Ciurea Dragoş Medii de transmisie -3 36 Fibra optiă Dezvoltarea rapidă a teleomuniaţiilor în ultimele două deenii nu ar fi fost posibila fără introduerea sistemelor de transmisiuni numerie (STN) pe de o parte şi a fibrei optie pe de altă parte. Utilizarea liniilor oaxiale pentru instalarea unor sisteme de transmisiuni de mare apaitate este prea ostisitoare, iar legăturile prin radioreleu, mai ieftine, nu oferă apaitatea neesară a urmare a benzii de frevenţe limitate. În prezent, fibra optiă prin ostul redus şi apaitatea extrem de mare de transmisie reprezintă varianta optimă a mediului de transmisie pentru medie şi mare distanţă. În ţările u o reţea de teleomuniaţii puterni dezvoltată FO au înlouit deja în totalitate suportul metali pentru transmisiuni între entrale şi înep să pătrundă în reţeaua de distribuţie până la abonat. Fibra optiă va fi suportul de transmisie în adrul viitoarei Reţele Numerie u Integrarea Serviiilor (RNIS) de bandă largă. Tipuri de fibre optie - arateristii Prinipiul transmisiei ghidate a undei luminoase se bazează pe propagarea luminii prin reflexii multiple în interiorul unui anal strit delimitat, u arateristii determinate şi stabile. Transmisia este optimă din punt de vedere al pierderilor daă se asigură ondiţiile reflexiei totale. În aest sop, FO este alătuită dintr-un miez de diametru a şi un înveliş de diametru b, (Fig. - 10.1), ambele alătuite din stilă de siliiu (SiO ) ât mai pură, u indii de refraţie diferiţi dar foarte apropiaţi: miezul are indiele n 1, iar învelişul un indie n, u n 1 > n. Indiii de refraţie sunt ontrolaţi prin adăugarea de bor, fosfor, germaniu et. Ordinul de mărime al indiilor de refraţie este 1,5. Ansamblul este la rândul său aoperit u straturi onentrie de materiale plastie destinate a-i onferi proteţie şi o mai bună rezistenţă meaniă. miez înveliş proteţie Fig. -10.1 Proprietăţile FO sunt desrise u ajutorul unor parametrii e araterizează dimensiunile geometrie, arateristiile optie (variaţia indielui de refraţie în seţiunea fibrei, uplajul FO u sursa de lumină), şi arateristiile de transmisie (atenuarea, dispersia, lungimea de undă de tăiere). Putem distinge trei ategorii de fibre: fibre multimod (MM) u salt de indie; tipi, diametrul miezului la fibrele MM, a = 50 100µm este mult mai mare deât lungimea de undă λ a razei de lumină, iar diametrul învelişului opti, b = 15 140 µm (Fig. -10.). Miezul este omogen, de indie onstant n 1 >n r b a unde n este indiele invelişului. n n 1 n Fig. -10. undă absorbită mod seundar mod primar n 1 n
Ciurea Dragoş Medii de transmisie -3 37 Considerând FO a fiind formată din doi ilindri onentrii u axa Oz, onform legilor optiii o rază de lumină injetată în fibră va rămâne şi se va propaga doar prin miez daă unghiul θ pe are-l fae u axa rămâne inferior unui unghi θ 0 dat de relaţia: n 1 os θ 0 = n Numărul N de moduri posibile este dat de relaţia: N = V (.10.1) unde: - V = ( πa λ) AN, - AN = apertura numeriă. Diferenţa timpilor de propagare orespunzătoare diferitelor moduri (dispersia modală) este de ordinul a 50 ns/km. fibre multimod u gradient de indie; modelul utilizat în prezent şi reunosut de UIT-T este el pentru are indiele de refraţie al miezului nu mai este onstant, i variază u distanţa radială r după o lege paraboliă (Fig. -10.3). Tipi, a = 50 6, 5 µm şi b = 15 µm. Variaţia indielui de refraţie: α r n( r) = n 1 1 (.10.) a r b a n 1 n Fig. -10.3 n1 n n1 n u: - diferenţa normată a indiilor de refraţie = << 1, n1 n1 - α =. Valorile lui sunt uprinse între 0,01 0, 03 la aest tip de fibră. Întruât viteza de propagare a undei luminoase, v = n(r), se aută a se obţine prati aelaşi timp de propagare independent de traietorie. Faţă de azul fibrei multimod u salt de indie, diferenţa între timpii de propagare orespunzători diferitelor moduri se mişorează u âteva ordine de mărime: dispersia modală este de ordinul a 0, 5 ns/km. fibre monomod (SM) u salt de indie; tipi, diametrul miezului a = 4 10 µm devine omparabil u lungimea de undă, diametrul învelişului b = 100 00 µm (Fig. -10.4). Diferenţa normată a indiilor de refraţie = 0,003 0, 01. Prati există un singur mod de propagare, axial, şi dispersia modală tipiă este de ordinul âtorva pioseunde per km. r n n 1 n Fig. -10.4
