ΙΩΑΝΝΙΔΗΣ ΑΛΕΞΙΟΣ ΣΑΡΙΑΗΣ ΠΑΥΛΟΣ

Transcript

1 ΤΕΙ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ: ΣΤΕΦ ΤΜΗΜΑ: ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ Τ. ε. Ι. Κ Α * :Λ /, Α Χ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ Αριθμ. Πρωί. Ημερομηνία ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΘΕΜΑ: Ο / ΟΠΤΙΚΕΣ INEZ (ΘΕΩΡΙΑ, ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ) Σ ΙΙΟ Υ Δ Α Σ Τ ΕΣ: ΙΩΑΝΝΙΔΗΣ ΑΛΕΞΙΟΣ ΣΑΡΙΑΗΣ ΠΑΥΛΟΣ Ετηβλέπων καθηγητής: ΤΡ1ΑΝΤΑΦΥΛΛΙΔΗΣ ΜΩΥΣΗΣ ΚΑΒΑΑΑ 2003

2 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΘΕΩΡΙΑ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ ΓΕΝΙΚΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΝΑΣ ΚΑΤΗΓΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ Πολύτροπες οπτικές ίνες (Multimode fiber optics) Μονότροπες οπτικές ίνες (sigle mode fiber optics) #ίΑΛΩΔΙΑ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ Tight Buffer Optical patch cords Loose Buffer ΧΑΡΑΚΤΙΡΙΣΤΙΚΑ KAI ΕΠΙΔΟΣΕΙΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ Εξασθένηση ι'νας Απώλειες στην ίνα Απώλειες που μπορούν να ελεγχθούν ως κάποιο σημείο ΜΟΡΦΕΣ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΙΚΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ (MULTIPLICATIVE NOISE) ΣΤΙΣ ΙΝΕΣ ΟΡΙΑ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΤΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΝΑΣ ΚΑΙ ΑΝΕΠΙΘΥΜΗΤΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΗ-ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ: Σκέδαση Rama (SRS, stimulated Rama scatterig): Εξαναγκασμένη σκέδαση Brilloui (SBS, simulated Brilloui scatterig) Μίξη τεσσάρων φωτονίων (four photo mixig) TA ΣΟΛΙΤΟΝΙΑ (SOLITONS)... 23

3 2.10 Μορφοποίηση ίνας ΠΟΡΕΙΑ ΦΩΤΟΣ ΜΕΣΑ ΣΤΗΝ ΙΝΑ Χρΐ 0 Ι^ - OpOCtiyμνίΐΰ LASER Αυθόρμητη εκπομπή Εξαναγκασμένη εκπομπή Ενεργιακές οτάθμες ατόμων Αρχή λειτουργίας laser Είδη laser Γενικές εφαρμογές των laser Ταξινομήσεις laser Εξαρτήματα laser Απομονωτές ΣΥΝΤΟΝΙΖΟΜΕΝΑ ΟΠΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ Απαιτήσεις φίλτρων ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΝΑΣ Γενικά Κατασκευή οτττικών ινών Η κατασκευή των οτττικών ινών απαιτεί τα ακόλουθα βήματα; Η παραγωγή ενός καθαρού γυάλινου κυλίνδρου Σχεδιασμός οτττικών ινών Εξέταση Τήζ κατασκευασμένης οπτικής ίνας ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ... 56

4 4.1.1 Είδη δικτύων Διαχωρισμός δικτύων Φαινόμενο Electroic tiottlcccu Φυσικά Μέσα Μετάδοσης της Πληροφορίας Μετάδοση Βασικής και Ευρείας Ζώ νης Τοπολογίες Δικτύων Υπολογιστών Πρωτόκολλα και Πρότυπα Επικοινωνίας Μεταγωγή Κυκλώματος και Με Πακέτα Επικοινωνία με Σύνδεση ή Χωρίς Σύνδεση Μέτρα Αξιολόγησης Ενός Δικτύου Ρυθμός Εξυπηρέτησης (Throughput) Καθυστέρηση Μεταφοράς Μεταβλητότητα της Καθυστέρησης Ισοχρονισμός Multicastig Ρυθμοί Λαθώ ν Απαιτήσεις Από μια Εφαρμογή Πολυμέσων Τεχνικές οδηγίες για δίκτυα Σημεία προσοχής στο δίκτυο Καλωδιώσεις Καλώδια στερεωμένα στην οροφή Καμπίνες κατανεμητών με ικριώματα (Racks) 19" Γειώσεις Σήμανση Δοκιμές αποδοχής... 76

5 Μέθοδοι τερματισμού ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΥΛΙΚΩΝ Γενικά Κοπή υλικών με laser Συγκόλλησιι υλικών με laser Εφαρμογές από βιομηχανίες Υλικά που μπορούμε να επεξεργαστούμε Πλεονεκτήματα ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΟΝ ΦΩΤΙΣΜΟ Μια σύντομη ματιά στο παρελθόν Οι οτττικές ίνες στις εγκαταστάσεις φωτισμού Σύστημα Fiber Optic Museum (FOM ) Ανάλυση του συστήματος φωτισμού οτττικών ι 5 ΠΡΑΚΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Γενικά Πρακτική εφαρμογή δικτύου Τοπολογία Δικτύου..., ,.ΙΟΟ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...

6 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Από την αρχαιότητα έχουμε παραδείγματα μετάδοσης μηνυμάτων, σε μεγάλες αποστάσεις, την ημέρα με καπνό και την νύκτα με το φως. Όταν, πριν από 40 περίπου χρόνια, άρχισαν να εμφανίζονται στο προσκήνιο οι πρώτες πηγές LASER, και να διατίθενται στο εμπόριο οι πρώτες αξιοποιήσιμες φωτοεκπέμπουσες δίοδοι (LED) και φωτοδίοδοι, ελάχιστοι είχαν αντιληφθεί όπ χάραζε η αυγή ενός νέου και σημαντικού κλάδου της επιστήμης και τεχνολογίας, του κλάδου που λίγο αργότερα άρχισε να ονομάζεται «οπτικοηλεκτρονική». Αξίζει να σημειωθεί ότι την εποχή εκείνη οι παραπάνω διατάξεις αντιμετωπίζονταν απλώς σαν χρήσιμοι αλλά ταπεινοί υπηρέτες τιις οπτικής, χωρίς άλλες φιλοδοξίες. Σύντομα, όμως, οι επιστήμονες άρχισαν να ενδιαφέρονται για το γεγονός ότι, η οπτική ακτινοβολία -και ιδίως η του φωτός Laser- έχει όλες τις δυνατότητες να χρησιμοποιείται ως τηλεπικοινωνιακό μέσο, και μάλιστα προσφέροντας σημαντικά πλεονεκτήματα (υψηλή χωρηπκότητα πληροφοριών, ανοσία στις παρεμβολές, κ.α.). Έτσι στη δεκαετία άρχισε μια πρώτη προσπάθεια μελέτης των μεθόδων και διατάξεων διαμόρφωσης μιας φωτεινής δέσμης, με πρώτο στόχο την πραγματοποίηση οππκών ζεύξεων μέσα από την ελεύθερη ατμόσφαιρα. Η προσπάθεια αυτή οδήγησε στην ανάπτυξη της ηλεκτροοππκής και τέθηκαν οι πρώτες οργανωμένες βάσεις της επιστήμης των οπτικών επικοινωνιών. Ατυχώς, οι πρώτες αυτές απόπειρες ηλεκτρονικής τηλεπικοινωνιακής αξιοποίησης του φωτός προσέκρουσαν στις δυσκολίες που επέφερε η ελεύθερη ατμόσφαιρα στη διάδοση του φωτός. Έτσι για μια περίοδο, η ανάπτυξη των οπτικών επικοινωνιών ματαιώθηκε. Όταν το 197Θ δόθηκε η δυνατότητα κατασκευής ινυάλου, με πολύ μικρό βαθμό εξασθένησης, εξασφαλίσθηκε τουλάχιστον ένα μέσο οπτικής διάδοσης που ήταν ικανό για τις τηλετ^ικοινωνιακές ανάγκες της εποχής μας. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου αυτής ένανπ εκείνης με την χρήση των χάλκινων συρμάτων είναι πολλά. Οι οπτικές ίνες (Ο.Ι.) είναι και μικρότερες σε όγκο και ελαφρότερες από τα ηλεκτρικά καλώδια. Επίσης δεν επηρεάζονται από τα ηλεκτρομαγνηπκά πεδία και δεν απαιτούν ηλεκτρικές διασυνδέσεις. Με τον μικρό βαθμό εξασθένησης του σήματος επιτρέπουν υψηλούς ρυθμούς μεταβίβασης κατά πολύ υψηλότερους αυτών του χαλκού αλλά και των ομοαξονικών καλωδίων. Όλα αυτά τα πλεονεκτήματα και πολλά αλλά έκαναν τις οπτικές ίνες απαραίτητο υλικό για χρήσεις στρατιωτι,κές (αεροπλάνα, ελικόπτερα, διαβιβάσεις στρατού) καθώς και βιομηχανικές.

