Camere de supraveghere • Cabluri optice • Conectica • Accesorii

CABLE SRL

Dealer autorizat CORNING

Ce merita sa stii despre cablurile cu fibra optica?

Din punctul de vedere al opticii, pentru a obtine informatii despre un obiect trebuie indeplinite cel putin trei conditii si anume: (a) obiectul sa fie luminos, adica sa emita lumina direct sau indirect, (b) lumina care provine de la obiect sa fie transmisa catre locul unde se face detectia fara pierderi prea mari si (c) cantitatea de lumina care ajunge la locul de detectie sa fie suficient de mare. Observam ca mediul prin care se transmite informatia optica este de importanta esentiala pentru ca semnalul optic transmis sa nu fie “mutilat” sau distorsionat.

Chiar si in cazurile cand ne intereseaza doar simpla observare a obiectelor, dispozitivele si aparatele optice clasice sau devin prea complicate sau nu pot rezolva o anumita problema de rezolvare. Sa luam doar un singur exemplu: cei care lucreaza in domeniul medical sunt interesati sa dispuna de metode rapide si sigure de explorare a anumitor parti interne sau organe interne ale organismului uman. Metodele clasice, bazate pe folosirea lampilor cu incandescenta, nu numai ca sunt greoaie si implica iluminari mici, dar prezinta si riscuri datorita folosirii conexiunilor electrice. Toate aceste dificultati sunt eliminate daca iluminarea se face din afara prin intermediul unei fibre optice subtiri.

Insa fibrele optice sunt deja folosite pe scara larga in tehnica comunicatiilor sau de transmitere a imaginilor. Aceasta posibilitate este faciliata de natura electromagnetica a luminii, frecventa undelor luminoase fiind mult mai mare decat cea a undelor radio. Ântr-un context mai general fibrele optice reprezinta un domeniu al opticii integrate, iar progresele care vor fi obtinute in cadrul opticii integrate vor depinde foarte mult de progresele ce se vor realiza in domeniul fibrelor optice.

Ca domeniu al opticii, care a aparut exclusiv din necesitati practice dintre cele mai diverse, fibrele optice au cunoscut o dezvoltare rapida dupa anul 1950 ca rezultat al obtinerii primelor fibre optice cu performante ridicate. Principiul de functionare al fibrelor optice este asemanator, din multe puncte de vedere, cu principiul de transmitere a luminii printr-o bagheta de sticla transparenta. Teoretic, lumina poate fi transmisa printr-o astfel de bacheta de sticla optica, daca indicele de refractie al sticlei este mai mare decat indicele de refractiei al aerului. Din punct de vedere practic insa, neomogenitatile de compozitie si de prelucrare, precum si impuritatile de pe suprafata materialului implica piederi foarte mari de lumina de-a lungul parcursului luminii. Pe de alta parte, natura electromagnetica a radiatiei luminoase arata ca pot aparea pierderi de lumina si fenomene parazite care limiteaza drastic posibilitatile de folosire practica a fibrelor optice.

Indiferent de domeniile in care se folosesc, fibrele optice sunt ghiduri de lumina folosite pentru transmiterea informatiilor cu piederi mici de energie dintr-un loc in alt loc. Vom analiza transmiterea radiatiei luminoase prin fibrele optice din punctul de vedere al opticii geometrice si din punctul de vedere al opticii ondulatorii.

FIBRA OPTICA SIMPLA

Prin fibra optica simpla intelegem un mediu optic transparent, de mare lungime, cu sectiunea transversala circular simetrica si indicele de refractie constant sau radial variabil, separat de un alt material cu indicele de refractie constant si mai mic, pentru ca la suprafata de separare sa se produca reflexia totala a radiatiei luminoase, fara pierderi. Dupa mudul de variatie radiala a indicelui de refractie al materialului transparent, denumit miezul fibrei optice, distingem mai multe tipuri de fibre optice reprezentate in figura 8.1. Invelisul fibrei optice are si rolul de aproteja de impuritati suprafata de separare dintre miez si invelis, la care se produce fenomenul de reflexie totala. Tehnologia de obtinere a fibrelor optice este prezentata de Tader si Spulber (1985).

CONSIDERATII DE OPTICA GEOMETRICA

Propagarea radiatiei luminoase prin fibra optica poate fi analizata din punctul de vedere al opticii geometrice atunci cand diametrul miezului fibrei optice este mare comparativ cu lungimea de unda a radiatiei luminoase (efectele de difractie se neglijeaza). Daca diametrul miezului fibrei optice este de acelasi ordin de marime cu lungimea de unda a radiatiei luminoase, analiza trebuie facuta in cadrul opticii ondulatorii. In aceasta sectiune vom considera ca sunt implinite conditiile de aplicabilitate a opticii geometrice.