Ciurea Dragoş Medii de transmisie -3 38 Parametrii e araterizează proprietăţile fibrei optie sunt: Lungimea de unda de tăiere λ (utt-off wavelenght) reprezintă lungimea de undă sub are apar moduri de propagare suplimentare pe lângă el fundamental Spetrul sursei de emisie trebuie dei să se situeze la o valoare superioară lui λ pentru a avea o transmisie monomod. Valoarea λ figurează printre parametrii e araterizează o fibră tip SM şi are expresia: πa λ = n 1,405 Apertura numeriă AN a fibrei exprimă apaitatea aesteia de a apta lumina de la o sursă prin seţiunea frontală şi indiă unghiul solid de aeptare a razelor luminoase e determină reflexia totală (Fig. -10.5). θ 1 max n n 1 θ max n 0 Fig. -10.5 Prin definiţie, apertura numeriă este: AN = n0 sinθ max = n1 n n1 (.10.3) Întradevăr, la limita reflexiei totale, în onformitate u legea lui Snell: n 1 osθ 1max = şi sinθ max = n1 n. n1 n0 Valori reomandate pentru apertura numeriă: AN = 0,19 0, 4, unghiul maxim de o o aeptare orespunzător fiind θ = 1 14. Dispersia romatiă. În afară dispersiei modale e se manifestă în fibrele MM şi are a urmare lăţirea impulsului luminos u onseinţe în eea e priveşte viteza maximă de transmisie, în toate tipurile de FO se manifesta şi o dispersie romatiă numită uneori dispersie de material. Întruât indiele de refraţie este o funţie de lungimea de undă, iar viteza de propagare depinde de indiele de refraţie, impulsul luminos reepţionat va avea o lăţime mai mare deât el emis, daă sursa de luminiş utilizată nu este strit monoromatiă. Dispersia romatiă este araterizată u ajutorul unui parametru de dispersie: λ 0 d n D = [ps/(nm.km)] (.10.4) dλ unde: λ 0 = lungimea de undă entrală a spetrului emis de sursă, = viteza luminii, n = indiele de refraţie al materialului miezului. În funţie de ompoziţia materialului se poate găsi o lungime de undă pentru are dispersia romatiă este nulă (Fig. -10.6). Fibrele SM u dispersie dealată obţin aest efet prin utilizarea unor profile de indie în W, triunghi, trapez, et., fără a a modifia ompoziţia miezului şi a mări în aest fel atenuarea. Lăţirea impulsului luminos după l [km] se alulează u relaţia:
Ciurea Dragoş Medii de transmisie -3 39 τ = l D λ [ps] (.10.5) D ps nm Km SiO λ 1, 1,3 1,4 [nm] SiO (86,5%) + Ge0 (13,5%) Fig. -10.6 unde λ [nm] = lărgimea spetrală a radiaţiei optie. Este evident interesul de a lura: - la lungimi de undă pentru are D este minim; - u surse de lumină are la aea lungime de undă oferă o puritate spetrală maximă. Banda de frevenţă disponibilă a fibrei, B, este de aproximativ 1/ τ şi se exprimă în MHz.km ; pentru fibrele MM u salt de indie B= 10...100 MHz.km, iar pentru ele u gradient de indie, B= 100...1000 MHz.km. În azul fibrelor SM, unde importantă este doar dispersia romatiă, banda este mult mai largă. Atenuarea intrinseă a FO se datorează în prinipal difuziei şi absorbţiei luminii în material. Pierderile prin difuzie sunt determinate de ionirea elastiă a fotonilor u atomii materialului opti; lumina nu este absorbită i deviată de la traietoria sa. Atenuarea datorată difuziei (ira 96% din atenuarea intrinseă totală), este, onform legii lui Rayleigh, proporţională u λ 4, de unde şi interesul de a lura la lungimi de undă mari (infraroşu). O urbă tipiă de variaţie a atenuării pentru FO, realizată din SiO, în funţie de λ, este