7 Οι OTiTiKec ί'/ες κσι η τεχνολογία τους χαρακτηρίζεται σαν μια τεχνολογική επανάσταση ανάλογη αυτής των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Έτσι η «ολοκληρωμένη οπτική» αναμένεται να ακολουθήσει τα βήματα της μικροηλεκτρονικής στα επόμενα χρόνια. Από το 1968 όπου εργαστηριακά αποδείχθηκαν οι πρώτες εφαρμογές των οππκών ινών, τα διάφορα εργαστήρια συνεχώς εργάζονται για την βελτίωση των επιδόσεων των νηματαγωγών. Έτσι στην προ του 198Θ περίοδο έγιναν σποραδικές εφαρμογές με μικρής χωρηπκότητας συστήματα και κυρίως στη θέση ζευκτικών καλωδίων που τα αντίστοιχα κέντρα έχουν συμφορηθεί. Στη δεύτερη περίοδο που θεωρείται από το 198Θ μέχρι σήμερα χρησιμοποιήθηκαν μερικά οπτικά ολοκληρωμένα συστήματα τα οποία αντικατέστησαν τα ηλεκτρικά κυκλώματα (ενίσχυση, επεξεργασία κ.λ.π.). Οι αναγεννητές απλοποιήθηκαν και τα συστήματα που χρησιμοποιήθηκαν είχαν πολύ μεγάλες χωρητικότητες. Στο μέλλον προβλέπεται να εξαλειφθούν πλήρως τα κυκλώματα ηλεκτρικής/οπτικής μετατροπής και θα σημειωθούν άλματα τεχνικά και οικονομικά στην εξέλιξη των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Οι ερευνητικές δραστηριότητες θα επιταχυνθούν και σ' αυτό θα συντείνει και η υπάρχουσα ήδη ζήτηση καλωδίων οπτικών ινών. Μπορούμε να πούμε ότι βρισκόμαστε σε μια τεχνολογική επανάσταση που είναι σε συνεχή εξέλιξη. Για να γίνουν σαφέστερες οι δυνατότητες που έχουν τα καλώδια οπτικών ινών (Κ.Ο.Ι.) ιδιαίτερα στη σημερινή εποχή που η εξέλιξη των υπολογιστών έχει φθάσει σε υψηλά επίπεδα μπορούμε να πούμε ότι τα περιεχόμενα Ολόκληρων βιβλιοθηκών θα μπορούν να μεταδίδονται με απεριόριστη ταχύτητα και σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Στη σύγκρισή τους με τους τηλεπικοινωνιακούς δορυφόρους που είναι οι κύριοι ανταγωνιστές τους, βλέπουμε ότι πλεονεκτούν ως προς την ταχύτητα. Έτσι οι δορυφόροι αυτοί θα παίξουν μελλοντικά πολύ μικρό ρόλο στη διεθνή τηλεφωνία. Τα σήματα των δορυφόρων κινούνται με μεγάλη ταχύτητα, επειδή όμως πρέπει να διανύσουν συνολικά κάπου 72.5ΘΘ χιλιόμετρα δεν είναι τόσο γρήγορα όσο το φως μέσα σε επίγειο καλώδιο. Όταν κάνουμε ένα τηλεφώνημα μέσω δορυφόρου, πολλές φορές παρατηρούμε μια καθυστέρηση, καθώς η φωνή μας πηγαίνει στο δορυφόρο και επιστρέφει στη γη. Με οπτικές ίνες ουσιαστικά δεν υπάρχει καθυστέρηση. Τα αναλογικά σήματα, είναι κύματα ηλεκτρονικών παλμών, που ανηστοιχούν στις δονήσεις της ανθρώπινης φωνής. Τα ψηφιακά σήματα μετατρέπουν τους ήχους και τις εικόνες σε σειρές από «ένα» και «μηδέν» των δυαδικών δηλαδή ψήφίων που χρησιμοποιούν οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές π.χ ^1 ή ΓΠΟίίθΙ 100Θ04 ΐό. Έισι οι φωνές που έχουν κωδικοποιηθεί α' αυτές πς4 ^θηματικές φράσεις μπορούν να μεταδοθούν και νά αναπαραχθούλ στην άλλη ο\)νρη της γραμμής με πολύ μεγαλύτερη πιστότητθ και ταχύτητα. Τα γυάλινα καλ^ια προσφέρονται ιδιαίτερα κατάλληλα για το ψηφιακό <3τύστημα.

8 επειδή έχουν μεγάλη χωρηηκότητα και σχετικά δεν προσβάλλονται απο παρεμβολές.

9 2. ΘΕΩΡΙΑ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ Οι οπτικές ίνες φαίνεται να είναι σήμερα η καλύτερη λύση στα μέσα μετάδοσης και αυτό γιατί τα πλεονεκτήματα, που παρουσιάζουν, σε σχέση με τα άλλα μέσα είναι ιδιαίτερα σημαντικά. Οι οπτικές ίνες διαθέτουν πολύ μεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνονται υψηλές ταχύτητες μετάδοσης (της τάξης των Gbps). Συνήθεις ταχύτητες μετάδοσης είναι αυτές των 2 και 10 Gbps, ενώ έχουν επίσης αναπτυχθεί συστήματα των 20,40 και 50 Gbps. Σε περίπτωση πολυπλεξίας με διαίρεση μήκους κύματος, οι ταχύτητες φθάνουν στα μερικά Tbps. Επίσης, δεν εττηρεάζονται από ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, με αποτέλεσμα να συνιστάται η χρήση τους σε βιομηχανικό περιβάλλον και σε χώρους με υψηλό θόρυβο. Η εξασθένηση των σημάτων είναι μικρότερη από ό,τι στα χάλκινα και ομοαξονικά καλώδια, με αποτέλεσμα οι αποστάσεις μεταξύ ενισχυτών ή άλλων ενεργών στοιχείων να κυμαίνονται από μερικά μέχρι και μερικές εκατοντάδες χιλιόμετρα, ανάλογα με τη τεχνική και το ρυθμό μετάδοσης. Η υποκλοπή ή η παρεμβολή πληροφορίας είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθούν, με αποτέλεσμα οι οπηκές ίνες να συναστούν πολύ ασφαλές μέσο μετάδοσης. Επίσης, το βάρος και ο όγκος τους είναι σημαντικά μικρότερος από τα αντίστοιχα μεγέθη των άλλων αγωγών. Αξίζει να αναφέρουμε, σαν παράδειγμα, ότι χάλκινο καλώδιο με 1000 ζεύγη και μήκος 500 μέτρων ζυγίζει περίπου 4000 κιλά, ενώ οπτική ίνα του ίδιου μήκους, που περιέχει τον ίδιο αριθμό καναλιών, ζυγίζει μόνο 45 κιλά. Επιπλέον, δεν είναι ευαίσθητη σε υγρό περιβάλλον, όπου τα χάλκινα καλώδια μπορεί να δημιουργήσουν βραχυκυκλώματα. Επειδή η οπτική ίνα δεν μεταφέρει ηλεκτρικό σήμα, προτιμάται σε περιοχές υψηλού κίνδυνου εκρήξεων από σπινθήρες (χώροι καυσίμων, εύφλεκτων αερίων κλπ.). Συμπερασματικά, θα πρέπει να αναφέρουμε, ότι τα καλώδια οπτικών ινών παρουσιάζουν ίδιες μηχανικές ιδιότητες με τα ομοαξονικά, αλλά είναι ελαφρότερα σε βάρος, μικρότερα σε διάμετρο και οι αποστάσεις μεταξύ των επαναληπτών είναι μεγαλύτερες. Ένα από τα βασικότερα μειονεκτήματα, που παρουσιάζουν οι οπτικές ίνες, είναι η δυσκολία υλοποίησης συνδέσεων, επειδή απαιτείται υψηλή προσαρμογή και ευθυγράμμιση της φωτεινής πηγής, για να μην υπάρχει διασπορά και να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες. Όμως, η πρόοδος της τεχνολογίας, που έχει σημειωθεί τα τελευταία χρόνια στην πρρ(ρ;(ή των οπτικών ινών, αντιμετώπισε με επιτυχία την παραπάνω δή^ί^λία, με

10 αποτέλεσμα να είναι δυνατή η χρήση τους και για συνδέσεις σημείου προς πολλά σημεία. Παρόλα αυτά, η χρήση τους σε τέτοιες συνδέσεις δεν έχει ακόμη ευρέως εξαπλωθεί, ιδιαίτερα λόγω του αυξημένου κόστους, που παρουσιάζουν τέτοια (Π'σττίΜατσ 2.2 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΝΑΣ Η βασική κατασκευή μιας οππκής ίνας φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα Ι.Στο κέντρο του καλωδίου υπάρχει η οπτική ίνα, η οποία κατασκευάζεται από γυαλί ικανό να μεταφέρει φωτεινή δέσμη συγκεκριμένου μήκους κύματος με πολύ λίγες απώλειες. Τιΐν οπηκή ίνα περιβάλλει ειδική επίστρωση υλικού με μικρότερο δείκτη διάθλασης από το υλικό της ίνας, το οποίο ονομάζεται cladig ή buffer. Το υλικό αυτό βοηθά στη συνεχή ανάκλαση της φωτεινής δέσμης, η οποία θα πέσει μέσα στην οπτική ίνα, εφόσον η γωνία πρόσπτωσης είναι μεγαλύτερη της οριακής διότι σε άλλη περίπτωση θα έχουμε διάθλαση στην εξωτερική επίστρωση (claddig) (Βλέπε σχήμα 1). Με αυτό τον τρόπο η οπτική ίνα εγκλωβίζει τη δέσμη του φωτός και την οδηγεί στην άκρη της. Σηαείωση: Η βασική χημική αντίδραση από την οποία παράγεται το οπτικό γυαλί είναι: SiCLi (gas) + Ο2 ( S1O2 (solid)) + 2 CI2 (Υψηλή θερμοκρασία) GeCU (gas) + Ο2 ( Ge02 (solid)) + 2 CI2 (Υψηλή θερμοκρασία) iuvectutii; >ντς Γν«τχι>οη*; του uixtobiou0 Σχήμα 1. // κατασκευή καλωδίου οπτικής ίνας