In limbajul opticii geometrice, radiatia luminoasa incidenta la limita de separare dintre miezul fibrei (cu indicele de refractie n1 ) si invelisul protector (cu indicele de refractie n2, n1 > n2) va fi reflectata total si deci se va propaga fara pierderi de-a lungul fibrei optice, daca unghiul de incidenta θ este mai mare sau egal cu unghiul limita l (0>l), unde unghiul limita este dat de relatia

sin l=n2/n1=1/n21 (8.1)

Fie o fibra optica cilindrica cu sectiunea transversala, circulara de raza R0 si cu indicele de refractie n1=constant, inconjurata de un mediu protector cu indicele de refractie n2=constant si fie SI o raza de lumina, care intersecteaza axa de simetrie a fibrei, incidenta pe suprafata plana a fibrei optice, perpendiculara pe axa de simetrie, sub unghiul de incidenta i, asa cum se arata in figura 8.2. Dupa ce sufera refractia la suprafata plana sub unghiul de refractie r, dat de relatia

r=arc sin (n0/n1 sin i), (8.2)

unde n0 este indicele de refractie al mediului din care lumina patrunde in fibra, raza de lumina ajunge la suprafata de separare dintre miezul fibrei si mediul protector sub unghiul de incidenta θ dat de relatia

θ=π/2-r. (8.3)

Conform relatiilor (8.1)- (8.3), conditia de reflexie totala in punctul I’ este data de relatia

sin θ=cos r=(1-sin²r)½=(1-n²0 /n²1 sin²i)½>n2/n1, (8.4a)

sau

(n1²-n2²)½≡sin imax>sin i. (8.4b)

Aceasta inseamna ca orice raza de lumina, incidenta pe suprafata plana a fibrei optice sub unghiul de incidenta i mai mic decat unghiul imax, dat de relatia (8.4b), va fi trapata in fibra optica (raza trapata). Unghiul de refractie maxim pentru o raza trapata este dat de relatia

sin rmax= n0 sin imax= (1- n2²)½ . (8.4c)

n1 n1²

Apertura numerica (A.N.) a fibrei optice este

A.N.= n0 sin imax= (n1²-n2²)½ .

Fig 8.3. Distanta de la axa de simetrie la drumurile succesive parcurse de raza in interiorul fibrei optice este o marime constanta, notata cu dc . De asemenea si unghiul de incidenta θ din interiorul fibrei ramane constant, fiind dat de relatia

cos θ= sin r cosγ= n0 sin i cos γ

n1

unde sin γ= dc/R0. In functie de unghiul de incidenta la intrare,i, conditia de trapare a razei de lumina se scrie n0 sin i< A.N. sec γ. Razele incidente care nu intersecteaza axa de simetrie a fibrei optice determina o apertura numerica virtuala (A.N.V.) care se poate calcula folosind relatia

A.N.V.= n0 sin imax= (n1²-n2²)½ sec γ .

Intrucat nu toate razele de acest fel sunt trapate de fibra optica, chiar daca se indeplineste conditia i < imax, apertura numerica efectiva (A.N.E.) se calculeaza cu ajutorul relatiei

(A.N.E.)²= n0²- 2 {[(n0²-n1²+n2²)]½+[n0²-2(n1²-n2²)]arccos[(n1²-n2²)½/n0]} ,

π

pentru obtinerea careia s-au luat in consideratie toate razele de lumina, indiferent daca intersecteaza sau nu axa de simetrie, iar fibra optica s-a considerat perfect cilindrica.

Cand suprafata plana, a fibrei opice, prin care intra lumina, este oblica fasa de axa de simetrie, conul razelor trapate va fi si el oblic, la iesirea din fibra, fata de axa de simetrie. Reprezentarea schematica a formei fasciculului incident si de forma suprafetei prin care intra lumina, este data in figurile 8.4 a, b, c.

Daca fibra optica este conica, asa cum se arata schematic in figura 8.5, unghiul de incidenta al unei raze trapate in interiorul fibrei se modifica de-a lungul acesteia, raza de lumina putandu-se chiar intoarce la suprafata de intrare. Conditia de trapare a unei raze de lumina care intersecteaza axa de simetrie a fibrei conice este data de relatia

n0 sin i= n1 sin r= n1R2 sin rx< (n1²-n2²)½ R2 ,

R1 R1

unde R1 este raza suprafetei de intrare, iar R2 raza suprafetei de iesire ale fibrei conice. Apertura numerica a fibrei optice conice este mai mica de R1/R2 ori decat apertura numerica a fibrei optice cilindrice. Obtinerea unei cat mai mari concentratii spatiale de lumina se poate realiza prin conicizarea fibrei optice, insa acest lucru este acompaniat de cresterea divergentei unghiulare a fasciculului de lumina. Putem creste suprafata iluminata de fascicul micsorand unghiul de convergenta al conului.

Prin Curbarea fibrei optice anumite raze de lumina initial trapate pot trece in mod radiativ. In practica razele de curbura sunt mari, incat pierderile radiative sunt neglijabile, ceea ce asigura un mare avantaj fibrelor optice ca ghiduri de lumina. Curbarea fibrei optice distruge simetria axiala. Efectul curbarii se manifesta cel mai pregnant asupra razelor de lumina din planul de curbura care intersecteaza axa; de aceea, pentru inceput vom lua in consideratie numai astfel de raze, reprezentarea schematica fiind data in figura 8.6. Raza de lumina care intra in fibra optica in punctul I’’ este refractata sub unghiul de refractie r, iar unghiul de incidenta θ1 in punctul I``, obtinut prin aplicarea teoremei sinusului in triunghiul I`I``O va fi

sin θ1=Rc-R0 sin I``I`O=Rc-R0 cos r .

Rc+R0 Rc+Ro

Unghiul de incidenta pentru urmatorul punct de incidenta, I``, va fi θ2=π-r

2

iar drumul parcurs de raza de lumina intre doua reflexii succesive va fi

d= I`I``= (Rc+R0) sin β ,

cos r

Rezultatul obsinut evidentiaza faptul ca in cazul fibrelor optice cu indici de refractie care difera foarte pusin unul de altul, chiar si micile curbari ale fibrei optice distrug efectul de trapare a razelor de lumina.

