Fibra optica

Fibra optica

Fibra optica este un ghid de unda pentru radiatia luminoasa, realizat fie pe baza legii refractiei (Snell-Descartes), la fibrele de tip multimod, fie ca un ghid de unda propriu zis (la fel ca ghidurile pentru unde electromagnetice), la fibrele de tip monomod. O fibra optica este alcatuita dintr-un mediu dielectric transparent cu indice de refractie n1, numit miez, in care se propaga lumina si un al doilea material dielectric transparent, numit camasa, cu indice de refractie n2 n1 , care inconjoara miezul.
            La suprafata de separatie dintre miez si camasa se produce refractia razei luminoase conform relatiei :

    Pentru o valoare a unghiului de incidenta c (unghi critic):

refractia nu mai are loc si unda este reflectata in totalitate.
            Transmisia luminii prin fibra poate fi considerata ca o reflexie repetata a razelor care au unghiul de incidenta:

                                    
            Deoarece razele ce patrund in miez sub diferite unghiuri vor parcurge drumuri diferite, vor ajunge la iesirea din fibra la momente diferite. Aceste moduri diferite de propagare au condus la denumirea de fibra multimod.
            Daca diametrul miezului se micsoreaza foarte mult, devenind comparabil cu lungimea de unda a razei luminoase, nu mai este posibil decat un mod de propagare, fibra comportandu-se ca un ghid de unda propriu zis, numindu-se fibra monomod. Aceasta are avantajul ca se elimina dispersia impulsurilor luminoase datorata diferitelor moduri de propagare si se pot utiliza frecvente de transmisie mult mai mari (108¸1010 Hz)

            Materialele pentru miez si camasa pot fi : plastic (polimer), sticla de Si, sticla dopata. In practica se intalnesc urmatoarele combinatii:
            Diametrul miezului, Dm, determina conditiile de cuplare si propagare a luminii in fibra. Astfel, se definesc :
            - fibre monomodale, cu diametrul Dm = 3 5 m;
            - fibre multimodale, cu diametrul Dm = 25 600 m pentru sticla si Dm = 1 mm pentru plastic.
            Modul reprezinta o solutie a ecuatiei de propagare a undei, care defineste posibilitatile de oscilatie a vectorilor E, H in interiorul ghidului.
            Fibrele monomodale transmit un singur (sau cateva) moduri si se cupleaza in general cu sursele de lumina coerenta (laser).
            Fibrele multimodale transmit o multitudine de moduri si se pot cupla cu surse de lumina incoerenta (LED, dioda superluminiscenta, lampi).
            Diametrul invelisului Dc este impus de considerente tehnologice legate de cuplarea fibrelor in conectori terminali. Valorile uzuale pentru Dc sunt 100, 125, 200, 400 m.
           Conectorii optici sunt dispozitive tipizate care asigura racordarea mecanica rapida si eficace, cu pierderi mici si reproductibile, a fibrelor pe care sunt montati.

            Teoria modurilor, ca si teoria radiatiilor, este folosita petru a descrie propagarea luminii de-a lungul unei fibre optice. Teoria modurilor este folosita pentru a descrie proprietati ale luminii pe care teoria radiatiilor nu le poate explica. Teoria modurilor foloseste comportarea undelor electromagnetice pentru a descrie propagarea luminii de-a lungul fibrei. Un set de unde electromagnetice ghidate este numit modul fibrei. 
            Undele plane – Teoria modurilor sugereaza ca o unda luminoasa poate fi reprezentata ca o unda plana. O unda plana este descrisa de directia ei, amplitudinea, si lungimea de unda. Lungimea de unda este data de:

unde c este viteza luminii in vid, f este frecventa luminii si n este indicele de refractie al mediului.

Fig 2.1  Propagarea undelor de-a lungul fibrei

            Marirea (largirea) impulsurilor luminoase transmise prin fibrele optice, ca in toate ghidurile de unda se numeste dispersie. Ea este de doua feluri:

• Dispersia cromatica, zisa si intramodala. Ea este datorata variatiilor timpului de grupa cu lungimea de unda si intervine in cazul surselor cu lungime spectrala mai mare, cum ar fi diodele electroluminiscente. Ea devine scazuta pentru lungimea de unda din vecinatatea 1,3 µm; aceasta explica interesul pentru aceasta banda a spectrului in cazul transmisiilor la lunga distanta sau cu debit mare al informatiei.
• Dispersia intermodala. Pentru o excitatie cu o sursa monocromatica ea este datortraseelor de lungime diferita dependente de unghiul de incidenta de la intrare.

            Aceste dispersii cauzeaza imprastierea pulsului luminos pe masura ce inainteaza prin fibra. Dispersie exista in toate tipurile de fibre.

Fig  2.2  Imprastierea pulsului luminos

            Ecuatiile lui Maxwell descriu undele electromagnetice sau modurile ca avand doua componente. Cele doua componente sunt campul electric, E(x, y, z), si campul magnetic H(x, y, z). Campul electric E si campul magnetic H, sunt in unghi drept unul fata de altul. Modurile care circula in fibra se propaga de-a lungul axei fibrei, iar campul electric este perpendicular cu directia propagarii.

2.2 Componenta unui sistem de comunicatie prin fibra optica

            Un sistem de comunicatie cu fibre optice este format din 3 elemente de baza: emitatorul optic, cablul de fibra optica si receptorul optic.