11 Την επίστρωση περιβάλλει δέσμη συνθετικών ινών, οι οποίες έχουν στόχο την προστασία της ίνας από πιθανά τραβήγματα, όπου είναι επικίνδυνο να σπάσει το γυαλί, το οποίο αποτελεί και τον πυρήνα της ίνας. Όλα τα παραπάνω περικλείονται σε ε^ίοτερικό πλαστικό περίβλημα όμοιο με αυτό των καλωδίων συνεστραμένων ζευγών. >ΊΐΜ.ειωοιι... : : ν/ιύρχοον ο/ΐ'πκέί ΐ\ ^. ο\^ι/ιοίι:( (ivt07(xihuικό. I Ιροι, ΐο 'iv.fu'iua' ί'.ίνο.ι!ί (ι();^^οίΐί '/ιροοκιγροχηγί. )((u»uoof>i(o\''i(>,i <>'/ιό > op ()\ί' 'ifio'ioyio. ΌιικΤλοΟ)!!;. όιιοκ. \'ο. υη ΐι:ΐ(ίκι(νθ ΐι:. 0Ή ku'i (> h')x^('\'icm 7ΐ(ΚΗ>/ι(>()η; ]'ια \'u ί;.λ(ηΐΐ('οό\' ιο. '/upumι μ ιμ ικύ. ((Ό; i.ui πδνι>(\ η 7ΐο.νό((Η'/ιΐ. I'lr.dai ικίρ.'; '/ΐλοΟΊΙΜ'ΐ ί\ίι ίλ'ογ.χΐ.ιοι \'U Ο,.ΊΟ I ΙΛ'Λΐί:: (>'. (U/IU'iO )Ι;.ΙΊ1 )ΐ: ιιη,'. ο ι. Λ >;'ιΐιλλο I. οάλιν'ιιι, ivut. 2.3 ΚΑΤΗΓΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ Οι οπτικές ίνες διαφοροποιούνται, κατ αρχήν, από τον τρόπο μετάδοσης του σήματος σε αυτές. Η πρώτη βασική διάκριση είναι μεταξύ των πολύτροπων και μονότροπων οπτικών ινών Πολύτροπες οτττικές ίνες (Multimode fiber optics) Ο τρόπος αναφοράς των μεγεθών για τις οππκές ίνες είναι να αναφέρουμε πρώτα τη διάμετρο του πυρήνα (γυαλιού) και στη συνέ^^εια τη διάμετρο της επίστροκτης (claddig). Οι μετρήσεις των παραπάνω μεγεθών γίνονται σε 1θ-6 μέτρα. Οι πολύτροπες οπτικές ίνες έχουν τυπικά μεγέθη 5θμιη/ 125μπι, 62,5/125, 85/125 ή 100/14Θ. Ο συνηθέστερος τύπος, ο οποίος κυκλοφορεί, είναι ο 62,5/125. Η ολική διάμετρος της οπτικής ίνας συμπεριλαμβανομένων των ενασχυτικών συνθετικών ινών και του εξωτερικού περιβλήματος φτάνει τα 900μηι. Η αρχή μετάδοσης σε πολύτροπη οπτική ίνα είναι ότι οι διάφορες ακτίνες του οπτικού σήματος ανάλογα με την είσοδο τους στην οπτική ίνα

12 ταξιδεύουν ανακλώμενες υπό διαφορετικές γωνίες, όπως φαίνεται στα σχήματα 2,3. Αυτός ο τρόπος μετάδοσης ονομάζεται πολύτροπος (multimode), επειδή έχουμε πολλούς δρόμους μετάδοσης, που αντιστοιχούν στις διαφορεπκές γωνίες αvάlj^uoης. Ci πολύτροπες οπτικές ίνες διακρίνονται σε δυο κατηγορίες: τις διακριτού βήματος (step idex) και τις βαθμιαίου βήματος (graded idex). Οπτική ίνα διακριτού δείκτη (step idex) Στις ίνες αυτές συμβαίνει απότομη μεταβολή του δείκτη διάθλασης μεταξύ της κεντρικής ίνας και του υλικού επίστρωσης. Στην περίπτιοση αυτή, η πορεία των ακτινών εμφανίζεται στο Σχήμα 2. Σχήμα 2. Οπτική ίνα διακριτού δείκτη Οτττική ίνα βαθμιαίου δείκτη (graded idex) Οι ίνες αυτές χαρακτηρίζονται από βαθμιαία μεταβολή του δείκτη διάθλασης του υλικού της κεντρικής ίνας. Συμβαίνει βαθμιαία μείωση όσο απομακρυνόμαστε από το κέντρο προς την εξωτερική επιφάνεια του γυαλιού. Η πορεία των ακτινών σε μια τέτοια ίνα είναι αυτή, που φαίνεται στο Σχήμα 3. Σχήμα 3. Οπτική ίνα βαθμιαίου δείκτη

13 2.3.2 Μονότροπες οτττικές ίνες (sigle mode fiber optics) Στις μονότροπες οππκές ίνες η διάμετρος της κεντρικής ίνας είναι πολύ μικρή και πληυΐάζει περΰωυ το επίπεδο τοα μήκους ιλματος του εκπεμπόμενου σήματος. Στην περίπτωση αυτή, έχουμε έναν μόνο δυνατό τρόπο μετάδοσης του οπτικού σήματος, τον αξονικό. Η πορεία των ακτινών σε μια τέτοια οπτική ίνα φαίνεται στο Σχήμα 4. Η κεντρική ίνα στις μονότροπες οππκές ίνες έχει διάμετρο από 5pm έως lopm με συνηθέστερη πμή τα 8,3 pm. Σχήμα 4. Μονότροπη οπτική ίνα 2.4 ΚΑΛΩΔΙΑ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ Τα καλώδια οππκών ινών περιέχουν από 1 έως 36 οππκές ίνες. Τα πιο συνηθισμένα είναι τα καλώδια με ζυγό αριθμό οππκών ινών για την επικοινωνία των full-duplex κυκλωμάτων. Θα ξεχωρίσουμε δυο τύπους οππκών ινών ως προς την κατασκευή τους Tight Buffer Στην πρώτη περίπτωση, έχουμε σε κάθε οππκή ίνα και εξωτερικά από την επίστρωση συνθεπκές ίνες και εξωτερικό μονωπκό περίβλημα. Μέσα στο καλώδιο υπάρχουν πολλές τέτοιες ίνες, όπου η κάθε ίνα αποτελεί και ένα ξεχωριστό καλώδιο. Μέσα στο καλώδιο περιέχονται εκτός από καλώδια οππκών ινών και καλώδια, τα οποία χρησιμεύουν για ενίσχυση και στρογγυλοποίηση του όλου σχήματος. Όλα αυτά τα καλώδια, τέλος, περικλείονται από εξωτερικό περίβλημα. Αυτή η κατασκευή είναι γνωστή σαν Tight Buffer. Στο Σχήμα 5 εμφανίζεται ανάλογη κατασκευή καλωδίου οππκών

14 Σχήμα 5. Καλώδιο οπτικών ινών ( Tight Buffer ) Optical patch cords Παρόμοιας κατασκευής είναι τα εύκαμπτα καλώδια, που χρησιμοποιούμε για τη σύνδεση με τον ενεργό εξοπλισμό (Optical patch cords). Αυτά αποτελούνται από δυο καλώδια ενωμένα στο εξωτερικό τους, το κάθε ένα από τα οποία περιέχει οπτική ίνα από πλαστικό. Στο σχήμα 6 εμ(ρανίζεται ένα οπτικό καλώδιο σύνδεσης. Φ ^ ΟτΓπκήΚ,α Π frrfotpowt) (Buffer) Μ Μ IuvOtTmisf**St*foXW»N J J I m Σχήμα 6. Οπτικό Patch cord

15 2.4.3 Loose Buffer Στην δεύτερη περίπτωση, έχουμε τις οπτικές ίνες με την επίστρωση τους να είναι τοποθετημένες ελεύθερα μέσα στο καλώδιο και περικλείονται από εξωτερικό περίβλημα, αφού πρώτα τοποθετηθεί μέσα στο καλώδιο επίστρωση από συνθετικές ίνες για την ανθεκτικότητα του καλωδίου. Αυτή η κατασκευή είναι γνωστή σαν Loose Buffer. Στο Σχήμα 7 εμφανίζεται ανάλογη κατασκευή καλωδίου οπτικών ινών. trrlotpuxiq (Bufier) Περφλη»«ΣυνθΓΠκ/ς Εξιντιρικό περφλημα Σχήμα 7. Καλώδιο οπτικών ινών ( Loose Buffer ) 2.5 ΧΑΡΑΚΤΙΡΙΣΤΙΚΑ ΚΑΙ ΕΙΙΙΔΟΣΕΙΣ Οι ετηδόσεις μιας όπχικής ίνας συνδέονται με τον τρόπο μετάδοσης του σήματος στην ίνα, με το αν, δηλαδή, η ίνα είναι πολύτροπη ή μονότροπη και με το μήκος κύματος του φωτός, που εκπέμπεται από την πηγή. Στις μονότροπες οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται μήκη κύματος μεταξύ των 1310 m και των }550 ηιτι. Στις πολύτροπες οπτικές ίνες έχουμε μήκη κύματος από 850 m έως 1300 m. θα πρέπει να τονίσουμε, ότι για δεδομένη εγκατάσταση, θα πρέπει να χρησιμοποιείται μόνο ένας τρόπος μετάδοσης και μόνο ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος από τις πηγές σε όλη την έκταση της εγκατάστασης.