CONSIDERATII PE BAZA OPTICII ELECTROMAGNETICE

Multe fenomene care apar la ghidarea luminii prin fibrele optice nu pot fi abordate in cadrul opticii geometrice; pentru explicarea lor trebuie folosita optica electromagnetica. Asemanarea ghidurilor de unda rectangulare, fibrele optice cu sectiunea transversala circulara pot suporta mai multe moduri. Calitativ, modurile pot fi descrise in raport de variatia radiala a campului cu maxime sau minime pe axa de simetrie si cu maxime aditionale de-a lungul razei miezului. Acestea din urma se noteaza cu litera m. Modurile stationare sunt caracterizate de un camp care scade monoton in afara miezului fibrei optice.

Concomitent cu variatia radiala poate aparea si o variatie azimutala; campul poate vira ciclic in apropierea circumferintei. Lungimea circumferintei trebuie sa corespunda unui numar intreg l de cicluri. Daca lumina este polarizata liniar (PL), diferitele moduri sunt caracterizate prin notatii simbolice de forma PLlm.

Atenuarea fasciculului de lumina in timpul propagarii de-a lungul fibrei optice se datoreaza in principal urmatoarelor cauze:

-reflexiei la suprafata de intrare in fibra optica;

-imprastierii si absorbtiei in materialul fibrei optice;

-reflexiei totale incomplete la limita de separare miez-strat.

Atenuarea este mare la inceputul fibrei optice dupa care in fibra se propaga numai modurile trapate ramase.

Fibra optica simpla are deja multiple aplicatii practice. Ea poate fi folosita ca aparatura de dimensiuni mici in cele mai diverse dispozitive. De asemenea, ea este folosita pentru transportul energiei radiative in scopuri de incalzire locala a materialelor. De exemplu, in cuplaj cu o lampa incandescenta de 100W fibra optica simpla s-a folosit pentru sudarea conexiunilor din dispozitivele electronice.

Cand sunt implicate densitati mari de energie radianta, transmisa, ca in cazul cuplarii fibrei optice cu un laser de putere, efectul de solarizare a materialului limiteza domeniul de aplicabilitate al fibrei optice. De pilda, pentru o densitate de putere de 15kW/cm² o fibra optica obisnuita, lunga de 1,5m, isi reduce transmitanta in timp de 7 min de la 0,53 la 0,25, din cauza solarizarii. Folosirea unor materiale optice cu proprietati superioare a permis obtinerea unor fibre optice in care efectul de solarizare, in conditiile specificate, determina o reducere a transmitantei in timp de o ora de numai 10%.

CABLURI DIN FIBRE OPTICE

Desi fibra optica simpla are o mare flexibilitate, datorita faptului ca energia si cantitatea de informatie transmise prin fibra sunt limitate, se folosesc cabluri alcatuite din mai multe fibre optice simple.

Cablurile de fibre optice sunt de doua feluri:

cabluri necoerente sau ghiduri de lumina, care se folosesc atunci cand semnalul transmis de o fibra optica simpla a cablului nu este corelat cu semnalele transmise se celelalte fibre simple ale cablului; in astfel de cabluri nu este importanta pozitia relativa a diferitelor fibre simple care alcatuiesc cablul;

cabluri coerente, folosite in special pentru transmiterea imaginilor; la asemenea cabluri pozitia relativa a diferitelor fibre simple care intra in componenta acestora este de importanta vitala.

CABLURI NECOERENTE: Functia primara a cablurilor necoerente este de a transmite lumina dintr-un loc in alt loc. Avantajele lor fata de alte dispozitive optice care pot indeplini acelasi rol sunt flexibilitatea, eficienta ridicata, compactitatea si posibilitatea de modelare a sectiunii transversale a fasciculului luminos. Flexibilitatea permite ghidarea luminii dupa drumuri complicate fara sa fie necesara folosirea oglinzilor sau a prismelor. Eficienta ridicata poate avea valori mai mari decat unul. Cu ajutorul cablurilor optice se poate modifica atat forma sectiunii transversale a unui fascicul luminos cat si numarul de fascicule transmise; un singur fascicul de lumina poate fi divizat in mai multe fascicule de lumina separate, sau mai multe fascicule de lumina pot fi combinate intr-un singur fascicul de lumina.

Structura de aranjare a fibrelor optice simple intr-un cablu poate fi sau hexagonala sau patratica, asa cum se arata schematic in figura 8.8. Intr-un montaj hexagonal fibrele optice ocupa o fractiune egala cu π/2√3=0,9069 din suprafata unui element de retea (reprezentat punctat in figura), daca nu se ia in consideratie grosimea staratului protector de material, si ocupa o fractiune egala cu o,9069 R0/R1 daca se considera si grosimea stratului protector, R1 fiind raza sectiunii transversale corespunzatoare stratului protector. Intr-un aranjament patratic fractiunea este de π/4=0,785, ceea ce determina ca transmitanta acestor cabluri sa fie mai mica decat cea a cablurilor cu aranjament hexagonal de 2/√3=1,115 ori.

