de transparentă încât, dacă oceanul ar fi fost plin cu sticlă în loc de apă, fundul oceanului s-ar vedea tot atât de clar, cum se vede din avion pământul într-o zi senină.

Parametrii geometrici, optici şi de transmitere ai acestor materiale nu trebuie să se modifice în timp cu temperatura, presiunea, umiditatea etc. Asemenea materii prime sunt în primul rând sticlele simple sau compuse şi materialele plastice.

Materia primă de bază pentru realizarea fibrelor optice este sticla de siliciu (SiO2) de înaltă puritate. În scopul modificării indicelui de refracţie, aceasta se aliază (dopează) cu diferiţi oxizi;

- pentru mărirea indicelui de refracţie se aliază cu oxizi de germaniu, titan, aluminiu, fosfor; - pentru micşorarea indicelui de refracţie se aliază cu oxizi de bor.

ylon 1 mm

Benzi şi gel pentru blocarea apei

Tub de plastic codat după culoare

Membru central pentru rigidizare

Fibră SM Îmbrăcăminte

exterioară

10,4 mm

Fig.I.5 Fibra optică în secţiune

Sticlele compuse sunt un amestec de oxizi de Si, Ge, Al, Mg, Ca, Li în diferite proporţii. Ele sunt structuri amorfe, au temperatura de înmuiere în jur de 7000C şi cea de topire în jur de 1500 0C. Proprietăţile optice şi de transmisie ale acestora sunt inferioare sticlei de cuarţ.

Primele fibre optice realizate şi utilizate în sistemele de comunicaţii optice s-au obţinut din sticlă de cuarţ, cu atenuare minimă, sub 10 dB/km în vizibil şi infraroşu apropiat. Creşterea lungimii de undă utilizată în SCFO de la 0,63 μm la 1,55 μm a arătat scăderea continuă a atenuării, de la 20 dB/km la 0,2 ÷ 0,15 dB/km. Se naşte astfel întrebarea firească dacă atenuarea continuă să scadă odată cu creşterea lungimii de undă? Răspunsul este nu pentru sticlele de cuarţ la care atenuarea creşte brusc la lungimi de undă mai mari de 1,62 μm. Răspunsul este da, dacă se folosesc alte materiale optice. Cercetările au arătat că există materiale cristaline sau amorfe la care pierderile sunt de ordinul 10-2dB/km şi chiar mai mici în gama optică 2 ÷11 μm. Este vorba de materialele în care intră substanţe chimice cu masă atomică mare şi care au frecvenţa de oscilaţie a atomilor deplasată spre lungimi de undă mai mici. Frecvenţele de oscilaţie ale atomilor determină fenomenele de absorbţie fundamentală şi sunt invers proporţionale cu masa atomică.

Sticlele pe bază de oxizi de germaniu au atenuări minime, în jur de 0,1 dB/km în gama optică 2 la 2,4 μm şi dispersia materială minimă la 1,8 μm.

Sticlele pe bază de fluor (fluoruri ale metalelor grele) au atenuarea minimă în gama 3 ÷ 4 μm. Până în prezent nu s-au realizat totuşi fibre optice din aceste materiale, astfel încât materia primă

utilizată este exclusiv sticla de cuarţ.

I.3.2. FENOMENELE DE DISPERSIE ŞI DE ATENUARE A SEMNALELOR ÎN FIBRA OPTICĂ Impulsurile de lumină transmise pe o fibră îşi extind lungimea în timpul propagării. Această extindere se numeşte dispersie. Mărimea ei este dependentă de lungimea de undă. Un mod de a preveni suprapunerea acestor impulsuri extinse este de a mări distanţa dintre ele, dar aceasta se poate face doar prin reducerea debitului de date transmise. Din fericire s-a descoperit că, dând acestor impulsuri o formă specială, legată de reciproca cosinusului hiperbolic, se anulează toate efectele de dispersie, devenind astfel posibil să se trimită impulsuri pe mii de kilometri, fără distorsiuni apreciabile ale formei. Aceste impulsuri se numesc solitonuri. Impulsurile de soliton induc efecte neliniare care se opun celor determinate de dispersie. Limitarea principală a sistemelor cu solitonuri este pierderea în fibră. Cu descreşterea puterii, compensarea dintre dispersie şi neliniarităţi nu mai este obţinută, de aceea impulsul se lăţeşte. Pentru transmisia de solitonuri la 10 Gbps pe SMF, distanţa maximă între amplificatoare este 20 km. Distanţa dintre amplificatoare este principala limitare pentru sistemele soliton „pure”.

Pentru a implementa în practică această soluţie se desfăşoară în continuare cercetări.

Dispersia cromatică Dispersia cromatică apare datorită lungimilor de undă care se propagă la diferite viteze. Efectul

dispersiei cromatice creşte cu pătratul ratei binare. În fibra monomod dispersia cromatică are două componente, dispersie materială şi dispersie de ghid.

A.Dispersia materială În timpul propagării câmpului optic prin fibră, acesta interacţionează cu atomii materialului optic şi

cu atomii de impurităţi, dând naştere unor fenomene de atenuare şi de dispersie. O sursă de lumină emite câteva lungimi de undă într-o anumită gamă. Astfel, când acest spectru trec printr-un mediu, fiecare lungime de undă soseşte la un momente de timp diferite.

B.Dispersia de ghid În fibrele optice în general şi în fibrele monomod în special se manifestă şi un alt tip de dispersie şi

anume dispersia de ghid. La fibrele multimod aceasta este mică şi se poate neglija. Dispersia de ghid apare din felul cum sunt îndeplinite condiţiile la limita miez-înveliş, condiţii care

depind de frecvenţă. Ea se datorează indicilor de refracţie diferiţi între miez şi înveliş (cladding). Altfel

spus, la fibra monomod o parte însemnată a câmpului optic se propagă şi în înveliş, unde indicele de refracţie este mai mic şi deci viteza de propagare mai mare. Fracţiunea din puterea optică ce se propagă prin înveliş depinde de frecvenţă.

Dispersia modală În cazul fibrelor multimod, două moduri parcurg distanţe diferite pe aceeaşi porţiune de fibră. Această diferenţă între momentele în care razele de lumină ajung la destinaţie este numită dispersie modală. Acest fenomen determină deteriorarea calităţii semnalului la recepţie, limitând astfel distanţa de transmisie. De aceea fibra multimod nu este folosită în aplicaţii pentru suprafeţe mari de deservit.

Dispersia modului de polarizare

Cele mai multe fibre monomod prezintă două moduri de polarizare perpendiculare, una verticală şi una orizontală, deci vor exista întotdeauna diafonii între vectorii de tensiune ortogonali EX şi EY. Deoarece aceste polarizări nu se menţin odată cu propagarea prin fibră, apare o interacţiune între pulsurile de lumină ce va avea ca urmare o degradare a semnalului de transmis. Deşi numai o singură polarizare este injectată în fibră, „razele” de lumină ortogonale iau căi diferite, întâlnesc indici de refracţie diferiţi (birefringenţă) şi ies la capătul de recepţie al fibrei cu o întârziere de grup diferenţială, pe care o întâlnim în literatura de specialitate notată DGD (differential group delay – întârziere de grup diferenţială).

