Τηλεπικοινωνιακά Συστήµατα Οπτικών Ινών

Transcript

1 1

2 Τηλεπικοινωνιακά Συστήµατα Οπτικών Ινών ιαµορφω-τής Ηλεκτρικό Σήµα Ποµπός Οπτικός Ενισχυτής Η βασική διάταξη ενός τηλεπικοινωνιακού συστήµατος οπτικών ινών περιλαµβάνει: τον οπτικό ποµπό την οπτική ίνα, και τον οπτικό δέκτη Ο οπτικός ποµπός αποτελείται από: τον διαµορφωτή που διαµορφώνει τη φέρουσα συχνότητα σύµφωνα µε το σήµα, και τον οπτικό ενισχυτή µετατρέπει το ηλεκτρικό σήµα που δέχεται σε οπτικό κατάλληλης µορφής και ισχύος για να µεταδοθεί χωρίς προβλήµατα µέσω της οπτικής ίνας στον οπτικό δέκτη. Ο οπτικός δέκτης αποτελείται από: έναν ανιχνευτή φωτός, συνήθως µια φωτοδίοδο που µετατρέπει το οπτικό σήµα σε ηλεκτρικό τον αποδιαµορφωτή για τον διαχωρισµό της πληροφορίας από το φέρον, και τον ενισχυτή. Το οπτικό Φάσµα Οπτικό Σήµα Οπτική Ίνα Φωτοδίοδος έκτης Αποδιαµορφωτής -Ενισχυτής Ηλεκτρικό Σήµα Το οπτικό φάσµα αποτελεί µέρος του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος που φαίνεται στο παρακάτω σχήµα. Σήµερα τα οπτικά συστήµατα χρησιµοποιούν το τµήµα του φάσµατος µεταξύ και Hz. Στην πράξη στα οπτικά συστήµατα δεν µιλάµε για συχνότητα λειτουργίας αλλά για µήκος κύµατος. Έτσι όπως φαίνεται και από τον πίνακα, τα οπτικά συστήµατα λειτουργούν σε µήκη κύµατος nm. Το ορατό φάσµα είναι: 400 nm-800 nm.

3 ΟΠΤΙΚΟ ΦΑΣΜΑ Το οπτικό µήκος κύµατος λ ορίζεται µε τη σχέση: ταχύτητα φωτός C λ = = συχνότητα f Πρόβληµα: Σε ένα οπτικό φορέα 500 THz (=10 1 Hz) θα είναι: Πλεονεκτήµατα Οπτικών Ινών m / s 7 λ = = 6 10 m = 0, 6 µ m Ηz Η µετάδοση των ηλεκτρικών σηµάτων γίνονταν στο πρόσφατο παρελθόν αποκλειστικά µε τη χρήση µεταλλικών αγωγών ή διαµέσου της ατµόσφαιρας. Τα τελευταία τριάντα περίπου χρόνια η δυνατότητα µετάδοσης πληροφοριών µέσω οπτικών ινών, προσέφερε στους σχεδιαστές-µηχανικούς µια τρίτη επιλογή µε αρκετά πλεονεκτήµατα. Ο Άλµπερτ Αϊνστάιν επαλήθευσε ότι το φως ταξιδεύει στο διάστηµα µε κβαντική µορφή και συγκεκριµένα µε τη µορφή ενεργειακών σωµατιδίων που ονόµασε φωτόνια. Τα φωτόνια µπορούν να περάσουν διαµέσου του κενού, του διαστήµατος, των αερίων, του νερού, του γυαλιού ή και του πλαστικού, σύµφωνα µε τη θεωρία αυτή. Το γυαλί και το πλαστικό είναι τα κύρια στοιχεία που χρησιµοποιούνται στην κατασκευή οπτικών ινών. Καθώς τα υλικά αυτά είναι αγωγοί φωτονίων και µπορούν να οδηγήσουν το φως σε συγκεκριµένη και επιθυµητή κατεύθυνση αφού περιβληθούν µε εξωτερικό µανδύα για να αποτραπεί η διάχυση του φωτός. Το µεγάλο πρόβληµα που αντιµετώπισαν αρχικά οι κατασκευαστές οπτικών ινών ήταν το µεγάλο ποσοστό εξασθένισης του φωτός µέσα στην ίνα. Στην αρχή το φως εξασθενούσε κατά 90% µετά από τα πρώτα 10 µέτρα. Μετά από προσπάθειες έφτασαν το 1966 να αυξήσουν την απόσταση αυτή στα 500 m. Σήµερα η απόσταση αυτή έχει ξεπεράσει, για καλής ποιότητας οπτική ίνα, την απόσταση των 50 km. Τα καλώδια, οπτικών ινών είναι πιo ανθεκτικά από τα καλώδια χαλκού του ίδιου µεγέθους. Επιπλέον, οι οπτικές ίνες υπερτερούν έναντι του χαλκού ως προς το βάρος (σηµαντικός παράγων σε πλοία αεροπλάνα), το µέγεθος, την ανθεκτικότητα στις καιρικές συνθήκες και αντέχουν περισσότερο στη διάβρωση των περισσότερων υγρών. 3

