Parametrii fibrelor optice

PARAMETRII FIBRELOR OPTICE

Fibra optica este un ghid de unda de forma cilindrica, format din doua straturi concentrice de materiale cu caracteristici optice diferite si dintr-un strat exterior protector.

Partile componente ale unei fibre optice sunt:

- miezul - regiune centrala a fibrei care ghideaza lumina;

- invelisul sau camasa fibrei - materialul dielectric care inconjoara miezul si prezinta un indice de refractie mai mic decat acesta. Este un strat mijlociu cu rol de acoperire reflectorizanta, care retine prin reflexie razele de lumina in miez;

- manta de protectie - invelis de plastic care inconjoara miezul, respectiv camasa, cu rol de protectie impotriva umezelei si a fortelor exterioare, oferind o buna rezistenta mecanica.

Fig. 3.1.1    Fibra optica

1 - miez (core);

2 - camasa fibrei optice (cladding);

3 - manta de protectie (buffer).

Parametrii fibrelor optice se impart in doua categorii

I. Parametrii geometrici;

II. Parametrii optici.

I. Parametrii geometrici ai fibrelor optice sunt:

a)     diametrul miezului - d;

b)     diametrul invelisului (camasei fibrei) - D;

c)     diametrul exterior al mantalei de protectie - D_ext.

Fig. 3.1.2 Parametrii geometrici ai fibrei optice

Conventiile internationale recomanda urmatoarele dimensiuni pentru fibrele optice

Diametrul exterior al mantalei protectoare - 245 μm;

Diametrul invelisului fibrei de sticla - 125 μm;

Diametrul miezului la fibra multimod - 50 μm si 62,5 μm;

Diametrul miezului la fibra monomod - (8 -10) μm.

Exemple de diametre cu miez (d) si invelis (D) standard d/D: 8/125; 50/125; 62,5/125; 85/125; l00/140.

Respectarea acestor dimensiuni standardizate asigura compatibilitatea conectarii diverselor variante de fibra optica cu echipamentele folosite la montare.

II. Parametrii optici ai fibrei sunt:

a) apertura numerica;

b) atenuarea;

c) lungimea de unda a radiatiilor de lumina utilizate.

Apertura numerica

Fibra optica se compune din doi cilindri coaxiali (fig 3.2.): un cilindru interior, numit miez sau inima si un cilindru exterior numit si cilindru reflector. Cei doi cilindri au indici de refractie diferiti, n₁ > n₂

n₁ = indicele de refractie al cilindrului interior

n₂ = indicele de refractie al cilindrului reflector

Fig.3.1.3 Structura fibrei optice

Unghiul limita α pentru care are loc o reflexie totala a undei la interfata dintre cei doi cilindri cand n₁ > n_2,  este dat de relatia:

sin α = n₂/n₁ (1)

sin θ = n₁cos α (2)

cos α = [1 (n₂/n₁)²] ^1/2(3)

Relatia (2) devine:   sin θ = [n₁² n₂²] ^1/2(4)

Apertura numerica (NA) reprezinta valoarea sinusului unghiului de incidenta maxima (θ pentru care radiatia patrunsa in fibra la un capat al acesteia se transmite prin reflexie totala de-a lungul fibrei.

Valoarea aperturii numerice NA este data de relatia:

NA= [n₁² n₂^{2 ½} (5)

Observatii:

• pentru realizarea unei aperturi mari a fibrei optice, este necesar ca diferenta indicilor de refractie caracteristici miezului si mantalei exterioare sa fie cat mai mare;
• valoarea caracteristica a aperturii numerice pentru cablurile optice este 0, 55;
• cu cat este mai mare apertura numerica a fibrei optice, cu atat este mai eficienta cuplarea fibrei la sursa de lumina.

Atenuarea fibrei optice [dB/km] depinde de geometria fibrei, de puritatea sticlei, de tehnologia utilizata si de lungimea de unda a radiatiei incidente conform relatiei:

α= C L₀ / λ (6)

L₀ = lungimea de coerenta in fibra optica;

λ = lungimea de unda a radiatiei laser;

C = constanta geometrica a fibrei optice.