Dispersia de polarizare (PMD - Polarization Mode Dispersion) se datorează ovalităţii secţiunii transversale a fibrei ca rezultat al procesului de fabricaţie sau factorilor mecanici externi. Deoarece tensiunile externe pot varia în timp, PMD, spre deosebire de dispersia cromatică, se poate modifica în timp. PMD nu este însă o problemă la viteze sub OC-192. Din moment ce dispersia este măsura modificării timpului de întârziere de grup cu lungimea de undă optică, rezultă că integrând dispersia versus lungimea de undă obţinem timpul de întârziere de grup. Deoarece este dificil de evaluat constanta din această integrală, se foloseşte întârzierea de grup la o lungime de undă normalizată (de exemplu 1550 nm) şi toate celelalte întârzieri de grup sunt referite la această valoare. De aici termenul standard de întârziere de grup diferenţială. Panta dispersiei cromatice este aproximativ S = 0,1 ps/nm2 km pentru cele mai multe fibre. Astfel o deplasare de 1 nm sau 100 GHz pentru lungimea de undă a purtătoarei optice va corespunde unei modificări de 0,1 ps în întârzierea semnalului de-a lungul unui kilometru de fibră.

Atenuarea semnalelor în fibra optică Propagarea ghidată a radiaţiei este însoţită de atenuarea acesteia. Ecuaţia diferenţială a atenuării

arată că variaţia puterii optice a unui impuls de energie E când se propagă pe o distanţă δz este proporţională cu E şi cu δz:

zEEzdzdE δα= ,

unde α este un coeficient de proporţionalitate, numit coeficient de atenuare, exprimat în m-1 sau dB/km. Dacă α nu depinde de z, atunci energia scade exponenţial cu distanţa:

E(z)=E(0)e-α z.

Fenomenul de atenuare este determinat de două cauze majore: - absorbţia în atomii de material şi de impurităţi, producând tranziţii electronice (excitarea

atomilor), efecte de orientare atomică şi altele; - difuzia (împrăştierea) radiaţiei, adică schimbarea direcţiei de propagare şi radiaţia ei în exteriorul

fibrei. Atenuarea depinde de calitatea (puritatea şi omogenitatea) materialului din care este realizat

miezul fibrei şi chiar învelişul (deoarece o parte a radiaţiei se propagă şi prin înveliş). Absorbţia radiaţiei este datorată fenomenelor de rezonanţă electronică în care electronii trec din

starea energetică fundamentală într-o stare de energie superioară şi apoi revin, eliberând energia sub

formă de energie termică. Frecvenţele de rezonanţă electronică se găsesc în domeniul ultraviolet. Absorbţia este produsă şi de rezonanţa atomică (efecte de vibraţie atomică însoţite de creşterea energiei mecanice a atomilor) şi se manifestă puternic în domeniul infraroşu.

Difuzia constă în modificarea direcţiei de propagare a câmpului optic produsă de neomogenităţile mediului optic. Prin natura sa sticla este un material neomogen, în care există variaţii microscopice de compoziţie şi de densitate în jurul unor valori medii. Acestea produc variaţii ale indicelui de refracţie la scară submicronică, făcând ca lumina să iasă din fibră. Acest fenomen se numeşte difuzie Rayleigh.

Atenuarea luminii prin sticlă depinde de lungimea de undă a luminii. Atenuarea în decibeli este dată de formula:

Atenuarea în decibeli = 10log10

Puterea transmisă

Puterea recepţionată

A do

ua f

erea

stră

Prim

a fe

reas

tră

A tr

eia

fere

astră

– ba

ndă

C

A pa

tra

fere

astră

– ba

ndă

L Atenuarea

totală

Absorbţie intrinsecă

Împrăştiere intrinsecă (Rayleigh)

Lungimea de undă (nanometri)

Fig. I.6 Atenuarea pe fibrele optice

Pier

deri

opt

ice

(dB

/km

)

I.3.3. CLASIFICAREA FIBRELOR OPTICE

Clasificarea cea mai importantă pentru FO se face după numărul de moduri de propagare a câmpului optic şi există:

A) fibre optice multimod

Înveliş reflector: n2

Miez: n1

n0 = 1,000 n1 = 1,47 n2 = 1,45

n = indice de refracţie

n2

n1

n0

n0

Fig.I.7 Propagarea în fibra multimod

- pentru transmisii pe distanţe scurte – în LAN-uri sau supraveghere video; - în interiorul miezului se poate propaga, la o frecvenţă dată, un număr mare de moduri de oscilaţie

(de ordinul sutelor). Modurile se datorează faptului că lumina se va propaga în miez la unghiuri diferite după cum au intrat în conului de acceptare.

Lumina parcurge căi diferite în interiorul fibrei. Aceste căi sau moduri de propagare variază în lungime. Din acest motiv timpul de parcurgere al fibrei depinde de modul de propagare. Acest fenomen cunoscut ca distorsiune multimod determină o lărgire nedorită a formei semnalului la trecerea acestuia prin fibră;

- dimensiuni relativ mari ale miezului (valoare tipică a diametrului miezului unei fibre multimod este 50 sau 62,5 μm);

- diametrul miezului este mult mai mare decât lungimea de undă a radiaţiei; - diametrul învelişului: 150-1000 μm.

B) fibre optice monomod

Înveliş reflector

Miez

Fig.I.8 Propagarea în fibra monomod

- pentru transmisii pe distanţe mari – telefonie la mare distanţă şi sisteme broadcast de televiziune multicanal;

- se poate propaga doar un singur mod de oscilaţie, modul fundamental HE11; - diametrul miezului este foarte mic (4-10 μm) şi este comparabil cu lungimea de undă a radiaţiei

luminoase. Pentru înveliş: 100-200 μm; - atenuare scăzută şi o foarte mare lărgime de bandă.

Alte clasificări se fac după:

- Modul de variaţie al indicelui de refracţie în miezul fibrei:

- fibre optice cu salt al indicelui (se mai numesc şi fibre cu indice discontinuu); - fibre optice cu gradient al indicelui (fibre optice cu indice gradat), la care indicele de refracţie se

modifică treptat de la centru spre exterior; - fibre optice cu profil complex al indicelui (fibre cu mai multe straturi, fibre cu profil din W etc).