16 Οι οπτικές ίνες μπορούν να μεταφέρουν σήματα με πολύ μεγάλο εύρος ζώνης σε μεγάλες αποστάσεις με πολύ μικρή εξασθένιση του σήματος. Οι πολύτροπες οπτικές ίνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αποστάσεις, που υπερβαίνουν τα 3Km, ενώ οι μονότροπες οπτικές ίνες μπορούν να υπερβούν τα 10 Km. Υπάρχουν, όμως, και άλλοι παράγοντες, οι οποίοι περιορίζουν ης παραπάνω αποστάσεις μετάδοσης. Τέτοιοι παράγοντες είναι το εύρος ζώνης της πηγής και του δέκτη των σημάτων σε μια οπτική ίνα, και η χρωματική διασπορά του μεταδιδόμενου σήματος μέσα στην οπτική ίνα, η οποία διασπορά αυξάνεται με την απόσταση και εξασθενίζει το σήμα. Επίσης, επιβαρυντικός παράγων είναι η χρήση συνδέσμων και διακλαδωτών στην πορεία των οπτικών ινών. θα πρέπει να σημειώσουμε, ότι στις πολύτροπες οπτικές ίνες είναι πιο ανεκτό να χρησιμοποιήσουμε συνδετήρες και διακλαδωτές απ' ότι στις μονότροπες. Ετήσης, στις πολύτροπες οπτικές ίνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν χαμηλού κόστους πηγές LED, ενώ οι μονότροπες οδηγούνται συνήθως από πηγή LASER. Τυπική τιμή εξασθένισης σήματος για μια 62,5/125 πολύτροπη οπτική ίνα είναι 3,5 db/km για σήμα με μήκος κύματος 85Θ m και 1.Θ db/km για μήκος κύματος 1300m. Τυπικό μέγεθος εξασθένισης σήματος για μονότροττη οπτική ίνα είναι 0,5 db/km στα 1310 m και 0,4 db/km στα 1550m. Η οπτική ίνα έχει φυσικό εύρος ζώνης GHz για κάθε μια ζώνη; 0.85μm,1.33μm και 1.5μm. Το εύρος ζώνης ορίζεται για τα μήκη κύματος των 1.33 και 1.5μm ως η περιοχή γύρω από την οποία παρουσιάζεται εξασθένηση μικρότερη από το διπλάσιο του ελάχιστου σημείου; ~0.35dB/ Km για μήκος κύματος 1.33μm και 0.2 db/km για μήκος κύματος 1.5μm. Η ζώνη γύρω από τα 0.85 pm (2 db /Km) οβίζεται από την περιοχή μέσα στην οποία μέσα στην οποία μπορούν εύκολα να κατασκευαστούν τα ηλεκτρονικά από Ga-As (αρσενικούχο γάλλιο) εύκολα. *Στα 0.85pm τα ηλεκτρονικά μετάδοσης high speed φτιάχνονται από Ga-As και οι φωρατές από Si. Αναφέρθηκε το εύρος ζώνης των GHz το οποίο υπολογίζεται ως εξής ; Π.χ. γύρω από τα 1.5μm,υπάpχει ένα περιθώριο μήκους κύματος Δλ=200μm μέσα στο οποίο έχουμε εξασθένηση μικρότερη από το διπλάσιο του ελάχιστου σηιιείου.

17 Από τη σχέση: λ= / Όπου: c=3*e* m/s η ταχύτητα του φωτός, λ= μήκος κύματος σε m αν αφαιρέσουμε κατά μέλη τα όρια του εύρους +_ 200μτη,μας δίνεται η σχέση: c'xaa Λί^=/1' -0.25χΔΑ^ =26785,71429 GHz. Σήμερα ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων (bit rate) με οπτική ίνα βρίσκεται στα 1.2 ή 2.4 Gbit/sec που δίνει περίπου τηλεφωνικές ετηκοινωνίες των 64 Kbps. Το ηλεκτρικό σήμα διαμορφώνεται με αναλογικό ή ψηφιακό τρόπο και με τη σειρά του διαμορφώνει την ένταση της φωτεινής δέσμης μιας LED ή ενός LASER τα οποία έχουν συζευχθεί με την οπτική ίνα (φωτοδηγό). Τα LASER προσφέρονται καλύτερα για ψηφιακό σήμα ενώ οι LED τόσο για ψηφιακά όσο και αναλογικά. Όμως οι εφαρμογές των οπτικών ινών είναι κυρίως για τα ψηφιακά συστήματα. Το μήκος του φωτοδηγού δεν περιορίζεται. Μόνο κατά τη διαδρομή πρέπει να παρεμβάλλονται αναγεννητές για να μειώσουν την παραμόρφωση που παθαίνει το σήμα μέσα στη διαδρομή του. Στο τέλος μια φωτοδίοδος χιονοστιβάδας μετατρέπει το φωτεινό σήμα που παίρνει σε ηλεκτρικό. ΕιοοΟος Led η Ενισχιπτι; < Ηοτο*ύ)Λυ; ΦεοτοΛίοΛυς ^ ΕξοΛος (ΑναγεΛ-Ν-ητης)... Xwyvo-.. ί>ε6ομίνυ>ν... στήνιλος σχέδιο μεταφοράς δεδομένων με οπτικές ίνες

18 To bit rate περιορίζεται και καθορίζεται από την χρονική ή χρωματική διασπορά, που οφείλεται στις διαφορεηκες ταχύτητες μετάδοσιις των διάφορων μήκων κύματος που εμπεριέχονται στο εύρος ζώνιις. Οι λαμβανόμενοι παλμοί υφίστανται κάποιο ποσοστό χρονικής διεύρυνσης, που μπορεί να οδηγήσει σε αλληλοπαρεμβολή μεταξύ συμβολών (itersymbol iterferece).παραδεκτή χρονική διασπορά περίπου το 0.1 της διάρκειας του bit. Ο ρυθμός σφαλμάτων έχει μειωθεί α-^ό 10 ' ενός τυπικού modem φωνής πριν 15 χρόνια, σε 10' ^ (ζεύξεις οπτικών ινών για διασυνδέσεις υπολογιστών). Βασικό αίπο ο θόρυβος των χάλκινων αγωγών (τα ηλεκτρόνια κατά την κίνηση τους αλληλετηδρούν σε αντίθεση με τα φωτόνια). 2.6 ΑΠΩΛΕΙΕΣ Εξασθένηση ίνας Η εξασθένηση που παρουσιάζει η οπτική ίνα είναι 20 db/100km σε μήκος κύματος λ= 1.5μm (κοντά στο υπέρυθρο). Βέβαια γίνονται και εργαστηριακές διερευνήσεις σε εξωτικά υλικά που παρουσιάζουν εξασθένηση μικρότερη από 0.01 db/km Απώλειες στην ίνα Στο άκρο των μεγάλων μήκων κύματος υπάρχει η υπέρυθρη απώλεια υλικού (ifrared loss), ως ουρά φάσματος απωλειών, που αποτελείται από κορυφές πέρα από τα 9pm εμφανίζοντας εκεί εξασθένηση πάνω από 10'' db/km! Οι θεμελιώδεις "γραμμές απορρόφησης" και οι αρμονικές τους οφείλονται σε διέγερση μοριακών δονήσεων από τα προσπίπτοντα φωτόνια. Τα προσπίπτοντα φωτόνια μπορούν επίσης να προκαλέσουν εξαναγκασμένες, ηλεκτρονικές μεταπτώσεις εάν ανήκουν στο υπεριώδες (ultra violet) και για αυτό ακόμη και η ουρά προς τα μεγάλα μήκη κύματος, αυτή της UV απώλειας του υλικού συνεπάγεται μια σημαΐ'τική συμβολή στην ολική φασματική απώλεια.

19 Ον δυο παραπάνω απώλειες δεν μπορούν να διορθωθούν σε ίνα από silica (πυρίπο). *Αυτές είναι και οι κυριότερες απώλειες, με σημαντικότερη την ifrared loss Απώλειες που μπορούν να ελεγχθούν ως κάποιο σημείο Απώλειες σκέδασης Rayleigh, που οφείλονται στις μικροσκοπτκές περιοχές σκέδασης μέσα στο υλικό του πυρήνα της ίνας, (ανομοιογένειας στην πυκνότητα και την σύνθεση του υλικού, πολύ μικρότερες από το λ), που εκτρέπουν το φωτεινό σήμα στέλνοντας το έξω από την επιθυμητή διεύθυνση προς τα τοιχώματα ή πίσω (back scatterig). Απώλειες απορρόφησης ιόντων ΟΗ' (υδροξυλίου): Είναι μια άλλη περίπτωση που τα προσπίπτοντα φωτόνια διεγείρουν δονήσεις ενός ολόκληρου μορίου. Αυτή η συνιστώσα απωλειών λαμβάνει τη μορφή κορυφών κοντά στις αρμονικές της βασικής κορυφής απορρόφησης που βρίσκεται στα 2.8μπι και συγκεκριμένα στα 1.4, Θ.9 και θ.7μπι. Η κύρια φυσική πηγή ΟΗ' είναι το νερό και το ιστορικό της μείωσης της εξασθένησης του γυαλιού αντανακλά και το ιστορικό της μείωσης της κατακράτησης υδρατμών κατά την κατασκευή του γυαλιού. Από τις παραπάνω λιγότερη σημαντική είναι η UV. Αλλη μια απώλεια είναι η εξασθένιση κυματοδηγού που οφείλεται στις απώλειες διαρροής στον μανδύα, απώλειες στις μικροκάμψεις, στους συνδετήρες, στις συγκολλήσεις και άλλες ατέλειες που οδηγούν σε σκέδαση. Για συνδέσεις σε μονότροπη ίνα με συνδετήρες οι απώλειες είναι περίπου θ.5άβ, για μηχανικές συγκολλήσεις (butt splices) θ.2άβ (τα δύο άκρα της ίνας κόβονται κατάλληλα, έχοντας όσο το δυνατόν λείες επιφάνειες και έπειτα συγκρατούνται με μηχανικό τρόπο ή και με βοήθεια υγρού προσαρμογής (idex matchig fluid) για την ομαλή κάλυψη των κενών. Οι mo τέλειες κολλήσεις είναι με fusio splices, δηλαδή κόλληση με ηλεκτρικό τόξο για τήξη (<θ.θ6άβ). Κακές κολλήσεις ή συνδέσεις όχι μόνο έχουν σαν αποτέλεσμα την εξασθένηση αλλά και την ανάκλαση φωτός προς τα πίσω (back scatterig) στα laser ή τους φωτονιιςούς ενισχυτές προκαλώντας προβλήματα στη λειτουργία τους. Εκτός από τις συνδέσεις υπάρχει πάντα το back scatterig Rayleigh, που επίσης ετρηρεάζει τη λειτουργία των laser ή των φωτονικών ενισχυτών.