Diametrul fibrelor optice de sticla folosite pentru alcatuirea cablurilor poate ajunge pana la 0,15mm fara ca flexibilitatea cablului sa se reduca prea mult. Daca se folosesc fibre optice de material plastic, diametrul maxim poate fi decca 1,5mm. Prin curbarea (indoirea) cablurilor, cele mai solicitate sunt fibrele optice exterioare. Astfel de solicitari duc la micsorarea transmitantei cablului. In cazul cablurilor de sticla transmitanta se stabilizeaza la o valoare cu cca 1% sau 2% mai mica decat cea initiala dupa aproximativ 100 de solicitari, pe cand la cablurile din fibre de material plastic transmitanta continua sa se reduca cu cresterea numarului de solicitari.

Temperatura pana la care se folosesc cablurile de sticla depinde de materialul stratului protector si de materialul folosit pentru unirea fibrelor si poate fi de pana la 4ooºC, iar temperatura maxima la care se mai pot folosi cablurile de plastic este impusa de materialul plastic folosit pentru obtinerea fibrelor.

CABLURI COERENTE

Deoarece fiecare fibra optica simpla, componenta a cablului, poate transporta o anumita cantitate de energie, corespunzatoare unui anumit element de suprafata a obiectului, independent si fara influenta fibrelor vecine, cablurile coerente servesc pentru transmiterea imaginilor dintr-un loc in altul.

Fibra optica este extrasa din furnal pe un tambur, avand insa grija de a pozitiona spirele succesive ale elicoidului unele langa altele fara sa se suprapuna. Dupa ce s-a obtinut latimea dorita, se depune un nou strat prin inversarea sensului de spiralare a fibrei, numarul straturilor depinzand de numarul de fibre care trebuie sa alcatuiasca cablul. Dupa ce s-a realizat numarul dorit de straturi, fibrele de pe tambur se taie paralel cu axa tamburului. Procedeul nu permite obtinerea unor fibre mai subtiri de cca 20 μm, motiv pentru care se procedeaza la reincalzirea cablului si intinderea sa obtinandu-se fibre cu diametre de cca 5 μm.

Datorita grosimii finite a materialului invelisului protector, o anumita cantitate de energie se pierde. Imprastierile din miezul fibrei si la suprafata fibrelor duc de asemenea la pierderi de energie. Ambele fenomene contribuie la trecerea luminii dintr-o fibra in alta. In cazul cablurilor nocerente aceasta duce, in cel mai rau caz, la micsorarea fluxului luminos. In cazul cablurilor coerente insa trecerea luminii dintr-o fibra in alta este insosita de micsorarea contrastului din imaginea finala, motiv pentru care fibrele se acopera cu un strat metalic protector sau cu un strat opac de sticla.

In general, cele doua tipuri de cabluri optice, coerente si necoerente, prezinta aceleasi proprietati optice, desi din anumite puncte de vedere pot aparea deosebiri. De exemplu, folosirea izolatiei pentru prevenirea trecerii luminii dintr-o fibra optica in ,alta face ca apertura numerica a cablurilor optice coerente sa fie mai mica din cauza cresterii atenuarii razelor de lumina mai inclinate fata de axa. In plus, de interes deosebit devine functia de propagare efectiva.

Izolatia dintre fibre nu este perfecta, incat de aceea, in fibre poate aparea lumina parazita. Cand iluminarea suprafetei de intrare a cablului se mentine in conul de lumina cu semiunghiul la varf i<imax, lumina parazita se poate datora uneia din urmatoarele cauze:

patrunderea luminii prin materialul dintre miezul fibrei;

abaterea de la reflexia interna totala;

imprastierea luminii in fibra sau la suprafata ei;

curbarea cablului.

Orice defect constructiv al fibrelor optice poate duce la distorsionarea imaginilor. Aceste distorsiuni include punctele intunecoase datorate fibrelor rupte sau sparte si deformarile imaginilor datorate alinierii incorecte a fibrelor in cablu. De cele mai multe ori abaterile de la alinierea axiala determina o deplasare laterala a imaginii.

APLICATII ALE CABLURILOR

Cand se folosesc in tehnica iluminatului, fibrele optice prezinta mai multe avantaje fata de sistemele clasice, avantaje care vor fi prezentate in continuare:

a. Fibrele optice permit separarea sursei de lumina de suprafata ce trebuie iluminata, fapt de importanta esentiala in special in aparatele optice medicale iintroduse in organism pentru inspectia vizuala a diferitelor organe interne. Metodele clasice de observare bazate pe folosirea lampii cu incandescenta complica mult sistemul optic, nu permit obtinerea unor iluminari suficiente si prezinta riscuri din punctul de vedere al conexiunilor electrice. Toate aceste dificultati se inlatura daca iluminarea se va face cu o fibra optica subtire.

b. Cablurile optice permit miniaturizarea, o problema cruciala in aplicatiile care implica folosirea mai multor surse de lumina.

c. Fibrele optice se pot folosi pentru iluminarea instrumentelor de masura si control. De exemplu, un sistem optic poate incorpora mai multe instrumente care, din punst de vedere clasic, se ilumineaza separat folosind becurile cu incandescenta. Folosirea unui cablu optic de fibre optice iluminat de o singura sursa de lumina poate diviza fasciculul de lumina in mai multe fascicule, fiecare dintre acestea folosindu-se pentru iluminarea unui instrument.

d. Metoda de cuplare sau decuplare a diferitelor conexiuni electrice, bazata pe folosirea fibrelor optice, asigura o protectie ridicata si capata o extindere tot mai mare.

e. Controlul surselor de lumina localizate in locuri greu accesibile deschide un camp larg de aplicatii pentru cablurile optice.

f. Se stie ca sursele de lumina intinse prezinta o eficienta mica de iluminare a unor suprafete mici, in special cand acestea sunt fantele dreptunghiulare ale aparatelor optice. Folosirea unor cabluri optice a caror sectiune transversala variaza continuu de la forma circulara la forma alungita prezinta un avantaj potential.

g. Fibrele optice pot fi folosite pentru obtinerea unor corelatori multicanal, fasciculele provenite din diferite locuri putand fi sumate sub forma unui singur semnal.

