PIERDERI IN CABLURILE CU FIBRE OPTICE


Pierderile in transmisiile pe cabluri cu fibre optice se numara printre cele mai importante caracteristici ale fibrelor optice de care trebuie sa se tina seama. Pierderile in fibrele optice se caracterizeaza prin atenuarea puterii luminoase transmise si prin distorsionarea formei semnalului transmis, ceea ce reduce banda, eficienta si performanta totala a sistemului.
Principalele pierderi in fibrele optice sunt:
  • atenuarile datorate absorbtiei;
  • atenuarile datorate imprastierii Rayleigh;
  • pierderile de flux;
  • atenuarile de cuplaj;
  • dispersia modala;
  • dispersia cromatica(intramodala).
    •

    ATENUARILE DATORATE ABSORBTIEI

    Atenuarile prin absorbtie in fibrele optice sunt analogice cu disiparea de putere in firele conductoare de cupru. Atenuarile de absorbtie pot fi intrinseci cand lumina (fotonii) este absorbita de atomii moleculelor materialului din care este realizat miezul fibrei sau extrinseci cand lumina este absorbita de atomii impuritatilor cu care este contaminata fibra. In ambele cazuri atomii respectivi absorb lumina realizand tranzitii intre nivelele energetice (absorbtie electronica) sau stari vibratorii (absorbtie vibrationala) diferite. Puritatea sticlei folosita la fabricarea fibrelor optice este de 99,9999% (1 ppm impuritati). Chiar si asa pierderile datorate absorbtiei au valori tipice cuprinse intre 0,1 si 1000 dB/km. Sunt trei factori principali care contribuie la absorbtia in fibrele optice: absorbtia in ultraviolet (UV), absorbtia in infrarosu (IR) si absorbtia prin contaminarea cu ioni de impuritati (rezonanta ionica).
    ABSORBTIA IN UV este de tip intrinsec si este cauzata de absorbtia fotonilor de catre electronii de valenta din materialul din care este fabricat miezul fibrei (uzual SiO2). In urma absorbtiei de fotoni, acesti electroni trec in banda de conductie (pe un nivel energetic superior).
    ABSORBTIA IN IR este de tip intrinsec si este cauzata de absorbtia fotonilor de catre atomii moleculelor materialului din care este fabricat miezul fibrei. Fotonii absorbiti sunt convertiti in miscari vibrationale aleatoare ale atomilor care se disipa sub forma de caldura.
    ABSORBTIA PRIN REZONANTA IONICA este cauzata de ionii OH- din material, care cauzeaza absorbtii vibrationale. Sursa acestor ioni sunt moleculele de apa care au ajuns in sticla in timpul procesului de fabricatie. Alte cauze ale absorbtiei ionice pot fi impurificarile cu ioni metalici: Cu2+, Fe2+, Cr3+, Ni2+ etc. care cauzeaza absorbtii electronice.


    ATENUARI DATORATE IMPRASTIERII RAYLEIGH

    In timpul procesului de fabricatie, sticla este extrudata (trasa in fibre lungi de diametru foarte mic). In timpul acestui proces, sticla se gaseste intr-o stare plastica (nici lichida, nici solida). Tensiunea aplicata sticlei in timpul procesului determina aparitia in sticla, pe masura ce ea se raceste, a unor neregularitati submicroscopice, care vor ramane permanente in fibra optica. Cand razele de lumina care se propaga de-a lungul fibrei intalnesc astfel de neregularitati, ele sufera difractii. Difractiile cauzeaza dispersia (imprastierea) razelor luminoase in numeroase directii. Unele dintre aceste raze imprastiate isi vor continua propagarea de-a lungul fibrei, altele vor trece prin invelis si se vor pierde. Acestea din urma vor determina o pierdere de putere a semnalului transmis, denumita si pierdere prin imprastiere Rayleigh. Valorile tipice ale atenuarilor prin fibrele optice in sistemele care sunt la ora actuala in exploatare sunt de 0,5…1dB/km. In sistemele avansate se folosesc fibre cu atenuari de 0,1…0,3 dB/km, iar in sistemele de laborator fibre cu atenuare de 0,1 dB/km.




    PIERDERILE DE FLUX

    Pierderile de flux sunt datorate curburilor la care este supusa fibra optica. In principal, exista doua tipuri de astfel de curburi: microcurburile si curburile cu raza constanta. Microcurburile apar datorita diferentei dintre coeficientii de contractie termica ai miezului si invelisului fibrei. O microcurbura va determina o discontinuitate in fibra, ceea ce poate duce la aparitia de pierderi prin imprastiere Rayleigh. Curburile cu raza constanta pot sa apara cand cablurile sunt indoite in momentul instalarii lor. Datorita acestor curburi se poate intampla ca razele cele mai oblice (modurile de ordin superior) sa treaca in invelis si apoi sa se piarda.


