Atenuatoare Optice

Ministerul Educatiei Tineretului si Sportului al Republicii Moldova

Universitatea Tehnica a Moldovei

Catedra Sisteme Optoelectronice

Lucrare de curs

La disciplina Optoelectronica

Tema:”Atenuatoare Optice”

A efectuat studentul

A verificat lector asistent Dorogan Andrei

Chisinau 2007

1. Cuprins:

2. Introducere……………………………………………………………..…………….. 3

3. Amplificatorele optice……………………………………………………..…….…4-13

3.1 Coeficientul (......)..........................................................................................................8

3.2 Puterea saturatiei......................................................................................................8-10

3.3 Influenta saturatiei (............)...........................................................................................9

3.4 Influenta (..................).................................................................................................11

3.5 Influenta lungimii mediului activ (amplificator)..........................................................11

3.6 Sensibilitatea amplificarii la polarizarea semnalului…………………………….…12

3.7 Surse de zgomot si diapazonul dynamic……………………………………………...12

3.8 Radiatia amplificata spontan………………………….……………………….…13

3.9 Semnalul ramas al pompajului……………………………………………….….….13

3.10 Distorsiunile la interferenta………………………………………………………..14

4. Amplificatoare optice semiconductoare………………………………….……14-22

4.1 Principiul (………………….)…………………….…….…..………………….…...14

4.2 Tipuri de amplificatoare optice semiconductoare………………………….…..….15-18

4.3 Caracteristicile amplificatoarelor optice ………………..…………………..….…….18

4.3.1 Coeficientul de amplificare……………………………………………….…... 19

4.3.2 Nivelul zgomotului si diapazonul dynamic……………………………….…...…20

4.4 Amplificatoarele impuls………………………….………………………………......20

4.5 Aplicatiile amplificatoarelor optice semiconductoare…………………………… 20-22

5. Concluzia …………………………………………………………………..…….23

6. Bibliografia…………………………………..……………………………………...24

2

INTRODUCERE

Factorii care afecteaza cel mai mult performantele fibrelor optice ca mediu de

transmisie Bunt atenuarea şi lătimea benzii. Aceste caracteristici de transmisie au o

importante majora in procesul cercetarii compatibilitetii fibrelor optice in scopuri de

comunicatii.

Delitimea enorma a benzii fibrelor optice a stimulat mult dezvoltarea comunicatiilor

optice prin ghizii de sticla, atenuarea mare e limitată transmisia semnalelor doar la zeci de

metri. Cercetarile ulterioare privind atenuarii au aratat absorbtia cauzata de impuritatile din

sticla, stimuland investigerile asupra sticlelor pure pentru comunicatiile prin fibre optice. In

prezent, se folosesc fibre cu pierderi de ordinul a 0,2 dB/km (I].

Dupe cum atenuarea determine distanta de transmisie a semnalului, dispersia limiteaza

latimea benzii fibrei optice. Altfel zis, limiteaza numarul de biti ai informatiei transmise

intr-o perioada data de timp.

Pentru aprecierea atenuarii si a lătimii benzii, precum şi a elaborarilor ulterioare este

necesar de studiat mai detaliat caracteristicile de transmisie ale fibrelor optice. In acest

capitol vom studia mecanismele ce determine atenuarea şi dispersia, precum şi alte efecte care

au loc pe parcursul propagarii luminii prin fibre optice.

3

I ATENUAREA

Atenuarea - este fenomenul prin care semnalele electromagnetice îşi pierd din puterea

initială (cu care au fost transmise in mediu) o data cu creşterea distantei. Acest fenomen

spare din cauza faptului ca mediul de transmisie absoarbe o pane din energia semnalelor.

Din acest motiv se impun limitari ale distantei pe care un semnal o poate parcurge fare a

depaşi un anumit nivel de degradare. Cu cat semnalul este receptionat la o mai mare

distanta fate de surse, cu atat posibilitatea de a fi decodificat corect este mai mica din

cauza atenuarii şi a interferentelor.

Atenuarea semnalului este un factor foarte important in procesul proiectsrii sistemului

de comunicatii prin fibre optice, precum şi a oricaror altor sisteme de comunicatii. Deoarece

receptoarele necesita ca puterea de intrare a for sa fie mai mare decat un anumit nivel minim,

atunci pierderile de transmisie determine distanta maxima de transmisie pans la care este

necesars restaurarea semnalului. Comunicatiile prin fibre optice au inceput se devins mai

atractive cand aceste pierderi ale fibrei au fost reduse mai jos decat ale conductorilor metalici.

Principalele puncte ale sistemului de comunicatii prin fibre optice unde au loc

pierderile de semnal Bunt conectorii, cuploarele de intrare, imbinarile, precum ~i in inse~i fibra

optics. In capitolul dat vom cerceta doer pierderile din limitele fibrei optice, celelalte le vom

studia in capitolele urmstoare. Atenuarea consts in miqorarea puterii impulsului, care are

loc datorits absorbtiei luminii in fibra optice. Mentionem cs doer impuritatile din sticle

absorb lumina, iar insa4i sticla nu absoarbe lumina la lungimea de unda de operare. Pe cand

variatiile in uniformitatea sticlei cauzeazs doer imprsstierea luminii, care de asemenea, este

dependents de lungimea de unde a luminii. In fibrele optice moderne majoritatea

pierderilor au loc doer datorits imprs~tierii luminii in interiorul fibrei .

Atenuarea semnalului in interiorul fibrei optice se exprims, de obicei, in decibeli (dB).

Este un termen general folosit pentru a descrie scederea puterii optice intre dour puncte, la o

lungime de unda data. Deci atenuarea AT poate fi exprimats prin relatia .