- Materialul din care sunt realizate: - fibre optice din sticlă de siliciu; - fibre optice din sticle compuse; - fibre optice din materiale plastice;

Cele mai bune şi mai utilizate practic sunt fibrele din sticlă de siliciu. I.3.4. CÂTEVA PRECIZĂRI PRIVIND PROPAGAREA Metodele opticii geometrice, relativ simple şi intuitive, nu permit însă explicarea anumitor detalii referitoare la propagarea prin fibra optică. Astfel, folosind doar metodele opticii geometrice, nu se poate studia modul de distribuţie a fluxului de energie în fibră, pătrunderea câmpului electromagnetic în învelişul fibrei, etc. Toate aceste detalii, esenţiale pentru înţelegerea şi folosirea corectă a fenomenului de propagare în fibre, pot fi studiate numai prin teoria exactă a fibrei optice, teorie care porneşte de la ecuaţiile câmpului electromagnetic şi pune în evidenţă modurile de propagare posibile într-o fibră dată. Modurile de propagare sunt structuri bine definite, având distribuţii ale intensităţii câmpului bine precizate, care se pot propaga în lungul fibrei optice cu o viteză de fază unică şi o viteză de grup unică. Structura modurilor depinde numai de fibra optică şi de frecvenţa de lucru. Prezenţa efectivă a modurilor într-o fibră şi amplitudinile diverselor moduri posibile depind de felul în care se face excitaţia fibrei, adică de generator.

Superpoziţia diferitelor moduri determină o distribuţie a intensităţii în secţiunea transversală a miezului cu unul sau mai multe noduri, deci puncte în care intensitatea este nulă. Soluţia pentru componentele de câmp electromagnetic este dată de ecuaţiile lui Maxwell din care se poate obţine distribuţia în intensitate.

tJtBE

JtDH

∂−∂=∇∂−∂=×∇

+∂∂=×∇

//

/

ρ

(1)

(2)

(3)

unde H este intensitatea câmpului magnetic, D – inducţia electrică, J – densitatea volumică a curentului total, E – intensitatea câmpului electric, B – inducţia magnetică, ρ - densitatea volumică a sarcinii electrice. Relaţia (1) exprimă legea circuitului magnetic (Maxwell-Ampère), relaţia (2) – legea inducţiei (Faraday), iar (3) – legea de conservare a sarcinii electrice. În cazul mediilor dielectrice, liniare şi izotrope, în stare de repaus, în absenţa sarcinilor electrice şi a curenţilor, pentru regimul permanent (armonic), legile lui Maxwell se scriu:

( )( ) 0

0=⋅∇

=⋅∇−=×∇

=×∇

HE

HjEEjH

με

ωμωε

Rezolvarea acestor ecuaţii constă în a exprima componentele transversale ale câmpului în funcţie

de componentele axiale, presupunând variaţii armonice în timp şi spaţiu în lungul axei de propagare. Din geometria cilindrului va rezulta că soluţiile ecuaţiilor lui Maxwell vor fi funcţii Bessel. Datorită caracterului oscilant al funcţiilor Bessel, ecuaţia finală care se obţine va admite mai mult soluţii. Numărul de soluţii depinde de frecvenţă, mai precis de valoarea unui parametru V (frecvenţă normalizată):

( ) 22

22100

22 rnnV −= μεω

unde ω=2πf, ε0 – permitivitate dielectrică a vidului, μ0 – permeabilitate magnetică a vidului, n1 – indice de refracţie al miezului, n2 – indice de refracţie al învelişului, r – raza miezului. Acest parametru depinde de frecvenţă, de dimensiunea fibrei, r, şi de proprietăţile optice reprezentate de indicii de refracţie. Pentru valori mici ale acestui parametru, care satisfac condiţia:

405,22 22

22 <⋅−= rnnV

λπ

ecuaţia finală admite o singură soluţie. În acest caz în fibră va exista un singur mod de propagare, mod numit dominant; este evident cazul fibrelor monomod. Dacă V ia valori mai mari (ceea ce, în cazul unei fibre date, corespunde unei frecvenţe mai mari), numărul de soluţii al ecuaţiei finale creşte treptat, ceea ce înseamnă că apar şi alte moduri de propagare. Pentru fiecare mod de propagare există o frecvenţă-prag astfel încât modul respectiv poate să apară numai dacă frecvenţa generatorului este mai mare decât această frecvenţă-prag, determinată de diametrul şi indicii de refracţie ai fibrei. Numărul total de moduri este, desigur, egal cu numărul de soluţii al ecuaţiei finale. Acest număr poate fi estimat cu relaţia:

2

2VN ≅

Următorul tabel prezintă configuraţiile de moduri şi numărul posibil de moduri. Cum s-a arătat mai sus, diametrul fibrei şi lungimile de undă sunt conţinute în numărul V .

Numărul V Configurare mod Număr total de moduri 0 - 2.4048 HE11 2

2.4048 - 3.8317 TE01, TM01, HE21 6 3.8317 – 5.1356 HE12, EH11, HE31 12 5.1356 – 5.5201 EH21, HE41 16 5.5201 – 6.3802 TE02, TM02, HE22 20 6.3802 – 7.0156 EH31, HE51 24 7.0156 – 7.5883 HE13, EH12, HE32 30 7.5883 – 8.4172 EH41, HE61 34

Tabelul I.1. Numărul de moduri generate

Din tabel se observă că pentru fibre cu V < 2,4048 doar modul fundamental poate fi transmis. Modul fundamental are două componente de propagare care diferă una de alta doar prin polarizarea lor. Cunoscând structura modurilor, se poate calcula procentul din putere care se propagă prin înveliş. Rezultatul calculelor matematice este că pe măsură ce V (adică frecvenţa) creşte, câmpul se concentrează din ce în ce mai mult în miez. Datorită fenomenului de împrăştiere, învelişul fibrei este absolut necesar, grosimea lui trebuind să fie suficient de mare pentru ca pe suprafaţa exterioară a învelişului câmpul să fie neglijabil. În felul acesta se asigură condiţii de propagare optime şi pentru partea de energie care se propagă în afara miezului.

I.3.5. PROPRIETĂŢILE GHIDURILOR DE UNDE OPTICE

a. Apertura numerică

Este un coeficient care caracterizează capacitatea unei fibre de a capta lumina. Apertura numerică defineşte conul de recepţie al radiaţiei incidente pe capătul fibrei în funcţie de valorile indicilor n1 şi n2.

AN2 = n1

2 – n22

unde n1 = indice de refracţie al miezului n2 = indice de refracţie al învelişului optic.

Unghiul de acceptare al fibrei este valoarea maximă a unghiului θ şi se deduce din apertura

numerică: θmax = arcsin(AN) .

Pentru ca o rază de lumină să rămână ghidată în miezul fibrei, ea trebuie să aibă un unghi de

incidenţă mai mic sau egal cu θmax.

n2 M θ r n1(r)

Fig. I.9 Definirea aperturii numerice

b. Atenuarea ghidului de undă optic (OWG = Optical WaveGuide)

Atenuarea introdusă de fibra optică reprezintă pierderea de putere a radiaţiei luminoase în interiorul fibrei optice sau în cuplajele acesteia. Atenuarea luminii într-o fibră optică este determinată de absorbţie, dispersie şi difuzie (scattering) şi este cauzată de neuniformităţi microscopice ale sticlei (pierderi Rayleigh), pierderi de curbură şi pierderi determinate de impurităţi. Atenuarea este definită astfel:

a = αl = 10lg(P2/P1) [dB] unde α - coeficient de atenuare exprimat în dB/km; l – lungimea fibrei optice; P1 – puterea de intrare; P2 – puterea de ieşire. Coeficientul de atenuare depinde de lungimea de undă, de materialul folosit şi de procesul tehnologic. Astfel pentru λ ≈ 1,5 μm avem α ≈ 0,2 dB/km, iar pentru λ ≈ 1,3 μm întâlnim α ≈ 0,3 dB/km.

c. Profilul indicelui de refracţie Este definit ca repartiţia indicelui de refracţie de-a lungul unei drepte ce trece prin axa fibrei optice

şi este perpendiculară pe ea. Se reprezintă printr-o funcţie continuă la fibra cu gradient, sau printr-o funcţie discontinuă la fibra cu salt al indicelui.