20 2.7 ΜΟΡΦΕΣ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΙΚΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ (MULHPLICAHVE NOISE) ΣΙ ΙΣ ΙΝΕΣ Έχουμε δύο πηγές θορύβου που πρέπει να ελέγχονται προσεκτικά για την αξιοποίηση των ετηδόσεων της ίνας. Α)"θόρυβος των τρόπων διάδοσης (modal oise)". Β)"θόρυβος διαμοιρασμού των τρόπων (mode partitio oise)". Ο modal oise εμφανίζεται όταν υπάρχουν πολλοί δυνατοί διαδιδόμενοι τρόποι (πολύτροπη ίνα), ενώ για mode partitio oise αναφερόμαστε στους ακτινοβολούμενους τρόπους από την οπτική πηγή και ειδικά από τα laser τα οποία εκπέμπουν περισσότερα από ένα μήκη κύματος ταυτόχρονα ή και σε γρήγορη διαδοχή. Ο modal oise εξαλείφεται με τη χρήση ενός laser με πολλούς τρόπους (πολλές συχνότητες) ή ενός led (εντελώς ασύμφωνη πηγή). Με αυτό τον τρόπο υπάρχει μεγάλη διακύμανση μεταξύ των τρόπων, κατά την διάρκεια ενός bit έτσι ώστε υπάρχει πολύ μικρή πιθανότητα να μην ληφθεί το bit λόγω π.χ. μηδενικής ή πολύ χαμηλής έντασης. Ο mode partitio oise οφείλεται στην αλληλεπίδραση του μηδενικού εύρους ζώνης της πηγής laser και της διασποράς της ίνας. Ένα led δεν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μονότροπη ίνα παρά μόνο σε ελάχιστες αποστάσεις και πολύ χαμηλά bitrate διότι το μεγάλο οπτικό εύρος ζώνης της θα επέσυρε υπερβολική διαπλάτυνση των παλμών λόγω διασποράς. Ο modal oise είναι πρόβλημα μόνο για πολύτροπη ίνα με πηγές στενού εύρους ζώνης ενώ ο mode partitio oise είναι πρόβλημα στις μονότροπες ίνες με πηγές ευρείας ζώνης laser ή led.

21 2.8 ΟΡΙΑ ΙΣΧΥΟΣ ΤΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΤΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΙΝΑΣ ΚΑΙ ΑΝΕΠΙΘΥΜΗΤΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ Η ισχύς του σήματος σε μια οπτική ίνα κυμαίνεται από ένα ελάχιστο όριο ανίχνευσης και ένα ανώτατο πάνω από το οποίο εμφανίζονται φαινόμενα μηγραμμικότητας του δείκτη διάθλασης της ίνας. Ένας άλλος λόγος περιορισμού της ισχύος του οπτικού σήματος της ίνας είναι και η πιθανότητα βλάβης του οφθαλμού όταν για π.χ. κοιτάξει κάποιος μέσα στο άκρο μιας κομμένης άλλα ενεργής ίνας. Τα μήκη 1.3 και 1.5μηι απορροφούνται εύκολα από τα εξωτερικά στρώματα του οφθαλμού όσο όμως πλησιάζουμε τα 400~700m ο φακός του οφθαλμού γίνεται περισσότερο διαφανής και μπορεί να προκληθεί βλάβη στον αμφιβληστροειδή χιτώνα. Ανεπιθύμητα φαινόμενα λόγω μη-γραμμικότητας είναι η διαφωνία μεταξύ καναλιών σε συστήματα "πυκνής διαίρεσης μήκους κύματος" ΜΗ-ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ: Σκέδαση Rama (SRS, stimulated Rama scatterig): Είναι ένα φαινόμενο που προκύπτει όταν ένα φωτόνιο προσπέσει σε ένα μόριο και προκαλέσει εκτός από μηχανικές δονήσεις του μορίου και την εκπομπή φωτός (φως stokes) με μεγαλύτερο όμως μήκος κύματος αφού θα έχει χαθεί κάποια ενέργεια. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να είναι εξαναγκασμένο από ένα δεύτερο φωτόνιο με μεγαλύτερο μήκος κύματος, έτσι ώστε αυτό να φανεί ότι διπλασιάζεται. Γι' αυτό το λόγο το φαινόμενο ονομάζεται και "εξαναγκασμένη ενίσχυση Rama (stimulated Rama amplificatio)". Αυτή η εξαναγκασμένη σκέδαση αυξάνεται σχεδόν γραμμικά με την διαςχ)ρά των μηκών κύματος των 2 φωτονίων (του ενός που παρέχει την ενέργεια και αυτού που την εκλαμβάνει), μέχρι μια διαφορά σε μήκος 120m. Έτσι προκύπτει ότι θα υπάρχει διαφωνία μεταξύ 2 σημάτων σε 2 μήκη κύματος. Η SRS είναι λίγο πολύ ισοτροτιική (όχι κατευθυντική) και ως εκ' τούτου ένα διαδεδιδόμενο οπτικό σήμα μπορεί να επηρεαστεί από ένα άλλο στην ίδια ή την αντίθετη κατεύθυνση.

22 Εξαναγκασμένη σκέδαση Brilloui (SBS, simulated Brilloui scatterig) H SBS είναι ιδιαίτερα καιευθυντική με σημείο μηδενισμού τιιν πρόσθια διεύθυνση με αποτέλεσμα όλη η ενέργεια που σκεδάζετε να διαδίδεται προς τα πίσω (back scatterig). Οφείλεται στην αλληλεπίδραση της δέσμης φωτονίων και ενός ηχητικού κύματος που αυτή παράγει, αποτελούμενο από κβαντικά ακουστικά σωματίδια, τα φωνόνια (phoos). Ένα προσπίπτον φωτόνιο κάποιας συχνότητας και ταχύτητας του φωτός, προκαλεί την παραγωγή ενός φωτονίου stokes και ενός φωνονίου που ταξιδεύει στην αντίθετη κατεύθυνση με την ταχύτητα του ήχου. Το φωτόνιο θα έχει συχνότητα μειωμένη περίπου κατά το λόγο τη ταχύτητας του ήχου προς την ταχύτητα του φωτός. Για φως στο 1.5pm η μετατόπιση είναι περίπου 1IGHz. Οποιοδήποτε φως κινείται αντίθετα και με συχνότητα 1 IGHz θα προκαλέσει την SBS και έτσι θα ενισχυθεί. Το φαινόμενο αυτό εύρος ζώνης πολύ μικρό κάπου στα 2ΘΜΗζ. Η SBS θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως εκ' τούτου σε ενίσχυση εξαιρεηκά στενής ζώνης φωτός. Δεν προκαλεί προβλήματα στο σύστημα εκτός αν υπάρχουν πολλοί πομποί που χρησιμοποιούν διαμόρφωση "o-off με laser εξαιρετικά στενής ζώνης. Μόνο τότε ένα μεγάλο μέρος της ενέργειας θα προσαρμόζεται στη ζώνη αποδοχής της. Η SBS και η SRS οφείλονται στο ίδιο φαινόμενο, που είναι το ότι η διηλεκτρική σταθερά του S1O2 (silica) παρουσιάζει μια μη-γραμμικότητα και συγκεκριμένα αυξάνεται ο δείκτης διάθλασης ελαφρά όσο αυξάνουμε την ένταση του φωτός (φαινόμενο Kerr) Μίξη τεσσάρων φωτονίων (four photo mixig) Πρόκειται για παραμόρφωση τρίτης αρμονικής. Ενώ η δεύτερη αρμονική δίνει συχνότητες έξω από ζώνη που ενδιαφέρει για διαφωνία από αποδιαμόρφωση, η τρίτη μπορεί να προκαλέσει παρεμβολές σε συστήματα πολυπλεξίας με διαίρεση συχνότητας, όπου οι συχνότητες ισαπέχουν μεταξύ τους. ( fi ij+fk ). Όταν οι τρεις αυτές συχνότητες είναι διαδοχικές και ισαπέχουν τότε ο όρος αυτός δίνει την fj σαν όρο αποδιαμόρφωσης. Έτσι ένα φωτεινό σήμα στην ή μπορεί να μολυνθεί από διαφωνία που εμπλέκει τις και fk.

23 ο όρος four photo mixig προέρχεται από το γεγονός ότι όταν υπάρχουν 3 φωτόνια 3 συχνοτήτων που αλληλεπιδρούν, τότε δημιουργείται ένα τέταρτο φωτόνιο ως αποτέλεσμα του γινομένου τους. Για κάθε κανάλι σήματος υπάρχει ένας τέτοιος αριθμός γινομένων, που σε ένα ιδανικό μέσο χωρίς διασπορά, τα γινόμενα βρίσκονται σε φάση και μπορεί να προκόψει σοβαρή μόλυνση κάθε καναλιού από τα γειτονικά του. Στα πρακπκά όμως συστήματα έχουμε το φαινόμενο της διασποράς που εμποδίζει τα γινόμενα να έρθουν σε φάση. Εξ' άλλου οι συχνότητες δεν ισαπέχουν ακριβώς μεταξύ τους. 2.9 ΤΑ ΣΟΛΙΤΟΝΙΑ (SOL1TONS) Τα σολιτόνια είναι παλμοί που έχουν πολύ συγκεκριμένα χαρακτηριστικά μορφής και παρουσιάζουν το φαινόμενο ότι μπορούν να διαδίδονται έπ' αορίστων δίχως να υπόκεινται σε χρονική διασπορά. Η οπτική ίνα λόγου της συμβολής του φαινομένου Kerr μπορεί να μεταδώσει τέτοιους παλμούς. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολύ μεγάλες αποστάσεις και πολύ υψηλά bitrates, με παλμούς πολύ βραχείας διάρκειας. Για να διαδοθούν οι παλμοί αυτοί θα πρέπει να έχουν την κατάλληλη ισχύ, θα πρέπει δηλαδή περιοδικά να ενισχύονται για να καλύπτονται οι απώλειες. Εφ' όσον δεν παρουσιάζεται χρονική διασπορά τα bit μπορούν να έχουν πολύ μικρή διάρκεια (δεκάδες picosecods). Επίσης η ισχύ των μερικών εκατοντάδων mwatt που απαιτείτε για αντίστοιχα bitrates μπορούν να επιτευχθούν με laser και οπτικούς ενισχυτές. Αν ο παλμός στην είσοδο δεν έχει επακριβώς την κατάλληλη μορφή, κατά την πορεία θα συγκλίνει προς αυτή και θα την διατηρήσει εφ' όσον υπάρχει η απαραίτητη ισχύ. Το φοινόμελ'ο του σολιτονίου βασίζεται στην αντίθεση μεταξύ χρονικής διασποράς και ασθενούς μη-γραμμικότητας του δείκτη διάθλασης εν συναρτήσει της εντάσεως του οπτικού πεδίου. Τα δύο αυτά φαινόμενα οδηγούν στο chidig του παλμού που είναι η μεταβολή της οπτικής συχνότητας μέσα <ττη χρονική διάρκεια του παλμού.