AT(dB)=-10•lg P,. (3.1)

P1e

unde P; este puterea optice de intrare (transmisa) prin fibra, iar P1e este puterea optics

la iqirea fibrei (receptionats). Fiecare tip de fibre optice este caracterizat de tin coefficient

4

de atenuare in decibeli pe o unitate de lungime a fibrei optice (de exemplu dB/km), mesurat la

o anumits lungime de unda a luminii incidente. In domeniul comunicatiilor prin fibre optice

se folosqte frecvent expresia:

(AT )dB • L=10 • lg P, (3.2)

Pe

unde (AT)dB este atenuarea semnalului in decibeli pe o unitate de lungime, iar L este

lungimea fibrei optic.Atenuarea semnalelor optice depinde, in primul rand, de proprietetile

proprii ale fibrelor optice, iar in al doilea rand, de procesele fizice ce au loc la transmiterea

luminii. Conform datelor experimentale reprezentate in figure 3.1 pierderile in fibra din

plastic sting valori de 120 - 160 dB/km in diapazonul lungimii de unda de 0,5 = 0,7 µm, in

fibra multimod aceste pierderi sting valorile de I _ 8 dB/km in diapazonul 0,75 = 1,2 µm, iar

in fibra monomod pierderile sunt minime: 0,1 - 1,2 dB/km in diapazonu10,85 _ 1,75 µm [2,3].

0,01 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 ?,„ µm

Fig. 1. Pierderi de semnale in diferite fibre optice. Realizsrile realer 1 - cu fibre din

plastic; 2- multimod; 3 - cu laser stimulat; 4 - telecomunicatii; 5 - cu laser

stimulat; 6 - telecomunicatii; 7 - monitor cu fibre optice.

Pentru intelegerea problemelor ce tin de proiectarea ~i fabricarea fibrelor optice cu pierderi

joase in domeniul lungimilor de unde de la 0,5 µm pans la 1,6 µm, vom studia

mecanismele pierderilor in interiorul lor. Atenuarea semnalului in interiorul fibrelor are

loc datorits mecanismelor ca compozitia materialului, metodelor de purificare 5i de

preparare, precum 5i structure ghidului de unde.Pentru fibrele de bioxid de siliciu

mecanismele responsabile de atenuarea semnalului la frecvente joase sunt:

- absorbtia fundamentale de material a sticlei;

- pierderile de tip Rayleigh;

- pierderile datorita impuritatilor; - pierderile de curbura ale ibrei.

Pentru atenuarea semnalului la frecvente inalte mecanismele responsabile sunt:

- dispersia modala ~i

- dispersia spectrala.5

II. PIERDERILE DE ABSORBTIE DE MATERIAL

Pierderile de absorbtie de material constau in disiparea unei parti a puterii optice a

semnalului transmis prin fibra optica. Aceste pierderi ce au loc datorita compozitiei

materialului, proceselor de reducere pot fi

- intrinseci 5i

- extrinseci.

Absorbtia intrinseca este cauzata in silica de catre rezonan]a. Absorbtia este mai mica decat

0,03 d/km in regiunea lungimilor de unda 1,3 µm - 1,6 µm.

Absorbtia extrinseca in fibrele din silica este cauzata de astfel de impuritati ca Cu, Ni, Fe,

Mn, Cr etc. in regiunea lungimilor de unda 0,65 µm - 1,6 µm. Insa in fibrele moderne

principala cauza a absorbtiei extrinseci o constituie ionii OH [3].

Din aceste considerente vom incepe cu caracteristicile principalelor materiale din care se

produc fibrele optice.

1.Absorbtia intrinseca

Sticla pură absoarbe intens lumina in limitele unor regiuni specifice ale lungimii de unda.

Aceasta proprietate a sticlei se numeste absorbtie intrinseca. Ea are doua mecanisme majore

de absorbtie la lungimile de unde optice, care lasa o fereastra de absorbtie intrinseca joasa in

diapazonul lungimilor de unde de la 0,8 µm pana la 1,7 µm. Absorbtia intrinseca este

foarte mare in regiunea ultravioleta a lungimilor scurte de unda a spectrului

electromagnetic. Aceasta are loc datorita stimularii tranzitiei electronilor in limitele sticlei,

datorita excitarilor cu energii inalte.Atenuarea optica fata de lungimea de unda caracteristica

sticlei pure .

Un alt pic al absorbtiei intrinseci are loc in regiunea infrarosu. Insa picurile sunt intre 7 µm

şi 12 µm, adica sunt departe de regiunea de interes. Pierderile in infraro$u sunt asociate cu

vibratiile legaturilor chimice, astfel ca Si-O. Energia termica face ca atomii sa se mişte

constant, astfel legatura Si-O se contractA şi se extinde continuu. Aceasta vibratie are o

frecventa de rezonanta in diapazonul infrarosu. Mecanismul dat al pierderilor in infraroşu

de asemenea contribuie putin in diapazonul de interes al lungimilor de unda .

6

Se poate trage concluzia ca pierderile intrinseci nu sunt importante in regiunea lungimilor

de unda in care opereaza sistemele de comunicatii prin fibre optice. Insa aceste pierderi

ingreuneaza extinderea sistemelor cu fibre spre regiunea ultravioleta, adica spre lungimi de

unda mai mici.Totuşi efectele acestor procese de absorbtie intrinseca pot fi minimizate prin

alegerea convenabila a compozitiilor miezului şi invelişului optic.

2. Absorbtia extrinseca

Absorbtia extrinseca in fibrele optice practice, este cauzata de catre impuritati ce

constituie o sursa majora a pierderilor. Adica in acest caz, se mai spune ca, atenuarea

semnalului este determinata de absorbtia extrinseca. Principalele tipuri de impuritaji in fibrele

optice sunt ionii OH şi ionii metalelor de tranzitie. Impuritatile metalice, astfel ca Fe, Cr,

Ni, Cu, Co, V, Mn, cauzeaza absorbtii intensive in regiunea lungimilor de unda utilizate in

comunicatiile prin fibre optice. Din aceasta cauza concentratiile acestor impuritati nu trebuie

sa intreaca nivelul chiar al unei parti din 109 pentru a mentine pierderile sub valoarea dorita .

In prezent, metodele de purificare a bioxidului de siliciu au fost imbunatatite pana la nivelul

cand impuritatile nu mai prezinta dificultati.

Mecanismul pierderilor in metale este determinat de invelişurile electronice exterioare, care

sunt incomplete. Absorbtia luminii cauzeaza trecerea electronilor de pe un nivel electronic mai

jos pe altul mai inalt. Valorile acestor energii de tranzitie corespund fotonilor a caror frecvente

sunt in regiunea comunicatiilor optice.