Cand se folosesc in tehnica sistemelor de comunicatii, fibrele optice ofera avantaje multiple fata de sistemele clasice. Asfel de aplicatii trebuie insa sa ia in consideratie nu numai posibilitatile de distorsionare a semnalelor transmise ci si posibilitatile de distrugere in timp a cablurilor de fibre opzice, in special datorita fragilitatii fibrelor de sticla. Protectia cablurilor optice trebuie asigurata fata de abraziune si contaminare, fata de tensiunea la intindere, si fata de tensiunea datorata indoirii. Straturile protectoare, folosite pentru asigurarea conditiilor impuse de folosirea in conditii de securitate a cablurilor optice, pot ocupa o parte importanta din intregul volum al cablului. Intrucat functia unui sistem de comunicatii este aceea de a transmite informatii, asemenea sisteme trebuie apreciate si comparate in raport cu capacitatea de informare a unui canal. Din acest punct de vedere, marimea capacitatii de informare este legata de micsorarea imprastierii impulsului, datorata atat dispersiei de material cat si dispersiei modale, si de cresterea puterii de transmisie sub un raport semnal/zgomot convenabil.

Cat priveste posibilitatea de a folosi cablurile optice coerente pentru a transmite imaginile dintr-un loc in altul, trebuie pornit de la faptul ca este imposibil sa se aseze fibra optica in contact cu obiectul. Procedeul este de a forma imaginea obiectului pe fata de intrare a cablului folosind mijloace clasice. Adesea este necesar ca imaginea formata pe fata de iesire a cablului sa fie marita, folosind tot mijloace clasice. Combinatia obiectiv-cablu coerent de fibre optice-ocular este cunoscuta sub denumirea de fibroscop.

Fibroscoapele au deja multiple aplicatii atat in medicina cat sa in industrie, in special pentru controlul suprafetelor interne la care accesul prin mijloace clasice nu este posibil.

Exista inca multe aplicatii ale fibrelor optice pentru obtinerea imaginilor in marime naturala, pentru realizarea tuburilor convertor cu fascicul baleiat sau in fotografia ultrarapida. Progresele obtinute pana acum in domeniul fibrelor optice si cele care vor fi obtinute mai departe deschid calea dezvoltarii unui nou domeniu de varf al opticii, optica integrata.

FIBRA OPTICA

O tehnologie care foloseste fire (fibre) de sticla (sau plastic) pentru transmiterea datelor. Un cablu de fibre optice consta in mai multe fire de sticla, din care fiecare este capabil sa transmita mesajele la viteze apropiate de viteza luminii.figura 30.

Fibrele optice au cateva avantaje fasa de liniile de comunicatie traditionale, din metal:

cablurile de fibra optica au o latime de banda mult mai mare decat cablurile de metal; asta inseamna sa ele pot purta masi multe date;

cablurile de fibra optica sunt mai putin susceptibile la interferente decat cablurile metalice;

cablurile de fibra optica sunt mult mai subtiri si mai usoare decat firele de metal;

datele pot fi transmise digital (forma naturala a datelor de pe calculatoare) in loc de a fi transmise analogic.

Principalul dezavantaj al fibrelor optice este pretul mare al instalarii cablurilor. In plus, ele sunt mult mai fragile decat firele metalice si sunt mai greu de ramificat.

Fibra optica este o tehnologie in special pentru retelele locale (local-are network). Mai mult, companiile telefonice traditionale inlocuiesc gradat liniile telefonice cu cabluri de fibre optice. In viitor, aproape toate comunicatiile vor folosi fibre optice.

Fibrele optice sunt cilindri lungi si flexibili cu diametru de 10-100μm, prin care razele luminoase se propaga prin reflexii interne totale multiple pe suprafata laterala a fibrei; exista si fibre optice cu gradient , caracterizate de faptul ca indicele de refractie este maxim in centrul fibrei scade treptat spre periferia ei asfel incat reflexia totala a luminii este mai complicata decat in cazul fibrelor optice simple.Figura 151.

CE SUNT FIBRELE OPTICE?

Fibrele optice sunt fasii subtiri si lungi de sticla foarte fina cu diametrul parului uman.

Sunt aranjate in snopuri numite cabluri optice si sunt folosite pentru a transmite semnale de lumina pentru distante lungi.

Daca te uiti atent la o singura fibra optica o sa vezi ca are urmatoarele parti:

miezul – centrul subtire al fibrei pe unde circula lumina;

invelisul- materialul optic din afara care inconjoara miezul si reflecta lumina inapoi in el;

mediul protector- invelis de plastic care protejeaza fibra de stricaciuni si umezeala.

Sute sau mii de aceste fibre optice sunt aranjate in snopuri in cablu optic. Snopurile sunt protejate de invelisul extern al cablului numit imbracaminte.