Fig. 3.1.4 Graficul atenuari functie de lungimea de unda

Atenuarea fasciculului de lumina in timpul propagarii de-a lungul fibrei optice se datoreaza in principal urmatoarelor cauze:

- reflexiei la suprafata de intrare in fibra optica;

- imprastierii si absorbtiei in materialul fibrei optice.

Lungimea de unda a radiatiilor de lumina utilizate

Pentru o fibra optica cu dimensiuni geometrice si caracteristici de material cunoscute (d, n₁, n₂), lungimea de unda critica l_c se determina in functie de frecventa normalizata a fibrei optice.

Stiind ca: V= 2πd NA/ λ (8)

unde: V = frecventa normalizata a fibrei optice

Rezulta: λ _c = 2πd NA/ 2,405   (9)

Fisa suport 3.2: Tipuri de fibra optica

Competenta:

Utilizeaza cabluri cu fibra optica

TIPURI DE FIBRA OPTICA

O fibra optica este un mediu de transmisie de forma cilindrica realizat din materiale cu pierderi mici. Aproape toate fibrele utilizate in sistemele de comunicatii optice sunt facute din SiO₂ topit, de puritate chimica inalta. Micile variatii ale indicelui de refractie se fac prin adaugarea de materiale de dopare cu mica concentratie. Fibra optica este cel mai folosit ghid de unda din zilele noastre cu ajutorul caruia se transmite informatia, dintr-un loc in altul, cu pierderi mici de energie.

Fibrele optice au inlocuit cablul coaxial din cupru si sunt preferate ca mediu de transmisie pentru undele electromagnetice, revolutionand comunicatiile terestre. Domeniul aplicatiilor cuprinde de la telefonia la mare distanta si comunicatiile de date pana la comunicatiile intr-un LAN.

Clasificarea fibrelor optice:

1.     Dupa materialele dielectrice folosite, fibrele optice pot fi:

cu miezul si camasa din sticla (amestec in care predomina SiO₂);

cu miezul din sticla si camasa din plastic (polimer);

cu miezul si camasa din plastic.

In cazul fibrelor cu miez din sticla, pentru realizarea unor profile speciale ale indicelui de refractie, se folosesc materiale de dopare cu mica concentratie: titanium, germanium, bor. Pentru fibrele cu miez din plastic cel mai utilizat polimer este polimetilmetacrilatul (PMMA).

2.     Dupa modul de variatie al indicelui de refractie al miezului, fibrele optice pot fi:

cu index variabil in trepte (stepindex);

cu indice gradat (graded index).

La fibrele optice monomod exista si alte configuratii ale indicilor de refractii: tip W, tip V, etc.

Fibrele cu index variabil in trepte sunt formate dintr-un miez cilindric de sticla sau plastic cu indicele de refractie n₁, acoperite cu un invelis subtire cu indice de refractie mai redus n₂.

Fibrele cu indice gradat au indicele de refractie variabil de la o valoare ridicata in centru pana la o valoare redusa la margine. 

3.     Dupa modul de trasmitere a radiatiei luminoase, fibrele pot fi

monomod (singlemode);

multimod (multimode).

Parametrul prin care se controleaza numarul de moduri de ghidare a luminii este indicele de refractie.

Fig.3.2.1 Fibra optica monomod Fig. 3.2.2 Fibra optica multimod

Fibra optica monomod permite propagarea unui singur mod de oscilatie la o anumita lungime de unda. Miezul fibrei este foarte mic si suporta numai un mod. Diametrul miezului fibrei monomod este comparabil cu lungimea de unda a radiatiei luminoase favorite. Coeficentul de   atenuare este mai mic in fibrele monomod ceea ce implica o rata de transmisie a datelor substantial mai mare in fibrele monomod in comparatie cu rata maxima admisa in fibrele multimod. Fibra monomod este utilizata pentru aplicatii cu transmisii pe distante mari (zeci de km). Pot lucra simultan multe canale gigabit, fiecare cu alta lungime de unda permitand transmiterea unei mari cantitati de informatii. Exemple: retele tefonice, retele cablu TV etc.