Practic, este necesar de minimizat principalul tip de impuritate - ionul hidroxil OH, care

este cauzat de prezenta apei. Este extrem de dificil de a elimina apa din fibra optica pe

parcursul fabricarii. Mecanismul pierderilor cauzat de ionii OH are la baza vibratiile de

extindere. Atomii de oxigen §i hidrogen vibreaza datorita mi5carii termice, avand frecventa

de rezonanta de 2,73 µm. Cu toate ca picul acestei absorbtii este in afara benzii utilizate in

comunicatiile optice, au loc benzi de combinatie a acestor rezonante la lungimile de unda din

diapazonul de la 0,9 µm pana la 1,4 µm.

Varful de absorbtie reprezentat in figura 3 este la aproximativ 1,4 µm §i este extins

datorita prezentei ionilor OH. De mentionat ca acest varf este mai inalt decat cel

reprezentat, fiind de pana la 4 dB/km. Pentru atingerea unor atare rezultate este

necesar ca impuritatea OH sa aiba concentratii mai mici de cateva parti la 10 6 parti. In

7

interiorul regiunii cu pierderi intrinseci joase, doar absorbtia ionilor OH dicteaza care

lungimi de unda trebuie ocolite pentru propagarea eficienta a semnalului .

Defectele atomare contribuie de asemenea, la absorbtia fibrei optice. Aceste defecte pot

fi cauzate de iradiatia sticlei cu electroni.

Fig. 3. Spectrul schematic al atenuarii fibrei optice.

Curba reprezentată prin linie continua reprezintA pierderile totale ale fibrei monomod

moderne din sticla care contine cateva procente de Ge02 in miez, iar curba intrerupta de

sus reprezinta fibra multimod moderna cu indicele gradat. Aceste pierderi descresc pana

aproape de 1,3 µm, ca apoi sa creasca dupa 1,55 µm. Pierderile in fibrele cu continut mare

de bioxid de siliciu sunt de 2,5 dB/km pe kilorad al dozei de radiatie.

Ca rezultat al celor expuse, se poate de separat diapazonul lungimilor de unde utilizate

in comunicatiile prin fibre optice in trei regiuni:

- banda lungimilor de unde scurte;

- banda lungimilor de unde medii si

- banda lungimilor de unde lungi.

Banda lungimilor de unde scurte se afla la aproximativ 0,8 - 0,9 µm. Aceasta banda a

fost utilizata pe scara larga in anii 1970 - 1980, datoritautilizArii surselor optice §i a

detectorilor ieftini, precum si a atenuarii joase .Banda medie a lungimilor de unde se afla in

apropierea a 1,31 µm, care a inceput sa fie utilizatA prin 1985. In zilele noastre aceasta regiune

este atractivA datoritA dispersiei zero a fibrei monomod. Atenuarea este sub valoarea de 0,4

dB/km. Majoritatea sistemelormoderne de comunicatii magistrale functioneaza in aceasta

banda. AT,dB/km

8

3. Atenuatoare optice variabile cu cel mai mic factor

Prezentate ca cele mai mici dispozitive de tipul lor, atenuatoarele optice variabile cu

cristale lichide PolarTune suporta atenuari si reglari de putere in timp real. Eficace atat in

aplicatii dinamice cat si in cele de tip set-and-forget, dispozitivele usureaza migratia retelelor

optice de la proiectare statica catre o proiectare dinamica si catre sisteme configurabile de la

distanta. Disponibile in modelele de 5 si ±12V, dispozitivele au pierderi de insertie sub 0,6dB

si pierderi de polarizare mai mici de 0,1dB pentru un domeniu de atenuare de la 0 la 10 dB si

mai mici de 0,2 dB pentru domeniul de atenuare de la 10 la 20 dB. Dispozitivul functioneaza

cu lungimi de unda de la 1.525 la 1.570nm (banda C) sau de la 1.570 la 1.610nm (banda L).

Dimensiunile carcasei sunt de 12 x 5,5 x 8,3mm pentru dispozitivele de ±12 V, iar pentru

dispozitivele de 5V dimensiunile sunt de 27,5mm (cu IDE) sau 20,0mm (cu ASIC) x 5,5 x

8,7mm (cu IDE) sau 8,2 mm (cu ASIC). Chorum Technologies Richardson

4. Imbinarile fibrelor

Imbinarea fibrei optice este o conexiune permanenta cu pierderi joase intre doua fibre

individuale. Proiectarea sistemului inainteaza anumite cerinte fatra de proprietatile optice ale

conexiunilor fibrelor (astfel ca pierderile joase), fapt ce poate fi satisfacut prin utilizarea

anume a imbinarilor fibrelor.

Acestea de asemenea permit repararea fibrelor optice deteriorate pe parcursul instalarii,

tensionarilor, a accidentelor, precum şi a rearanjarii retelelor. Insa, cel mai frecvent

imbinarile fibrei se folosesc pe parcursul instalarii legaturilor magistrale prin fibre

optice in locurile unde nu este necesara.

Astfel se obtin urmatoarele reiatii circa aproximartiv „plaj datorate nealineerilor dintre

cele doua fre’’

Daca suprafetele terminale ale fibrei nu sint pe pendiculare pe asa optice, ceea ee se

intimpla --afrecvent la prelncrarea for grin rupere decit la prelucrarea prin sirfuire, apare o

atenuare suplimentar datorita modifică:rii unghiului ? cu o cantitate undo y este abaterea

unghiulard cie neperpendicularitate produsa la capatul fibrei, n este indicele de refractie al

fibrei, no indicele de refractie al mediului de separatie. Jaca n = no atenuarea suplimentara

9

se anuleaza. Pentru un set de valvri reprezentative ale fibrelor cuplate, (7 = 20 µm, A,, - 0,2

se obtin atenuari de nealineere de 0,2 dB, fie Jaca d = 1.5 ;em, fie dace n = G,5° dace sau

s ---= 7 am.)De fapt aceste nealineeri sent greu de evitat practic intr-un cuplaj optic; aceasta

explica limpede ce probleme deosebite se ridica la executia unui cuplaj on atenuare redusa,

in special in cnplajele demontabile, in comparatie on imbinarile permanente, deoarece o

actionare repetata poate introduce atenuari de valori diferite.

