Capitolul 2. Fibra optica2.1 Natura luminiiCu totii stim foarte multe despre lumina aceasta este baza a multor functii senzoriale ale noastre. Dar raspunsul la intrebarea Ce este lumina cu adevarat? este foarte complex. Lumina de obicei este descrisa in una dintre modalitatile descrise in continuare:RazeleIn fizica clasica, care majoritatea din noi au studiat-o la scoala, lumina consta din mai multe raze ce pot fi reflectate si refractate prin diferite prisme si obiecte etc. Aceasta este o buna explicatie, insa nu suficienta pentru a face fata diferitor problem din domeniul comunicatiilor optice.Problema consta in faptul ca in momentul cind incepi de a studia razele de mai aproape, acestea incep a devein precum undele. De exemplu: daca transmiti un manunchi de raze printr-o diviziune mica sau o crapatura de acelasi diametru precum lungimea de unda a acesteia, raza se va imprastia in afara hotarelor. Deasemenea, daca lasi ca razele multiple a luminii coerente sa se amestece pe ecranul unui projector, vei obtine efectul de interferenta dintre doua raze. Niciunil din fenomenele de interferenta sau difractie nu descriu raza.In aceasta carte noi vom analiza modele a mai multor rezultate a razelor, cit si cazuri particulare pentru a adiscuta propagarea razei in fibra multimod. Aceasta este cea mai clara cale. In general, e mai bun modelul cu raze cind diametrul miezuui ete cu mult mai mare decit lungimea de unda a razei de lumina.Undele electromagneticeDin punctual de vedere a comunicatiilor optice, in cele mai multe cazuri aceasta va fi considerate cea mai buna cale in ceea ce priveste lumina este foarte subtire , fiind o unda electromagnetic. Din aceste considerente nu exista o prea mare diferenta dintre unda electromagnetica si cea radio, cu exceptia la faptul ca prima este mult mai scurta.In acasta carte vom utilize nu numai odata acest model in discutiile noastre. Modelul dat este unicul mod cit de cit acceptabil pentru a descrie conceptul de propagare a luminii in fibra monomod.FotoniiIn mai multe context lumina se considera ca este formata din mici particule, numiti fotoni.In acest caz sunt un sir de fenomene pe care modelul de unde nu le poate descrie. Cel mai cunoscut dintre acestea este Efectul fotoelectric.In momentul in care lumina cade pe o suprafata metalica, electronii sunt eliberati si pot fi colectati de o alta suprafata alturata. Astfel putem genera un curent intre doua suprafete. Acest current este proportional sumei tuturor particulelor ce cad initial pe suprafata metalica. Insa daca masori energia electronilor eliberati vei observa un lucru straniu. Electronii eliberati de ctre raza incidenta au un sir de energii, ce nu sunt dependente de intensitatea luminii, ci de lungimea de unda a acestei raze. Explicatia dup Einstein este ca lumina consta din fotoni, fiecare dintre care elibereaza doar un singur electron si cedeaz toata energia acestuia electronului. O intensitate mai mare inseamna mai multi fotoni, dar energia ramine aceeasi.Aceasta este o perspective folositoare insa continua a nu explica multe alte fenomene.Este greu de a afirma ca lumina poate fi considerate drept o unda in momentul in care vorbim de propagarea sau transmisia ei. Poate fi considerate drept particule cind analizam interactiunea cu material sau un spatiu definit.In trecut formularea aceea ce lumina de fapt este, i-a pus intr-o mare dilemma pe fizicieni. In 1905, fizicianul eminent Max Planck, l-a nominalizat pe Einstein pentru a-l face membru a Academiei de Stiinte Domneasca a Prusiei. Un fragment din adresarea lui urmeaza: cu toate ca uniori poate avea unele erori in teoriile sale, nu putem nega teoria lui privind prezenta fotonilor in raza de lumina. Deci, in 1921 Einstein a primit Premiul Nobel pentru teoria lui despre cuanta de lumina.Faptul este ca razele, fotonii si undele sunt analogii perfecte pentru studiul luminii, doar ca din puncte de vedere diferite. Desigur, lumina este mult mai mult de atit si in acelasi timp niciuna din acestea. Problema nu este in natura enigmatica a luminii ci in aducerea a diverse analogii in intelegerea acesteia.Aceasta este asemeni situatiei in care trei oameni analizeaza