4 Τουλάχιστον φωνητικά σήµατα µπορούν να µεταδοθούν µέσω µιας οπτικής ίνας διαµέτρου 1 mm. Την ίδια στιγµή, ένα χάλκινο καλώδιο αποτελούµενο από 900 ζεύγη συρµάτων µπορεί να µεταδώσει µόνο φωνητικά σήµατα. Επιγραµµατικά σαν πλεονεκτήµατα των οπτικών ινών µπορεί να αναφερθούν τα παρακάτω: 1. Παρουσιάζουν πολύ µικρή ευαισθησία στις ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές και στο φαινόµενο των διασταυρωµένων συνοµιλιών.. Αντέχουν σε υγρά, αλλά και στη ραδιενεργό ακτινοβολία. 3. Έχουν µικρό βάρος και µέγεθος. 4. Παρουσιάζουν µεγαλύτερο εύρος ζώνης συχνοτήτων. 5. εν είναι επικίνδυνες για περιοχές µε εύφλεκτα υλικά. 6. Απαιτούν λιγότερους αναµεταδότες. 7. εν επηρεάζεται σηµαντικά η λειτουργία τους από τις µεγάλες θερµοκρασίες. 8. εν υπάρχει πιθανότητα διαρροής σήµατος στις συνδέσεις. 9. Έχουν µεγάλη µηχανική αντοχή. Στον παρακάτω πίνακα συγκρίνονται τα χαρακτηριστικά τριών τύπων καλωδίων. Ιδιότητες Χάλκινο Ζεύγος Οµοαξονικό Οπτική Ίνα Αντοχή στις ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές και στον θόρυβο Όχι Όχι Ναι Απόλυτη ηλεκτρική µόνωση µεταξύ ποµπού-δέκτη Όχι Όχι Ναι Υψηλή ασφάλεια µετάδοσης της πληροφορίας Όχι Όχι Ναι Καθόλου διασταυρωµένες συνοµιλίες Όχι Όχι Ναι Ανυπαρξία κινδύνου από σπινθηρισµό και φωτιά Όχι Όχι Ναι Αντοχή σε θερµοκρασίες µέχρι Όχι Όχι Ναι Εύρος ζώνης συχνοτήτων> 1GHz (τεράστια χωρητικότητα πληροφοριών) Όχι Όχι Ναι Ένα από τα µειονέκτηµα των καλωδίων οπτικών ινών είναι ότι δεν µπορούν να τυλιχθούν εύκολα µε µονωτική ταινία όταν για παράδειγµα πρέπει να γίνει µία σύνδεση µε καλή αγωγιµότητα και µόνωση. Ακόµη δεν έχουν τυποποιηθεί τα βύσµατα προσαρµογής µε τα οποία συνδέονται τα διάφορα εξαρτήµατα µε τις οπτικές ίνες. Για παράδειγµα, οι συνδετήρες που κατασκευάζονται από την ΑΜΡ 4

5 Inc. µπορεί να είναι συµβατοί µε εξαρτήµατα της Honeywell, αλλά. να µην ταιριάζουν µε εξαρτήµατα άλλων κατασκευαστών. Ένα βασικό ακόµα µειονέκτηµα αποτελεί το υψηλό κόστος της εγκατάστασης για µεταβίβαση σήµατος σε µικρές αποστάσεις όπως σε τοπικά δίκτυα. Και στο θέµα όµως αυτό εµφανίζονται συνεχείς βελτιώσεις. Γενικά οι οπτικές ίνες προσφέρουν πολύ περισσότερα πλεονεκτήµατα σε σχέση µε τα µεταλλικά σύρµατα που χρησιµοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες. Εφαρµογές Οπτικών Ινών Λόγω των σηµαντικών πλεονεκτηµάτων τους, οι οπτικές ίνες χρησιµοποιούνται µε άριστα αποτελέσµατα σε µια σειρά από εφαρµογές σαν: εθνικές και διεθνείς τηλεφωνικές επικοινωνίες µε καταποντισµό καλωδίων τοπικά δίκτυα ευρείας ζώνης ζεύξεις καλωδιακής τηλεόρασης ζεύξεις ραντάρ ζεύξεις στούντιο µε τερµατικά δορυφόρων µετάδοση σηµάτων σε περιβάλλοντα ηλεκτροµαγνητικών παρεµβολών δίκτυα υπολογιστών Κατασκευή Οπτικών Ινών Η διαδικασία κατασκευής οπτικών ινών περιλαµβάνει δύο κύρια στάδια: 1. Την προετοιµασία του παρασκευάσµατος που αποτελεί την πρώτη ύλη για την κατασκευή της οπτικής ίνας: 5

6 . Την έλξη της ίνας και την κάλυψη της µε προστατευτικό περίβληµα: Τεχνικά χαρακτηριστικά Οπτικών Ινών και Καλωδίων Για την πρακτική χρησιµοποίηση των οπτικώv ινών είναι απαραίτητη η γνώση των τεχνικών χαρακτηριστικών τους έτσι όπως ύο τύποι φούρνων που χρησιµοποιούνται για τη θέρµανση γυαλιού για την κατασκευή οπτικής ίνας προσφέρονται από διαφόρους κατασκευαστές. Χρήσιµη επίσης είναι και η γνώση της τεχνολογίας στην κατασκευή καλωδίων. Οι οπτικές ίνες χωρίς κανένα προστατευτικό κάλυµµα είναι αρκετά ευαίσθητες σε χηµικές διαβρώσεις και έχουν ελάχιστη µηχανική αντοχή. Για τον λόγο αυτό όταν πρόκειται να χρησιµοποιηθούν σε πρακτικές εφαρµογές όπως π.χ. σε υπόγειες 6

7 σήραγγες ή υποβρύχιες ζεύξεις πρέπει να διαθέτουν αντοχή στις εξωτερικές επιδράσεις. Για τον σκοπό αυτό χρησιµοποιούνται ανάλογα µε κάθε περιβάλλον διάφορες µέθοδοι επένδυσης και θωράκισης των οπτικών ινών όπως θα. δούµε παρακάτω. Τύποι Οπτικών Ινών α) Πολυρυθµικές ίνες µε οµοιόµορφο δείκτη διάθλασης του πυρήνα. Οι συνήθεις διαστάσεις των διαφόρων στρωµάτων σε αυτόν τον τύπο της ίνας είναι: ιάµετρος πυρήνα: µm ιάµετρος επένδυσης: µm ιάµετρος αποµονωτικού φλοιού: µm Οι προδιαγραφές των ινών αυτών κυµαίνονται στα παρακάτω περιθώρια: Εξασθένηση: Εύρος ζώνης : 50 dβ/km (για, πολυσυνιστάµενα γυαλιά) 5 db/km (για πλούσια σε πυρίτιο γυαλιά) 6-5 MHz/km Οι ίνες αυτές µπορούv να χρησιµοποιηθούv για ζεύξεις µικρών αποστάσεων και περιορισµένου εύρους ζώνης και έχουν σχετικά χαµηλό κόστος. 7