5. Structuri constructive a conectorilor opticii

Constructia conectorilor optici, folositi in cuplarca unor manuncniuri de fibre optice (cu

diametrul mare, de peste 0.5 mm) nu a-r dicat pine acum probleme deosebite intrucit

tolerantele mecanice impuse unor astfel de conectnri, de ordinul zecin:ilor de milimetru, s- ,

obtineau u<or prin tehnologia folosita in realizarca conectorilor electrici traditicnali (BNC, TNC,

SMA). Trebuia numai sa se evite frecarea capeteior fibrelor ce se cupleaza, asigurindu-se totusi

o distanta sufficient de mica intro acestea, astfel ca pierderile prin difractie i nealineere sa se

incadreze in valoarea admisa, de circa 0,2 dB. Pentru un manunchi de fibre cu diametrul de

1 mm o separatie de 100 um dintre capetele color doua cabluri asigura toleranta permisa.

Pierderile totale in acesti cuplori standard se incadreaza de regula intro 2,5 si 3,5 dB. Se

poate vedea un capat de cablu optic, fixat cu ajutorul unei rasini siliconice intr-un conector-

stecar clasic, tip SMA, folosit de regula la cuplarea cablurilor coaxiale de diametru mic.

Alaturi de cablul optic se prezinta un':fotodetector fixat in conectoruY-prize corespnryra`tor

SMA, prin interinediul caruia se poate cupla cu Cablul optic.

Îmbinarea permanenta sau demontabila a-fibrelor optice individuale este mult mai greu

de realizat, tinind seamy de tolerantele micepermise in cuplaj. Cu toate acestea se realizeaza

curent imbinari cu atenuari sub 0,5 dB.Polisterul mentine stabilitatea dimensionala a cablului,

avind o temperatura de topire mai ridicata decit polietilenul. Polietilenul este in schimb

usor de prelucrat termic si la o anumita temperatura si presiune se poate mula in jurul fiecarei

fibre optice, ca in figura.Rezistenta mecanica a acestei panglici optice, numite LAIVIFIR,

depinde de numarul de fibre optice; ea creste odata cu acest numar.

10

Fig.5 Structura plat bandă de cablu optic de tip LANDFIR

a)Cablu realizat pe acest fir

Proprietatile sale optice depind in principal de valoarea raportului tJd, in care r

este distanta dintre centrii fibrelor si d diametrul acestora; ele scad cu cresterea acestui

raport. Daca t/d < 1,3 iar AN = 0,15, pierderile suplime.aare de radiatie introduse de acest

tip de structura se mentin sub 2 dB/km.

Cu o banda din fibre optice ca cea din figura 5 se pot confectiona usor cabluri optice de

mare rezistenta folosite in legaturile telefonice la distanta. S-a realizat astfel o legatura

subterana pe cablu optic cu atenuarea sub 10 dB/km, pe distanta de peste 1 km. Cablul optic

putea suporta o greutate de 2,4 tone pe metru (lungime) §i o forta de tensionare de 400 kgf,

la o raza minima de curbura de 30 cm. Elementul optic util in constituia o platbanda din cel

mutt 12 fibre optice infasurate elicoidal in jurul unei bare din plastic, in interiorul unui-sant

din aceasta banda, asa cum se observa in figura 2.18 b. Raza minima de infasurare era de cel

putin de 7,5 cm; inalj=imea minima a;Rktbenzii a fost de 6 mm. Acest ansamblu era

antrodus intr-un tub d alummitxcu diametrul de 1,9 cm, acoperit cu ' a camasak inferna

dir~~olieti,len. Peste aceasta camasa s-a bobinat o alta cama,5a din fir de o jel, acopen

in final cu o cama§a externa, tot din"polie01en. Diametrul Aterior-al cablulu

6. Cuplaje, imbinari, conectori

Atenuari in cuplajele unui sistem de comunicatii prin fibre optice

Asa cum s-a mentionat la inceputul lucrarii, intr-un sistem de comunicatii prin fibre

optice exista trei tipuri deosebite de cuplaje in care pot aparea atenuari suplimentare ale

radiatiei: cuplajul de intrare, dintre sursa• de radiatie (o dioda luminescenta sau o dioda laser)

si cablul optic, cup{aje intermediare intre diverse segmente de cablu optic, numite de regula

11

imbinari si in sfirsit cuplajul de iesire, dintre cablul optic şi fotodetectorul receptor. '

In aceste puncte de cuplaj radiatia sufera atenuari caracterizate de relatia generala:

unde Pi este puterea radiatiei la intrarea in cuplaj, iar P2 este puterea radiatiei luminoase la

iesirea din cuplaj. Atenuarea totala a radiatiei in canalul optic de comunicatii se va calcula

atunci cu relatia generala:

a 1' - aF 1 al + aE + N - ac (2.2)

unde L este lungimea fibrei, in km, aF este atenuarea specifica a fibrei optice in dB/km, a,

si a$ sint atenuarile in cuplajul de intrare si respectiv de iesire din cablua optic, iar N§i a, sint

numarul de cuplaje intermediare ~i respectiv atenuarea medie in aceste cuplaje~.

6.1 Atennari in cuplajul de intrare

Exista cinci cornponente principale ale atenuarii unei radiatii incidente in cuplajul de

intrare in fibra optica. Ele sint reprezentate in figura 6

.