    ATENUARILE DE CUPLAJ

    Atenuarile de cuplaj pot apare la conexiunea emitator- fibra optica, la imbinarile dintre fibrele optice si la conexiunea fibra- receptor. Ele sunt generate cel mai adesea de unele dintre urmatoarele erori de aliniere:nealinierea transversala, nealinierea longitudinala, nealinierea unghiulara precum si de finisajul imperfect al capetelor fibrelor.
    NEALINIEREA TRANSVERSALA este datorata nealinierii axelor celor doua fibre care se imbina. Atenuarea datorata acestui tip de nealiniere poate lua valori de la 0,2 dB la cativa dB. Aceasta atenuare poate fi neglijata daca offsetul transversal este mai mic decat 5% din diametrul miezului celei mai subtiri dintre fibre.
    NEALINIEREA LONGITUDINALA este denumita adeseori separare la capete. Cand se fac imbinari intre fibre prin sudura (splice) este esential ca fibrele sa vina in contact. Atenuarea datorata acestui tip de nealiniere este proportionala cu offsetul transversal. In cazul in care nu este posibil sa se elimine total aceasta nealiniere, ca de exemplu in cazul imbinarilor prin cuploare, se poate introduce un material adaptor de indice intre capetele fibrelor.
    NEALINIEREA UNGHIULARA pentru un offset unghiular mai mic de 2 grade, atenuarea datorata acestui tip de nealiniere va fi mai mica de 0,5 dB.
    FINISAJUL IMPERFECT fibrele trebuie sa fie taiate la capete, pe cat posibil perpendicular si slefuite pentru a se potrivi la erfectie. Daca unghiul la care sunt taiate capetele fibrelor difera fata de directia perpendiculara cu un unghi mai mic de 3 grade, atenuarea va fi mai mica de 0,5 dB.


    DISPERSIA MODALA

    Este cauzata de diferenta dintre timpii de propagare a razelor care parcurg traiectorii diferite de-a lungul fibrei. Evident, dispersia modala va apare in fibrele multimod. Ea poate fi redusa foarte mult in fibrele cu indice gradat si eliminata total prin folosirea fibrelor monomod. Determina alungirea unui impuls luminos pe masura ce acesta se propaga de-a lungul fibrei. Daca aceasta imprastiere este accentuata, se poate intampla ca impulsuri consecutive sa se suprapuna (interferenta simbolica). Intr-o fibra multimod cu indice treapta, raza care se propaga axial va parcurge fibra in timpul cel mai scurt. Raza care se propaga sub un unghi apropiat de unghiul critic (raza de mod maxim) va parcurge fibra prin reflexii totale, multiple, la suprafata de separatie miez-invelis si va parcurge traiectoria cea mai lunga si in consecinta se va propaga in intervalul de timp cel mai lung. Daca aceste raze reprezinta componentele extreme ale unui manunchi de raze emise simultan si care compun un impuls luminos emis de o sursa de radiatie, razele componente ale impulsului vor ajunge la capatul fibrei in intervale de timp diferite si vor determina alungirea/ distorsionarea impulsului initial, scaderea amplitudinii lui. In cazul fibrelor monomod cu indice treapta, din cauza ca diametrul lor este foarte mic, razele luminoase vor parcurge traiectorii cu aproximativ aceeasi lungime si vor ajunge in acelasi interval de timp la celalalt capat al fibrei. Drept consecinta nu se va produce alungirea impulsului luminos transmis.
    La propagarea unui impuls luminos printr-o fibra multimod cu indice gradat, razele componente ale acestui impuls luminos vor parcurge triectorii diferite (deci de lungimi diferite). Datorita faptului ca indicele de refractie este variabil (descrescator spre periferie) razele care se propaga pe traiectoriile cele mai indepartate de miez, care sunt si cele mai lungi, se vor propaga cu o viteza mai mare. Pentru un indice de profil optim ales (de obicei parabolic) va rezulta o egalizare a timpilor de propagare a razelor componente ale impulsului luminos emis, in consecinta dispersia modala fiind mult atenuata.
    Se poate observa ca, pe masura ce distanta parcursa prin fibra creste, razele luminoase care compun impulsul se imprastie in timp, ceea ce cauzeaza o alungire a impulsului si o scadere a amplitudinii lui. Se poate observa, de asemenea, ca, la un moment dat impulsul luminos va interfera cu cel care il urmeaza.


    Acest fenomen (interferenta simbolica) este o sursa importanta de erori in transmisiile digitale. Aparitia lui poate fi impiedicata fie prin alegerea adecvata a tipului de fibra (cel mai indicat) sau printr-o alegere adecvata a modului de codificare a datelor (exemplu: banda obtinuta pentru o codificare UPRZ este dubla fata de cea pentru o codificare UPNRZ).
    Diferenta dintre timpii absoluti de propagare ai celei mai lente si celei mai rapide raze care se pot propaga printr-o fibra optica multimod se numeste constanta de dispersie a fibrei si se exprima in ns/km. Dispersia totala va fi egala cu produsul dintre constanta de dispersie si lungimea totala a fibrei (L) :



    DISPERSIA CROMATICA

    Indicele de refractie al unui material depinde de lungimea de unda a razelor luminoase care se propaga. Sursele de radiatie luminoasa, cum ar fi LED-urile, emit lumina intr-un spectru destul de larg de frecvente (deci si de lungimi de unda). Diodele laser emit intr-un spectru mult mai ingust, aproape monocromatic, dar nici acesta nu poate fi neglijat.

    Fiecare lungime de unda componenta a unei astfel de surse de radiatie se va propaga cu o viteza diferita (v=c/n). Ca urmare, raze luminoase avand lungimi de unda diferite, care sunt emise simultan de o astfel de sursa de radiatie si care se vor propaga de-a lungul fibrei vor ajunge la celalalt capat al fibrei in timpi diferiti. Va rezulta o distorsionare a semnalului transmis denumita dispersie cromatica.

    Dispersia cromatica este dispersia predominanta in fibrele monomod. Ea poate redusa si eliminata prin alegerea adecvata a tipului de fibra si a tipului de sursa (spectru cat mai ingust si lungime de unda adecvata).Astfel, s-a constatat ca, la fibrele din sticle, aceasta dispersie este foarte mica la o lungime de unda a radiatiei luminoase transmise de cca. 1300 nm. prin modificarea parametrilor constructivi ai fibrei (profil de indice, material) aceasta valoare a lungimii de unda poate fi deplasata la o alta valoare (de exemplu la 1500 nm -care este lungimea de unda la care atenuarile sunt minime) sau poate fi extinsa la un domeniu de lungimi de unda.