În cazul fibrei optice cu salt, indicele de refracţie are valoarea n1 în miez şi n2 în înveliş, cu n1>n2.

n2 =n1(1-Δ) sau Δ = 1

21

nnn −

unde Δ se numeşte diferenţa normală a indicilor de refracţie. Valoarea sa este mică, de ordinul 0,02. În cazul fibrei cu gradient indicele de refracţie se modifică în miez după o lege de forma:

n2(r) = n02[1-2Δf(r)], pentru 0≤ r < a

n2(r) = n02[1-2Δ] = nc

2, pentru r ≥ a

unde n0 este indicele de refracţie în centrul fibrei, iar nc este indicele de refracţie din înveliş.

Funcţia f(r) se numeşte funcţie de profil şi are, de regulă, forma f(r) =α

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

ar , unde α ≅ 2 este

indicele de profil. Dacă α = 2, fibra se numeşte de tip autofocus (selffocus) pentru că în timpul propagării câmpul optic se autofocalizează periodic.

Şi în cazul fibrei gradate se poate defini diferenţa normală a indicilor de refracţie:

Δ ≅ 0

0

nnn c−

.

d. Răspunsul în impuls Se defineşte ca distribuţia în timp a puterii de ieşire normată raportată la energia totală calculată la

ieşire:

h(t) = ][)( 1−s

tP

R

R

ε.

Multimod cu salt al indicelui

Multimod cu indice gradual

Monomod cu salt al indicelui

Fig.I.10 Profile ale indicilor de refracţie unde εR este impulsul optic de recepţie.

εR= . ∫∞

∞−dttPT )(

Un impuls (optic, electric) poate fi caracterizat prin mai mulţi parametri :

- lăţimea sa totală (durata sa) ΔT; - lăţimea (durata) τ la jumătate din valoarea maximă; - dispersia duratei σ.

e. Răspunsul în frecvenţă al canalului optic liniar se obţine prin transformata Fourier a

răspunsului în impuls :

H(f) = dteth ftj∫∞

∞−

− π2)(

Banda de trecere a sistemului optic se consideră acolo unde modulul caracteristicii de frecvenţă

scade cu 3 dB (0,707 din valoarea maximă). Aceasta nu corespunde cu banda de trecere în domeniul electric. Datorită detectorului pătratic

i ∼ Poptic, banda electrică trebuie calculată la -6 dB (0,5 din valoarea maximă a răspunsului în frecvenţă) .

f. Banda de trecere a fibrei şi viteza maximă de transmitere a datelor sunt direct legate de fenomenul de dispersie. Dacă forma semnalelor optice care se propagă prin fibră se apropie de o distribuţie gaussiană, atunci viteza de transmitere a datelor se poate calcula cu relaţia:

B ≅tt Δ

=1

41σ

unde dispersia în timp Δt este lăţirea impulsurilor dată de fenomenele de dispersie şi este egală cu rădăcina pătrată din abaterea medie pătratică a duratei impulsurilor la ieşirea din fibră. Această relaţie rezultă din faptul că 90% din energia unui impuls gaussian se află în intervalul 4σ. Relaţia este aproximativ valabilă şi pentru impulsuri de formă rectangulară, triunghiulară, exponenţială.

I.4. FIBRE MONOMOD PENTRU DISTANŢE MARI

Principalele trei tipuri şi specificaţiile lor ITU-T sunt: • Fibră fără dispersie modificată (Non-dispersion-shifted fiber - NDSF), G.652 • Fibră cu dispersie modificată (Dispersion-shifted fiber - DSF), G.653 • Fibră cu dispersie modificată nenulă (Non-zero dispersion-shifted fiber - NZ-DSF), G.655

Aşa cum s-a discutat anterior, există patru ferestre în cadrul spectrului infraroşu care sunt exploatate pentru transmisiile pe fibră. Prima fereastră, în jurul lui 850 nm, a fost aproape în exclusivitate folosită în aplicaţiile multimod pe distanţă mică. Fibrele fără dispersie modificată (NDSF), cunoscute în mod obişnuit ca fiind fibre monomod, SM – single-mod, au fost iniţial gândite pentru utilizare în fereastra a doua, în jur de 1310 nm. Pentru a optimiza performanţa fibrei în această fereastră, fibra a fost proiectată astfel încât dispersia cromatică să fie aproape de zero la lungime de undă de 1310 nm.

Odată ce folosirea fibrei optice a devenit ceva obişnuit şi solicitările de lăţime de bandă şi distanţă au crescut, a treia fereastră, în jur de 1550 nm, a fost exploatată pentru transmisia single-mod. A treia bandă, sau altfel spus, banda C, a oferit două avantaje: avea o atenuare mult mai mică şi frecvenţa de operare era aceeaşi cu a amplificatoarelor pe fibră dopate cu erbiu (EDFA-uri). Totuşi, caracteristicile de dispersie aveau severe limitări. Acestea au fost depăşite într-o oarecare măsură prin folosirea unei benzi mai înguste şi a unor laseri de putere mai mare. Dar, deoarece a treia fereastră avea atenuarea mai mică decât fereastra de la 1310 nm, fabricanţii au venit cu modelul fibrei cu dispersie modificată (DSF), care a mutat punctul de dispersie nulă în regiunea de 1550 nm.

Deşi această soluţie a determinat coincidenţa între punctul de cea mai mică atenuare optică şi punctul de dispersie nulă în fereastra de 1550 nm, existau neliniarităţi destructive pentru semnalul din fibra optică în jurul punctului de dispersie zero, zonă pentru care nu se făcea nici o compensare efectivă. Datorită acestei limitări, aceste fibre nu sunt potrivite pentru aplicaţiile DWDM. Neliniarităţile cauzează interferenţe de diafonie aleatoare între canale atunci când sunt folosiţi mai mulţi laseri cu lungimi de undă apropiate.