Fig.6 Principalele componente ale atenuării ra,diatie%;

Fn cuplajul de intrare in cablul optic

Radiaţia neinterceptata reprezinta portiunea- din- puterea sursei ce nu ajunge la capatul

manunchiului de fibrese concentreaza in stratul exterior din borat de sodiu, care se departează

în aceasta prima etapa impuritaiţiile metalelor de tranzitie, Fe, Cu etc.care moleculele de

borat de sodiu se separa de structura din silica (Si02)600°C, timp de citeva ore, obtinindu-

se o stare cristalina bifazica inbomsilicat de sodiu, este mai intii tratata termic la o

temperatura destandard in forma de bare, . Bara cilindrica, de exemplu dinIn procedeul

cusepararea fazelor se folosesc de regula sticle- opticeporoasa, asemanatoare cu cea a

preformei obtinute prin metode DESV,Inainte de sinterizare. Bara este apoi impregnata

intr-o solutie saturatede exemplu CsN08i si apoi spalata, ob(:inindu-se o suprafata

exterioară a fibrei. In continuare, bara din Si02 este uscata prin suflare de gazeregiunea

exterioaa, saraca in dopant, va constitui in final învelişul barei din care se va trage In

continuare miezul fibrei optice, pe cind saraca In dopant (Cs) ; dopantul ridica indicele de 12

refractie din interiorull rent!, ca In tehnologia DCSV. In final, fibra optica este trasa la

tempeinerte si sinterizata termic, obtinîndu-se un lingou de silica transparentă si de

dimensiunile mici ale preformei oblinute.dopant.deanare, puritate chimice, de numărul

mare de etape ale proceavantaje. Caracteristicile principale ale procedeului sunt dotate în

numeroase Iaboratoare ; s-a trecut deja la o produc{ie limi ratura ridieati prin- tehnica

cunoscuta. Metoda expusa aici este in stu descreste, in general, cu cre*terea lungimii de

unda. Din aceasta cauza un lucru important il constituie alegerea lungimii de unda de

lucru a fibrei optice. Exista doua regiuni spectrale in care-fibrele optice actuale

Fig.7 Atenuare redusa, asa cum se poate vedea

Ele corespund domeniilor spectrale de emisie ale diodelor laser GaAs-GaAIAs, intre

800-900 nm şi laserilor semiconductori cu InGaAsP, pentru X = 1100 ... 1300 nm. Lucrind -

cu surse laser care emit radiatie apropiata de ultraviolet (sub 500 nm) atenuarea cre§te mult ca

urmare a difuziei Rayleigh ,şi absorbiriei in ultraviolet,

Lucrind cu radiatie in infrarosul apropiat,incidicele de absorbţie cu maximul de 2700 .

nm. Intre 700 si00 nm, o crestere a atenuarii peste 2 dB/km se datoreste numai asorbtiei in

ionii OH. Eliminarea moleculelor reziduale de apa duc la scaderea absprbtiei si difuziei

diametrul miezului de 1,18 µm si un indice diferenta 0= 0,001 (daca lungimea de unda a

radiatiei incidente este ~= 0,63 ~tm) se obtin coefi

cientii Ci z 104; C2 -_ 100,

80100 10 4 60 80100

d miez (}um) d m iez ( um 1

Variatia raportului dintre diametrul inveli~ului curbur5. si a cimpului in diametrul miezului

unei fibre optice pentrn diferite .

Pentru o curba de raza R=0,18 m rezulta x, = 8,68 dB/km. DubJfnd raza de curbura;-

a; descreste de 6,5 • 10' ori, ceea ce face atenuarea practic neglijabiia:13

In concluzie, pentru A > 0,001, atenuarile induse de curbarea fibrelor optice sint

neglijabile, atunci cind raza de curbura depasqte 1 cm, (1.33].

7. Radiatia extern 4 .0"diafonia optica

In procesul de propagare IrTadiatiei printr-o fibra optica o parte a radiatiei se propaga

in inveliş în acelasi timp, o parte fnsemnata a radiatiei difuzate in miez este cantata de

inveli§ unde sufera efecte de pentru rare trebuie luate in consideratie atenuare. Acesta este

motivul, atit atenuarile radiatici in invelis`, cit şi pierderile de radiatie in exteriorul fibrei

optice.Pierderile externe de radiatie se i'educ prin depunerea pe suprafata fibrei optice a

unui strat subtiie alisorbailt, antireflex. Acest lucru va produce atenuarea prin absnrbtie a

unei ;iarti a radiatiei, dar va impiedica difuzia radiatiei in exterior §i dia#om>le, optice cu

alte fibre optic e alaturate.ca se pot redire . ~' stfel la minimum, diafoniile

Se va propaga 3n învelis. Totusi, pentru reducerea optică introduse de radiatia ce se

cerea pierderilor prin absorbtia supbiilend era datorate depunerii absorbtiei corespunzatoare

grosimii bandei ce se prefera; in general o dimensloflare fnvelisului.

Fig.9 Variaţia raportului dintre înveliş şi radiaţia de curbură a cîmpului în fibra optică

Astfel, pentru fibrele nMi.ttfMod, fn figura 9 se dau indicatii cantitative asupra alegerii'

raportului F dmtre diametrul 19 .astfel, curbele de variatie a diametrilor pentru dnua valori

ale lungimii de unda a radiatiei ineidente, X= 1060 nm si X = 900 nm. Criterjul de alegere

al diametrului fnvelisului cere ca. 90% din radiatia incidenta sa aiba pierderi externe ai.mici

de 1 dB/km, ca urmare a absorbtiei sau difuziei radialiei in invelis.

De exemplu, pentru un diametru al in~elisului de 100 ~m si 0= 0,02, din fig. 1.34 se

14

gase~te pentru X = 900m nm un raport al diametrilor, d/2d = 1,33, din care rezulta

grosimea invelisului 12 µli~ si diametrul iniezului, 2a, de 75 µm.

In final, trebiiie mentionat ca pot aparea atenuari ale radiatiei in invelis, produse

de :diferenta dintre coeficientii de atenuare prin absorbtie. Se tie ca nu s~ pot obtine indici

de refractie diferiti, intre inveliş şi miez, decft printr-o compozitie diferita a materialului

dielectric. De aceea defineste un coeficient echivalent de atenuaye al fibrei optice:unde am si

a; sint coeficientii de atenuare ai miezului, respectiv al invelisului, AN este apertura

numerica, a este raza miezului si k este numarul de unda al radiatiei incidente,

Deoarece' fn mare parte radiatia se propaga prin ,miezul fibrei optice, atenuarea totala a

- ionul Cu2 cu conccntratia 2,5 X 10-9 (cm--3), prcduce aceea ;i atenuare ;

- ionul Fe2t cu concentratia 1 X 10-e (cm 3), produce aceeasi atenuare ;

- ionul Cr3+ cu concentratia I X 10'9 (cm 3), produce aceeasi atenuare.