8 β) Πολυρυθµικές ίνες µε βαθµιαίο δείκτη διάθλασης Μπορούν να κατασκευαστούν είτε από πολυσυνιστάµενα είτε από πλούσια σε πυρίτιο γυαλιά. Συνήθως όµως κατασκευάζονται από υλικά που έχουν µεγαλύτερη καθαρότητα από τις πολυρυθµικές ίνες µε οµοιόµορφο πυρήνα και για το λόγο αυτό παρουσιάζον καλύτερα χαρακτηριστικά. Συνήθεις διαστάσεις των ινών αυτών είναι: ιάµετρος πυρήνα: µm ιάµετρος επένδυσης: µm ιάµετρος αποµονωτικού φλοιού: µm Από αυτόν τον τύπο της ίνας χρησιµοποιούνται πολύ και ιδιαίτερα για τηλεπικοινωνιακούς σκοπούς οι διαστάσεις: ιάµετρος πυρήνα: 50 µm ιάµετρος επένδυσης: 15 µm Οι προδιαγραφές των ινών αυτών είναι: Εξασθένηση: Εύρος ζώνης : -10 db/km 150 MHz/km µέχρι GΗz/km Εφαρµογές: Για µετάδοση οπτικών σηµάτων σε µεγάλες αποστάσεις και µε αρκετά µεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων. 8

9 γ) Μονορυθµικές ίνες Χρησιµοποιούνται σε ζεύξεις µεγάλων αποστάσεων και ευρείας ζώνης. Χαρακτηριστικές διαστάσεις των µονορυθµικών ινών είναι: ιάµετρος πυρήνα: 3-10 µm ιάµετρος επένδυσης: µm ιάµετρος αποµονωτικού φλοιού: µm Οι προδιαγραφές των µονορυθµικών ινών κυµαίνονται ανάλογα µε τον κατασκευαστή. Χαρακτηριστικές τιµές είναι: Εξασθένηση: -5 dβ για. λ = 0.85 µm δ) Οπτικές ίνες µε πλαστική επένδυση 0.6 db/cm για, λ = 1.30 µm 0.5 dβ/cm για λ = 1.55 µm Είναι πολυρυθµικες ίνες που έχουν πυρήνα οµοιόµορφο ή βαθµιαίο δείκτη διάθλασης. Η επενδυσή τους κατασκευάζεται από πλαστικό (ελαστική σιλικόνη) ο δε πυρήνας από γυαλί πλούσιο σε πυρίτιο. Οι ίνες αυτές παρουσιάζουν µικρότερες απώλειες ακτινοβολίας και για τον λόγο αυτόν προτιµούνται σε ορισµένες εφαρµογές Χαρακτηριστικές διαστάσεις των ινών µε πλαστική επένδυση είναι: ιάµετρος πυρήνα: Οµοιόµορφος δείκτης διάθλασης µm 9

10 ιάµετρος πυρήνα: Βαθµιαίος δείκτης διάθλασης µm ιάµετρος επένδυσης: Οµοιόµορφος δείκτης διάθλασης µm ιάµετρος επένδυσης: Βαθµιαίος δείκτης διάθλασης µm ιάµετρος αποµονωτικού φλοιού: Οι προδιαγραφές των ινών αυτών είναι: Εξασθένηση: Εύρος ζώνης: Οµοιόµορφος δείκτης διάθλασης mm Οµοιόµορφος δείκτης διάθλασης 5-50 db/km Βαθµιαίος δείκτης διάθλασης 4-15 db/km Οµοιόµορφος δείκτης διάθλασης 5-5 db/km Βαθµιαίος δείκτης διάθλασης MHz/km Οι οπτικές ίνες τού τύπου αυτού χρησιµοποιούνται για ζεύξεις µικρής ταχύτητας και σε µικρές αποστάσεις. 10

11 Καλώδια Οπτικών Ινών Όταν οι οπτικές ίνες πρόκειται να αντικαταστήσουν συµβατικές τηλεπικοινωνιακές γραµµές θα πρέπει οι πρώτες να ικανοποιούν τις προδιαγραφές αντοχής στις εξωτερικές επιδράσεις. Για τον λόγο αυτό είναι απαραίτητη η κάλυψη των οπτικών κενών µε κατάλληλα προστατευτικά υλικά. Στη σχεδίαση αυτών των προστατευτικών φλοιών πρέπει να λαµβάνονται υπόψη οι µηχανικές τάσεις και οι χηµικές επιδράσεις που θα υφίσταται η οπτική ίvα. Στη σχεδίαση οπτικών καλωδίων πρέπει να λαµβάνονται υπόψη τα παρακάτω σηµεία: α) Προστασία της ίνας. 0 κύριος σκοπός των προστατευτικών στρωµάτων είναι η διατήρηση της οπτικής ίνας σε καλή κατάσταση είτε στη διάρκεια της εγκατάστασης είτε στη διάρκεια. της λειτουργίας της. β) Σταθερότητα των χαρακτηριστικών µετάδοσης της ίνας Τα οπτικά καλώδια πρέπει να διατηρούν τις ιδιότητες µετάδοσης σηµάτων που έχουν πριν τοποθετηθούν σ' αυτά τα προστατευτικά στρώµατα. γ) Αντοχή του καλωδίου Τα οπτικά καλώδια, πρέπει να έχουν παρόµοιες ιδιότητες µε τα συµβατικά όσον αφορά την αντοχή στις εξωτερικές επιδράσεις. Οι µηχανικές ιδιότητες αναφέρονται στη µηχανική τάση, συµπίεση, κάµψη, πίεση, δόνηση και ροπή. δ) Αναγνώριση και σύνδεση ινών. Σε περίπτωση οπτικών καλωδίων που περιέχουν πολλαπλές ίνες είναι ανάγκη να διαχωρίζονται εύκολα οι οπτικές ίνες µεταξύ τους. Η σύνδεση ινών µεταξύ τους για αύξηση του µήκους της ζεύξης αποτελεί ένα σηµαντικό τεχνολογικό πρόβληµα. Τύποι οπτικών καλωδίων Για την ικανοποίηση των παραπάνω απαιτήσεων έχουν αναπτυχθεί διάφοροι τύποι οπτικών καλωδίων που σκοπό έχουν να προστατεύσουν την ίνα από: 1. Μηχανική κακοµεταχείριση από σύγκρουση, θλίψη, λύγιση και τάση που προέρχονται από την εγκατάσταση και τη συντήρηση.. Ακραίες συνθήκες θερµοκρασίας. 3. Εισροή νερού που µπορεί να οδηγήσει σε διάβρωση ή πάγωµα. 4. Χηµική αποσύνθεση των υλικών του µανδύα του καλωδίου. 5. ηµιουργία καπνού ή δηλητηριωδών αερίων. 6. Εξασθένηση και υποβάθµιση από ακτινοβολίες. 7. Φθορές από τρωκτικά στα επιχωµένα καλώδια και από καρχαρίες στα υποβρύχια καλώδια. Οι οπτικές ίνες πρέπει να συσκευάζονται έτσι ώστε τα χαρακτηριστικά της εκποµπής να µην υποβαθµίζονται και να παραµένουν σταθερά για όλη τη διάρκεια ζωής για την οποία σχεδιάστηκε το καλώδιο, πχ 30 χρόνια. Οποιεσδήποτε δυνάµεις, είτε αξονικές είτε ακτινικές, που ενεργούν σε οπτική ίνα και βέβαια οποιαδήποτε ροπή στρέψης θα προκαλέσουν υποβάθµιση των χαρακτηριστικών µετάδοσης. Για να προληφθεί αυτό το γεγονός, η σχεδίαση του καλωδίου θα πρέπει να αποµονώνει ουσιαστικά τις ίνες 11