Al treilea tip, fibra cu dispersie modificată nenulă (NZ-DSF) este proiectată special pentru a întruni cerinţele aplicaţiilor DWDM. Scopul proiectării acestui model este de a obţine o dispersie mică în regiunea de 1550 nm, dar nu zero. Aceste fibre au caracteristici de dispersie uniforme într-o plajă largă de lungimi de undă în fereastra de 1550 nm. Această strategie introduce efectiv un nivel controlat al dispersiei, opunându-se astfel efectelor neliniare ce pot degrada performanţele sistemelor DWDM. Rezumând cele trei tipuri de fibre, să prezentăm „istoric” informaţiile: Trecerea de la SMF (= NDSF) la DSF: - SMF are o lungime de undă de dispersie nulă care pică în jurul lui 1310 nm (a doua fereastră) - SMF prezintă valori mari ale dispersiei într-o plajă între 1500 nm şi 1600 nm (a treia fereastră) - Trendul de modificare a lungimii de undă de transmisie de la 1310 nm la 1550 nm a determinat introducerea unui nou tip de fibre numit Fibră cu dispersie modificată (DSF). Trecerea de la DSF la NZDSF: - DSF prezintă o valoare a dispersiei nulă la 1550 nm, unde atenuarea este minimă - Totuşi canalele alocate în apropierea lui 1550 nm în DSF sunt afectate serios de efectele neliniare (în principal efectul FWM – Mixarea celor patru unde) - Aceasta a stimulat dezvoltarea celor două fibre numite NZDS+ şi NZDS- , la care lungimea de undă de dispersie nulă pică înainte, respectiv după 1550 nm. În figura I.11 se pot observa pantele dispersiilor pentru aceste tipuri de fibre.

În afara celor 3 modele considerate mai răspândite, mai întâlnim şi alte modele: Fibre cu compensare a dispersiei (DCF - Dispersion Compensating Fiber) Dacă fibra convenţională este utilizată pentru a transmite în regiunea de 1550 nm atunci este

necesar ca dispersia ce apare să fie compensată. Această funcţie este realizată de fibrele cu compensare a dispersiei (DCF) care sunt proiectate să introducă o dispersie negativă foarte puternică la 1550 nm.

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

135

0 1

370

139

0 1

410

143

0

145

0

147

0

149

0

151

0

153

0

155

0

157

0

159

0

161

0

163

0

165

0

DSF

NZDS+ NZDS -

SMF

Dis

pers

ia (p

s/nm

xkm

)

Lungimea de undă (nm)

banda DWDM

Fig.I.11 Pantele dispersiilor

Aceasta poate fi de ordinul a –100 ps/nm x km, aceasta însemnând că la fiecare şase sau şapte

lungimi de fibră convenţională ce introduc fiecare dispersie cromatică de 15 ps/nm x km, este necesară o lungime de DCF pentru a aduce sistemul înapoi pe calea ce bună. Astfel se poate elimina dispersia pozitivă şi se aduce dispersia per total înapoi la zero.

De aceea folosirea DCF permite fibrei convenţionale să fie încă folosită în fereastra de 1550 nm chiar pe distanţe mari şi la debite binare ridicate.

Dispersia cromatică poate lua valori de la zero în DSF până la 17 ps/nm km în SMF la 1550 nm. Valoarea dispersiei cromatice are un impact puternic asupra benzii de modulaţie RF. Lăţimea de bandă cea mai mare posibilă se poate obţine doar la dispersie nulă, de obicei cu DCF. Este totuşi o problemă cu „panta dispersiei”, adică fiecare lungime de undă suferă o dispersie uşor diferită, aşa că DCF va corecta foarte bine doar o singură lungime de undă. Trebuie analizat cu atenţie dacă dispersia reziduală lăsată în urmă (necompensată) de către DCF la alte lungimi de undă nu este suficient de mare pentru a afecta serios performanţele sistemului.

Fibre cu suprafaţa efectivă mare (Large Effective Area Fiber) Efectele neliniare sunt cauzate de nivele ridicate ale puterii optice ce se injectează în fibre. Această problemă devine mai importantă atunci când noi şi noi lungimi de undă sunt adăugate în sistem, deci puterea optică totală din fibră va creşte. Există o cale de a reduce aceste efecte neliniare potrivnice şi anume folosind o fibră cu suprafaţa secţiunii mai mare şi deci vom avea o densitate mai scăzută a puterii optice transportată prin fibră. Fibrele cu suprafaţă efectivă mare promovează transmisia puterii optice printr-o suprafaţă mai mare a miezului şi a învelişului faţă de fibra convenţională (până la 100 μm2 comparativ cu aproximativ 50 μm2 în fibra obişnuită), astfel reducând efectele neliniare. În mod obişnuit, se va obţine o mică zonă cu dispersie nenulă în fereastra de 1550 nm.

Fibra pentru toate lungimile de undă (All Wavelength Fiber) O limitare evidentă a fibrei convenţionale este puternica sa atenuare în afara regiunii din imediata apropiere a valorii de 1550 nm, semnificativ mai mare în jurul lui 1400 nm. Pentru a creşte capacitatea sistemelor una din opţiuni este de a creşte numărul de lungimi de undă transmise pe fibră. Când toate lungimile de undă din regiunea cu pierderi mici de la 1550 nm au fost folosite, este normal să se pună problema căutării altor lungimi de undă care să întrunească cerinţele. Fibra pentru toate lungimile de undă netezeşte vârful de atenuare prezent la fibra convenţională în jurul valorii de 1400 nm, deschizând astfel mai multe posibilităţi pentru transmiterea lungimilor de undă cu pierderi mici. De fapt, pierderea rezultantă la 1400 nm este mai mică decât cea din fereastra a doua de transmisie la 1310 nm. Acest lucru se obţine în principal prin eliminarea apei în timpul procesului de fabricaţie, deoarece ionii de OH din fibra convenţională constituie elementul ce crează vârful de atenuare în zona de 1400 nm (acest fenomen de atenuare datorat ionilor de OH este întâlnit uneori sub denumirea de „water peak”). Deschiderea unei noi ferestre de transmisie creează câteva probleme noi, cum ar fi necesitatea existenţei unor componente ce vor lucra în această regiune. Referitor la amplificarea optică, amplificatoarele pe fibră dopate cu erbiu vor lucra doar în regiune de 1550 nm. Totuşi, alternativa pentru fereastra de 1400 nm este amplificatorul pe fibră dopat cu tuliu, care este în prezent studiat intens. Tuliu-ul este un element chimic din categoria pământurilor rare. În sistemul periodic se învecinează cu erbiul – numărul atomic este 68 pentru erbiu şi 69 pentru tuliu. Ca fapt divers, temperaturile de topire ale acestor elemente depăşesc 1500 0C, iar cele de fierbere 2000 0C.