prezentată în Fig. -10.7. Maximele din urbă u un vârf la 1,39µm - se datorează absorbţiei a urmare a prezenţei unor impurităţi (radiali OH) în fibră. Se observă existenţa a trei ferestre optie în are atenuarea este minimă, şi a urmare a progreselor tehnologie din ultimul deeniu s-a atins prati limita teoretiă. La lungimi de undă e depăşes 1,7µm reşte puterni absorbţia în infraroşu a urmare a vibraţiilor moleulare ale siliei. O mişorare în ontinuare a atenuării FO presupune utilizarea altor tipuri de stilă, bazate pe materiale în prezent mult mai sumpe. Atenuarea extrinseă a FO se datorează îndoirii fibrei u o rază de urbură prea miă. a [db/km] 10 5 1,0 0,5 0, 0,1 800 Rayleigh 1000 100 1400 1600 1800 λ [nm] Fig. -10.7
Ciurea Dragoş Medii de transmisie -3 40 Jonţionarea fibrelor optie În realizarea unei legături între două punte prin FO este neesară atât efetuarea unor jonţionări nedemontabile, daă distanţa între punte depăşeşte lungimea de fabriaţie a ablului opti e onţine fibra, ât şi efetuarea unor jonţionări demontabile, are să permită: instalarea sau shimbarea rapidă a bloului de emisie sau reepţie, măsurători, inserarea unor atenuatori optii unde este neesar et. A. Jonţionarea nedemontabilă se efetuează de regulă pe teren, prin sudura u ar sau lipire u utilaje speiale, are să asigure pierderi ât mai mii ale puterii optie a urmare a jonţionării. Aeste utilaje au unosut o evoluţie importantă în ultimii ani, totuşi dimensiunile mii ale fibrei, mai ales dimensiunea miezului la fibrele SM fa operaţia de jonţionare foarte deliată. Jonţionarea poate fi subdivizată în patru faze prinipale: pregătirea fibrelor: înlăturarea învelişului protetor, pe ale himiă sau meaniă, urăţarea, seţionarea pe un plan perpendiular pe axul fibrei şi eventual polisarea (şlefuirea) suprafeţei obţinute. alinierea fibrelor, determinantă pentru alitatea jonţionării; se fae sub mirosop, neesită o preizie meaniă de ordinul zeimii de miron şi onstă în alinierea învelişurilor elor două fibre sau, în utilajele mai performante, a miezurilor. menţinerea alinierii în timp, prin sudură u ar eletri sau lipire. În azul sudurii, dispozitivul de sudură este omandat u miroproesor, eea e permite alegerea urentului de ar, a timpului de înălzire, a vitezei de penetraţie, a distanţei între ele două feţe ale fibrelor. Valoarea medie a atenuării unei jonţiuni sudate, la fibre SM, este de ordinul 0, 1dB. În azul lipirii, adezivul utilizat asigură rezistenţa meaniă transversală şi longitudinală a fibrelor, adaptarea indielui de refraţie între fibre şi reonstituirea învelişului protetor. Atenuarea medie a unei jonţiuni lipite este de ira 0, 1 db. proteţia jonţiunii - onstă în refaerea învelişului protetor după sudură. B. Jonţionarea demontabilă se fae u ajutorul unei mari varietăţi de onetori optii. În orie situaţie onetorul trebuie să asigure treerea luminii dintr-o fibră în alta u minim de pierderi, manipularea să se faă simplu şi fără preauţii speiale, să reziste la ondiţii de mediu difiile et. Pierderile introduse de onetor depind de: - parametrii intrinsei, imagine diretă a alităţii fibrelor e trebuie raordate; - parametrii extrinsei, legaţi de tehnia de onetare propriu-zisă. δ θ d Fig. -10.8 Parametrii extrinsei, se referă la: - alinierea axelor elor două miezuri: lateral (δ) şi unghiular (θ), - distanta între fetele fibrelor (d), - alitatea feţelor fibrelor (rugozitate, planeitate, perpendiularitate et.) o Se onstată ă pentru a nu depăşi o pierdere de 0, 5dB, este neesar a δ < 5 µm, θ < 0,5 (fibre MM). Valoarea lui δ este influenţată de parametrii intrinsei, um ar fi toleranţa asupra diametrului învelişului şi onentriitatea miez-înveliş. De exemplu, o toleranţă de fabriaţie asupra învelişului 15 µ m ± µ m introdue pierderi de ira 0, 4 db.
