Sistem pentru Masurarea Legaturilor Bazate pe Fibra Optica

Sistem pentru msurarea legturilor bazate pe fibr optic Proiect diplom

Introducere Comunicarea cu ajutorul luminii este un concept foarte vechi. Sistemele de comunicaie pe cale optic sunt folosite de secole ntregi, sub forma unor binecunoscute metode: semnale fumigene, focuri, semafoare. Chiar i conceptele mai moderne ca i sisteme optice de comunicaii pentru telefonie, sunt departe de a fi idei noi; n 1880, Alexander Graham Bell a construit fotofonul, un dispozitiv capabil s transmit vocea la o distan de cteva sute de metri folosind raze de lumin. Dei sistemul lui Bell poate fi considerat rudimentar privit de la nivelul cerinelor actuale, el a constituit punctul de plecare al cercetrilor privind folosirea radiaiei luminoase pentru transmiterea informaiei.

Ca o consecin a apariiei i perfecionrii fibrelor optice, multe din domeniile cheie ale optoelectronicii s-au dezvoltat n paralel: laserii semiconductori, fibrele optice cu pierderi mici, microelectronica.

Compania Corning Glass Works a trecut la dezvoltarea primei fibre optice reale(cu pierderi de 20dB/km), n 1970. Cercetrile efectuate n anii urmtori au facut posibil coborrea pierderilor sub 1dB/km, simultan cu apariia LASER-ilor semiconductori capabili s lucreze n mod continuu la temperatura camerei. La mijlocul deceniului apte, fibrele optice erau deja recunoscute ca fiind un mediu de transmisie bun i a nceput s se pun serios problema utilizrii lor n nfrastructura sistemelor de comunicaii.

Prezentarea temei Industria telecomunicaiilor sufer n continuare schimbri dramatice i remarcabile. A fost necesar dezvolatarea unui sistem de mare capacitate, nalta calitate i n acelai timp, economic, deoarece transferul de informaii sub form de voce, date i imagini a crescut uluitor, sistemele terestre de comunicaie prin cabluri electrice sau unde radio i-au atins de mult capacitatea maxim de transmisie, iar sistemele prin satelit au fost doar o soluie temporar pentru cererea tot mai mare n capacitate de transmisie. Comunicaiile care folosesc lumina ca semnal purttor au primit o foarte mare important, dar comunicaiile optice prin spaiul liber s-au dovedit dificil de realizat din cauza atenuarilor atmosferice mari. Soluia este folosirea sistemelor care folosesc cabluri cu fibre din plastic sau sticla pentru ghidarea luminii de la sursa la destinaie, a caror demunire este : sisteme de comunicaii pe fibr optic. Aplicaia se numete Sistem pentru msurarea legturilor bazate pe fibr optic. La realizarea acestei lucrri s-a urmrit:

1. nelegerea fenomenelor de transmisie i recepie a informaiei;

2. Cunoaterea importanei folosirii fibrei optice n transmisia informaiilor fat de folosirea liniilor de comunicaie tradiionale;

3. Cunoaterea conceptelor, principiilor i metodelor folosite n lucrrile de intreinere a fibrelor optice;

4. Posibilitatea de a aplica tehnicile i instrumentele necesare intreinerii fibrei optice n asigurarea unei comunicaii ct mai bune; Lucrarea este structurat pe urmtoarele capitole:

1. Fibre optice

2. Emisia i recepia n sistemele optice

3. Teste de transmisie a semnalului pe fibre optice

4. Msurarea unui tronson de fibr optic Capitolul intitulat Fibre opticeprezint fibrele optice monomod i multimod prin prisma caracteristicilor de propagare ale undelor luminoase , moduri de propagare, atenuarea n fibre optice. Modul n care se realizeaz o comunicaie ce utilizeaz fibrele optice: surse de lumin, fotodetectori este tratat n capitolul Emisia i recepia n sistemele optice. Caracterizarea unui cablu de fibre optice prin parametrii si de transmisie provine din nevoia de a verifica instalarea corect a sistemului. Aceasta se face cu aparatul numit OTDR pe care l-am prezentat n capitolul Teste de transmisie a semnalului pe fibre optice. Partea practic descrie o msurtoare efectuat pe teren cu aparatul numit OTDR, dup instalarea unui tronson de fibr optic pentru a afla valorile mrimilor care efectueaz transmisia: atenuarea i reflexia. Totodat n prezenta lucrare sunt specificate diferite noiuni teoretice despre fibra optic i despre aparatul cu care se fac msurtorile pe fibr.CAPITOLUL IFibre optice

1.1 Generaliti

Astzi nu se pot imagina comunicaii (de telefonie, transmisii de date, etc.)[1] fr implicarea fibrelor optice sau a sateliilor artificiali. Se poate spune c pe pmnt fibrele optice sunt suverane n timp ce n spaiu domnesc sateliii asupra comunicaiilor[2].

nainte de 1970, fibrele optice erau utilizate, n principal, pentru transmisiuni pe distane foarte scurte. Utilizarea n comunicaii la distan era nc nepractic datorit atenurilor foarte mari(1000dB/km). Situaia s-a schimbat din nou dup 1970 cnd a fost posibil, tehnologic realizarea unei FO cu atenuare sub 20dB/km[3]. Dup 1979 se realizeaz o variant de FO cu o atenuare de aproximativ 0,2 dB/km n fereastra a III-a.