un elefant. Unul dintre ei vede un trunchi de copac, un altul un sarpe si al treilea o funie. Totul depinde de punctual de vedere din care privesti.2.1.1 Lumina drept o unda electromagneticaFigura 2 Spectrul electromagneticLa aceasta tema sunt citeva carti excelente (in Fizica, Electronica si Fibra Optica) care explica aprofundat natura luminii ca unda electromagnetic. Intradevar, de-a lungul a multor ani, multi copaci au fost defrisati pentru producerea foilor pentru ecuatiile lui Maxwell. Oricum, multi dintre cititori nu doresc sa se cunoasca cu aceste ecuatii aprofundat, de aceea aici in continuare va vom relata o introducere scurta a conceptului respectiv.Una dintre modalitatile de interpretare a luminii este de a admite faptul ca aceasta este o unda electromagnetic, precum unda radio. De fapt, cuvintul precum aici e o problema, caci aceste doua tipuri de unda sunt una si aceeasi. Unica diferenta fiind faptul ca au lungimi de unda diferite.O unda electromagnetica consta din doua cimpuri, electric si magnetic. Ambele cimpuri sunt caracterizate prin amplitudine si directie. In interiorul cimpului electromagnetic aceste doua cimpuri sunt amplasate una fata de alta la 900. In sistemul tridimensional de coordonate se poate de considerat cimpul electric orientat pe axa y, iar cel magnetic- pe axa x, atunci directia miscarii se va aprecia pe axa z.Figura 3. Structura undei electromagnetice. Cimpurile electric si magnetic sunt , de fapt suprapuse unul deasupra altuia, insa sunt ilustrate separat pentru a fi mai clare. Directia z poate fi considerata fiind drept o reprezentare in spatiu sau in timp.Este destul de folositor de a compara acestea cu puterea ondulatorie in apa, pe care o putem observa cu usurinta. Observam la excitarea apei, cum undele in unul si acelasi loc se deplaseza in sus si in jos, dar si pe verticala. Exact acelasi lucru se intimpla si cu undele electromagnetice .Undele electromagnetice fac ca cimpul sa oscileze dupa directie si dupa amplitudine. In figura 3 s-au ilustrat cimpurile separat, dar in acelasi timp ocupa acelasi spatiu. Acestia trebuie sa fie situati unul peste altul, dar sunt ilustrate astfel doar pentru claritate. Analizind cimpul electric , considerind ca pe axa z este timpul, observam ca la inceput cimpul este orientat incepind cu partea de jos spre cea de sus. Dupa care, un pic mai tirziu situatia s-a inversat s.a.m.d.Linia curbata este destinata sa reprezinte amplitudinea si este descrisa de legea sinusoidala. Cimpul poate incepe de la maximum pina la zero intr-o directie .Ideia principala aici este faptul ca avem doua cimpuri ce oscileaza in faza. Ambele cimpuri, cit cel electric, atit si cel magnetic isi ating maximul si minimul in acelasi timp si in acelasi loc. Rata oscilatiilor fiind frecventa undei. Iar lungimea de unda fiind distanta de deplasare in timpul unei perioade de oscilatii.Figure 4. Variatia amplitudinii in unda electromagnetica. Aici ambele cimpuri sunt aratate impreuna, ca un singur cimp oscilatoriu directionat in timp sau spatiu.Deci, putem vizualiza o particula sau o raza a luminii desplasindu-se in spatiu ca doua forte interconectate. Aceste cimpuri se intintilnesc intr-un punct si apoi se imprastie in diresctii diferite pina la un maxim si inapoi.2.1.2 PolarizareaEste clar din figura 3 ca sunt posibele doua cai de orientare a acestor cimpuri. In figura cimpul electric e considerat pe verticala, iar cel magnetic pe orizontala. De fapt, se poate d reprezentat si invers, principal e sa fie deplasate la 900 unul fata de altul.Oricum, daca avem un cimp magnetic si electric orientat pe orizontala, atunci le avem si pe verticala. Cind aceasta se intimpla avem doua unde electromagnetice pozitionate ortogonal unul fata de altul. Ele sunt independente si nu se amesteca reciproc.De asemenea, este clar ca oricare din undele electromagnetice ce este orientata intre axele verticala si orizontala , poate fi vazuta ca doua componente.Orientarea cimpului electromagnetic se refera la polarizare. Acordul cu privire la discutiile despre polarizare si cimpul electromagnetic consta in referirea la directia cimpului electric, respectindu-se careva planuri sau