Fibrele optice sunt de doua feluri:

fibre simple- folosite sa transmiti un semnal pe fibra (folosite la tefoane si cablu TV);

- fibre multiple - folosite sa transmiti mai multe semnale pe aceeasi fibra (folosite la retelele de calculatoare).

Fibrele simple au miezul foarte subtire (cam 3,5∙10-4 inci sau 9 microni in diametru) si transmit lumina laser inflarosu.

Fibrele multiple au miezul mai mare (cam 2,5∙10-3 inci sau 62,5 microni in diametru) si transmit lumina inflarosie de la o dioda luminoasa (LED). Unele fibre optice sunt facute din plastic. Acestea au un miez mai mare (0,04 inci sau 1 mm diametrul) si transmit lumina rosie din LED-uri.

Sa presupunem ca vrei sa aprinzi o lanterna intr-un hol lung si drept. Pur si simplu indreapta lanterna spre hol- lumina circula in linii drepte, deci nu e nici o problema. Dar daca holul are o curba? Posi sa pui o oglinda in colt ca sa reflecte lumina. Dar daca holul ar avea multe curbe? Ai putea sa imbraci peretii in oglinzi si sa indrepti lumina astfel incat sa ricoseze dintr-un perete in altul pe hol. Aceasta este exact ce se intampla intr-o fibra optica.

Diagrama despre reflectia interna a unei fibre optice

Lumina intr-un cablu cu fibre optice calatoreste prin miez (holul) ricosand constant de invelis (peretii cu oglinzi), un principiu numit reflectie interna totala. Pentru ca invelisul nu absorba nici un pic de lumina din miez, unda de lumina poate calatori distante mari. Oricum, cateva din semnalele luminoase se degradeaza in fibra, in principal din cauza impuritatilor din sticla. Cat de mult se deterioreaza semnalul depinde de puritatea sticlei si de lungimea de unda a luminii transmise. Cele mai bune fibre optice nu deterioreaza semnalul, mai putin de 10%/km la 1550nm.

Pentru a intelege cum sunt folosite fibrele optice in sistemele de comunicatii sa ne uitam la un exemplu dintr-un film din Al II-lea Razboi Mondial, unde 2 vapoare intr-o flota trebuie sa comunice una cu alta fara semnale radio sau pe mari agitate. Capitanul unei nave trimite un mesaj unui marinar pe punte. Marinarul traduce mesajul in cod MORSE (punte si linii) si foloseste semnal luminos (o lampa puternica cu acoperitoare) ca sa trimita mesajul celeilalte nave. Marinarul de pe cealalta nava vede codul MORSE, il decodeaza in engleza, si trimite mesajul sus la capitan. Acum, imaginati-va facand asta cand vasele sunt fiecare in celalalt capat al oceanului separate de mii de mile si ai un sistem de comunicatii prin fibre optice instalat intre cele doua nave.

Un sistem de transmisie prin fibra optica este compus din:

transmitator- produce si codeaza semnalele luminoase;

fibra optica- conduce semnalele luminoase (pe distante lungi);

regeneratorul optic- poate fi necesar pentru amplificarea semnalului;

receptorul optic- primeste si decodeaza semnalele luminoase.

TRANSMITATORUL

Transmitatorul este ca marinarul de pe puntea vaporului care emite semnalele. Primeste si directioneaza aparat optic pentru a focaliza lumina in fibra. Lasarele au mai multa putere decat LED-urile, dar variaza mai mult cu schimbarile in temperatura si sunt mai scumpe. Cea mai uzuala lungime de unda a semnalului luminos este de 850nm, si 1550nm (inflarosu si parti invizibile ale spectrului).

REGENERATORUL OPTIC

Cum am mentionat mai sus o pierdere a semnalului apare cand lumina este transmisa prin fibra, in special pe distante lungi (mai mult de 1km), ca un cablu subacvatic. Deci, unul sau mai multe regeneratoare trebuie plasate pe cablu pentru a amplifica semnalul de lumina degradat. Regeneratorul optic consta din fibre optice cu un invelis special. Portiunea inbracata este pompata cu laser. Cand semnalul degradat intra in invelis, energia laserului permite moleculelor sa devina ele insesi lasere. Moleculele emit apoi un nou semnal luminos mai puternic cu aceleasi caracteristici ca semnalul slab primit. Regeneratorul este un amplificator pentru semnalul de intrare.

RECEPTORUL OPTIC

Receptorul optic este ca marinarul de pe vapor care primeste semnalul. El primeste semnalul luminos de intrare, il decodeaza si il trimite ca semnal electric celuilalt utilizator, computer, TV, sau talafon (capitanul celeilalte nave).