Avantajele transmisiei de informaii prin fibre optice: -potenial enorm privind banda de transmisie;

-unda purttoare de frecven foarte mare; -pierderi mici de informaii( 0,2dB/km chiar pentru sticl);

-repetoarele pot fi eliminate;

-securitate crescut pentru transmiterea de informaii: nu pot fi aflate datele transmise fr a afecta semnalul;

-fibrele optice sunt neutre din punct de vedere electric cea ce nu mai presupune utilizarea de antene sau legturi pentru potenialul de referin. De asemenea neutralitatea electric conduc la utilizarea cu succes a fibrelor optice n mediu ostil.

1.2 Descrierea geometric a fibrei

1.2.1 Apertura numeric ntr-o fibr optic se folosete fenomenul reflexiei totale[4] pentru a ghida raza luminoas. Acest ghidaj se obine instalnd un miez de sticl (indice de refracie n1) nconjurat de un nveli de sticl (indice de refracie n2), n1 fiind puin mai mare ca n2 (figura 1.1)Analiznd expresia

putem concluziona c toate razele luminoase care nu deviaz mai mult de fa de axa fibrei vor fi ghidate prin sticla miezului.

Fig. 1.1 Ghidarea luminii ntr-o fibr optic.

Injectnd din exterior (aer, indice de refracie n0=1) o raz luminoas n sticla miezului, unghiul de injecie dintre raza luminoas i axa fibrei poate fi determinat aplicnd legea refraciei:

, (1.1) aceasta implicnd:

(1.2)Condiia pentru unghiul limit ne conduce la expresia:

(1.3) Unghiul de injecie maxim este numit unghiul de acceptan al fibrei optice; el depinde doar de indicii de refracie n1 i n2. Sinusul unghiului de acceptan este numit apertura numeric a fibrei optice:

(1.4) Aceast valoare este de o importan esenial pentru injecia luminii n fibr.

1.2.2 Propagarea luminii in fibra optic Legile optice permit descrierea reflexiei totale la suprafaa de separaie dintre miez-nveli a fibrei optice.

Pentru a efectua o analiz mai detaliat a posibilitilor de propagare ale luminii n miezul sticlei, trebuie s considerm fenomenele opticii ondulatorii[5]; aceasta devine necesar datorit diametrelor caracteristice miezurilor fibrelor, cuprinse ntre 10 i 100 (m i care sunt, n consecin, cu puin mai mari dect lungimea de und a luminii transportate, care e n jur de 1(m.

Datorit acestui fapt, anumite fenomene de interferen care apar nu pot fi aplicate dect cu ajutorul teoriei optice ondulatorii.

Superpoziia a dou sau mai multe unde i combinarea lor ntr-una singur este, n general, numit interferen.

O manifestare tipic a interferenei a dou unde este obinut cnd ele au aceeai lungime de und i cnd exist un defazaj constant ntre ele. Astfel de unde se numesc unde coerente. Dac ntr-un punct din spaiu, cele dou unde difer n faza lor, printr-un multiplu par al lungimii de und (, atunci are loc o nsumare a amplitudinilor. Pe de alt parte, n cazul unei defazaj egal cu un multiplu al jumtii de und ((/2) se produce o scdere, iar n cazul a dou unde avnd aceeai amplitudine, are loc o anulare local a undelor.

Pentru transmisia pe fibre optice este necesar s se gseasc o surs luminoas ct mai coerent[6]. Prin urmare, lrgimea spectral va trebui s fie ct mai mic. Spre deosebire de diodele electroluminiscente, dioda laser ofer, graie unei emisii stimulate, o diferen de faz constant la o aceeai lungime de und. Prin urmare, fenomenele de interferen apar n ghidul de und, ceea ce poate fi constatat din faptul c lumina se propag doar sub unghiuri bine determinate n miezul fibrei; prin determinate nelegndu-se c propagarea are loc n direcii n care undele luminoase sunt amplificate prin suprapunerea lor i prezint o interferen constructiv. Undele luminoase capabile s se propage ntr-o fibr optic sunt numite moduri (unde naturale).

Modul fundamental este numit LP01, ordinul superior fiind LP11.

Aceste moduri pot fi determinate matematic, mai precis prin ecuaiile lui Maxwell.

Acest sistem de ecuaii, de obicei utilizat pentru unde electromagnetice, poate fi simplificat n mod considerabil n ceea ce privete fibrele optice, dac nu inem seama dect de undele slab ghidate.

Este vorba de unde care se propag aproape n direcia axial a fibrei i care prezint o intensitate neglijabil a cmpului, n lungul axei. Ele apar dac indicii de refracie ai sticlei miezului n1 i sticlei nveliului n2 nu difer dect foarte puin.

Msura acestei diferene n refracie este diferena relativ de indice (, definit astfel:

(1.5) Pentru o fibr optic diferena relativ de indice ( este foarte mic n raport cu unitatea i, datorit acestui fapt, nu are loc dect un ghidaj slab al undelor luminoase n sticla miezului.

1.3 Profilurile fibrei optice

Dac indicele de refracie n al unei fibre optice este considerat n funcie de raza r, atunci vom vorbi despre profilul indicelui de refracie al fibrei. Astfel descriem variaia radial a indicelui de refracie, ncepnd pe axa fibrei i mergnd spre exteriorul nveliului: n = n(r) Propagarea modurilor n fibra optic depinde de forma profilului indicelui de refracie[1]. n practic, suntem interesai s considerm profilele de indice definite prin legi (expresii) exponeniale. Se studiaz profilele de indice prin refracie pentru care variaia radial a indicelui urmeaz o lege (expresie) de forma:

pentru r 900 ntre mod i axa fibrei) n moduri de ordin superior (cu un unghi ascuit ntre mod i ax) i invers. Rezult, prin urmare, o compensare a vitezelor de propagare a modurilor.