Pentru a area o atenuare redusa a radiatici laser incidente este deci necesara o mare

puritate a sticlei optice. Au fost realizate, de exemplum fibre optice unimod cu atenuari prin

absorbtie de numai 0,3 ... 0,5 dT3f Lm.

8. Difuzia materială

Radiatia laser sufera intr-o fibra optica diverse procese de difuzie pasn'a sau activa

incluzind difuzia Rayleigh, difuzia 117ie, difuzia Rarnata stin-n--lata si difuzia Brillouin

stimulata.Difuzia Rayleigh este prezenta in toate tipurile de fibre optice.Coeficicntul de

atenuare prin difuzie Rayleigh nu depinde de intensi tatea cimpului de radiatie incident. Ea

poate fi produsa de difercnte de cempozitie si densitate, de separatii de faza etc. coeficientul

de atenuare prin difuzie Rayleigh variaza proportio nal cu ;. 0 sticla optica buna duce la

atenuari prin difuzie Radiatiei h mai mici de 0,9 dB/km, pentru lungimea de unda de 1 µm.

Difuzia Rayleigh apare atit in miez, cit si in invelisul fibrei o)-L:ce,

9.Consideratii practice asupra atenuarii s i radiatiei in fibrele optice

S-a văzut ca atenuarea radiaiiei laser in fibrele optiee se explica fn principal prin,

fenomenele de absorbjie si difuzie. Absoikia se datoiFeste ionilor de impuritati prezenti.m

15

materialul fibrei optice, constind l din ioni metalici si=ioni: OH-. Procedeele actuale.-de

fabriuatie a stictei ,optice permit reducerea continutului de impuritaii metaltCe din fibra

optica. Atenuarea prin difuzie este îndeosebi consecinta fluctuaţiilor teimice si

neomogemtatilor de constructie si de material al fibrei optice. Difuzia este dependenta de

lungimea de unda a radiatiei incidente si necesita puteri de radialie incidente ridicate,

aceste efecte nelineare introduc o limitare superioara a niyelului de putere al

fasciculului laser incident.Orice fibra optica va,radia in exterior;daca nu este rectilinie.

Deoarece cimpul electric. din inveliose extinde spre valori mari ale lui x, aceasta

implica o arestere a vitezei de grup a undelor ,electromagnetice pe direclia de propagare,

unde Cl si C2 sint constante independente de raza de curburA. Distribulia exppneut.14A a:

coefieieutul4 de atenuare ; Schema practic: ca poate lua valori extrem de diferite pentru

variţlii. mici ale razei de curbura R. De exemplu, considerind o fibra optica subti:re, cu In

figura 1.30 se observa cuiba cunoscuta ; pentru la = 0, x=«Dp dispersia este minima si creste

rapid daca diferenta ja- aoD; se mare;. Pentru profilurile cu depresiune, valoarea lui a nu

mai cste atit de

Fig.10 Creşterea totală în fibra optică gradată

critica, de;i <-a creste in valoare absoluta. Punctul de dispersie minima, «,V,cind h creste.

Acest lucru poate fi explicat fizic prin faptul ca mcciurile de ordin mic, care se propaga in

apropierea axei fibrei, sint afectate puternic de depresiune,,iar timpul de propagare de

grup scade cind h creste, deoarece -, 9 este direct proportional cu n. :4Sodurile de ordin

ridicat care se propaga pe raze mai mari vor fi afectate prin cresterea razei depresiunii. Din

exanunarea raspunsului in impuls rezulta consideratii asupra prezentei si caracteristicilor

depresiunii mdicelui de refractie. S-a constatat ca prezenta acesteia medifica indeosebi

16

frontul anterior, crqterea lui h ducind la marirea acestuia.

10. Mecanismul de atenuare a radiaţiei in fibra optică

Un fascicul de radiaţie laser care se propagă printr-o fibră optică sufera o atenuare

datorita in general fenomenelor de absorbţie, difuzie şi difuzie stimulată. Alte fenomene de

atenuare sunt specifice fibrei optice, ca de exemplu difuzia in înveliş şi efectul de radiaţie

dintr-o serie de factori ca imperfectiunile macroscopice ale materialului dielectric

aparute in timpul tragerii fibrelor optice si fabricarii cablurilor optice dintr-un manunchi

de astfel de fibre, neregularitatile fibrei la suprafata dintre miez si invelis, grosimea

insuficienta a invelisului, microdeformari ale sectiunii fibrei, mici, dar numeroase, intro

duse in timpul cablarii, cuplari imperfecte intre fibre etc. pot produce atenua.ri

uplimentare si trebuie evitati cit mai mult posibil. Atenuarea radiatiei laser in fibra optica

este data indeosebi de:

- absorbtia materiala in fibra optica ;

- difuzia materlala ;

- difuzia geometrica a ghidului de unda ;

- radiatia de curbura a fibrei optice ;

- radiaiia externa si diafonia cptica.

11. Absorbtia materiala in fibra optică

Absorblia materiala este principalul fenomen de atenuare a radiatiei laser in fibrele

optice. Aceasta se produce datorita benzilor de absorbtie ale ionilor de impuritati existenti

in fibra optică. Astfel, in sticla_optica sau cuartul din care este confectionata fibra optica se

gasesc numerosi Ioni metalici care au benzi de absorbtie in domeniul spectral 500-1000 nm!.

In figura 11 se pot vedea aceste berizi pentru ionii Cr3+, Cu2+ şi 1,e2+. Se observa ca

intensitatea de absorbtie a acestor benzi depinde conţinutul in impuritaţile fibrei optice.