12 από τις δυνάµεις που ενεργούν εξωτερικά στα καλώδια ή τουλάχιστον να αποτελεί µαξιλάρι για τις ίνες έτσι ώστε οι δυνάµεις αυτές να µη µετατρέπονται σε σοβαρές παραµορφώσεις. Ένα άλλο σηµαντικό θέµα είναι η πιθανότητα ρήξης της ίνας. Σύνδεση οπτικών ινών Όπως στις συµβατικές γραµµές µεταφοράς, που χρησιµοποιούνται στις ραδιοσυχνότητες και τα µικροκύµατα, και για τις οπτικές ίνες η σύνδεσή τους αποτελεί ένα σοβαρό τεχνικό πρόβληµα. ιακρίνουµε δύο ειδών συνδέσεις µεταξύ οπτικών ινών: Α) Συνδέσεις µόνιµης ένωσης που συνδέει µόνιµα δύο ίνες. Οπτικά καλώδια µε µία οπτική ίνα Οπτικά καλώδια µε πολλές οπτικές ίνες Β) Συνδέσεις µε συνδετήρες που συνδέουν µια ίνα µε µια άλλη, σε ποµπούς ή δέκτες µε τρόπο που µπορεί να αποσυνδεσµολογηθεί. Συνδέσεις µόνιµης ένωσης ιακρίνουµε τις συνδέσεις του τύπου αυτού σε δύο κατηγορίες: συνδέσεις συγκόλλησης και µηχανικές συνδέσεις. 1

13 Συνδέσεις συγκόλλησης Βασίζονται στη συγκόλληση δύο ινών µε την τήξη των άκρων τους χρησιµοποιώντας βολταϊκό τόξο. Όπως δείχνει το σχήµα οι δύο ίνες που τα τερµατικά τους επίπεδα έχουν λειανθεί κατάλληλα τοποθετούνται στα δύο έδρανα έτσι που να συµπίπτουν οι άξονές τους. Με την χρησιµοποίηση µηχανισµού µικροµετακίνησης οι δύο ίνες τοποθετούνται σε κατάλληλη απόσταση µεταξύ τους. Στη συνέχεια, εφαρµόζεται η διαφορά δυναµικού στα ηλεκτρόδια µε τα οποία αρχίζει το βολταϊκό τόξο. Στα αρχικά στάδια της εκκένωσης οι τερµατικές επιφάνειες των ινών λειαίνονται περισσότερο. Ταυτόχρονα εφαρµόζεται µια µικρή δύναµη στα έδρανα υποστήριξης των ινών έτσι που οι ίνες να έλθουν σε επαφή µε αποτέλεσµα να γίνει η συγκόλληση. Η µέθοδος αυτή χρησιµοποιείται πολύ συχνά στην πράξη και δίνει ικανοποιητικά αποτελέσµατα. Οι επιπρόσθετες εξασθενήσεις που παρατηρούνται είναι περίπου 0. db ανά συγκόλληση. Μηχανικές συνδέσεις 'Έχουν αναπτυχθεί διάφορες µηχανικές µέθοδοι για τη σύνδεση οπτικών ινών. Στα παρακάτω σχήµατα φαίνονται διάφοροι τύποι µηχανικών συνδέσεων για οπτικά καλώδια. 13

14 Η διάµετρος του σωλήνα µόλις επιτρέπει την είσοδο της οπτικής ίνας. Η σύνδεση σταθεροποιείται µε εποξική ρητίνη 14

15 Οι ίνες τοποθετούνται ταυτόχρονα και από τις δύο πλευρές του τετραγωνικής διατοµής σωλήνα και σταθεροποιούνται µε εποξική ρητίνη Η οπτικές ίνες τοποθετούνται σε κενό σωλήνα από γυαλί Pyrex που έχει χαµηλότερο σηµείο τήξεως από το γυαλί της οπτικής ίνας και θερµαίνοντας το Pyrex δηµιουργείται η σύνδεση 15

16 Σύνδεση µε µηχανική υποστήριξη Σύνδεση µε µηχανική υποστήριξη 16

17 Σύνδεση οπτικού καλωδίου πολλαπλών ινών, µε µηχανική υποστήριξη Συνδετήρες Οπτικών Ινών Η κατασκευή συνδετήρων που µπορούν να αποσυνδέονται είναι πολύ πιο δύσκολη από τις µόνιµες συνδέσεις που είδαµε παραπάνω. Αυτό διότι οι αυστηρές προδιαγραφές που πρέπει να τηρούνται στις οπτικές συνδέσεις πρέπει επίσης να ικανοποιούνται και στην περίπτωση των συνδετήρων που έχουν την ιδιότητα να συνδέονται και να αποσυνδέονται πολλές φορές. Η σχεδίαση και η κατασκευή των οπτικών συνδετήρων πρέπει να γίνεται λαµβάνοντας υπόψη τις προδιαγραφές που πρέπει να τηρούνται σε ότι αφορά την ευθυγράµµιση των οπτικών ινών που επιθυµείται η σύνδεση. Επιπρόσθετα ο οπτικός συνδετήρας πρέπει να παρέχει ικανοποιητική προστασία στο άκρο της οπτικής ίνας και να συνδέεται εύκολα στις ίνες. Η µηχανική σταθερότητα και αντοχή του συνδετήρα επίσης πρέπει να λαµβάνεται υπόψη. 'Οπως στην περίπτωση οπτικών ινών και καλωδίων έτσι και για τους οπτικούς συνδετήρες µέχρι τώρα δεν έχει γίνει καµιά ουσιαστική τυποποίηση. Παρακάτω παραθέτουµε ορισµένους τύπους συνδετήρων που χρησιµοποιούνται στην πράξη. 17