De ce sistemele din fibre optice sunt revolutia telecomunicatiilor? In comparatie cu firul metalic conventional, fibra optica este:

mai ieftin- cateva mile de cablu optic sunt mai ieftine decat aceeasi lungime de fir de cupru;

mai subtire- fibrele optice pot fi trase in diametre mai mici decat firul de cupru;

capacitate purtatoare mai mare- pentru ca fibrele optice sunt mai subtiri decat firele de cupru, mai multe fibre pot fi adunate intr-un cablu de acelasi diametru. Aceasta permite mai multe linii telefonice prin acelasi cablu sau mai multe canale TV;

mai putina degradare a semnalului- pierderea de semnal pe fibre optice este mai mica decat pierderea pe firele de cupru;

semnale luminoase- spre deosebire de semnalele electrice din cupru, semnalele electrice din fibra nu interfereaza cu celelalte fire din cablu. Aceasta inseamna o conversatie telefonica mai buna sau o receptie TV mai buna;

putere mica- fibrele optice se degradeaza mai putin, pot fi folosite transmitatoarele mai mici;

semnale digitale- fibra opticp este ideala pentru transmiterea semnalelor digitale (foarte folosite pentru retelele de calculatoare);

neinflamabil- pentru ca nu trece curent electric prin fibre, nu exista riscul de foc;

greutate mica- o fibra optica este mai usoara decat un cablu de cupru, ocupa mai putin spatiu in pamant;

flexibile- fibrele optice sunt atat de flexibile, pot transmite si primi lumina, sunt folosite in camere digitale flexibile in urmatoarele scopuri:

- imagine medicala;

- imagine mecanica;

- instalatii.

Din cauza acestor avantaje, vezi fibrele optice in foarte multe industrii, mai ales in telecomunicatii si retele de calculatoare. De exmplu, daca ai da telefon din europa in SUA sau invers, si semnalul a fost ricosat de un sistem de comunicatii, adesea auzi un ecou pe linie. Oricum, cu fibra optica transatlantica ai o conexiune directa fara ecouri.

Acum ca stim cum lucreaza sistemele de fibre optice si de ce sunt ele folosite, cum se fac? Fibrele optice sunt facute din sticla extre de pura. Ne gandim la o fereastra ca este transparenta, dar cu cat geamul este mai gros, cu atat devine mai putin transparent din cauza impuritatilor. Oricum impuritatile sticlei intr-o fibra sunt mult mai putine decat intr-un geam de fereastra. Descrierea unei companii despre claritatea sticlei este urmatoarea: “Daca ai fi deasupra unui ocean din fibra de sticla ai putea sa vezi fundul oceanului”.

Producerea fibrei ptice necesita urmatorii pasi:

producerea unui cilindru preformat;

tragerea fibrelor prin cilindru;

testarea fibrei.

Producere mulajului.

Sticla pentru mulaj este facuta dintr-un proces special numit modificarea chimica a vaporilor condensati (MCVD). In MCVD este balonat prin clorura de silicon (Si Cl4), clorura de germaniu (Ge Cl4) si/sau alte chimicale. Mixtura precisa care guverneaza principiul propritatii fizice si optice (indicele de refractie, coeficientul de expansiune, punctul de topire, etc). Vaporii de gaz sunt condusi intr-un tub de silicon sau quart, intr-un strung special. Cum se invarte strungul, dai cu torta in tub, torta este miscata in sus si in jos in afara tubului.

Caldura extrema a tortei face doua lucruri sa se intample:

siliconul su germaniul reactioneaza cu oxigenul formand dioxid de silicon si dioxid de germaniu;

dioxidul de silicon si dioxidul de germaniu se depun in tub fuzionand impreuna ca sa formeze sticla.

Strungul se invarte continuu ca sa faca un invelis perfect si consistent. Puritatea sticlei este mentinuta folosind plastic rezistent la coroziune in sistemul de injectare a gazului si prin controlarea precisa a debitului compozitiei mixturii. Procesul producerii mulajului este automat si dureaza cateva ore. Dupa acesta se raceste, este testat pentru calitate.

O data ce mulajul a fost testat este instalat intr-un turn de tras fibre. Turnul ecologic intr-un furnal de grafit (2200˚C) si varful este topit pana cand substanta cade, se raceste si formeaza un fir. Se faqce in continuare un proces tehnologic.

Materiale si tehnologii pentru obtinerea fibrelor optice

Consideratii generale:

In domeniul fibrelor optice , aflat astazi in plina dezvoltare , eforturile de cercetare incununata, pana in prezent, de succese notabile sunt indreptate in doua directii principale, prima fiind gasirea unor materiale cu caracteristici supoerioare iar a doua –strans legata de prima- punerea la punct a unor tenologii si instalatii cat mai performante, capabile sa asigure calitatea dorita, la costuri cat mai accesibile.

Indiferent de compziti a aleasa , materialul dielectric utilizat pentru obtinerea fibrelor optice trebuie ssa raspunda urmatoarelor cerinte:

sa aiba transparenta cat mai buna la lungimea de unda a semnalului luminos folosit ;

sa posede stabilitate chimica cat mai buna in timp ;

sa fie usor prelucrabil in toate fazele procesului tehnologic;

Pe baza experientei producatorilor de fibra optica , materialele cu ce ami larga utilizare se pot grupa in trei categorii:

- bioxid de siliciu pur si amestecuri ale acestuia cu alti oxizi in cantitati mici , denumiti si dupanti ;

- sticle multi compozite ;

- materiale plastice.

Daca se are in vedere gradul de prelucrare a materialelor mentionate mai sus, este evidenta superioritatea polimerilor, care nu necesita temperaturi de lucru prea inalte.Cu toate ca utilizarea materialelor plastice nu numai pt invelisul optic, ci si pentru miez est eun subiect interesant de cercetat si experimentat, caracteristicile optice net inferioare in raport cu cele ale sticlei le recomanda numai pentru transmisii la distante mici, unde atenuare a semnalului optic de-a lungul fibrei are o importanta secundara.