Prelungirea n timp (t a impulsului injectat nu este deci o funcie liniar depinznd de lungimea fibrei ((t proporional cu L), ci, n cazul ideal, este n funcie de radicalul lungimii (proporional cu).

(1.21) Dispersia modal poate fi eliminat complet dac fibra cu indice n treapt este dimensionat astfel nct un singur mod s se poat propaga, n principiu modul fundamental LP01.

Dar modul fundamental sufer de asemenea o mprtiere n timpul cnd este parcurs fibra optic. Acest fenomen este numit dispersie cromatic[2]. Fiind o proprietate a materialului, ea se manifest, n general, pentru toate fibrele optice. Totui, comparat cu dispersia modal, dispersia cromatic este relativ mic sau chiar nul, pentru o gam de unde cuprins ntre1200 nm i 1600 nm[5].

Termenul diametrul al cmpului de mod 2W0 a fost introdus pentru cuantificarea valorii (amplitudinea radial a cmpului) modului fundamental.

Pentru obinerea unei fibre optice cu indice n treapt i cu pierderi mici, care ghideaz doar modul fundamental n zona superioar lui 1200 nm, trebuie s se reduc diametrul cmpului de mod 2W0 pn la aproximativ 10 m. O astfel de fibr optic cu indice n treapt este numit fibr optic monomod.

Dimensiuni tipice pentru fibre optice monomod:

- diametrul cmpului de mod (2W0) = 10 (m;

- diametrul nveliului (D) = 125 (m;

- indicele de refracie maxim (n1) 1,46;

- diferena relativ de indice ( = 3%.

Profilul indicelui de refracie i traiectoria unei raze luminoase pentru o fibr optic monomod sunt prezentate n figura 1.4 .

Fig. 1.4 Fibr optic monomod.

Apertura numeric AN a unei fibre optice monomod este dat de:

(1.22)cu unghi de acceptan ( de:

( = AN ( 0,113, (1.23) ( = 6,50. (1.24) Trebuie notat c ntr-o fibr monomod, nu numai diametrul miezului dar i apertura numeric i deci unghiul de acceptan, sunt mult mai mici, comparate cu o fibr optic multimod[1]. Din acest motiv injecia de lumin devine relativ dificil.

Pentru o fibr optic monomod tipic (avnd o frecven normat V = Vc = 2,405), lungimea de und de tiere (c (de la valoarea sa n sus se propag numai modul fundamental) este definit de:

. (1.25) Pentru aceast lungime de und (c, modul urmtor LP11 (fig. 1.5 i 1.6) nu se mai poate propaga n fibr dar modul fundamental LP01 se mai propag la lungimi de und mai mari i cmpul su de mod se extinde n sticla nveliului.

Fig. 1.5 Distribuia radial a cmpului modului fundamental LP01.

Fig. 1.6 Distribuia radial a cmpului la modurile LP11 i LP02.

Dimensiunile cmpului de mod reprezint un factor important n ceea ce privete atenuarea fibrelor monomod curbate sau sudate. Astfel, un cmp de mod mai puternic provoac un ghidaj mai slab al undelor luminoase la curburi, dar pierderi mai mici la suduri i la conexiuni.

1.3.2 Profil cu indice gradat

ntr-o fibr optic cu indice n treapt multimod, modurile se propag pe traiectorii mai mult sau mai puin lungi i ajung la captul fibrei n timpi diferii. Aceast dispersie modal nedorit poate fi serios redus[2], variind indicele de refracie n lungul razei miezului fibrei conform unei legi parabolice. Valoarea maxim n1 a indicelui de refracie se gsete pe axa fibrei i este redus gradat, pentru a atinge valoarea n2 n sticla nveliului.

Un astfel de profil cu indice gradat sau profil cu indice variind dup o lege exponenial cu un exponent de profil g = 2 este definit de:

pentru r < a la miez; (1.26) i pentru r ( a n nveli. (1.27) Un ghid de und cu acest profil cu indice gradat este de asemenea numit fibr optic cu indice gradat[1].

Dimensiuni tipice pentru o fibr cu indice gradat:

- diametrul miezului (2a) = 50 (m;

- diametrul nveliului (D) = 125 (m;

- indice de refracie maxim (n1) = 1,46;

- diferena relativ de indice (() ( 0,010.

Figura 1.7 arat traiectoriile undelor luminoase de ordin diferit i profilul de refracie al unei fibre cu indice gradat. Moduri de ordin inferior Moduri de ordin superior n2 Sticla nveliului, n2

Sticla miezului n1>n2 Sticla invelisului, n2

p

Fig. 1.7 Fibr optic cu indice gradat

Razele luminoase urmresc traiectorii curbilinii de form ondulat sau elicoidal, invers de ceea ce se ntmpl n profilele cu indice n treapt unde ele se propag n zig-zag. Ca urmare a schimbrii continue a indicelui de refracie n(r) n sticla miezului, razele sunt n permanen refractate i direcia lor de propagare se schimb, deci ele se propag pe traiectorii ondulatorii[6].