18 18

19 Εκτός από τη σύνδεση ινών µεταξύ τους στην πράξη παρουσιάζεται το πρόβληµα της σύνδεσης της οπτικής ίνας µε πηγές LED ή LASER και του φωτοφωρατή. Για τον σκοπό αυτό έχουν αναπτυχθεί ειδικές υποδοχές LED ή LASER και φωτοφωρατών που επιτρέπουν τη σύνδεση µε την οπτική ίνα µε τη βοήθεια οπτικών συνδετήρων. Στο παρακάτω σχήµα δείχνουµε µία χαρακτηριστική τέτοια σύνδεση. 19

20 Φαινόµενα διάδοσης σε οπτικές ίνες Επένδυση µε µικρότερο δείκτη διάθλασης Ίνα από γυαλί Βασική δοµή οπτικής ίνας. Ο πυρήνας της ίνας περιβάλλεται από ένα στρώµα µε µικρότερο δείκτη διαθλάσεως και έτσι υπάρχει η απαραίτητη συνθήκη για οδήγηση του φωτός. Η επικάλυψη προστατεύει την ίνα από ξυσiµατα και δεν επιτρέπει την ανάπτυξη µικρορωγµών που οδηγούν σε καταστροφή της ίνας. είκτης ιάθλάσης Η οδήγηση του φωτός βασίζεται σε µια παράµετρο του υλικού που είναι γνωστή σαν δείκτης διάθλασης και ορίζεται από τη σχέση: ταχύτητα του φωτός στο κενό n = ταχύτητα του φωτός στο υλικό Επειδή το η είναι µεγαλύτερο από την µονάδα για όλα τα γνωστά υλικά, το φως κινείται µε µικρότερη ταχύτητα µέσα σε υλικό παρά στο κενό. ηλαδή, η ταχύτητα του φωτός µέσα στην ύλη είναι: c v ύλης = n Το µήκος κύµατος του φωτός που διαδίδεται σε ένα υλικό θα είναι ίσο µε την ταχύτητα του φωτός στο υλικό δια της συχνότητάς του, δηλ. θα είναι: λ v = f c = n f ύλης ύλης = λ n κενού Κάλυµµα 0

21 Από την παραπάνω σχέση φαίνεται ότι το µήκος κύµατος του φωτός στο κενό είναι µεγαλύτερο από ότι το µήκος κύµατος όταν το φως µεταδίδεται σε ένα υλικό. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι διαφορές των µηκών κύµατος µιας οπτικής δέσµης όταν αυτή µεταδίδεται στο κενό και σε οπτική ίνα από γυαλί ή πλαστικό. Επίσης φαίνεται και ο δείκτης διαθλάσεως, που εύκολα συµπεραίνεται ότι Υλικό Μήκος κύµατος στο κενό, σε nm είκτης διάθλασης n Μήκος κύµατος στο υλικό Γυαλί 850 1,45 585,5 Γυαλί , ,5 Γυαλί , ,4 GaAlAs 850 3,6 36,1 Πλαστικό 650 1,4-1, είναι συνάρτηση του µήκους κύµατος. Η ιδιότητα αυτή περιγράφεται µε τον όρο διασπορά και είναι σηµαντική στους περιορισµούς του εύρους ζώνης συχνοτήτων της οπτικής ίνας. Πρόβληµα Στα 1300 nm ο δείκτης διαθλάσεως του InGaAsP είναι 3.4. Η ταχύτητα του φωτός στην οπτικά ενεργό περιοχή του υλικού θα είναι: και το µήκος κύµατος θα είναι: 8 c 3 10 m / s 8 vυλικο ύ = = = 8,8 10 m / s n 3,4 λ υλικο λ ύ 1300 nm ύ = κενο = = 38 nm n 3,4 1

22 Εσωτερική ιάθλαση Η διαχωριστική επιφάνεια χωρίζει το υλικό µε δείκτη διάθλασης n 1 από το υλικό µε δείκτη διαθλάσεως η (η 1 > η ). Ένα µέρος του φωτός ανακλάται µέσα στο υλικό 1. Το υπόλοιπο διέρχεται την διαχωριστική επιφάνεια σαν "διαθλώµενες" ακτίνες που κινούνται σε γωνία θ. Ο Νόµος του Snell δίνει την σχέση µεταξύ των γωνιών πρόσπτωσης και διάθλασης: n 1 sin (θ 1 ) = η sin (θ ). Αν το υλικό 1 παριστάνει τον πυρήνα µιας ίνας, τότε διατηρείται το φως που ανακλάται και χάνεται το φως που διαθλάται. Αν και στην συνθήκη αυτή γίνεται κάποια οδήγηση φωτός, η απώλεια οπτικής ισχύος είναι µεγάλη. Αν αυξηθεί η γωvία θ 1, υπάρχει ένα σηµείο όπου εξαφανίζεται η ακτίνα που διαθλάται. Αυτή είναι η κρίσιµη γωνία θ C που ορίζει το σηµείο στο οποίο γίνεται η ολική εσωτερική ανάκλαση στην διαχωριστική επιφάνεια Όλες οι ακτίνες µε γωνία