Figura 2.3 Sistem cu fibra optica

            Se constata ca sursa de semnal, sub forma numerica, moduleaza curentul care este injectat in emitatorul optic (dioda laser sau LED). Impulsurile luminoase sunt prelucrate intr-un sistem optic (lentile, oglinzi) pentru a se obtine la iesire un fascisol parallel de lumina monocromatica (sau in banda ingusta de LED-uri) care sa fie injectat in fibra optica. In cazul unor surse cu spectrul mai larg se poate intercala un filtru optic (interferential sau dicroic) pentru a obtine radiatii monocromatice cu anumite lungimi de unda.
            Fascicolul de lumina astfelm obtinut, modulat in impulsuri, este trimis in fibra optica prin cupla optica care, realizeaza coaxialitatea cu sursa optica si permite cuplarea si decuplarea usoara a fibrei la emitator.
            La receptie, fibra este ghidata de o cupla similara, pentru a trimite lumina pe receptorul electronooptic (fotodioda, fototranzistor), care o transforma in impulsuri de current. Acestea sunt amplificate si decodificate pentru a recompune semnalul sau informatia transmisa.
            Partile cele mai importante ale acestui sistem sunt deci componentele electronooptice (emitatori-receptori), componentele de prelucrare optica (lentile, oglinzi, filtre) si fibra optica propriu-zisa.

2.3 Emitatorul optic

            Emitatorul optic de baza converteste semnalele electrice de intrare in lumina modulata pentru  transmisie pe o fibra optica. In functie de natura semnalului, lumina modulata rezultata poate fi oprita sau pornita sau poate fi variata liniar in intensitate intre doua nivele predeterminate. Figura 2.4 prezinta o reprezentare grafica a acestor doua metode de baza.

Fig 2.4 Metode uzuale de modulatie optica

           Cel mai des intalnite elemente drept surse de lumina in tranmisia optica sunt dioda luminiscenta (LED) si dioda laser (LD). Intr-un sistem optic, aceste elemente sunt montate intr-un sistem mecanic care permite fibrei optice sa fie plasata foarte aproape de zona de emitere a luminii astfel incat sa capteze cat mai multa lumina. In unele cazuri, emitatorul este dotat cu o mica lentila sferica pentru a capta si a directiona fiecare raza de lumina catre fibra, iar in alte cazuri fibra este “lipita” (pigtail) direct de suprafata emitatorului.
           LED-urile au suprafete de emitere a radiatiei luminoase relativ mari, si nu sunt la fel de bune ca diodele laser. Oricum, ele sunt des folosite pentru  transmisii pe distante scurte si medii deoarece sunt mai economice, fluxul luminos variaza liniar cu intensitatea curentului electric si nu sunt influentate in mare masura de variatia temperaturii exterioare.
           Diodele laser, pe de alta parte, au o suprafata de emisie foarte mica si pot emite de cateva ori mai multa putere catre fibra decat o face LED-ul. Fluxul luminos emis este de asemenea liniar cu intensitatea curentului de intrare, dar nu sunt stabile pe game mari de temperatura si au nevoie de circuite mult mai sofisticate pentru  functiona acceptabil in astfel de conditii. Costul este justificat numai pentru  aplicatii de transmisie la mari distante.
            LED-urile si diodele laser functioneaza in portiunea infrarosie a spectrului electromegnetic, astfel incat iesirea luminoasa este de obcei invizibila ochiului uman. Lungimile lor de unda sunt alese astfel incat sa fie compatibile cu lungimile de unda ale fibrei de sticla pentru care pierderile de transmisie sunt minime, si cu gamele de sensibilitate maxima ale fotodiodelor. Cele mai folosite lungimi de unda sunt 850 nm, 1300 nm, si 1550 nm. Si LED-urile si Diodele Laser sunt disponibile la aceste lungimi de unda.

Fig 2.5 Circuit pentru modulatie in pulsuri

           LED-urile si Diodele Laser, dupa cum s-a amintit, pot fi modulate pulsatoriu sau liniar. In figura 2.5, este folosit un tranzistor pentru comutarea LED-ului (Light Emitting Diode) sau LD-ului (Laser Diode) pe pozitia oprit sau pornit, in concordanta cu un semnal numeric de intrare. Viteza este determinata de circuitul electric si de calitatea LED-ului sau diodei laser. Cu aceasta metoda se obtin usor viteze de cateva sute de megahertzi pentru LED-uri si mii de megahertzi pentru diode laser. Se foloseste aditional un sistem de stabilizare a temperaturii pentru diodele laser.
           Modulatia liniara a unui LED sau LD se poate face cu circuitul cu amplificator operational din figura 2.6. Intrarea inversata este folosita pentru alimentarea LED-ului / LD-ului, iar intrarea neinverata asigura o referinta de baza. De asemenea, se foloseste aditional un sistem de stabilizare a temperaturii pentru diodele laser.

Fig 2.6 Circuit pentru modulatie liniara

            Modulatia numerica pulsatorie a unui LED sau LD poate lua o varietate de forme. Cea mai simpla, dupa cum am vazut, este existenta luminii pentru logic 1 si absenta luminii in LED pentru logic 0. Doua alte forme posibile sunt modulatia latimii pulsurilor si modulatia frecventei pulsurilor. In cazul primului, un flux constant de pulsuri este produs, cu o latime care semnifica logic 1  si cu o alta latime care semnifica logic 0. In cel de-al doilea caz, toate pulsurile au aceeasi latime, dar frecventa lor de aparitie este diferita, pentru a face diferenta intre logic 1 si 0.
            Modulatia analogica poate lua de asemeni mai multe forme. Cea mai simpla consta in variatia direct proportionala a semnalului de iesire cu intensitatea LED-ului.

Fig 2.7 Metode variate de transmitere optica a informatiei