Totodata, numarul de electroni de valenţă al ionilor metalici inlfluenteaza lungimea de

unda maximă de absorbtie, ca si forma benzii de absorbtie a radiatiei incidente. De

exemplu, Crs+ produce un maxim de absorbtie la o lungime de unda. a radiatiei incidente

de 700 nm. Prin urmare, procesul de fabricatie al sticlei optice poate influenta mult

17

atenuarea prin obsorbţie a radiatiei transmise prin fibra (M Q9 nA(Wn) optica. 0 absorbtie

puternică de consecinta a ionilor OH-, produşi,de incluzlunlle Cu ,- Fig. 12 - Atenuarea prin

vapori de absorbtie,unor ioni in sticla Optice se poate.:vedea tot in figtu2tt`;1c32,; : unde - -doua

virfuri de absorbtie pentru X- 950 nm; yşi X = 720 nm, dar are, maximul de absorbţie la 2,7

µm.Curhele de absorbtie din figtira 12 sint ridicate cu concentraţiile ?0nice date mai jos, r-ionul

, OH- cu concentraţia 1,25 X 10-6 (cm 3).

Fig 12 Cadere pe suprafata inactiva

Aceasta corespunde unei atenuari numite de imbackeiczre. Puterea care ajunge totusi in

acea activa c, (miezul) estc supusa unei atenuari suplimerităre ci datorita unghiului de

acceptare limitat al fibrei optice, cu alte aperte a atenuării nerice a acesteia. De asernenea,

o parte din aceasta împrăstiere (care este acceptata teoretic de fibra) se pierde prin

reflexii r1 canel la suprafaţa: de separatie miez/aer (mediul ambiant). Exista o serie care

produc atenuari suplimentare, de valoare Mica, care totusi tinde la crearea randamentul

cuplajului,dintre care se îtîlntesc lustruirea imperfecta a capetelor fibrei si ruperea unor capete.

Aceste componente sint grupate toate in categoria diverselor atenuari de valoare rednsa.

12. Radiatia neinterceptată

Radiatia incidentă care nu cade pe capatul manulichiului de fibre optice este

evident pierduta. Figura 13 prezinta schematic situatia in care spotul produs este sursa

in planul de intrare in fihra este mai mare decit sectiun<<< cablului optic.

18

dbdd miirimea spotului de

-lectroluminiscentb iluminare in planul

( D E L) terminal al cablului

Fig13 - Pierderi prin radiatie neinterceptata in sectiunea de intrare a cablului optic

Daca intensitatea radiatiei este aceeasi pe toata suprafata iluminata, atunci raportul

dintre suprafata manunchiuiui de fibre si suprafaţa iluminată de catre sursa va da

fractiunea din putere interceptata de cablului optic. Din pacate, intensitatea radiatiei

nu este de regula aceeasi pe toata suprafata spotului (distributie neuniforma) iar

atenuarea prin neinterceptare este mai greu de calculat. Toti producatorii de surse optice

dau de regula si caracteristica de radiatie a acestor surse (numite, caracteristică

unglatiular de radiatie), iar unii dau fractiunea de radiatie emisa intr-un con de unghi

solid, dat. Aceste date, impreuna cu caracteristicile opticii de intrare (daca exista) si

cu datele despre fibra sinf utilizate in calculul numeric sau grafic (cu ajutorul-

nomogramelor, radiaţiei interceptate in fibra optica, tinind cont si de distanţa dintre

sursa si fibră. Ecuatia generala a atenuarilor de acest tip este data de raportul dintre

puterea ce ajunge ia intrarea in fibra, 'Pi, si puterea emisa de sursa Pe:

13 .Fractiunea de impachetare

In figura 15 se observa capatui unui cablu optic. Se constata ca toata radiatia incidenta

care cade in interiorul sectiunii circulare a acestui manunchi, dar nu pe suprafata

miezurilor fibrelor optice, se pierde. Se defineste, din acest motiv, drept fractiunede

irnbachetare, FI, raportul dintre suprafata totala a miezurilor fibrelor optice din

manunchi si suprafata sectiunii circulare a cablului optic , continuta in interiorul mantalei de

protectie a cablului:19

(FI ) =Am/Ac,

Fig. 15 - Sectiunea de intrare a unui cablu optic multifilar; radiatia care cade

în afara miiezului fibrei se pierde prin fractiunea de impachetare

unde Am; este suprafata totala a miezuriior fibrelor optice din cablu, iar Ac, este

sectiunea interioarl a cablului optic.Este evident, din aceasta definitie ca in cazui cind

grosimea invelisului este nula, fractiunea de impaehetare (FI) nu va atinge unitatea,

datorita spatiului existent intre fibrele optice. Valoarea teoretica maxima

in acest caz este 0,91. Pierderile exprimate in decibeli, datorate FI, se calculeaza cu

14. Diverse atenuări de valoare redusă

Aceasta categorie de atenuari include orice atenuare de valoare redusa datorata lustruirii

imperfecte a capatului fibrei optice, ruperilor accidentale de fibre la capete, absorbtiei in

lentilele de intrare, depunerilor superficiale de impuritati pe capetele fibrelor abaterilor de

alineere. Primele doua tipuri de atenuare sint incluse de regula in atenuarea specifică de

transmisie a fibrei optice, mentionată de catre fabricant in datele de catalog ale fibrei, in

cazul cind tenninalele cablului optic format dintr-un manunchi de fibre optice sint

montate de catre acesta. Daca aceste terminale sint montate de catre utilizator, trebuie sa se

tina seama de atenuarile datorate unor ruperi accidentale de -capete ale fibrelor si lustruirea

imperfecta, la acelasi nivel a intregului manunchi. Absorbtiile in lentile sint principiu in

putin importante, cu exceptia cazului lentilelor din material epoxidic care distorsioneaza in

cazul unei lipiri sau montari defectuoase in sistemul lor de prindere.

De aceea, proiectantul de sistem trebuie sa includa in calcul o mica aternuare

suplimentara. Exista, de asemenea, posibilitatea aparitiei unor depuneri de impuritati,

umezeala pe capetele fibrelor in anumite medii ambiante ceea ce poate provoca atenuari

suplimentare, deoarece orice tip de cuplaj implica o alineere mecanica cu un dispozitiv de.