23 πρόσπτωσης µεγαλύτερη από την κρίσιµη γωνία υφίστανται ολική ανάκλαση. Αν το υλικό 1 (ο πυρήνας της ίνας) διαχωρίζεται από ένα δεύτερο στρώµα (την επένδυση), το φως που κινείται µέσα σε ένα κώνο που ορίζεται από την κρίσιµη γωνία παγιδεύεται και µπορεί να οδηγηθεί. Αυτή είναι και η ιδιότητα που είναι θεµελιώδης στην διάδοση του φωτός µέσα σε µια ίνα. Αν είναι η 1 < η, τότε η κρίσιµη γωνία δεν υπάρχει και η απώλεια οπτικής ισχύος είναι µεγάλη. Πρόβληµα Ας υποθέσουµε ότι έχουµε την περίπτωση µε η 1 = 1.50 και η = Σύµφωνα µε τον Νόµο του Snell θα είναι: (1.50) sin (κ ρίσιµη ) = (1.45) sin (90 ) οπότε η κρίσιµη γωνία κ ρίσιµη ή θ C, θα είναι 75.. Αριθµητικό Άνοιγµα Ο κώνος αποδοχής που περιγράφει την συνθήκη οδήγησης φωτός σε µια οπτική ίνα καθορίζεται σαν αριθµητικό άνοιγµα ή απλά ΝΑ (Numerical Aperture). Το αριθµητικό άνοιγµα έχει σηµασία. για την περίπτωση ζεύξης του φωτός από ποµπούς και για τη σύνδεση ινών µεταξύ τους. Oρίζεται σαν αριθµητικό άνοιγµα ΝΑ: NA = ηµφ = n 1 n όπου φ είναι η µισή γωνία του κώνου αποδοχής, n 1 = δείκτης διάθλασης του πυρήνα, και n =δείκτης διάθλασης της επένδυσης του πυρήνα. Γενικά το n 1 είναι µεγαλύτερο από το n µόνο κατά µερικές ποσοστιαίες µονάδες, ώστε να µπορούµε να, γράψουµε: NA n1 ( n1 n) n1 n1 n όπου = n Πρόβληµα 1 Ένας φωτοδηγός έχει δοµή δείκτη διάθλασης που δίνεται από τις n 1 = και n = Λύση Για να βρούµε το ΝΑ, υπολογίζουµε το : n 1 n 1,46 1,45 = = 0,00685 n1 1,46 = Είναι: NA = ηµφ n1 = 1,46 0,00685 = 0,171 = 0, 171 φ 10 0 που αντιστοιχεί σε γωνία κώνου αποδοχής ίσης µε 0 =

24 Ζεύξη σε Οπτική Ίνα Η οπτική ισχύς που συζευγνύεται σε µια ίνα είναι µια σηµαντική παράµετρος σχεδίασης του συστήµατος η οποία περιγράφεται µε το ΝΑ. Η ισχύς φωτός της ίνας είναι: m + 1 Af PC = ( NA) Pe Ae όπου P C =οπτική ισχύς που ζευνύεται P e =οπτική ισχύς που εκπέµπεται m=συντελεστής κατανοµής στον χώρο του Laser ή της φωτοδιόδου. Το m είναι 1.5 µέχρι σε φωτοδιόδους (LED) εκποµπής επιφανείας και 6 µέχρι 7 σε laser. Α f = η επιφάνεια του πυρήνα της ίνας Α e = η επιφάνεια εκποµπής Af Ο λόγος περιγράφει την κάλυψη µεταξύ της επιφάνειας του ποµπού και της Ae επιφάνειας του πυρήνα της ίνας. Αν είναι Α f > A e τότε ο λόγος γίνεται µονάδα. Παρατηρούµε ότι ο διπλασιασµός του ΝΑ τετραπλασιάζει την ισχύ που ζευγνύεται (αύξηση 6 db). Πρόβληµα Ένα LED µε Pe = 5 mw, m = ζευγνύεται µε ίνα δείκτη µε ΝΑ = 0.37 και διάµετρο Af πυρήνα 85 µm. Είναι = 0, 53. A e Λύση: Η ισχύς P C που συζευγνύεται είναι: m + 1 Af 3 PC = ( NA) Pe = 0,53 0,37 5 mw = 0, 546 mw Ae 5 mw και η απώλεια ζεύξης θα είναι: 10 log = 9,6 db 0,546 mw Ρυθµοί µετάδοσης στις οπτικές ίνες Ο όρος πολυρυθµική ίνα υποδεικνύει ότι υπάρχουν περισσότεροι από ένας ρυθµοί µετάδοσης του φωτός σε µια οπτική ίνα. Σαν ρυθµό µπορούµε να θεωρήσουµε απλά µια κατάσταση όπου το φως µεταδίδεται µε σταθερό τρόπο που σηµαίνει ότι η κατανοµή του πεδίου των ηλεκτροµαγνητικών πεδίων των οπτικών κυµάτων σε συγκεκριµένα σηµεία είναι σταθερή. Τα σταθερά αυτά σηµεία (στάσιµα κύµατα) µπορεί να χαρακτηριστούν σαν ρυθµοί. εν θεωρούµε σκόπιµο να επεισέλθουµε σε λεπτοµέρειες της θεωρίας της µετάδοσης των ρυθµών που είναι αρκετά περίπλοκη και δεν συσχετίζεται άµεσα µε τη µελέτη των οπτικών ινών από τεχνικής άποψης. 4

25 Κάθε ρυθµός χαρακτηρίζεται από έναν αριθµό Ν. Έτσι ο ρυθµός Ν συσχετίζεται µε όλες τις οπτικές ακτίνες που η κατεύθυνσή τους σχηµατίζει γωνία θ Ν µε τον άξονα της ίνας, όπου όπου θ Ν λ = µήκος κύµατος Ν + 1 = λ σε µοίρες Dn Ν = χαρακτηριστικός αριθµός του ρυθµού D = διάµετρος του πυρήνα της ίνας N = συντελεστής διάθλασης του πυρήνα Από την παραπάνω σχέση φαίνεται ότι ότι ακόµα και ρυθµοί µε Ν=0 δεν µεταδίδονται ευθύγραµµα στην ίνα. Έτσι ότι για ίνα µε δείκτη διάθλασης n=1,5 και µε πυρήνα 100 µm θα είναι θ 0 =0,5 0 όταν το φως που µεταδίδεται έχει µήκος κύµατος λ=0,85 µm. Ο αριθµός Ν m των ρυθµών που µπορούν να µεταδοθούν σε µια οπτική ίνα εξαρτάται από ένα συντελεστή που ονοµάζεται αριθµητικό άνοιγµα (ΝΑ), από τη διάµετρο D του πυρήνα και από το µήκος κύµατος λ. ηλ. είναι µε NA n 0 n 1 N m π D NA λ = =, όπου n 0 και n 1 είναι αντίστοιχα οι συντελεστές διάθλασης του πυρήνα και της επένδυσης του. Έτσι σε µια πολυρυθµική ίνα µε οµοιόµορφο δείκτη διάθλασης και µε ΝΑ=0,9 θα υπάρχουν 5744 ρυθµοί στα 850 nm. ιασπορά οπτικού παλµού Στο σχήµα παρατηρούµε ότι πολλοί δίπλα υπάρχουν ρυθµοί µετάδοσης κάθε µια από τις οποίες έχει διαφορετική γωνία θ Ν. Αυτό σηµαίνει ότι η συνολική απόσταση που διανύουν οι φωτεινές ακτίνες του ίδιου ρυθµού εξαρτάται από το συνθ Ν, και εποµένως για διαφορετικούς διανυόµενες αποστάσεις στον ίδιο χρόνο. ρυθµούς έχουµε και διαφορετικές 5