Razele care oscileaz n jurul axei fibrei au totdeauna de parcurs traiectorii mai lungi dect raza care se propag n jurul axei dar, ca urmare a diminurii indicelui de refracie dincolo de ax ele se propag cu viteze mai ridicate i exist, n acest fel, compensare. De fapt, timpii de ntrziere dispar aproape complet. Dac forma parabolic a profilului este fabricat cu suficient precizie, nu se mai observ, pe o distan de 1 Km i deci pentru un timp de propagare al luminii de 5 (s, dect timpii de ntrziere n jur de 0,1 ns. Acest timp de ntrziere, minim pentru fibrele cu indice gradat, este datorat nu numai dispersiei materialului ci i dispersiei profilului. Aceasta i gsete explicaie n faptul c indicii de refracie ntre miez i nveli variaz n diferite feluri n funcie de lungimea de und[2] i, prin urmare, att diferena relativ de indice ( ct i exponentul de profil g, sunt funcie de lungimea de und.

Exponentul de profil optim g pentru un profil cu indice gradat parabolic, poate fi calculat n mod teoretic cu expresia:

g = 2 2P ((2P). (1.28) Parametrul P < 1 i diferena relativ de indice (, depind de lungimea de und, deci, exponentul de profil g depinde i el de aceast lungime de und.

Trebuie notat c pentru un profil cu indice gradat cu g = 2, timpii de propagare ai modurilor nu pot fi aproape identici dect ntr-o plaj de lungimi de und redus.

Pentru c indicele de refracie n(r) al unei fibre optice cu indice gradat depind de distana radial r de la axa fibrei, unghiul de acceptan (, care este important pentru injecia luminii este, de asemenea, o funcie de r:

(1.29) Unghiul de acceptan i atinge maximul pe axa fibrei (r=0) i este egal cu apertura numeric AN. La suprafaa de separare miez-nveli (r = a) acest unghi este egal cu zero.

Apertura numeric a unei fibre optice cu indice gradat este:

(1.30)i unghiul de acceptan maxim (max pe axa fibrei este egal cu:

sin(max = AN ( 0,206 (1.31)iar ( = 11,90. (1.32) Aa cum s-a dovedit, coordonatele sin2( i r2 sunt cele mai favorabile pentru reprezentarea unghiului de acceptan ( n funcie de distana r de la axa fibrei. Un astfel de sistem de coordonate este numit diagrama faz-spaiu. Figurile 1.8 i 1.9 compar diagramele unei fibre optice cu indice gradat i ale unei fibre cu indice n treapt[1].

Fig. 1.8 Diagrama faz - spaiu Fig. 1.9 Diagrama faz - spaiu

a unei fibre optice cu indice gradat a unei fibre optice cu indice n treapt

Suprafaa limitat de curba unghiului de acceptan maxim (max este proporional cu puterea optic pe care o putem injecta n miezul fibrei. Puterea optic injectabil ntr-o fibr cu indice n treapt face ct dublul puterii injectabile ntr-o fibr cu indice gradat, cu condiia ca apertura numeric AN i raza miezului a, s fie identice pentru cele dou fibre[3]. Numrul N de moduri ghidate de miez este, astfel, proporional cu aceast suprafa. Modurile individuale pot fi localizate n interiorul acestei arii.

Astfel modurile LP(( de ordin inferior cu indici modulari v = 0,1,2, i (=1,2 i care se propag aproape paralel n raport cu axa fibrei, se gsesc n apropierea originii. n schimb, modurile LP(( de ordin superior (cu ( > 1) sunt foarte ndeprtate de origine. Modurile care se gsesc n afara acestei suprafee nu sunt ghidate, adic sunt foarte slabe. Modurile situate cu foarte puin n afara curbei limit sunt nc capabile s se propage restrictiv, ele prezint totui o atenuare ridicat. Astfel de moduri sunt numite moduri de fug[2] fiind parial ghidate i parial degajate.

1.3.3 Profil segmentat (multitreapt)

Dispersia ntr-o fibr monomod este o combinaie a dou tipuri de dispersie. Primul tip este dispersia materialului care rezult dintr-o dependen a indicelui de refracie de lungime de und n=n(()i astfel de viteza luminii c=c((). Un al doilea tip de dispersie este dispersia ghidului de und, care rezult din dependena repartiiei luminii modului fundamental LP01 pe sticla miezului i nveliului rezultnd diferena relativ de indice (=( ((). Suma acestor dou dispersii se numete dispersie cromatic.

Profilul indicelui de refracie al unei fibre monomod obinuit[4] este un profil cu indice n treapt cu o diferen relativ de indice (. Pentru acest profil simplu, suma dintre dispersia materialului i dispersia ghidului de und este egal cu zero pentru o lungime de und n jur de 1300 nm.

Dac vrem s deplasm acest punct de zero al dispersiei ctre alte valori ale lungimilor de und, trebuie schimbat dispersia ghidului de und i, n consecin, schimbat structura profilului. Trebuie realizate profile segmentate sau cu multiple trepte de indice. Cu ajutorul acestor profile, este posibil s se produc fibre optice n care dispersia nul s fie decalat spre 1550 nm (fibre optice cu dispersie decalat) sau care au valorile de dispersie foarte slabe n gama de unde de 1300 i 1550 nm (numite fibre optice cu dispersie compensat sau aplatizat).

n figura 1.10 dispersia cromatic M (() este reprezentat n funcie de lungimea de und ( pentru o fibr monomod fr decalaj al dispersie (1), cu decalaj al dispersiei (2) i cu dispersie compensat (3).

Fig. 1.10 Dispersia cromatic Aceste fibre optice monomod pot fi realizate cu structuri de profil diferite. n cele ce urmeaz se prezint o alegere a diverselor profile.a) Tip 1 fr decalaj de dispersie

Profil cu indice n treapt simpl (simple step-index sau matched-cladding), figura 1.11 a.