Puncte de reţinut • Fibra convenţională este limitată de atenuarea sa şi proprietăţile sale de dispersie • Fibra cu dispersie modificată (DSF) are o dispersie nulă în jurul valorii de 1550 nm pentru a

îmbunătăţi transmisia la aceste lungimi de undă • Fibra cu compensare a dispersiei (DCF) are o dispersie negativă puternică la 1550 nm pentru a

compensa dispersia pozitivă în acea regiune din fibrele convenţionale

• Fibra cu dispersie modificată nenulă (NZ-DSF) are o mică dispersie în regiunea 1550 nm şi reduce efectele FWM (four-wave mixing) ce apar la DWDM

• Fibra cu suprafaţă efectivă mare permite luminii să fie transmisă printr-o suprafaţă transversală mai mare în ideea de a reduce concentraţia unor puteri mari ce pot cauza efecte neliniare adverse

• Fibra pentru toate lungimile de undă elimină vârful de atenuare de la 1400 nm pentru a mări plaja lungimilor de undă posibile ce pot fi transmise cu pierderi mici Fibrele monomod au cea mai mare lăţime de bandă posibilă, cel mai scăzut cost şi cea mai mică

atenuare din toate tipurile de fibre optice. De aceea, ele sunt folosite în aplicaţiile de telefonie pe distanţe mari şi televiziune pe cablu. Caracteristicile fizice ale fibrelor trase în cabluri nu sunt în mod necesar aceleaşi în toată industria de profil. Păstrarea tăriei fibrei şi a performanţelor sale în anumite condiţii de mediu sunt funcţii ale materialelor din care este fabricat cablul şi structurii cablului. Sistemul cu straturi multiple strâns împachetate, dacă este fabricat după o tehnologie adecvată şi cu materiale adecvate, oferă o excelentă protecţie fizică, mecanică şi de mediu. El previne acumularea umezelii în apropierea suprafeţei de sticlă, ceea ce ar putea provoca deteriorarea propagării sau chiar fisurarea fibrei. Tot materialele acoperitoare reduc de asemenea sensibilitatea fibrei la micile încovoieri, referite ca „microbends”, ce pot cauza o creştere a atenuării. Structura cablului izolează şi protejează fibrele de tensiunile mecanice ce apar la instalare şi de la mediul înconjurător.

O anumită aplicaţie pentru un sistem de transmisie va defini tipul de fibră şi parametrii ce trebuie îndepliniţi de fibră. Mediul fizic în care va fi instalat cablul şi numărul de fibre necesar vor determina modelul de cablu cel mai adecvat pentru o anumită instalare. Mai jos este prezentat un tabel cu tipuri de fibre şi distanţele corespunzătoare unor aplicaţii ce vor utiliza acel model (tabelul I.1).

Tip IEEE Lungime de undă Tip de fibră Distanţă maximă 1000BASE-SX 850 nm Multimod 0.2-1 km

1000BASE-LX/LH 1310 nm SMF NDSF 10 km 1000BASE-ZX 1550 nm SMF NZ-DSF 70-100 km

Tabelul I.2. Comparaţie între fibrele optice standard

I.5. EFECTE NELINIARE ÎN FIBRE

Efectele neliniare pot avea influenţe importante asupra performanţelor sistemelor de comunicaţii optice cu WDM. Ele pot da fenomene de atenuare, dispersie, interferenţe între canale şi pot impune restricţii privind puterea semnalelor optice injectate în fibră, distanţa dintre purtătoare etc. Există trei efecte majore de neliniaritate ale indicilor de refracţie şi două efecte datorate împrăştierii.

1. Amestecul a patru unde (FWM - Four-Wave Mixing) 2. Auto-modulaţie de fază (SPM - Self-Phase Modulation) 3. Intermodulaţii de fază (XPM - Cross-Phase Modulation) 4. Difuzia stimulată Raman (SRS - Stimulated Raman Scattering) 5. Difuzia stimulată Brillouin (SBS - Stimulated Brillouin Scattering)

Amestecul a patru unde (FWM) apare sub forma unor produse de intermodulaţie de ordinul 3

din mixarea a două, trei sau mai multe lungimi de undă, datorate neliniarităţii indicelui de refracţie al fibrei. De exemplu pentru trei frecvenţe optice de valori apropiate f1, f2, f3; Din combinarea lor rezultă componente noi de forma f1+f2-f3, 2f1-f2, etc care sunt apropiate de frecvenţele iniţiale şi pot să se suprapună peste alte canale utile.

Dispersia nulă şi/sau caracteristicile de pantă ale fibrei sunt parametrii predominanţi ce determină eficienţa efectului FWM. Efectul FWM este maxim la dispersie nulă a fibrei, în condiţiile unei spaţieri minime între canale şi a uni puteri mari pe canal. Fibra standard NZDF prezintă un efect FWM mult mai mic faţă de fibrele DSF şi NZ-DSF.

Refracţia neliniară apare la densităţi mari de putere optică. În această situaţie apare o componentă

neliniară a indicelui de refracţie (cunoscut sub denumirea de efectul lui Kerr). Din cauza efectului lui Kerr, faza semnalelor optice care ajung la receptor depinde şi de intensitatea (puterea) acestora. În consecinţă, se manifestă două efecte neliniare din această categorie: automodularea fazei şi intermodulaţia. Automodulaţia de fază (SPM) apare în interiorul unui singur canal (nu depinde de numărul de canale sau de spaţierea dintre ele) şi este un rezultat al neliniarităţii indicelui de refracţie al fibrei. SPM împreună cu dispersia cromatică a fibrei cauzează efectul de „lăţire” a pulsurilor de lumină, ceea ce contribuie la apariţia jitterului în transmisia de date. În sistemele cu modulaţie PSK, fenomenul se manifestă ca un zgomot de fază care poate compromite recepţia. Laserii cu modulaţie directă prezintă efectul de lăţire a spectrului în jurul lungimii de undă emise, cu aceleaşi urmări ca şi efectele SPM; la debite mari de date, 2,5 Gbps şi mai mult, sistemele mari necesită folosirea laserilor modulaţi extern sau prin absorbţie, pentru un spectru cât mai îngust. Intermodulaţie de fază (XPM) este o extensie a degradării SPM pentru sistemele DWDM. Efectul XPM în sisteme cu DWDM este de a trage canalul util în spaţiul de izolare dintre canale (referirea se face la axa lungimilor de undă). Are loc o deplasare a fazei semnalului optic produsă de fenomenul neliniar Kerr ca urmare a existenţei diferitelor purtătoare optice. Puterea optică cu un anumit λ modulează suplimentar în fază o altă purtătoare optică (intermodulaţie).

Pentru fibre DSF sau NZ-DSF folosite în legături, se poate face compensarea dispersiei la capătul de recepţie pentru a minimiza efectele XPM. Spaţierea între canale de 100 GHz sau mai mult determină efecte XPM minime. Difuzia stimulată Raman (SRS) este un efect de modificare în sens crescător a frecvenţei optice a luminii transmise, cauzată de interacţiunea parametrică a luminii cu vibraţiile moleculare din fibră. Radiaţia optică pe lungimea de undă a semnalului util este absorbită de atomi şi este emisă în schimb o altă radiaţie cu o lungime de undă mai mare (frecvenţă mai mică) numită radiaţie Stokes. Când două unde separate optic de frecvenţa Stokes sunt introduse într-un mediu ce întruneşte condiţiile de mediu activ Raman, unda cu frecvenţa mai mică va suferi un câştig optic generat pe seama undei cu frecvenţă mai mare (numită de aceea „pompă de laser”). Acesta este efectul ce permite EDFA-urilor şi amplificatoarelor Raman să funcţioneze. În sistemele cu multiple lungimi de undă, lungimile de undă mai mari vor fi amplificate de către lungimile de undă mai mici. Fibrele de siliciu în regiunea de 1550 nm vor cupla prin SRS canale ce sunt separate în lungime de undă de până la 100 nm. În general, produsul dintre puterea totală şi banda optică totală trebuie să fie mai mic de 500 GHz x Watt pentru a nu avea efect SRS de degradare a sistemului. Difuzia Raman limitează puterea semnalelor optice cuplate într-o fibră. De exemplu într-un sistem WDM cu 10 canale, puterea pe fiecare canal trebuie limitată la cel mult 1 mW.