26 Συνέπεια του γεγονότος αυτού είναι ένας παλµός διάρκειας t o που εισέρχεται στην οπτική ίνα να υφίσταται µια διεύρυνση ή διασπορά δ τ µέχρι να φτάσει στο τέρµα της ίνας. Η διασπορά αυτή δεν θα υπήρχε αν ο παλµός µεταδίδονταν κατά µήκος του κεντρικού άξονα της ίνας. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται διασπορά οπτικού παλµού. Επειδή λόγω της διασποράς, γειτονικοί παλµοί µπορεί να υπερσκελίσουν ο ένας τον άλλον, µε συνέπεια την παραµόρφωση της πληροφορίας που µεταφέρουν, η ταχύτητα µετάδοσης των παλµών µειώνεται ούτως ώστε να δηµιουργείται απόσταση ασφαλείας µεταξύ των. Η διασπορά στις οπτικές ίνες µπορεί να συνδυαστεί µε το εύρος ζώνης συχνοτήτων της οπτικής ίνας µε την παρακάτω σχέση: ιασπορά Οπτικού Παλµού 350 ΕΥΡΟΣ ΖΩΝΗΣ (MHz - km) = ΙΑΣΠΟΡΑ (ns/km) Έτσι ένα οπτικό καλώδιο πολυρυθµικής ίνας µήκους 15 km που παρουσιάζει ολική διασπορά 0,1 µs θα έχει εύρος ζώνης συχνοτήτων: BW = = = 5, MHz km 0,1 10 6,67 ns / km

27 Μετρήσεις στις οπτικές ίνες Με την έναρξη της ευρείας χρησιµοποίησης των οπτικών ινών για µετάβαση σηµάτων προέκυψε η ανάγκη καθορισµού τυποποιηµένων διαδικασιών µέτρησης των λειτουργικών χαρακτηριστικών των οπτικών ινών. Α) Μέτρηση της εξασθένισης στις οπτικές ίνες Mια συνηθισµένη µέθοδος µέτρησης της εξασθένησης εiναι η διαφορική µέθοδος που απεικονίζεται στο παρακάτω σχήµα. Η µέθοδος βασίζεται στη σύγκριση της εξασθένησης σε δύο ίνες. Σαν πηγή χρησιµοποιείται συµβατική πηγή φωτός µε θερµαινόµενο νήµα. Το φως διαµορφώνεται κατά πλάτος µηχανικά µ' ένα περιστρεφόµενο µηχανικό διαµορφωτή µε συχνότητα µερικά kηz. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται στη φωτοανίχνευση αύξηση της ευαισθησίας. Για να γίνει η µέτρηση σε διάφορα µήκη κυµάτων χρησιµοποιείται ένας µονοχρωµατιστής που είναι είτε ένα πρίσµα είτε µια γραµµοσειρά περίθλασης. Στη συνέχεια έχουµε ένα διαιρέτη δέσµης έτσι που να 7

28 παρέχεται η δυνατότητα παρατήρησης. Η οπτική ακτινοβολία συγκεντρώνεται στη συνέχεια µ' ένα φακό στην είσοδο της ίνας. Β) Μέτρηση της διασποράς σε οπτικές ίνες Για τη µέτρηση της διασποράς στις οπτικές ίνες χρησιµοποιούνται δύο µέθοδοι που βασίζονται στην απόκριση στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας. Εδώ εξετάζουµε την πρώτη από τις δύο αυτές µεθόδους. Χρησιµοποιείται η διάταξη του παρακάτω σχήµατος. Η πηγή Laser διαµορφώνεται από έναν γρήγορο διαµορφωτή. Η διάρκεια των εκπεµπόµενων παλµών είναι ps. Το παλµικό οπτικό σήµα διαιρείται σε δύο δέσµες. Η µία δέσµη ανιχνεύεται από ένα φωτοανιχνευτή χιονοστιβάδας. Το σήµα αυτό χρησιµοποιείται σαν αναφορά σε έναν παλµογράφο δειγµατοληψίας. Ο δεύτερος κλάδος της δέσµης οδηγείται στην ίvα και αφού ταξιδέψει σε όλο το µήκος αυτής ανιχνεύεται από έναν φωτοφωρατή χιονοστιβάδας. Το σήµα της φώρασης παρατηρείται από τον παλµογράφο. Μετρώντας τη διάρκεια των παλµών στην είσοδο και την έξοδο των ινών µπορούµε να υπολογίσουµε τη διασπορά της οπτικής ίνας. Γ) Μέτρηση του δείκτη διάθλασης σε οπτικές ίνες Βασίζονται στη χρησιµοποίηση µικροσκοπίων. Στο παρακάτω σχήµα φαίνεται η διάταξη της µέτρησης. Για να γίνει η µέτρηση πρέπει πρώτα να ετοιµαστεί ένα λεπτό δοκίµιο από την ίνα. Για τον σκοπό αυτό κόβεται ένας δίσκος µήκους x από την ίνα. Τοποθετώντας το δοκίµιο στο σύστηµα µέτρησης παρατηρούµε ολίσθηση των κροσσών συµβολής δηλ. µετράµε τον αρι0µό q των κροσσώv που έχουν µετατοπιστεί στο κέντρο της ίνας φαίνεται στο σχήµα. Η διαφορά δn του δείκτη διάθλασης µεταξύ του πυρήνα και της επένδυσης της ίνας υπολογίζεται από τη σχέση: qλ δn = x όπου λ είναι το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας που χρησιµοποιείται. 8