24 Η μη-γραμμικότητα θα οδηγεί φυσικά σε chirpig το μέρος του παλμού που έχει μεγαλύτερο πλάτος και η διασπορά θα επενεργεί στις μεγάλες (steep) κλίσεις του παλμού εκεί δηλαδή που υπάρχουν πολλές υψηλές αρμονικές. Στο σχήμα της καμπύλης της διασποράς συναρτήσει του μήκους κύματος όπου βρίσκεται και η εξασθένηση, φαίνεται ότι μετά τα 1.3m τα δύο φαινόμενα έχουν αντίθετο πρόσημο. Ένας παλμός λοιπόν που είναι πλούσιος σε αρμονικές υψηλής τάξης στην περιοχή του μεγίστου πλάτους ενώ μεταβάλλεται πολύ ομαλά οπουδήποτε αλλού θα μπορούσε να μεταδοθεί ως σολιτόνιο. Ο παλμός αυτός είναι το αντίστροφο υπερβολικό συνημίτονο (υπερβολική τέρνουσα): (cosh χ) '. Ήδη έχουν γίνει πειραματικά δοκιμές με σολιτόνια που κάλυψαν αποστάσεις ως και looookm. Τα σολιτόνια είναι αρκετά ευσταθή αρκεί να ενισχύονται Μορφοποίηση ίνας Μπορεί να κατασκευαστεί ίνα μετατοπισμένης διασποράς (dispersio shifted fiber) που έχει το ελάχιστο της διασποράς αντί του κανονικού 1.3pm στο 1.5pm όπου βρίσκεται και το ελάχιστο της εξασθένησης. Επίσης υπάρχει η ίνα πεπλατυσμένης διασποράς (dispersio flatteed fiber) στην οποία η διασπορά δ μεταβάλλεται πιο αργά με το μήκος κύματος από την απλή ίνα. Οι δύο αυτές παραλλαγές επιτυγχάνονται εισάγοντας σε ελεγχόμενο βαθμό διασπορά κυματοδηγού (waveguide dispersio). Είναι η εξάρτηση από το μήκος κύματος ενός δεδομένου τρόπου λόγω σχήματος και προφίλ του δείκτη διάθλασης κατά μήκος μιας διαμέτρου της περιοχής κυματοδήγησης. Αυτή η διασπορά κυματοδηγού υπάρχει και στην μονότροπη και στην πολύτροπη ίνα, ελέγχοντας το δείκτη διάθλασης στα όρια του πυρήνα και του μανδύα και μορφοποιώντας κατάλληλα το προφίλ του πυρήνα. Το ζήτημα είναι πολύ σημαντικό στην πολύτροπη ίνα λόγω ενός τρίτου είδους διασποράς, της διασποράς τρόπων (modal dispersio) ή διασποράς πολλαπλών διαδρομών (multipath dispersio). Συμβαίνει επειδή οι διάφοροι τρόποι (modes), έχουν διαφορετική ταχύτητα και φάση ομάδας ο καθέΐ'ας Υπάρχει επίσης και μορφοποίηση της πολύτροττης ίνας σε προφίλ βαθμιαίου ή διαβαθμισμένου δείκτη διάθλασης (graded idex) και βηματικού δείκτη (step idex), για μείωση διασποράς τρόπων διάδοσης.

25 Η διασπορά τρόπων διάδοσης είναι παρών ακόμη, αντίθετα από τη διασπορά κυματοδηγού και υλικού, και σε πολύ μικρό εύρος ζώνης, έτσι ώστε μπορεί να εκφραστεί και σε picosecods ανά Km (εν συναρτήσει μόνο της απόστασης ουοιαοτικά ανάοεια από την διασπορά υλικού). (Ο υπολογισμός της είναι επίπονος). Η πολύτροπη ίνα εμπορίου έχει πμές διασποράς τρόπων διάδοσης sec ανά Km για ίνα graded idex και SOsec ανά Km για ίνα step idex ΠΟΡΕΙΑ ΦΩΤΟΣ ΜΕΣΑ ΣΤΗΙΝ ΙΝΑ Γωνία διαδρομής ακτίνας ιρωτός μέσα στην ίνα: θ, Οριακή γωνία διαδρομής φωτός μέσα στην ίνα; θο Si 0c= η\ (δείκτες διάθλασης η1; πυρήνα, η2: μανδύα) Όταν θι>θς, έχουμε ολική ανάκλαση προς τα μέσα (το ιρως θα διαφύγει από τον πυρήνα όχι ολικά αλλά θα υπάρχει ένα βάθος διείσδυσης) Γ ωνία αποδοχής της ακτίνας φωτός στην ίνα: θ Αν η ακτίνα μπει με γωνία > θα τότε κατά την πρόσπτωση στο στρώμα πυρήναμανδύα, θα έχει γωνία < θο και το φως θα περάσει στο μανδύα και θα χαθεί. Τρεις δείκτες εμπλέκονται στον υπολογισμό της θα: ηο: δείκτης διάθλασης του αέρα εκτός ίνας η1; δείκτης διάθλασης πυρήνα η2; δείκτης διάθλασης μανδύα 0*si θα= l*si θι 0*si θα= l*cos θο= 0*si θα= Vwl Μια ίνα εν γένει κυκλικής αποδοχής, θα ε^ιφανίζει ουσιαστικά ένα κώνο αποδοχής με γωνία κορυφής θα- Έτσι ένα σύστημα φακών θα πρέπει να "ρίχνει" την ακτίνα εντός αυτού του κώνου. Αν η ακτίνα "μπει" με μεγαλύτερες γωνίες το φως δεν θα διαδοθεί κατά μήκος της ίνας.

26 Ανπκαθιστούμε το si θα (σε ακτίνια) με θα επειδή ηθ=1 και η διαφορά η1,η2 είναι < «1 οπότε : Ν.Α. (umec aperture) =θα=λ/«ΐ^ -η2^» \*yp2a Δ= σχετική διαφορά δεικτών διάθλασης= Το φως εισάγεται στην ίνα είτε με συμβατικό φακό είτε με φακό "βαθμιαίου δείκτη διάθλασης" ή GRIN (graded idex les). Πολύ καλή ιδιότητα των GRIN είναι ότι μπορούν να γίνουν πολύ μικροί σε μέγεθος. Τυπικές τιμές για φακούς GRIN του εμπορίου: για εστίαση σε μονότροπες ίνες 2mm μήκος και 2mm διάμετρο Χρήσεις - Παραδείγματα Τα καλώδια οπτικών ινών, τα οποία, συνήθως περιέχουν δεσμίδες οπτικών ινών, χρησιμοποιούνται, κυρίως, από τους τηλεπικοινωνιακούς οργανισμούς για επίγειες και υποθαλάσσιες συνδέσεις μεγάλων αποστάσεων, αντικαθιστώντας τόσο τις γραμμές ομοαξονικών καλωδίων, όσο και τις επίγειες και δορυφορικές μικροκυματικές ζεύξεις. Τα τελευταία χρόνια έχουν ποντισθεί πολλά καλώδια οπτικών ινών, με χωρητικότητα, η οποία ξεπερνά τα κυκλώματα φωνής, για τη διασύνδεση ηπείρων. Τέτοια παραδείγματα αποτελούν το καλώδιο BSFOCS, που εκτείνεται στην περιοχή της Μαύρης θάλασσας και συνδέει τη Βουλγαρία, Ουκρανία και Ρωσία, το καλωδιακό σύστημα SEA - ΜΕ - WE 3 (South East Asia - Middle East - West Europe), που ξεκινά από τη Δυτική Ευρώπη (Γερμανία, Μεγ. Βρετανία), περνά από τα στενά του Γιβραλτάρ στη Μεσόγειο (Ιταλία, Ελλάδα, Κύπρο) συνεχίζει από τα στενά του Σουέζ προς την Ασία (Ινδία, Σιγκαπούρη) και χωρίζεται σε δύο μέρη, με το ένα άκρο να καταλήγει στην Ιαπωνία και το άλλο στην Αυστραλία και το καλώδιο ADRIA- 1, που συνδέει την Ελλάδα (Κέρκυρα), την Αλβανία (Durres) και την Κροατία (Dubrovik). Οι οπτικές ίνες χρησιμοποιούνται, ετήσης, από ιδιωτικές εταιρίες σε τοπικά δίκτυα, σε πανεπιστημιακά δίκτυα κορμού, σε δίκτυα ευρείας περιοχής, σε δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης, σε εφαρμογές με υψηλές απαιτήσεις σε ασφάλεια μετάδοσης, όπως οι στρατιωτικές και, τέλος, σε βιομηχανικές εφαρμογές, όπου υπάρχει υψηλός βιομηχανικός θόρυβος, στον οποίο οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν ανοσία.