hotare favorbile tuturor undelor. In orice moment de timp cimpurile sunt orientate in directii particulare de timp.Figura 5. Polarizarea circulara. Orientarea directiei cimpului electric este reprezentata cu sageti. Cu trecerea timpului cimpul electromagnetic se roteste cu 3600 in fiecare perioada a lungimii de unda. Sunt ilustrate 4 cicluri.Oricum , orientarea cimpului se poate schimba in timp, astfel obtinem ceea ce se numeste polarizare circulara sau eliptica. Polarizarea circulara se obtine atunci cind directia cimpului electric se se roteste pe parcursul a 3600 in timpul unei lungimi de unda. Desigur, polarizarea eliptica rezulta cind perioada de rotatie nu este aceeasi ca si lungimea de unda.De fapt, polarizarile circulara si eliptica rezulta cind viteza de propagare a doua polarizari ortogonale sunt putin diferite. Vezi punctul 2.4.2.1 Disperia polarizarii unei mode la pagina 61.2.1.3 InterferentaFenomenul de interferenta este unul dintre cele mai interesante si mai importante aspecte ale ingineriei optice. Intradevar, interferenta este baza aproape la tot ceea ce noi facem in comunicatii optice. Oricum, chiar daca are o descriere matematica buna, a o intelege la nivel intuitiv este dificil. 2.1.3.1 Experimentul lui YoungFigura 6. Experimentul lui YoungCel mai important experiment din istorie in interferenta optica a fost elaborat in anul 1802de ctre Thomas Young. Ideia de functionare este demonstrata in figura 6. Lumina solara, initial trece printr-o prisma pentru a selecta lumina cu o singura lungime de unda (lumina monocromatica). Dupa care parcurge o gaura mica. Raza rezultanta ilumineaza o pereche paralela de astfel de gauri. Ureaza a fi proiectata pe un ecran. Rezultatul este un model faimos de urme luminoase si intunecate numite inele de interferenta.Figura 7. Efectul interferenteiUn numar de interferente poate fi efectuat dupa modul urmator: Nu tocmai este nevoie de prisma pentru a imparti lumina solara, dar efectul astfel este mult mai mare. Fara prisma granitele dintre regiunile luminoase si intunecate nu sunt prea clare. Lumina parcurgint prima gaura ne asigura ca lumina este coerenta. Lumina coerenta este lumina cu o unda continua, care isi pastreaza faza o perioada mai mare de timp. Parcurgind cea de-a doua gaura se obtin un sir de unde paralele, ce nu sunt in aceiasi faza, dar coerente. Astazi se poate de omis prima gaura si de folosit un laser pentru iluminare, dar in 1802 mai trebuiau sa treaca 160 de ani pina ca laserul sa fie inventat. Modelul umbrelor intunecate si luminoase este cauzat de diferenta in distanta de pina la ecran, generate de cele 2 gauri. Atit timp cit lumina coerenta lumineaza aceste 2 gauri se suprapun unul peste altul pe ecran, asfel incit vectorii din cimpul electric sunt in faza si se amina reciproc cind nu mai sunt in faza. Aceasta este ilustrat in figura 7. Este important de a mentiona faptul ca puterea a fost transferata de pe umbra intunecata pe cea luminoasa. Puterea totala proiectata pe ecran este aceiasi. Nici un pic de putere nu s-a pierdut, deoarece energia este conservata.Cele descrise de mai sus relateaza destul de clar natura luminii. Insa daca repetam experimentul utilizind nivele extrem de mici ceva interesant se intimpla. In primul rind, inlocuim ecranul cu detectori electronici foarte senzitivi. Dupa care iluminam cele 2 gauri cu un lazer printr-un filtru, ce atenueaza lumina la un nivel atit de mic incit doar unii fotoni trec prin acestea. In asa caz detectorii mereu masoara lumina in cuante. Cind intensitatea luminii se mareste interactiunea fotonilor cu detectorii. Astfel demonstram ca lumina este compusa din particule. Un efect interesant este urmarit. In depententa de locatia detectorilor numarul fotonilor inregistrati este proportional cu intensitatea luminii, urmarit in acelasi timp cind iluminam gaurile cu lumina mai intens. Daca pui un detector la una din gauri pentru a detecta fotonii, efectul va disparea. Daca acoperi una din gauri, efectul va disparea, captindu-se toti fotonii ce ar fi trebuit sa interactioneze cu ecranul uniform, in cazul in care se asteapta de la o sursa uniforma. Aceasta este foarte dificil de explicat! Daca