20

precizie, a1e- carui tolerante sint inerente, trebuie-inclusa in calcul si o atenuare (de valoare

redusă)datorată nealinierei.În finalul acestui paragraf, se poate conchide ca valoarea

atenuari din cuplajul de intrare depinde atit de caracteristicile cablului optic utilizat, cit

si de sursa de radiatie aleasa. Alegerea sursei, DEL sau dioda laser, influenteaza, in mare

masura valoarea puterii optice cuplate in fibra şi este factorul determinat in orice sistem de

comunicatii prin fibre optice. Luind, de exemplu, o dioda emitătoare de lumina si o

diodi laser cu puteri de emisie identice, dioda laser va permite cuplarea unei puteri mai mari

in cablul optic, datorita divergentei mult mai reduse a fasciculului de radiatie emis de

catre dioda, cit si suprafetei sale mici de emisie. Din acest motiv radiatia emisa de catre

o dioda laser poate fi focalizata in miezul unei singure fibre optice, deci intr-un cablu optic

unifilar, multimod sau unimod, pe cind radiatia emisa de catre o DEL nu poate fi cuplata

decit la un cablu optic multifilar, multimodal. Ca principale metode de cuplaj la intrare sint

de retinut, prin urmare, cuplajul direct, schitat in fig. 16 a, cuplajul sursei prin intermediul

unei lentile confectionate dintr-un segment de fibra optica cu profil Parabolic (lentila Sc/foc),

ca in fig. 16 b, cuplajul prin intermediul unei lentile sferice sau cilindrice (in cazul unei

diode laser cu fascicul asimetric de emisie), schitat in figura 16 c si, in fine, cuplajul cu două

lentile, una cilindrica si alta sferica (folosit tot in cazul unei diode laser, din fig. 16 d).

Valorile reprezentative ale atenuarii radiatiei in aceste tipuri de cuplaje se

situeazala 6,5 dB, in cazul cuplarii directe, sau prin intermediul unei lentile Selfoc si

respectiv 4 dB ircazul cuplarii cu doua lentile, ca in figura16., Se obtin totusi atenuari

reduse,sub 2dB, in cazul cuplarii diodelor laser prin intermediul unor microlentile cilindrice, o

metoda practica, eficienta si larg raspinditain ultimii ani reduce problema cuplajului de

intrare la problema imbinarii a .doua segmentede cablu. In acest caz, fabricantul livreaza

sursa de radiatie gata cuplata si alineata cu un segment de cablu optic cu - lungimea decitiva

centimetri.

Fiecare dintre componentele atenuarii radiatiei in cuplajul de iesire din cablul optic este

asemanatoare cu cele de la intrare.Atenuarea prin apertura numerica la iesire apare numai in

cazul folosirii fotodetectorilor cu lentila, in care caz trebuie luata in calcul apertura numerica a

lentilei. In figura 18 apare o sectiune printr-un astfel de detector cu lentila sferica plan-

convetia.Se observa ca radiatia incidenta pe lentilă in interiorul unui con cu deschidere 0 va fi

focalizata pe suprafata fotosensibila. Orice radiatie ce intră sub un unghi mai mare decit 0 va

21

cadea in afara detectorului. Deci, un sistem cu lentile în care detectorul este plasat in focarul

lentilei (la o distanta, f, de planul acesteia) are un semiunghi de acceptare maxim, 0, similar cu

cel al sistemului optic.

Nu toti detectorii sint prevazuti cu lentile plan-convexe. Unii folosesc un sistem optic cu

lentina biconvexa care permite cresterea aperturii numerice a fotodetectorului pentru u:

diametru fix al sursei de radiatie.

Acest tip de interfata se observa in figura 18. Un cablu plasat in focarul fl emite radiatia

focalizata de catre lentila in focarul f2, pe

Fig. 18 - Atenuarea radiajiei prin apertură numerică in

fotodetectorul cu lentilă convexă

Suprafata fotodetectorului. Imaginea din acest plan va fi marită sau micsorată, faţa de

spotul din planul fibrei optice, in functie de raportul dintre distantele focale ale lentilei. Pentru

a calcula valoarea atenuarii datorate aperturii numerice se poate deduce o expresie analitica

puterii incidente pe fotodetector in functie de unghiul 0. Un calcul exact şi precis este greu de

facut, deoarece aşa cum s-a mai aratat unghiul de emisie al cablului optic depinde de numerosi

factori (sursa si fibra) si poate fi doar aproximat cu unghiul de acceptare al fibrei optice.

Lentila de cuplaj

Fig. 19 Cuplarea radiaţiei în fotodiodă cu lentilă biconvexă

22

Luînd acest caz, care este de fapt cel mai defavorabil, vom deduce o relatie simpla de calcul

a atenuarii prin apertura numerica a lentilei de receptie, daca 0 este semiunghiul de emisie

al fibrei şi a semiunghiul de acceptare al sistemtilui optic de receptie.

Puterea continuta in acest unghi (0) se va scrie:

si deci atenuarea prin apertur.It numerica la iesire va fi:

Concluzie:

Valorile reprezentative ale atenuarii radiatiei in aceste tipuri de cuplaje se situeaza

la 6,5 dB, in cazul cuplarii directe, sau prin intermediul unei lentile Selfoc si respectiv 4 dB in

cazul cuplarii cu doua lentile. Se obtin totusi atenuari reduse,sub 2dB, in cazul cuplarii

diodelor laser prin intermediul unor microlentile cilindrice, o metoda practica, eficienta si larg

raspinditain ultimii ani reduce problema cuplajului de intrare la problema imbinarii a .doua

segmentede cablu.

Bibliografia utilizată23

-www.site.uottawa.ca/-jpyao/courses/ELG4173 files/LECT2.PDF 19. F. Fontaine,

Optical Fibers, Module 4, Lecture notes,

Propagations in optical fibers, 1996,

-www.cooper.edu/engineering/projects/gateway/ee/solidmat/modlec4/ modlec4.htm1

C1.R. Niculescu, I.M. losif, "Initiere in comunicatiile prin fibre optice", Editura Tehnice,

Bucuresti. (1982). p. 1-247.

-www.Google.md.Atenuatoare

24