Profil cu indice de refracie redus n nveli (depressed cladding), figura 1.11 b.Fig. 1.11 Structuri de profil de fibre optice fr decalaj al dispersie

b) Tipul 2 cu decalaj al dispersiei

Profil segmentat cu miez triunghiular (segmentat core), figura 1.12 a.

Profil triunghiular (triunghiular profile), figura 1.12 b.

Profil segmentat cu indice n treapt dubl n nveli (double clad), figura 1.12 c.

Fig. 1.12 Structuri de profil de fibre optice cu decalaj de dispersie.

c) Tipul 3 cu dispersie condensat

Profil segmentat cu indice n treapt cuadrupl n nveli, (quadruple clad), figura 1.13 a.

Profil n form de W (double clad), figura 1.13 b.

Fig. 1.13 Structuri de profil n fibre optice cu aplatizarea dispersiei

1.4 Parametrii fibrei optice1.4.1 Atenuarea fibrei optice

Lumina care se propag ntr-o fibr optic, sufer o atenuare, adic are loc o pierdere de energie. Aceste pierderi trebuie s rmn mici, pentru a putea parcurge distane mari, fr regeneratori intermediari. Atenuarea fibrei optice[4] este un parametru important pentru efectuarea proiectrii instalrii cablurilor optice. Ea se datoreaz, n principal, fenomenelor fizice de absorbie i difuzie.

Importana acestor pierderi luminoase depinde, ntre altele, de lungimea de und a luminii injectate. Din aceast cauz este, n general, util s se msoare atenuarea fibrei optice n funcie de und (msura spectral). Putem, astfel, determina gamele de und cu pierderi mici, deosebit de interesante pentru transmisia optic[2].

n timp ce fenomenul absorbiei nu se produce dect la lungimi de und precise, numite benzi de absorbie , pierderile luminoase prin difuzie exist pentru toate lungimile de und. Pentru c difuzia rezult din fluctuaiile densitii (lipsa de omogenitate) n fibra optic i cum aceasta are dimensiuni adesea mai mici dect lungimea de und a luminii, putem apela la legea de difuzie a lui Rayleigh[1] care se enun astfel: dac lungimea de und ( crete, pierderile prin difuzie ( scad cu puterea a 4-a a lui (, (figura 1.14) , ( = 1/(4.

Dac se compar, de exemplu, pierderile prin difuzie n lungimile de und cele mai utile pentru comunicaii optice 850, 1300 i 1550 nm putem observa c la 1300 nm pierderile nu ating dect 18% din valoarea pe care o aveau la 850 nm (deci ele au n jurul lui 9% pentru 1550 nm). n concluzie, este avantajos s se utilizeze cablurile cu fibr optic la aceste lungimi de und.

Dac se observ propagarea luminii ntr-o fibr optic n stare de echilibru, se poate constata c puterea luminii P descrete exponenial cu lungimea L a fibrei optice:

(1.33) unde P(0) este egal cu puterea luminii injectate n fibra optic, P(L) este puterea luminii care se calculeaz la lungimea L iar ( este coeficientul de atenuare, care este o msur pentru atenuarea pe unitatea de lungime. Atenuarea unei fibre optice de lungime L i cu un coeficient de atenuare ( este:

(1.34)unde: (= coeficientul de atenuare, n dB/Km.

Fig. 1.14 Curba de atenuare a lui Rayleigh.

1. Atenuarea lui Rayleigh;

2. Atenuarea tipic a fibrei optice;

3. Absorbia OH.

Fibrele monomod au, la o lungime de und 1550 nm, atenuri de 0,2 dB/Km, adic doar 4,5% din puterea luminii se pierde pe kilometru[3]. Curbele spectrale ale coeficientului de atenuare al unei fibre monomod i multimod tipice sunt prezentate n figura 1.15.

Pentru a determina coeficientul de atenuare al unei fibre optice, puterea luminii trebuie msurat n dou puncte distincte ale fibrei optice[7] i cu condiia s existe o stare de echilibru. Injecia luminii trebuie, deci, s se efectueze n aa fel nct, pentru fibrele monomod s nu mai fie moduri de nveli iar pentru fibrele multimod s existe o stare de echilibru a modurilor ntre cele dou puncte de msur. Din aceste motive se utilizeaz n general excitarea redus la 70% pentru msurarea atenurii.

Fig. 1.15 Curbele spectrale ale coeficientului de atenuare al unei fibre optice mono i multimod: 1 fibr optic multimod; 2 fibr optic monomod.

1.4.2 Banda de trecere

Cei doi parametri mai importani pentru definirea proprietilor de transmisie ale unei fibre optice sunt atenuarea a i banda de trecere (bandwidth) B, de fapt n practic, produsul dintre lrgimea benzii i lungimea caracteristic egal cu b1. n timp ce atenuarea descrie pierderile optice de linie ale fibrei optice, banda de trecere reprezint o msur a fenomenului de dispersie[5].

Un impuls care se propag n lungul unei fibre optice se mprtie n timp din cauza dispersiei. Din punct de vedere al frecvenei, acest efect implic faptul c fibra optic se comport ca un filtru trece jos (low pass).