Iata deci cateva considerente pentru care este evidenta superioritatea primelor doua tipuri de materiale , si anume sticlele pe baza de siliciu si cel multicompoziet,care –de altfel- au acelasi componenet de baza-bioxidul de siliciu. Deosebirile dintre cele doua grupe de materiale apar cel ami pregnant cand se pune problema alegerii tehnologiei de prelucrare pentru obtinerea fibrei optice . Desigur, performantele produsului final –fibra- depind in mod direct de materialul intrebuinatat, dar si de tehnologia de realizare, existand insa si un sistem de restrictii prin care materialul conditioneaza tehnoogia car eface posibila prelucrarea sa, astfel incat sa rezulte fibra optica cu parametrii doriti.

Se poat eafirma ca, dat fiind evantaiul larg de compozitii pornind de la bioxidul de siliciu pur, pana la sticlele multicompozite, granita dintre cele doua grupe de materiale este greu de precizat, compozitiile cele mai utilizate situandu-se insa la capetele intervalului.

Atat bioxidul de siliciu pur, cat si sticla multicompozitac au structura amorfa, sunt antizotrope si si se trag in fire din stare lichida la temperaturi inalte . Racirea rapida a materialului topit duce la formarea unei sticle stabile si omogene ,in pofida tranzitiei printr-un domeniu termic in care este posibila aparitia cu totul nedorita a cristalelor.

Dintre toate tehnologiile care se vor analiza in continuare depunerea chimica in stare de vapori este cea care permite obtinerea unei game largi de compozitii chimice, de la bioxidul de siliciu ppur pana la sticla multicompozita rezultata prin adaugarea in concentratii considerabile a unor substante de aditivare cu scopul modificarii sensibile a indicelui de refractie.Data fiind variatia continua si si oprevizibila a proprietatilor in functie de compozitia chimica, parametrul care deosebeste net sticla cu continut inalt e SiO2 de cea multicompozita este temperatura de topire si, implicit, de tragere a fibrei. In timp ce temperatura de topire a sticlei multicompozite se situeaza in intervalul 800-1200 C , bioxidul de siliciu se topeste la circa 2000C.

In primul caz, temperaturile de lucru relativ scazute permit utilizarea cuptoarelor traditionale in cadrul metodei cu dublu creuzet, fiind posibila obtinerea cu usurinta a unor fibre cu apertura numerica mare dar cu indice de refractie care variaza intr-un domeniu de valori destul de restrans.

Pe de alta parte, tehnologia depunerii chimice din faza de vapori utilizata pentru obtinerea fibrelor optice din sticle cu continut inaltde SiO2 elimina o mare parte a surselor de impurificarea sticlei, care, in cazul metodei dublului creuzet,sunt in mod inevitabil mai numeroase, mai ales in timpul depozitarii si manipularii materiilor prime. Or,tocmai impuritatile din material determina cresterea nedorita a dispersiei semnalului optic peste valoarea intrinseca a dispersiei Rayleigh . De asemenea, tehnologia depunerii chimice din faza de vapori permite obtinerea cu usurinta a profilului dorit al indicelui de refractie sia unei interfete miez-invelis optime dar presupune instalatii si aparatura cu un grad mai ridicat de complexitate.

Dezavantajele utilizarii sticlelor cu continut inalt de bioxid de siliciu se pot rezuma dupa cum urmeaza: in fazele de depunere de material si de tragerea fibrei vitezele sunt mici, iar procesele se desfasoara la temperaturi inalte, la care controlul geometriei preformei si al fibrei este dificil de realizat. Aceste dezavantaje sunt compensateinsa din plin de calitatea net superioara a fibrelor ptice obtinute prin oricare dintre cele cateva variante ale tehnoogiei depunerii chimice din faza de vapori.

TEHNOOGII DE OBTINERE A FIBRELOR OPTICE DIN STICLE MULTICOMPOZITE: Materiale utilizate . Fibrele optice din sticle multicompozite se pot realiza utilizand o gama larga de materiale, cu conditia de a se asigura proprietatile optice necesare si prelucrabilitatea ceruta de procesul de fabricatie. De exemlu, in cazul tehnologiei cu dublu crezuet este necesar ca cele doua materiale sa aiba punctele de topire coborate pentru a reduce fenomenul de coroziune si impurificare pe aceasta cael a sticlei iar valorile vascozitatii sa fie apropiate la temperatura de tragere pentru a simplifica utilajele necesare si pentru ca procesul sa aiba stabilitate.

Un alt aspect care are o influenta deosebita asupra performantelor fibrei optice est ecel legat de prezenta impuritatilorin compozitia materialului de baza. Faptul ca fibrele optice din sticle multicompozite prezinta valori mai ridicate ale atenuari decat celecu continut inalt de bioxid de siliciu se datoreaza prezentei in compoziti e a impuritatilor si, in special, a ionilor metalelor de tranzitie, care determina benzi de absorbtie considerabile in spectrul vizibil si infrarosu, chiar pentru valori foarte scazute ale concentratiei.Valuarea atenuarii la diferite lungimi de unda depinde de concentratia in impuritati, de gradul lor de oxidare si de compozitia sticlei in care se gasesc.Tabelul de mai jos prezinta cresterea atenuarii determinata de o marire cu o parte de milion a concentratiei in impuritati pentru trei tipuri de sticle si lungimea de unda de 850nm a fasciculului optic.

Sursa: www.referatele.com
Inapoi →