29 Στα προηγούµενα κεφάλαια εξετάστηκαν τα φαινόµενα διάδοσης οπτικών κυµάτων σε διηλεκτρικούς κυµατοδηγούς. Για την ανάπτυξη τηλεπικοινωνιακών ζεύξεων που λειτουργούν στις οπτικές συχνότητες, όπως και σε όλες τις συµβατικές επικοινωνιακές αλυσίδες, είναι απαραίτητο να έχουµε µία πηγή εκποµπής σηµάτων πληροφορίας, ένα κατάλληλο µέσο διάδοσης σηµάτων και ένα δέκτη που αποκωδικοποιεί τα σήµατα που εκπέµπονται. Η πηγή σηµάτων για να εκπέµπει πληροφορία πρέπει να διαµορφώνεται κατάλληλα. Η διαµόρφωση αυτή µπορεί να έχει είτε αναλογικό είτε ψηφιακό χαρακτήρα. Στο κεφάλαιο αυτό θα εξετάσουµε τις ιδιότητες των οπτικών πηγών, των φωτοφωρατών και την κατάλληλη χρησιµοποίηση αυτών για ανάπτυξη οπτικών ζεύξεων. Στις οπτικές τηλεπικοινωνίες χρησιµοποιούνται δύο είδη οπτικών πηγών: Η δίοδος εκποµπής φωτός (LED) H δίοδος Laser (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) ίοδοι Laser Ένα Laser µπορεί να θεωρηθεί σαν ένας οπτικός ταλαντωτής µε εσωτερική οπτική απολαβή και ανάδραση. Η οπτική ανάδραση πραγµατοποιείται µε χρήση επιφανειών που έχουν στιλβωµένη επιφάνεια, οι οποίες σχηµατίζουν κοιλότητα. Αυτές οι στιλβωµένες επιφάνειες λειτουργούν σαν κάτοπτρα που επιστρέφουν το φως στην περιοχή της κοιλότητας, έχουµε δηλ. ανάδραση. Οι ονοµαστικές διαστάσεις της κοιλότητας είναι: Μήκος κοιλότητας : 100 µέχρι 400 µm Πλάτος: 1 µέχρι 0 µm Πάχος : < 1 µm Το ανακλώµενο φως προκαλεί µεταπτώσεις ηλεκτρονίων από τη ζώνη αγωγιµότητας στην ζώνη σθένους και οδηγεί σε µεγαλύτερη έξοδο φωτός. Αν ο αριθµός των εγχυοµένων ηλεκτρονίων στην ζώνη αγωγιµότητας ξεπεράσει τον αριθµό των οπών στην ζώνη σθένους τότε ίσως στην κοιλότητα να έχουµε θετική ανάδραση. Γενικά όσο µεγαλύτερη είναι η κοιλότητα, τόσο µεγαλύτερη θα είναι η απολαβή. Με αρκετή οπτική ανάδραση και απολαβή, θα έχουµε οπτικές ταλαντώσεις. Οπτικές ταλαντώσεις µπορεί να υπάρχουν κατά µήκος οποιασδήποτε από τις διαστάσεις της κοιλότητας. ύο από αυτές, οι πλάγιες και οι εγκάρσιες, δεν είναι επιθυµητές διότι η δέσµη εµφανίζει προβλήµατα. Αντίθετα η κατά µήκος ταλάντωση θα προκαλέσει εκποµπή φωτός µε φάσµα το οποίο εκτός από το βασικό µήκος κύµατος στο οποίο αντιστοιχεί το µεγαλύτερο ποσοστό ισχύος, περιέχει και άλλα µήκη κύµατος. Η απόσταση των µηκών κύµατος δίνεται από τη σχέση: λ = λ Ln 9

30 όπου λ = το µήκος κύµατος εκποµπής L = το µήκος της κοιλότητας µεταξύ των επιφανειών που ανακλούν n = ο δείκτης διάθλασης της κοιλότητας Έτσι σε ένα laser InGaAsP των 1300 nm που έχει µήκος κοιλότητας 00 µm µε δείκτη διάθλασης 3,6, η απόσταση των φασµατικών γραµµών στο φάσµα εξόδου θα είναι: ίοδοι Εκποµπής φωτός Ένα ποσοστό από το φως που δηµιουργείται στην κοιλότητα παραµένει εγκλωβισµένο και χρησιµοποιείται στη διέγερση ηλεκτρονίων για την παραγωγή µεγαλύτερης ποσότητας φωτός Κοιλότητα Φως που διαφεύγει ιαφορετικά µήκη κύµατος (1300 nm) l = = 1, 17 nm 00 µ m 3,6 Ανακλαστήρες 30

31 ιακρίνουµε δύο είδη: Το LED επιφάνειας, και Το LED ακµής Επειδή τα LED έχουν χαµηλό κόστος κατασκευής και η χρήση τους είναι εύκολη προτιµούνται από τις Laser στην κατασκευή απλών τηλεπικοινωνιακών ζεύξεων. To φάσµα που εκπέµπεται από τα LED έχει µήκη κύµατος 0,8-0,9 µm και 1-1,3 µm. Η οπτική ισχύς εξόδου των LΕD είναι της τάξης των 1 mw. Όπως και στην περίπτωση των Laser µπορούν να διαµορφωθούν µεταβάλλοντας το ρεύµα τροφοδοσίας. Η µέγιστη ταχύτητα διαµόρφωσής τους είναι πολύ πιο µικρή από τα Laser. ΣτοLED ακµής η συνηθισµένη περιοχή εκποµπής άποτελεί µέρος της διόδου µε εµβαδό (10x150 ) µm. και είναι κατάλληλο για ίνα µε πυρήνα 50 µm. Στο LED επιφάνειας η περιοχή εκποµπής περιορίζεται σε µια µικρή περιοχή της επιφάνειας µε διάµετρο 0 µέχρι 50 µm. Είναι κατάλληλο για ίνα 100 µm και πάνω. 31