Difuzia stimulată Brillouin (SBS) este similară emisiei Raman, cu excepţia faptului că

deplasarea de frecvenţă este produsă de interacţia radiaţiei optice cu un câmp acustic care se propagă prin fibră. Direcţia de propagare a noilor unde optice produse este opusă direcţiei de deplasare a undelor optice incidente; acest lucru limitează nivelul de putere ce poate fi injectat în fibră. Fenomenul apare la puteri optice relativ mici şi la impulsuri largi (1 μs) şi este neglijabil la impulsuri foarte scurte. Pragul efectului SBS pentru purtătoare optice cu spectru îngust este +6 dBm tipic. Peste acest nivel puterea injectată este limitată şi convertită înapoi într-o undă împrăştiată (difuzată) în sensul spre emiţător. Dacă spectrul creşte peste o lăţime de bandă în jur de 100 MHz, pragul SBS creşte şi el proporţional. Cu sisteme modulate în amplitudine ce transportă debite mari, peste 100 Mbps, pragul SBS creşte spre o limită de +17 dBm per lungime de undă transmisă pentru laseri modulaţi extern sau cu absorbţie. Efectul de lăţire a spectrului emis prezent la laserii cu modulaţie directă va creşte şi mai mult pragul SBS.

Să punctăm soluţia de rezolvare a acestor neajunsuri prin intermediul solitonurilor, acele pulsuri luminoase de o formă specială, legată de reciproca cosinusului hiperbolic. Vom descrie succint fenomenele.

*Efectul principal al dispersiei fibrelor este lăţirea impulsurilor:

Dispersie

*Lăţirea impulsurilor se poate reduce (regiunea de dispersie pozitivă) prin folosirea efectului neliniar de autofocalizare.

Efect

neliniar

Efect neliniar

Dispersie

*Un soliton optic este un impuls cu o formă specifică, putere şi durată adecvate pentru o

compensare între dispersie şi efecte neliniare. *Impulsurile de soliton de putere mare în sistemele de transmisie convenţionale induc un efect de

reducere a lăţirii pulsurilor introdusă de PMD (dispersia de polarizare).

Efect neliniar

Efect neliniar

PMD

*Limitarea principală a sistemelor cu solitonuri este pierderea în fibră. *Cu descreşterea puterii, compensarea dintre dispersie şi neliniarităţi nu mai este obţinută, de

aceea impulsul se lăţeşte. *Amplificatoarele optice refac condiţiile de nivel de putere iniţial, obţinând propagarea solitonului

fără distorsiuni pe distanţe lungi. *Pentru transmisia de solitonuri la 10 Gbps pe SMF, distanţa maximă între amplificatoare este 20

km. Distanţa dintre amplificatoare este principala limitare pentru sistemele soliton „pure”.

I.6. CONECTAREA FIBRELOR OPTICE

Fibrele pot fi conectate în două moduri. Primul mod constă în ataşarea la capătul fibrei a unor conectori. Conectorii introduc atenuări în jur de 0,3-0,4 dB, dar aceste sisteme sunt uşor de reconfigurat.

A doua posibilitate este de a îmbina (topi) cele două bucăţi de fibră, pentru a forma o conexiune solidă. O îmbinare prin sudură este aproape la fel de bună ca şi folosirea unui singur fir, dar chiar şi aici apare o mică atenuare.

Sursa de radiaţie este livrată de fabricant gata cuplată şi aliniată la un segment de cablu optic de câţiva centimetri, cuplaj care este cunoscut sub numele de cuplaj pigtail. În acest fel, cuplajul de intrare poate fi înlocuit cu un cuplaj între două segmente de cablu. Cele mai uzuale tipuri de conectori sunt prezentaţi în figura I.12 de mai jos:

I.12.a) Conectori FC (Fiber Connector)

I.12.b) Conectori ST (Straight Tip connector)

I.12. c) Conectori SC (Subscriber Connector)

I.12. d ) Conector E2000

Trebuie amintită aici şi versiunea APC pentru diferitele tipuri de conectori (Angled Physical Contact), caz în care conectorul este polizat (şlefuit) la un unghi de 80. Comparat cu un conector PC normal, conectorul APC prezintă proprietăţi mai bune privind reflexia, deoarece polizarea unghiulară reduce cantitatea de lumină reflectată la interfaţa dintre cele două fibre din interiorul conectorului, aşa cum se observă în figura I.13.

Scopul unui conector de fibră optică este de a alătura şi alinia cu mare acurateţe miezurile a două fibre optice. Mulţi conectori folosesc un inel cilindric ceramic de precizie, numit ferrulă, prin al cărui orificiu se introduce fibra, epoxidată şi şlefuită. Cea mai importantă diferenţă între conectorii optici constă în modul în care este terminat capătul fibrei. În foile de catalog acesta este numit şlefuire („polish”). La conectorii simpli/ieftini, capătul fibrei este tăiat vertical şi şlefuit vertical – acest mod este

APC

PC

Şlefuire unghiulară

Atingerea suprafeţelor

Şlefuire PC Finisare rotunjită

Contact fizic

Fig.1.13. Comparaţie între PC şi APC

tipic pentru un conector “FC”. Deoarece cele două suprafeţe drepte (plate) au acelaşi unghi când sunt conectate, una sau mai multe din următoarele imperfecţiuni limitează cantitatea de lumină ce se cuplează între părţi: goluri de aer, nealinieri axiale, nealinieri unghiulare, diferenţe între diametrele miezurilor, asperităţi pa capetele fibrelor în contact. Asemenea imperfecţiuni determină conectorul să nu permită celor două capete de fibre să aibă contact. O îmbunătăţire în conectica FC constă în a şlefui ambele capete de fibre după o formă rotunjită şi a folosi o anumită presiune dată de un resort pentru realizarea contactului fizic; acesta este conectorul FC-PC (cu contact fizic - Physical Contact). Acest tip de conector oferă pierderi de întoarcere de 50 dB.