27 2.13 LASER Η εκπομπή του οπτικού σήματος σε οπτική ίνα γίνεται από πηγή LED (light Emmitig Diode) ή LASER (Light Ampliflcatio by Stimulated Emissio off Radiatio), και τα μήκη κύματος του φωτός, που η οπτική ίνα είναι σχεδιασμένη να μεταφέρει, ποικίλουν από 800m μέχρι 1500m. Παρακάτω περιγράφω πώς γίνεται η αυτόματη και η εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας των laser Αυθόρμητη εκπομττή Για ένα άτομο με πολλά ηλεκτρόνια η κανονική κατάστασή του αντιστοιχεί σε μια στάθμη ενέργειας Ει.Όπως βλέπουμε στο σχήμα 8,πιο κάτω, όταν το άτομο απορροφήσει ένα φωτόνιο που έχει ενέργεια hv, τότε το άτομο έρχεται σε κατάσταση διεγέρσεως που αντιστοιχεί σε μια ανώτερη στάθμη ενέργειας Ej και ισχύει η σχέση Ε2 - Ει = hv. Η κατάσταση διεγέρσεως διαρκεί ετή ελάχιστο χρόνο, περίπου 1θ * sec και το άτομο αυτόματα ξαναγυρίζει στην κανονική κατάστασή του εκπέμποντας ένα φωτόνιο συχνότητας ν, η οποία προσδιορίζεται από την εξίσωση hv = Ε2 - Ej. Αυτός ο τρόπος εκπομπής ακτινοβολίας ονομάζεται αυτόματη εκπομπή. Σε ένα μεγάλο πλήθος ατόμων η αυτόματη εκπομπή από τα διάφορα άτομα γίνεται σε διαιρορετικές χρονικές στιγμές. Λάζερ - δομή του ατόμου Πυρήνας και ηλ Κτρονιακό νέφος ^ Επίπεδα Ενέργειας Ενέργεια S. \ Q Q ^ \ > Τ Τ.\ΐ)τυματΐ Εκηομιτή VΒ \ r \ r.λϋορρόφηΐίη laa/v I ΛΛ/Ιι* _ Ej - Ej = hc/λ Σχήμα 8 διαδψασία αυθόρμητης ^ΐι^μρμμής Idter

28 Εξαναγκασμένη εκπομττή Στο άτομο υπάρχουν μερικ-ές στάθμες ενέργειας που είναι πρόσκαιρα σταθερές και ονομάζονται μετασταθερές στάθμες. Σε μια τέτοια στάθμη ενέργειας το άτομο μπορεί να παραμείνει επί 10'^ sec, δηλαδή η κατάσταση διεγέρσεως διαρκεί 105 φορές μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Ένα άτομο που βρίσκεται στην κανονική κατάσταση, δηλαδή στην στάθμη ενέργειας Ει, απορροφά ένα φωτόνιο συχνότητας ν και έρχεται σε μία ανώτερη μετασταθερή στάθμη ενέργειας Ε2, για την οποία ισχύει η εξίσωση Ε2 - Ε] = hv. Το άτομο βρίσκεται τότε σε κατάσταση διεγέρσεως. Εκείνη τη στιγμή πέφτει πάνω στο άτομο ένα φωτόνιο hv που έχει συχνότητα ν ακριβώς ίση με την συχνότητα του φωτονίου που εκπέμπει το άτομο, όταν ξαναγυρίζει από την κατάσταση διεγέρσεως Ε2, στην κανονική κατάστασή του Ει. Τότε το άτομο αναγκάζεται να αποδιεγερθεί και εκπέμπει ένα φωτόνιο hv. Αυτό το φωτόνιο προστίθεται στο προηγούμενο φωτόνιο που προκάλεσε την αποδιέγερση και έτσι από το άτομο φεύγουν δύο μαζί φωτόνια που μεταφέρουν ενέργαα 2(hv). Αυτός ο τρόπος εκπομπής ακτινοβολίας ονομάζεται εξαναγκασμένη εκπομπή (Stimulated emissio) και περιγράφεται και στο σχήμα 9. Σχήμα 9 Αιαόικασία εξαναγκασμένης εκπομπής laser

29 Σ' αυτή την αρχή στηρίζεται η λειτουργία του λέιζερ (laser) που αποτελεί έναν νέο τύπο φωτεινής πηγής. Η ονομασία του laser προέρχεται από τα αρχικά των λέξεων Light Amplificatio by Stimulated Emissio of Radiatio (ΙΊολλαπλασιασμός του Φωτός από Εξαναγκαομένιι Εκπομπή Ακτινοβολίας) Ενεργιακές στάθμες ατόμων Οι ενεργειακές στάθμες ενός ατόμου, διαχωρίζονται στις διεγερμένες, με μεγαλύτερη ενέργεια, και στην βασική όπου θεωρηπκά το άτομο έχει μηδενική ενέργεια και αυτή είναι και η ιδανική κατάσταση. Ο χρόνος παραμονής στις διεγερμένες στάθμες είναι πολύ μικρός, της τάξης των 1θ *sec, αν και υπάρχουν και κάποιες διεγερμένες καταστάσεις που ζουν" πολύ περισσότερο και λέγονται μετασταθείς. Η αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας ενός ατόμου, ονομάζεται μετάπτωση του ατόμου από την μια ενεργειακή στάθμη στην άλλη. Οταν αυτή είναι υψηλότερης ενέργειας έχουμε διέγερση και αν η τελική στάθμη είναι χαμηλότερα της αρχικής, η μετάπτωση καλείται αποδιέγερση. Η ακραία περίπτωση διέγερσης, όπου η τελική ενέργεια είναι Ε=οο, ονομάζεται ιονισμός. Οι συνηθέστεροι τρόποι διέγερσης είναι: α)με ελαστικές κρούσεις μεταξύ ατόμων ή ατόμων με άλλα σωματίδια, β)με απορρόφηση φωτονίων με ενέργεια ίση με E=hv (φαινόμενο απορρόφησης συντονισμού), ενώ αποδιέγερση έχουμε είτε με εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, είτε με εκπομπή ηλεκτρονίων Auger. Σαν κατάσταση θερμικής ισορροπίας ορίζουμε την κατάσταση όπου όλα τα τμήματα ενός συστήματος (ατόμου) έχουν την ίδια θερμοκρασία. Έτσι, ένα σύστημα το οποίο δεν υπόκειται σε εξωτερικές δυνάμεις και βρίσκεται σε θερμική ισορροπία, η κατανομή των ατόμων σε ενεργειακές στάθμες ορίζεται από την ενέργεια της στάθμης και από τη θερμοκρασία του συστήματος, σύμφωνα με τον στατιστικό νόμο του Boltzma: ΛΓ ΛΓ -E.fkT Ν = N o - e όπου No είναι το σύνολο των ατόμων του συστήματος, Νη το πλήθος των ατόμων στη στάθμη η ενέργειας Ε, Τ είναι η απόλυτη θερμοκρασία του συστήματος και k η σταθερά Boltzma, με k=θ,86 X ΙΟ"^ ev. Στα περισσότερα στοιχεία η διαφορά μεταξύ της βασικής στάθμης του ατόμου και στην αμέσως ανώτερη (η=2), είναι της τάξης των 2 ev. Στη συνήθη θερμοκρασία T=3ΘOk, είναι: kt-0,026 ev. Επομένως, ανάμεσα στις δύο στάθμες θα ισχύει:

30 Οπότε βλέπουμε πως για τις συνήθεις θερμοκρασίες, ο λόγος του πληθυσμού της ενεργειακά υψηλότερης καταστάσεις (Νη) προς τον πληθυσμό της ενεργειακά χαμηλότερης καταστάσεις (Νη-1) είναι μικρότερος της μονάδας. Αυτή είναι και η συνήθης περίπτωση κατά την οποία έχουμε απορρόφηση ακτινοβολίας, ενώ η παρακινούμενη εκπομπή δεν παίζει σημαντικό ρόλο Αρχή λειτουργίας laser Το φαινόμενο απορρόφησης συντονισμού φωτονίου κατάλληλης ενέργειας περιγράφεται από την ενεργό διατομή σ. Ο ρυθμός διέγερσης Νι από τη βασική στάθμη-1 στην διεγερμένη στάθμη-2, μέσω μιας ροής φωτονίων Φ Λ περιγράφεται από τη σχέση:, με \ν ΐ2=σΐ2Φ, σΐ2 η ενεργός διατομή διέγερσης και το αρνητικό πρόσημο περιγράφει την ελάττωση των ατόμων στη βασική στάθμη-1. Όταν έχουμε ένα δείγμα ατόμων Ν2 σε μια διεγερμένη στάθμη-2, η αυθόρμητη αποδιέγερση μετασταθούς στάθμης είναι χρονικά τυχαία και τα εκπεμπόμενα τιλεκτρόνια έχουν μεταξύ τους τυχαία διεύθυνση και φάση (Ε-3). Ο ρυθμός της αυθόρμητης αποδιέγερσης δίνεται από τη σχέση:, με Α21 ο συντελεστής Eistei. Ο συντελεστής Eistei συνδέεται με το μέσο χρόνο ζωής της στάθμης-2 με τη, Γ=1/Λι σχέση: sec. Εκτός από πς παραπάνω σχέσεις, υπάρχει και ένα άλλο φαινόμενο που συνδέετάι με τη μετάπτωση από τη κατάσταση-2 στην στάθμη-1 όταν στο άτομο "βομβαρδιστεί" με ηλεκτρόνια κατάλληλης ενέργειας, hv=ae. Τότε υπάρχει η πιθανότητα το άτομο να εξαναγκαστεί να μεταπηδήσει στην ενεργειακά χαμηλότερη κατάσταση-1. Το φαινόμενο αυτό γίνεται μόνο και μόνο όταν, η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου είναι ίση με την ενεργειακή διαφορά των δύο καταστάσεων του