Aceasta nseamn c odat cu creterea frecvenei de modulaie fm, se diminueaz amplitudinea undei luminoase n fibr pn la dispariia total. Fibra optic las, deci, s treac semnale de frecvene mici i le atenueaz pe cele de frecvene nalte[2]. Dac se msoar, pentru fiecare frecven de modulaie fm, amplitudinile puterii optice la intrarea n P1(fm) i la ieirea P2(fm) a fibrei optice i dac facem raportul lor, obinem modulul frecvenei de transfer (transfer function) H(fm):

(1.35) H(fm) este o funcie de frecven de modulaie fm. Obinuit, se normeaz modulul funciei de transfer mprindu-l cu H(0), H(0) fiind funcia de transfer pentru o frecven de modulaie fm = 0, adic fr modulaie.

Figura. 1.16 descrie o curb tipic:

Fig. 1.16 Funcia de transfer a unei fibre optice

Caracteristica acestei curbe corespunde cu cea a unui filtru trece jos gaussian (gaussian low pass). Frecvena de modulaie pentru care valoarea normat a modului funciei de transfer este egal cu 0,5 este numit banda de trecere B a fibrei optice[3]. Ea corespunde pentru:

(1.36) Banda de trecere este, deci, egal cu intervalul de frecven n care amplitudinea (puterii optice) comparat cu valoarea sa la frecvena zero a sczut cu 50%, adic 3 dB.

1.4.3 Dispersia cromatic

Impulsurile luminoase se propag n fibra optic cu o vitez de grup de:

(1.37)

ng fiind indicele de refracie de grup al sticlei miezului, care depinde de lungimea L, ntr-un timp de grup:

(1.38)

Deci, timpul de grup, depinde i de lungimea de und. Fiecare surs luminoas pentru fibr optic, emite lumina sa nu numai pe o lungime de und ( unic[4], ci i ntr-un spectru (de lrgime spectral (( distribuit n jurul acestei lungimi de und). Datorit acestui lucru, cantitile luminoase n (( se propag cu viteze diferite i aceasta implic diferii timpi de ntrziere. Dispersia materialului M0 este o msur a variaiei indicelui de grup ng pe diferite lungimi de und. Ea este egal cu derivata indicelui de grup n raport cu lungimea de und:

(1.39) n ceea ce privete unitile de msur ale dispersiei se ia de obicei ps/nm ( Km.

Deoarece indicile de refracie de grup ng al sticlei de cuar atinge un minim la o lungime de und de circa 1300 nm, derivata se anuleaz n acest punct i dispersia materialului M0 (() este infinit de mic la aceast lungime de und. Valoarea dispersiei materialului depinde de materialul utilizat. Se poate, dopnd n anumite condiii miezul, s influeneze limitele dispersiei i astfel, punctul zero[3]. Aceast dispersie se produce n toate fibrele optice, fie c ele sunt monomod sau multimod. n aceasta din urm, n apropierea punctului zero, dispersia modal ntrece cu mult dispersia materialului. Exist i un alt efect de dispersie: dispersia ghidului de und, cu o importan deosebit pentru fibrele optice monomod. Ea se datoreaz faptului c distribuia luminii modului fundamental pe sticla miezului i a nveliului este o funcie de lungime de und.

n consecin, aceast dispersie este datorat diferenei relative de indice care depinde, de asemenea, de lungime de und ( = ((().

Cu lungimi de und ( cresctoare, modul fundamental LP01 se extinde din materialul miezului n materialul nveliului (figura 1.17).

Aceasta implic, c o cantitate cresctoare de lumin a modului fundamental este ghidat n nveliul care are indice de refracie mai sczut dect cel al miezului i, astfel, n plaja lrgimii spectrale ((, exist diferene n timpii de ntrziere. Viteza de propagare a undei luminoase este uniform n miez i nveli, adic se formeaz o valoare medie ponderat a vitezelor n cele dou medii.

r r

(1 (2( (1

Fig. 1.17 Distribuia energiei modului fundamental

n funcie de dou lungimi de und diferite

Suma celor dou tipuri de dispersie (dispersia materialului i dispersia ghidului de und) este numit dispersia cromatic M (():

M (() = M0 (() + M1(() (1.40) Lungimea de und (0 la care dispersia cromatic dispare, este numit lungime de und la dispersia nul.

Un impuls luminos injectat ntr-o fibr optic monomod, de o surs de lrgime spectral (( (lrgime la jumtatea nlimii maximului) care corespunde unei lrgimi spectrale efective ((ef ce variaz n timp datorit dispersiei cromatice M(().

Lungimea impulsului este proporional cu lungimea L a fibrei optice i cu lrgimea spectral (( a sursei.

Valori tipice pentru dioda laser (DL) sunt ((=3-5 nm iar pentru dioda electroluminiscent ((=40-70 nm (la 850 nm).

Figura 1.18 arat curbe de diferite dispersii ale unei fibre optice cu dispersie decalat i care se anuleaz la 1550 nm Amplitudinea radial

normalizat a cmpului

1.00

0.75 V=1.5

V=2.0

0.50 V=3.0

1/e 0.25

r/a 0 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

Fig. 1.18 Curbe de dispersie a unei fibre optice monomod

Banda de trecere B a unei fibre monomod se poate calcula n funcie de lungimea de und ( pentru un spectru de emisie gaussian i o lungime efectiv a impulsurilor Tef:

(1.41)CAPITOLUL IIEmisia i recepia n sisteme optice2.1 Emisia n sistemele optice Emisia fasciculelor de fotoni n semiconductoare este atribuit recombinrilor radiative ale purttorilor excedentari de sarcin (emisie spontan sau stimulat)[4](figura 2.1).Fig. 2.1 Trei procese fundamentale ce pot apare ntre dou nivele energetice ale unui atom(); absorbia, emisia spontan i stimulat.