Pierderile de întoarcere (RL - Return Loss) sunt o măsură a cantităţii de lumină care după ce a intrat într-un conector, este reflectată înapoi în fibra din care a venit. Un RL de 50 dB înseamnă că lumina reflectată înapoi este cu 50 dB (100.000 ca raport de puteri) mai mică decât lumina incidentă. Din nefericire, coeficientul de reflexie scăzut dat de un RL de 50 dB se aplică la un alt conector din cadrul traseului legăturii optice. Praful şi zgârieturile fine care se acumulează pe timpul funcţionării normale pot degrada RL până la nivele inacceptabile. Soluţia o reprezintă şlefuirea APC. Conectorul cu contact fizic unghiular (APC - Angled Physical Contact) are capătul fibrei şlefuit la 7-8 grade şi RL de 60 dB. Conectorii sunt aliniaţi cu grijă, obţinându-se o pierdere maximă de putere de 0,5 dB, cu 0,25 dB valoare tipică (aceleaşi cifre pentru un FC-PC din cele noi şi bune). Pot exista de asemenea PC-uri şi APC-uri într-un conector rectangular din plastic numit „SC” rezultând SC-PC şi SC-APC pentru aplicaţii mono sau multimod. În timp ce familia FC are conectori de metal, conectorul SC este un conector din plastic cu o centrare ce nu este atât de rigidă ca la conectorii FC. Dintre cei mai cunoscute apariţii din ultimii ani în domeniul conectorilor optici se remarcă modelul E2000, dezvoltat în Europa şi având o caracteristică specială de protecţie a ochiului. Este disponibil ca E2000-APC sau E2000-PC. E2000 este un conector îngust din plastic care prezintă un căpăcel pentru protecţie la praf dar şi din motive de siguranţă. Acţionat fiind de un arculeţ, el se desface automat la inserţie/scoatere. Are de asemenea un zăvor ce se acţionează prin apăsare cu degetul pentru a-l extrage mai uşor. Este disponibil în varianta simplu sau duplex (doi conectori în paralel). Conectorii SC sunt cei mai ieftini dintre toţi aceşti conectori, urmează FC-PC şi FC-APC mai scump. Aşa cum ne puteam aştepta din modul de construcţie, E2000-APC este cel mai scump dintre toţi. Conectorii APC au reflexii destul de mici în comparaţie cu FC, FC-PC şi SC-PC.

Mai întâlnim tipul MU (Multi Unit) – o ferulă cu diametrul 1,25 mm pentru un conector optic multiplu, compact şi cu un mecanism cu autoreţinere; pentru comunicaţii de date de mare viteză, reţele de voce, telecomunicaţii şi aplicaţii DWDM de mare densitate.

TIPURILE DE ŞLEFUIRE ALE CONECTORILOR - PE SCURT

1. Şlefuire dreaptă (Flat Polishing) O şlefuire după o suprafaţă dreaptă a capetelor de fibră determină reflexii în spate de aproximativ –14 dB (4%). - utilizată atunci când reflexiile de 4% sunt acceptabile; - cuplare cu spaţiu liber între capete.

2. Şlefuire cu contact fizic (PC Polishing) Şlefuirea cu contact fizic (PC - physical contact) produce un capăt de fibră uşor curbat ce este forţat să intre în contact cu perechea lui (vezi figura I.13). Sunt reduse reflexiile înapoi cu aproape –40 dB, eliminând interfaţa fibră – aer. Este foarte des întâlnită. - în cele mai multe aplicaţii;

3. Şlefuire cu super contact (SPC Polishing - Super Physical Contact) Şlefuirea super contact include un ciclu de şlefuire extins pentru o mai bună finisare a suprafeţei, rezultând reflexii în urmă în jur de –55 dB. - sisteme digitale < 2,5Gbps

4. Şlefuire ultra contact (UPC Polishing - Ultra Physical Contact) Şlefuirea UPC include un ciclu de şlefuire extins pentru o mai bună finisare a suprafeţei, rezultând reflexii în urmă de –55 dB. - sisteme digitale > 2,5 Gbps; - sisteme CATV şi telefonie.

5. Şlefuire cu contact unghiular (APC Polishing - Angled Physical Contact) Şlefuirea cu contact fizic unghiular adaugă un unghi de 8 grade la o şlefuire dreaptă. Aceasta

menţine capetele fibrei în contact în timp ce lumina este reflectată la interfaţa dintre fibre sub orice unghi, dar nu în miez. Reflexiile înapoi pot fi reduse la o valoare în jur de –70 dB cu această tehnică. - sisteme analogice şi CATV; - surse laser (DFB) sensibile la reflexii. Se pot întâlni uneori în documentaţii referiri despre IIN. Acest termen este rar observat în cazul legăturilor pe fibre de înaltă calitate. IIN reprezintă intensitatea zgomotului interferometric şi se referă la semnalele nedorite produse prin mixare în fotodioda receptorului, datorită luminii care a fost reflectată de două ori în interiorul fibrei. În cazul laserilor modulaţi direct se petrece un fenomen de variaţie a frecvenţei/lungimii de undă datorată modulaţiei RF/digitale. Lumina care suferă acest fenomen într-o fibră dispersivă – şi toate sunt aşa într-o anumită măsură – determină o creştere a CSO (distorsiunea de ordinul al doilea) în legăturile CATV şi lăţirea pulsurilor (deci creşte rata erorii pe bit - BER) în legături digitale. I.7. COMUNICAŢII PRIN FIBRĂ OPTICĂ

Schema-bloc a unui sistem de comunicaţie pe fibră optică este prezentată în continuare (figura I.14).

SURSA MODULATOR OPTIC

CUPLAJ RECEPŢIE OPTICĂ

CUPLAJEMISIEOPTICĂ

CANALOPTIC

FOTODETECTOR OPTICĂ

DATE PRELUCR.

POST DETECŢIE

Fig.I.14. Sistem de comunicaţie pe fibră optică (schemă-bloc)

Lumina care parcurge o fibră optică poate fi manipulată în două moduri. Primul este de a modula intensitatea laserului dintr-o diodă laser. Această metodă de modulaţie

este numită modulaţie de intensitate/detecţie directă sau IM/DD. Aceasta este cea mai simplă formă de modulaţie pe fibră optică şi a făcut parte din prima implementare a unui sistem de comunicaţii pe fibre. A doua tehnologie de transmisie este a ceea a transmisiei coerente. Acest concept utilizează aspectul de undă al luminii, având câteva avantaje majore faţă de modulaţia în intensitate, cum ar fi îmbunătăţirea sensibilităţii receptorului, selectivitate mai bună a frecvenţelor optice, posibilitatea egalizării amplitudinilor de pe diferite frecvenţe. Un alt avantaj al folosirii tehnologiei coerente este că amplitudinea şi faza semnalului recepţionat pot fi detectate şi măsurate. Aceasta dă posibilitatea de a modula semnalul optic în trei feluri, modulaţia cu codare în amplitudine (ASK – amplitude shift keying), modulaţia cu codare în fază (PSK - phase shift keying), modulaţia cu codare în frecvenţă (FSK - frequency shift keying). Astfel de probleme vor fi abordate însă în capitolele următoare, în care se vor discuta diverse variante de implementare ale componentelor schemei-bloc de mai sus.