Fig. 3.2.3 Traiectoria razelor luminoase  prin fibra optica monomod (cu salt de indice)

Din cauza dimensiunilor mici si a aperturii numerice mici fibrele monomod sunt mai compatibile cu tehnologia optica integrata. Totusi asemenea caracteristici fac mai dificila fabricarea si utilizarea lor, din cauza reducerii tolerantelor mecanice permise pentru jonctiuni si pentru conectorii demontabili

Fibra optica multimod, in comparatie cu cea monomod, are diametrul miezului mai mare ceea ce determina existenta a mai multor raze reflectate. Aceste reflexii multiple determina pierderi mai mari fata de fibra monomod.

Diametrul miezului fibrei multimod este mult mai mare decat lungimea de unda a radiatiei. Fibra multimod este utilizata pentru aplicatii cu transmisii pe distante scurte, de exemplu in retelele locale de date, in retelele de calculatoare, etc.

Fig.3.2.4 Traiectoria razelor luminoase prin fibra optica multimod (cu salt de indice)

Fig. 3.2.5 Traiectoria razelor luminoase prin fibra optica multimod (cu indice gradat)

Fibrele multimod prezinta interferente necontrolabile, datorate fluctuatiilor de temperatura. Fiecare mod isi modifica faza aleatoriu astfel incat suma amplitudinilor complexe a modurilor are o intensitate aleatoare. Aceasta variatie este o forma de zgomot, cunoscuta ca zgomot modal. Acest efect este similar cu reducerea puterii semnalelor radio care se propaga pe trasee diferite. Intr-o fibra monomod este o singura cale si nu exista zgomot modal.

Fisa suport 3.3: Elementele componente ale unui cablu optic

Competenta:

Utilizeaza cabluri cu fibra optica

ELEMENTELE COMPONENTE ALE UNUI CABLU OPTIC

Un cablu optic consta in mai multe fire de sticla, fiecare fir fiind capabil sa transmita informatia la viteze apropiate de viteza luminii.

Desi fibra optica simpla are o mare flexibilitate, datorita faptului ca energia si cantitatea de informatie transmise prin fibra sunt limitate, se folosesc cabluri alcatuite din mai multe fibre optice simple. In acest scop, fibrele optice se acopera cu o pelicula de protectie ce le confera caracteristici mecanice comparabile cu cele ale conductoarelor clasice.

Elementele componente ale unui cablu optic sunt:

fibre optice de tip multimod sau monomod cu indice de refractie salt sau gradat (parabolic);

element central de rezistenta;

straturi si benzi de protectie din materiale termoplastice;

mantale interioare si exterioare din materiale termoplastice.

1 - fibra optica

2 - element central

de rezistenta

3 - tub din material plastic

4 - banda separatoare din

material plastic

5 - manta exterioara

Fig. 3.3.1 Structura unui cablu optic in constructie standard

Structura de protectie a cablurilor optice

Fibra optica este plasata intr-un tub tampon de rezistenta, cu diametrul interior de 1,2 mm si cel exterior de 2 mm. Tuburile tampon sunt apoi cablate in sistemul clasic de cablare: 1, 6, 12, 18, 32, 48 etc.

Alegerea structurilor de protectie a cablurilor optice se face in functie de conditiile pozarii, montajului si exploatarii, de structura si caracteristicile cablurilor optice.

Fibrele optice pot fi protejate utilizand sisteme de protectie de tip usor sau de tip rigid. Sistemul de protectie usor presupune ca fibra optica sa fie protejata impotriva solicitarilor externe de un tub de plastic (tub tampon), in care aceasta este libera.

1 - manta

2 - perechi de serviciu

3 - fir de otel

4 - fibre optice

5 - manta de polietilena laminata

aderenta

Fig. 3.3.2 Cablul optic cu sistem de protectie usor

Sistemul de protectie rigid presupune plasarea fibrei optice intr-o manta de protectie de mare rezistenta, formata din doua submantale, una supla, iar cealalta rigida.

1 - fire de intarire

2 - mantale

3 - centura

4 - fibre optice

5 - element central nemetalic

6 - material de intarire

Fig. 3.3.3  Cablul optic cu sistem de protectie rigid

De retinut!

La alegerea fibrelor optice si conductoarelor in vederea utilizarii acestora la fabricarea cablurilor de telecomunicatii se va tine seama de urmatorii factori:

Tabel 3.3.1 Caracteristici constructive si functionale ala cablurilor optice in constructie standard