Legile mecanicii cuantice impun conservarea energiei i a impulsului n aceast tranziie n semiconductoarele cu structur de band direct dar i n cele cu band indirect.

Pentru cele din urm este necesar emisia sau absorbia unui fonon avnd impuls de valoare mare i energie mic.(figura 2.2); Fotonul se refer la un schimb energetic cu reeaua cristalin.

Fig.2.2 Semiconductoare cu band direct i indirect

Tranziiile indirecte sunt net mai puin probabile. Nu toate tranziiile sunt nsoite de emisie de fotoni. Randamentul cuantic se definete ca raportul dintre numrul de fotoni emii i numrul purttorilor injectai n semiconductor.

Recombinrile neradiative se datoreaz unor trape, defecte de structur, sau reprezint recombinri de suprafa.

Ultimul mecanism este important n sursele optice n domeniul 1,31,6 din cauza grosimii reduse a benzii energetice cnd energia de recombinare este cedat unui electron sau unui gol.

n sistemele cu fibre optice, se pot utiliza, teoretic, toate tipurile de surse optice cunoscute[3]. Un criteriu de clasificare util, care ofer conexiuni funcionale directe cu tipurile de fibr optic la care se cupleaz sursele, l reprezint criteriul lrgimii spectrului optic de emisie. Stadiul actual al tehnologiei ofer surse cu urmtoarele spectre de emisie:

surse cu spectru continuu de band ngust (diode electroluminescente- LED, diode superluminescente- SLD);

surse cu spectru discontinuu (diode laser cu emisie multimodal- LD);

Diodele electroluminescente funcioneaz pe baza emisiei spontane. Dac densitatea de fotoni emii spontan este suficient de mare n zona de recombinare, au loc simultan att emisia spontan, ct i o emisie stimulat de fotoni. Emisia stimulat n semiconductori st la baza funcionrii diodelor laser[1]. LED-urile folosite n sistemele cu fibre optice funcioneaz la cureni de pan la 100mA.

Din punct de vedere al structurii de siliciu, LED-urile sunt cu emisie frontal i cu emisie lateral. Cele cu emisie frontal (figura 2.3) au caracterul unei surse lamberiene, ceea ce face ca divergena fasciculului emis s nu permit o cuplare eficient a radiaiei la fibrele optice.

La LED-urile i diodele laser dezvoltate special pentru sisteme cu fibre optice, cum ar fi folosirea lentilelor microsferice pentru focalizarea fasciculului sau plasarea fibrei n imediat vecintate a structurii semiconductoare, n aa numitele ansambluri pigtail[2].

Fig. 2.3 Structura unui LED cu emisie frontal, Caracteristica de iesire P0(I) LED-urile cu emisie lateral au o structur asemntoare cu diodele laser i emit un fascicul cu divergen mult mai mic, dar nesimetric. Lrgimea benzii spectrale de emisie a LED-urilor este cuprins, n general, ntre 20nm i 40nm, centrata faa de lungimea de und de intensitate maxim. Zonele din spectrul optic acoperite n prezent sunt infrarou, rou, oranj, galben, verde i albastru. LED-urile se folosesc n sisteme cu fibre optice multimodale, de plastic sau sticl, cu diametrul miezului mare. Diodele laser[3] sunt dispozitive semiconductoare cu heterojonciuni, cu emisie lateral. O hetorojonciune este o jonciune format din semiconductoare de naturi diferite. Un dispozitiv semiconductor fotoemisiv este format din dou heterojonciuni , aa cum este ilustrat n figura 2.4

Fig. 2.4 Structura simpl a unei diode laser

Dispozitivele fotoemisive cu heterojonciuni se realizeaz, n general, cu emisie lateral, adic ntr-un plan perpendicular pe jonciune. n acest plan, modurile permise ale ghidului de und, format prin variaia indicelui de refracie pe direcie perpendicular, micoreaz divergena fascicolului emis. Fascicolul are simetrie eliptic[2], cu grosimea de civa m (determinat de grosimea stratului activ) i limea de ordinul zecilor de m (determinat de dimensiunea zonei de injecie a purttorilor). Comparativ cu dispozitivele cu emisie frontal, la diodele cu emisie lateral, se obine o mbuntire a cuplrii radiaiei, mai ales la fibrele cu diametru mic, datorit dimensiunii i divergenei mai mici ale fascicolului emis i densitii crescute de putere optic.

Emisia diodelor laser se situeaz, n general, n domeniul infrarou i rou, dar, recent, au fost realizate i diode laser cu emisie n verde sau chiar albastru. Diodele laser sunt, ca i LED-urile, dispozitive comandate n curent, intensitatea optic depinznd de valoarea curentului direct. Spre deosebire de LED-uri, caracteristica puterii optice, n funcie de curentul direct a diodelor laser are dou zone distincte[6], corespunztoare emisiei nestimulate i emisiei stimulate(laser). Pn la o anumit valoare a curentului, numit curent de prag, dioda are o emisie nestimulat, comportndu-se ca o diod electroluminescent. De la curentul de prag se obine emisia laser, intensitatea optic crescnd brusc. Operarea diodelor laser la un curent apropiat de valoarea curentului de prag i rcirea corect asigur un timp de via estimat la 85 ani.

Temperatura influeneaz n mai multe feluri parametrii optici ai diodelor laser (figura 2.5). Creterea temperaturii conduce la variaia puterii optice emise i la modificarea spectrului diodei, n sensul creterii numrului de moduri emise[2].