31 ατόμου. Στη περίπτωση αυτή το φωτόνιο αναγκάζει το άτομο να εκπέμψει ένα άλλο φωτόνιο με την ίδια ακριβώς ενέργεια, φάση, κατεύθυνση και πόλωση. Έτσι λόγω Αρχής Διατήρησης της Ενέργειας, έχουμε εκπομπή δύο ταυτόσημων φωτονίων και τΐ,ν μετάπιωοη του ατόμου στηλ' ενεργειακά χαμηλότερη στάθμη. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται εξαναγκασμένη αποδιέγερση. Ο ρυθμός, λοιπόν, της εξαναγκασμένης εκπομπής είναι;, με W21 τη πιθανότητα εξαναγκασμένης από-διέγερσης. Όμως σύμφωνα με τον Eistei είναι W)2= W21, οπότε μπορούμε να πούμε πως ένα φωτόνιο μπορεί να προκαλέσει διέγερση ή αποδιέγερση ενός ατόμου, με την ίδια πιθανότητα. Δηλαδή, αν στη κατάσταση Α1 το άτομο απορροφά φωτόνιο γ και μεταπηδά στη κατάσταση Α2: A-y > Α2 αλλά και: Α2+γ >Αΐ4γ+γ. Επειδή ένα φωτόνιο προκαλεί την εκπομπή δύο, έχουμε τελικά παραγωγή σύμφωνης ακτινοβολίας και ενίσχυση του φωτός. Πρέπει ωστόσο να επισημάνουμε όπ το laser αν και μοιάζει πολύ, δεν εκπέμπει μονοχρωμαπκή ακτινοβολία αλλά ψευδομονοχρωματική με πολύ μικρό εύρος συχνοτήτων, όπως φαίνεται και στο σχήμα: Λ Σχήμα 1. Το εύρος συχνοτήτων Δν είναι πολύ μικρότερο από τη συχνότητα νο όπου εμφανίζεται το μέγιστο της εκπομπής ακτινοβολίας, Δ ν «ν, οπότε η διπλανή καμπύλη τείνει στο να γίνα ευθεία (μονοχρω-ματικό φως), χωρίς όμως κάτι τέτοιο ποτέ να συμβεί. Τα κύρια στοιχεία που συνθέτουν μια συσκευή laser (σχήμα 10), είναι: 1. Το υλικό που γίνεται το φαινόμενο, το οποίο αποτελείται από άτομα ή μόρια ή ιόντα ή ακόμη και από ημιαγωγικούς κρυστάλλους. 2. Το κατάλληλο μηχανισμό άντλησης που διεγείρει τα άτομα ή μόρια κτλ. Στην ενεργειακά υψηλότερη κβαντική κατάσταση. 3. Ένα οπτικό σύστιιμα ενίσχυσης, αποτελούμενο από 2 καθρέπτες, με τη μεγίστη δυνατή ανακλαστικότητα για τον ένα καθρέπτη.

32 Σχήμα 10 Διάταξη συσκευής laser Περιγραφή της λειτουργίας του laser Το ενεργό υλικό περιέχεται μέσα στην κοιλότητα. Μια εξωτερική πηγή ενέργειας διεγείρει τα άτομα. Τα δυο παράλληλα κάτοτττρα προξενούν την απαραίτητη οπτική ανατροφοδότηση για την παρακινούμενη εκπομπή. Όπως προκύπτει και από τα παραπάνω, προκειμένου το laser να λειτουργεί ως ενισχυτής και όχι ως απορροφητής συντονισμού, πρέπει να δημιουργηθεί μια κατάσταση μη-ισορροπίας. Μια τέτοια κατάσταση είναι και η αντιστροφή πληθυσμού (σχήμα 11) δηλαδή να έχουμε περισσότερα άτομα σε διεγερμένη κατάσταση από όσα σε ενεργειακά χαμηλότερη. Λέιζερ - αντιστροφή πληθυσμών Schalow ad Towes ηι > ηζ Απορρόφηση Πληθυσμός ttiiowxovmo? πα ή βίϊσί^ Αντιστροφή πληθυσμού: η2 > η1 «νίσχυση ξαναγκασμτνης ςκπομπής Σχήμα 11 Φαινόμενο αντιστροφής πληθυσμού

33 Αυτονόητο είναι ότι δεν αρκεί να αποκατασταθεί μόνο η αντιστροφή πληθυσμού, αλλά πρέπει να διατηρείται σταθερή ώστε και η εκπομπή να είναι σταθερή. Έτσι, για να υπάρξει αυτή η καιάοτασιι θα πρέπει να δοθεί εΐ έργεια στο σύστημα, αλλιώς τα άτομα θα ακπνοβολήσουν τη περίσσεια ενέργεια και μεταβαίνοντας στη θεμελιώδη κατάσταση, θα σταματήσουν την εκπομπή ακτινοβολίας. Έτσι τα άτομα μπορούν να κερδίσουν ενέργεια με κρούσεις από ι^λεκτρόνια σε ηλεκτρικές εκκενώσεις ("ηλεκτρονική άντληση") ή φωτίζοντας το laser με κάποια άλλη πηγή ("οπτική άντληση"). Οι πηγές αυτές είναι οι λεγάμενες πηγές αντλήσεως και ο μηχανισμόο με τον οποίο έχουμε την ανγ.στροφή ονομάζεται μηχανισμός αντλήσεως". Ένας συνήθης τέτοιος μηχανισμός, χρησιμοποιεί ενεργειακά ηλεκτρόνια και εφαρμόζοντας μια σχετική υψηλή διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων που βρίσκεται το laser (σχήμα 10), προκαλείται ηλεκτρική εκκένωση. Τα ηλεκτρόνια της εκκένωσης συγκρούονται με τα άτομα και τα διεγείρουν σε υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις. Προκειμένου, τώρα, ο αριθμός των ατόμων στη κατάσταση-2 να διατηρηθεί πολύ μεγαλύτερος από αυτόν στη στάθμη-1, το laser πρέπει να είναι έτσι σχεδιασμένο ώστε τα άτομα να ανεβαίνουν από τη χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη-1 πίσω πάλι στην στάθμη-2 όσο το δυνατόν γρηγορότερα. Αυτό προϋποθέτει σε κάθε περίπτωση ο μέσος χρόνος παραμονής στη στάθμη- 1 να είναι πολύ μικρός και πολύ μικρότερος από το χρόνο αποδιέγερσης του ατόμου. Στη περίπτωση που η στάθμη-1 είναι και η βασική στάθμη του ατόμου, έχουμε laser τριών-σταθμών, ενώ στην αντίθετη περίπτωση λέμε ότι το laser είναι τεσσάρων-βαθμών. Ενεργειακό διάγραμμα laser Cr τριών-βαθμών με οπτική άντληση στα 550 m. 4-σταθμών, που έχουν σχέση με τη λειτουργία του laser. Η διέγερση της στάθμης A3 του He στα 20,6 lev γίνεται με βομβαρδισμό ηλεκτρονίων (σχήμα 12). Η μετάπτωση laser είναι μεταξύ των καταστάσεων Α2 και Α1 και εκπέμπεται φως στα l,96ev. Τ" I. Σχήμα 12 Διέγερση της στάθμης A3 του He για εκπομπή laser

34 Στο laser ρουβινίου και γενικά σε όλα όσα ο κύκλος αντλήσεως-εκπομπής περιλαμβσι'ει τρεις σταθμούς ενέργειας, η κατώτερη στάθμη του ζεύγους είναι η βασική του ατόμου, η οποία είναι υπό κανονικές συνθήκες είναι πλήρης. Ως εκ τούτου, καταναλώνεται μεγάλο ποσό ενέργειας για την άντληση της μισής ποσότητας των ατόμων της στάθμης αυτής, ώστε το υλικό να έλθει σε κατάσταση αντιστροφής πληθυσμού. Υλικά στα οποία η χαμηλότερη στάθμη του ζεύγους εκπομπής της ακπνοβολίας laser, δεν είναι η βασική, αλλά ανώτερη που επομένως σε κανονικές συνθήκες δεν είναι πλήρης, απαιτούν μικρότερα ποσά ενέργειας για την αντιστροφή πληθυσμού. Τα laser που χρησιμοποιούν τέτοια υλικά ονομάζονται laser τεσσάρων-βαθμών. Τέτοια υλικά είναι εκείνα στα οποία τα άτομα έχουν την εξωτερική στιβάδα και μια από τις εσωτερικές μη πλήρη ηλεκτρονίων, όπως είναι τα άτομα ή τα ιόντα των μετασταηκών μετάλλων, των σπάνιων γαιών και των ενώσεων ουρανίου. Εκτός από τα laser He-Ne (Ε-8), υπάρχουν διάφορα άλλα είδη που χρησιμοποιούν πληθώρα υλικών και το καθένα αποσκοπεί σε διαφορετικά αποτελέσματα. Έτσι τα πιο γνωστά είδη συσκευών laser είναι: 2.16 Είδη laser A)Laser στερεός κατάστασης Τα πιο κοινά στερεά μέσα λέιζερ είναι ράβδοι των ροδοκόκκινων κρυστάλλων και των εμπλουτισμένων με eodymium γυαλιών και κρυστάλλων. Οι άκρες της ράβδου διαμορφώνονται σε δύο παράλληλες επιφάνειες που καλύπτονται με μια μη μεταλλική ταινία απεικόνισης. Τα στερεός κατάστασης λέιζερ προσφέρουν την παραγωγή υψηλότερης δύναμης. Χρησιμοποιούνται συνήθως με έναν παλλόμενο τρόπο για να παράγουν μια έκρηξη φωτός κατά τη διάρκεια ενός σύντομου χρόνου. Εκρήξεις τόσο σύντομες όπως SEC έχουν επιτευχθεί, χρήσιμες στη μελέτη φυσικών φαινομένων πολύ συνοπτικής διάρκειας. Η άντληση επιτυγχάνεται με το φως από τους σωλήνες λάμψης ξένου, τους λαμπτήρες τόξων, ή τους λαμπτήρες μέταλλο-ατμού. Το φάσμα συχνότητας έχει επεκταθεί από το υπέρυθρο (1R) στην υπεριώδη ακτίνα (UV) με τον πολλαπλασιασμό της αρχικής συχνότητας λέιζερ με το κρύσταλλο-όπως διυδρογόνο καλίου - φωσφορικό άλας, και τα μήκη κύματος των ακτινών X έχουν επιτευχθεί στοχεύοντας με ακτίνες λέιζερ έναν >1trium στόχο.