Ciurea Dragoş Medii de transmisie -3 41 Parametrii intrinsei. Toleranţele de fabriaţie ale FO antrenează variaţii ale arateristiilor lor opto-geometrie, eea e determină pierderi în onetor hiar daă axele miezurilor sunt perfet aliniate. Prinipalii parametrii avuţi în vedere sunt: - diametrul miezului, - onentriitatea miez-înveliş, - diametrul învelişului, - apertura numeriă, - profilul indielui de refraţie (FO u gradient de indie). Se onstată ă toleranţele de fabriaţie de ± 5 % asupra miezului sau aperturii numerie pot antrena pierderi de ira 1dB la onexiune. Diferenţa între profile are o influenţă relativ redusă. Cabluri optie Este evident ă FO nu poate fi utilizată deât ablată. Un ablu opti de alitate trebuie să poată onserva performanţele fibrei în eea e priveşte arateristiile de transmisie, să o protejeze împotriva risurilor de deteriorare şi să aibă o durată de viaţă ât mai lungă. Au fost studiate numeroase struturi de abluri în funţie de numărul fibrelor în ablu (de la 1 la 1000). Cauzele aestei diversităţi se bazează pe: - analiza parametrilor e permit minimizarea pierderilor datorate urburilor e apar în operaţia de ablare sau în exploatare (urburi u raza sub 4 m introdu atenuări de ordinul 10 db). - utilizarea avută în vedere: trebuie făută distinţie între ablurile supuse unor elongaţii reduse (îngropate sau în ondute) şi ele e trebuie să suporte elongaţii relativ importante, um sunt ele aeriene. Astfel, în raport u rezistenţa teoretiă la traţiune a unei fibre u diametrul de 15µm ( 5daN), valorile rezistenţei obţinute în mod obişnuit sunt de ira 10 ori mai mii, eea e se expliă prin prezenţa unor fisuri superfiiale. Aeste fisuri se adânes şi se extind la apliarea unei sarini, fenomen aentuat de umiditate şi reşterea temperaturii, eea e due la oboseala materialului şi la reşterea atenuării. Se onstată ă o tensiune permanentă asupra fibrei din ablu orespunzătoare la 0 % din ea de rupere are efete neglijabile asupra oboselii, pe ând depăşirea a ira 30% due la o oboseală rapidă şi la o durată de viaţă de âteva zile. În prezent există două ategorii de struturi pentru ablurile optie, struturi prin are se aută anularea tensiunii apliate în ablu şi respetarea altor fatori e influenţează oboseala statiă (de exemplu raza minimă de urbură), totul în sopul obţinerii atenuării minime şi garantării unei probabilităţi ridiate a duratei de viaţă de ordinul a 0 30 de ani. O primă ategorie uprinde ablurile u fibre "înglobate", în are fibra este înglobată într-o materie plastiă, în 1 3 straturi înainte de a fi asamblată în grupe sau straturi. Alegerea materialului plasti în are se înglobează fibra are o mare importanţă în eea e priveşte pierderile. A doua ategorie, ea mai importantă, uprinde ablurile u fibre "libere" în sensul ă fibrele sunt protejate individual prin tuburi din material termoplasti extrudate pe fibră u un jo radial (tub tampon). Tuburile, u un diametru interior de 1, mm şi u diametrul exterior de mm, sunt asamblate în elie, în unul sau mai multe straturi, şi în jurul unui element portant entral, are are rolul de a prelua singur efortul de traţiune. Elementul portant poate fi metali (oţel) sau, în anumite azuri, din material plasti (um ar fi aramida). Ansamblul se protejează u un înveliş din material plasti extrudat. Capaitatea unui ablu opti poate fi de 1, 6, 1, 18, 3, 48,...fibre. Alte struturi de apaitate mare uprind fibre plasate în şanţurile elioidale realizate pe suprafaţa unui suport ilindri din material plasti, u element portant din oţel (Fig. -10.9).