lumina se comporta ca fotonii, atunci un foton poate trece printr-o gaura sau alta. Daca folosim un nivel al luminii destul de mic, ele pot fi separate, de aceea nu putem nega natura ondulatorie a interferentei. Dar efectul interferentei se mai intilneste si acum.. Se observa clar cum fotonii parcurg liber acele gauri.2.1.3.2 Transmisiunea printr-un strat de sticlaEfectul interferentei poate fi ilustrat de observatia asupra iluminarii a unei interfete dintre o sticla si aer. Aceasta este aratat in figura 8 pe pagina 23.Cind lumina incidenta este normala pe o astfel de interfata aproape 4 % din aceasta este reflectat . In practica oricare din suprafetele abrupte dintre doua materiale cu indicele de refractie diferit, va cauza o reflexie. Suma reflexiilor depinde de diferenta dintre indicele de refracrie a acelor doua materiale. Precum este aratat in diagrama, obtinem aceleasi 4 % indiferent de unde vine lumina din aer sau prin sticla.Figura 8. Reflexia luminii din sticla/aer.Partea cea mai interesanta este in aceea ce se intimpla cind un manunchi de lumina monocromatica de la un strat normal la unul mai subtire de sticla. Este evident ce cele 4 % vor fi reflectate de la jonctiunea de jos si 4 % din partea de sus pentru o reflexie totala de 8 %. Suprinzator este faptul ca aceasta nu se intimpla.Figura 9. Efectul de interferenta cind lumina parcurge un strat de sticlaEfectul observat depinde de grosimea stratului de sticla. Daca stratul este destul de subtire, atunci toata lumina il parcurge fara pierderi semnificative. Daca stratul de sticla este un pic mai gros, atunci lumina este reflectata. Din moment ce stratul se face din ce in ce mai gros suma razelor de lumina reflectate creste pina obtine maximum de 16%. Desigur, suma razelor transmise prin strat este suma la cele nereflectate. Daca 6 % sunt reflectate atunci 94 % sunt transmise. Continuind de a face stratul de sticla mai gros suma reflexiilor se micsoreaza pina ajunge la zero. Daca continuam mai departe de a face mai gros stratul incepe din nou sa reflecte pina procesul se repeta din nou. Acest fenomen este ilustrat in figura 10 de pe pagina 24.Acest efect poate fi observat si in bulele de sapun. Se observa diferenta anume la suma razelor reflectate din moment ce marimea bulei se schimba. Cind bula devine prea subtire aceasta devine total transparenta. Acelasi efect il il produce benzile colorate ce le observam la reflexia luminii de apa uleioasa. Aceasta se realizeaza datorita refractieila diferite lungimi de unda.Figura 10. Variatia reflectiei in dependenta de grosimea stratului de sticla. In acest caz lungimea de unda utilizata e a luminii.Aici se pot enumera un numar de observatii asupra acestui afect:1. Reflexia maxima (16%) se obtine cind distanta in sticla multiplica lungimea de unda. Sticla este ste o doime din grosimea lungimii de unda. Cind raza reflectata din partea de sus ajunge la partea de jos , atunci aceasta este in faza cu reflexia, formata pe partea cealalta a stratului de jos. Astfel, ambele reflexii sunt in faza reciproc si intervenind constructiv.Ambele raze reflectate isi schimba faza cu 1800 in procesul reflexiei. Dar de ce anume 16 % din grupul incident. 4 % au fost reflectate din partea de jos si alte 4 % din cea de sus. Cum ar putea fi 4+4=16? De fapt, nu este atit de dificil de inteles. Procentele la care ne-am referit mai sus reprezinta puterea optica.. Puterea optica reprezinta patratul puterii cimpului electric. Asadar pe o suprafata reflexia e de 20 % din puterea cimpului electric. Patratul acesteia ofera 4% de putere optica . Daca adunam 20 % ale suprafetei de sus si inca 20% ale suprafetei de jos si apoi aceasta suma o ridicam la puterea a doua vom obtine cele 16 %.2. Minimumul reflexiei (0%) cind deplasarea circulara in sticla este o suma a mai multor numere de jumatati de lungimi de unda. Acest rezultat este o raza reflectata din partea de jos alcatuit din aceasta suma. Cind aceasta raza se intorace de la suprafata de sus inapoi aceasta are o faza diferita de cea a razelor reflectate de aici, astfel apare interferenta destructiva si astfel nu mai este reflexie.Dar altceva s-ar puutea intimpla aici. 100 % a luminii incidente acum parcurge stratul de sticla si poate fi masurat in cealalta parte. Deci, ce este interferenta destructiva? Lumina nu a fost reflectata si evident ca nu a avut loc nici o interferenta.Interferenta nu distruge nici energie. Energia este mereu conservata. Intradevar, in loc de a fi numita interferenta aceasta poate fi numita mai bine eschivare. Oricum nu ar fi, avem asa numita interferenta destructiva , energia doar apare in o alta parte. Caci energia constructiva se pierde intr-o alta parte a sistemului.Este ca si cum doi oameni s-ar apropia in acelasi timp de o usa ingusta, ambii realizeaza ca nu vor putea trece impreuna in acelasi timp, de aceea tot ambii incearca sa gaseasca o alta cale, si nu trec niciunul prin usa. Foarte straniu, nu?O utilizare mai evidenta a acestui principiu este in stratul anti-reflexie. Daca acoperi suprafata unui strat de sticla cu un material de grosimea a din lungimea de unda, reflexia va fi considerabil redusa. Acest principiu este utilizat in lentilele camerei de fotografiat si ijn multe dispozitive ce itilizeaza fibra optica.Aproape toate dispozitivele optice sau utilizeaza sau sunt afectate de fenomenul de interferenta. Un dispozitiv care face evident parte din acestea este Filtrul Fabry-Perot, Interferometrul lui Mach-Zehnder si Gratiile pentru ghiderea undelor. Oricum, chiar si o simpla propagare a luminii prin intermediul fibrelor este dirijata prin acest efect.2.2 Lumina transmisa prin fibra opticaFigura 11. Principiul de baza al transmisiunii luminii prin fibra opticaFibra optica, teoretic are miezul compus din siliciu, fiind foarte subtire, asemenea unui fir de par uman. In realitate este un cilindru de sticla foarte lung si cu diametrul mic, cu caracteristici specifice. Cind un fascicul se lumina intra in fibra optica la un capat a acesteia, o traverseaza pina nu iese de aici la celalalt capat. Doi factori critici a transmisiei sunt: Un fascicul foarte mic se pierde in calatoria sa prin fibra; Fibra se poate indoi in unele locuri, dar fascicolul de lumina isi continua calea, chiar si in pofida la aceasta, doar ca isi schimba caracteristica initiala un pic.Precum este aratat in figura 11, fibra optica este formata din doua parti: miez si camasa.Miezul este un tub cilindric din sticla, iar camasa este ceea ce il inconjoara. Indicele de refractie a miezului este mai mare ca cel al camasii. Aceasta inseamna ca hotarul dintre miez si camasa este asemenea unei oglinde perfecte. Fascicolul traversind prin miez, este mentinut aici, datorita acestei oglinzi chiar daca fibra la un moment dat se poate indoi.Daca un mic fascicul de lumina de la o sursa oarecare precum este laserul sau o dioda electroluminiscenta va fi trimis prin fibra, acesta se va schimba din ce in ce mai mult ce traverseaza fibra. Acesta va deveni de o intensitate mai mica, propagindu-se din ce in ce sub un unghi mai mic si de asemenea distorsionat din mai multe puncte de vedere. Cauze a toate acestea sunt:Atenuarea Semnalul sinusoidal va fi de o amplitudine mai mare, din cauza la faptul ca orice sticla oricum absoarbe lumina. Mai clar acesta se intelege astfel, impuritatile din sticla absorb lumina. In plus, variatia uniformitatii sticlei cauzind imprastierea luminii. Ambele, absorbtia si imprastierea luminii sunt dependente de lungimea de unda a acesteia si de particularitatile sticlei. Predominanta astazi fiind totusi imprastierea. Caracteristici a atenuarii tipice, pentru diferite lungimi de unda sunt ilustrate in figura 13 de la pagina 31.Puterea maximaAici este o9 limita in ceea ce priveste la puterea maxima ce poate fi transmisa prin fibra. Acesta nu poate intrece 0.5 W si se datoreaza unui numar de efecte nelimiare ce sunt cauzate de intensitatea cimpului electromagnetic din miez cind este prezenta o putere maxima.PolarizareaFibra optica pentru comunicatii conventionale este simetrica in cilindru, dar contine un sir de imperfectiuni . Chiar daca polarizarea se schimba in fibra, lumina isi continua calea.Figura 12. Efectul de dispersie. Cercurile din figura reprezinta fibra optica. Acesta este un mod conventional de a reprezenta mari lungimi in acest domeniu.Dispersia