Ciurea Dragoş Medii de transmisie -3 4 FO Modularitatea aestor ultime struturi permite realizarea unor abluri de apaitate foarte variată, de la 6 10 fibre la 1000 fibre într-un ablu u diametrul exterior de ira 65mm. Măsurători asupra fibrelor optie element portant Fig. -10.9 În prezent pe plan internaţional există norme şi speifiaţii e desriu metodele de măsură (UIT-T, CEI) pentru majoritatea arateristiilor fibrelor. Fibra optiă, prin natura sa, şi dimensiunile extreme (lungime 1 km, diametru de ordinul zeilor de mironi) relamă un mare număr de măsurători. Reduerea aestuia şi în onseinţă a ostului omportă două direţii de aţiune: a) stăpânirea proesului de fabriaţie astfel înât să se asigure o alitate onstantă, e permite ontrolul statisti; b) o lasifiare a fibrelor după domeniul de utilizare, limitând riteriile de alitate la ele absolut neesare sistemului de transmisie onsiderat. Măsurătorile asupra FO se pot împărţi în patru domenii, raportate la elementele asupra ărora se exeută: 1. dimensiuni (lungime, diametru miez, diametru înveliş, erori de onentriitate, neirularitate a miezului sau a învelişului et.);. arateristii meanie (rezistenţă meaniă la traţiune, strivire, rază de urbură, şo, torsiune, vibraţii, îmbătrânire, et.); 3. arateristii optie şi de transmisie (atenuare, apertură numeriă, profil al indielui de refraţie, ontinuitate optiă, dispersie romatiă, lungime de undă de taiere et.); 4. arateristii de mediu (omportament limati, rezistenţă la radiaţii ionizante, rezistenţă himiă et.). Metodele de măsură fiind standardizate, rezultatul oret al măsurătorii depinde de alitatea aparatelor de măsură şi de utilizarea lor orespunzătoare. Prinipalele măsurători de mare interes pentru utilizator, după instalarea ablului opti, se referă la atenuarea şi dispersia romatiă. Pentru măsurarea atenuării există trei metode (a "fibrei tăiate", a inserţiei şi ea bazată pe refletometrie). Măsurătorile pe şantier fa el mai adesea apel la metoda refletometriei. Un refletometru de alitate are o dinamiă de el puţin 5dB şi o bătaie de 50 100km în funţie de lungimea de undă. Pe lângă valoarea atenuării, u o preizie de 0, 0 db/km permite şi măsurarea lungimii fibrei (preizie ± 0, 5 %) a şi poziţia jonţionărilor şi mărimea atenuării introduse de aestea. Măsurarea dispersiei romatie este foarte deliată şi aparatele de măsură perfeţionate au o preizie de 0, 1ps/nm km. Cu aelaşi aparat în general se poate determina lungimea şi alungirea unei fibre supusă traţiunii, u preizie de un milimetru. Măsurarea atenuării de transmisie prin alte metode, măsurarea variaţiei atenuării în timpul testelor meanie şi limatie şi măsurarea λ neesită emiţătoare şi reeptoare optie. Există o
Ciurea Dragoş Medii de transmisie -3 43 mare varietate de astfel de aparate, riteriile de alegere fiind: dinamia, stabilitatea, spetrul emiţătorului, modul de onetare la fibră, numărul de programe et. Reomandările UIT-T şi CEI privind arateristiile FO pentru teleomuniaţii Tendinţa pe plan mondial este de a utiliza mai mult fibrele monomod atât în legăturile la mare distanţă şi de mare apaitate de transmisie, ât şi în reţeaua de abonat, în sopul introduerii de noi serviii, dei tendinţa este de a generaliza utilizarea fibrelor SM. Efortul tehnologi se onentrează pe obţinerea unei fibre optie SM de ost redus, u arateristii geometrie adaptate unor dispozitive de uplare simple. În sopul normalizării fibrelor SM, UIT-T a emis reomandarea G.65 u privire la fibrele utilizate în fereastra de 1300 nm: atenuare medie de 0, 35 db/km, dispersie romatia maxima de 3, 5[ps/nm km], lungime de undă de tăiere λ sub 180 nm. Deşi fibrele SM se impun tot mai mult, fibrele MM ontinuă sa-şi găseasă apliaţii în domenii unde, pentru legături surte şi de apaitate miă, sunt apreiate datorită unei instalări mai uşoare şi unui ost mai redus al omponentelor asoiate. Comisia Eletrotehniă Internaţională (CEI) a emis reomandări pentru patru modele de fibre MM u gradient de indie: 50/15; 6,5/15; 85/15; 100/140. Domeniile de utilizare uprind: reţele de telefonie privată, reţele de videoomuniaţii (telesupraveghere), reţele pentru apliaţii informatie. Dintre aestea, există o erere resândă pentru modelul 6,5/15 în reţeaua informatiă şi pentru modelul 85/15 în videoomuniaţii. Se prevede eliminarea elorlalte două modele datorită ostului ridiat şi al numărului redus de apliaţii.