Fig. 2.5 Caracteristici de ieire pentru diode LED i Laser n funcie de temperatur Diodele laser, dei sunt mult mai bine adaptate pentru folosirea n sistemele cu fibre optice dect alte tipuri de laser, sunt totui mult mai scumpe i pretenioase n ceea ce privete utilizarea, comparativ cu LED-urile. Folosirea lor este limitat la acele aplicaii care necesit lumina monomodal[4] sau densiti ale intensitii optice care nu pot fi obinute cu diode electroluminescente: senzori interferometrici, senzori polarimetrici, etc.

2.1.1 Emitoare optice( EO)

Un emitor optic (EO) este format din dispozitive optice (LED sau LD), blocul electronic de comand(driver)[3] ca n figura 2.6.

Fig. 2.6 Schema bloc a unui emitor optic

n cazul LD se utilizeaz o reacie negativ cuplat optic printr-o diod de recepie DR. Realizarea blocului electronic de comand (driver) depinde substanial de dispozitivul de emisie, de particularitile legturii optice.

Din punct de vedere al dispozitivului de emisie, trebuie considerate urmtoarele limitri: puterea pentru a comanda liniaritatea rspunsului optic[4], comportamentul termic, lrgimea spectral, raportul de strngere i din punct de vedere al particularitilor de transmisie, tipul sistemului.

2.1.2 Puterea radiant. Intensitatea luminoas

Cu toate c este de dorit ca o surs s genereze o putere optic ct mai mare, pentru a compensa pierderile din ntreg sistemul optic, trebuie s se aib n vedere faptul c o putere prea mare poate genera fenomene neliniare (necontrolabile) n fibrele optice. Aceste fenomene pot genera, n cele din urm, o cretere semnificativ a zgomotului, ceea ce, n mod evident, nrutete raportul semnal- zgomot al sistemului[5]. n prezent, n majoritatea cazurilor, o densitate de putere de aproximativ 10mW/m este considerat limit (aceast presupune o putere cuplat n fibr de aproximativ 3W pentru un diametru al fibrei optice de 20 m).

2.1.3 Timpul de via i temperatura de operare

Durata de via a surselor optoelectrice[4] este influenat de temperatura de lucru a jonciunii, de structura i materialele acestora. n ceea ce privete temperatura, trebuie precizat faptul c o suprancrcare a surselor conduce la scurtarea duratei de via, dar i la unele fenomene nedorite: modificri ale caracteristicilor spectrale i fluctuaii ale intensitii luminoase. La LD problema nu poate fi evitat prin simpla rcire a laserului ci trebuie fcut un astfel de driver care s menin constant puterea optic medie emis.

2.1.4 Caracteristicile spectrale

Caracteristicile spectrale ale unei surse luminoase sunt necesare n vederea alegerii corecte a ansamblului surs optic fibre optice fotodetector din punctul de vedere al compatibilitii spectrale, n vederea obinerii unor pierderi ct mai reduse n sistemul de transmisie sau de msurare[3]. LED-urile au, n general, o lime spectral de ordinul zecilor de nm, iar diodele laser (LD-urile) de ordinul nanometrilor.

TABELUL 2.1 Sursa electrooptic [nm]

Dioda electroluminescent20150

Dioda laser (LD)15

Laser Nd: YAG0.1

Laser HeNe0.002

2.2 Recepia n sistemele optice

Funcia unui receptor optic este de a converti puterea optic pe care o primete n semnal electric. Receptorul joac un rol esenial n performanele unui sistem optic. Detectorul (aproape ntotdeauna un dispozitiv semiconductor) convertete fluxul optic n curent care apoi este amplificat i convertit n tensiune. Fotoelectronul trebuie s ndeplineasc o serie de cerine[1] pentru a crete performanele globale ale receptorului:

sensibilitate, eficacitate (s detecteze un bit cu ct mai puini fotoni);

fidelitate (pentru a pstra n rspuns forma semnalului optic);

rspuns rapid sau band larg (sute de MHz, GHz);

zgomot propriu redus;

stabilitate a performanelor la variaia condiiilor exterioare, variaii n timp, etc.;

dimensiuni convenabile (compatibile cu miezul fibrei);

tensiuni reduse de polarizare;

fiabilitate i cost minim.

2.2.1 Tipuri de dispozitive pentru fotodetecie Acestea sunt n general fotodiode, fr sau cu multiplicare (ctig intern). Ele folosesc efectul fotoelectric intern[2]. Sunt realizate din Si, Ge i compui intermetalici.

Fotodiodele din Si au sensibiliti importante, n general n domeniul = 0.3-1.1 m, band larg (sute de MHz), conductana neglijabil, curent rezidual redus ( 1nA) i stabilitate pe termen lung.

Fotodiodele cu Ge acoper n general, un domeniu mai larg de = 0.5-1.8 m dar se confrunt cu problema unor cureni de ntuneric importani ( 100 nA/20 C-1 A/40C).

Interesul pentru lungimi de und mai mari de 1-1,7 m au condus la realizarea unor structuri de diode i la fototranzistori i fotoconductoare[4] pentru infrarou mediu (2-5 m).

ntr-o structur a fotodetectorului apar procese de absorbie a fotonilor i de generare (cu un anumit randament) a perechilor electron-gol.

n principiu, orice diod pn invers polarizat poate realiza fotodetecia. Exist n principal dou structuri cu parametrii mult mbuntii n acest scop: diodele PIN i APhD

Diode PIN

Structurile PIN se caracterizeaz printr-o zon intrinsec ce separ zonele p i n+. Strcutura unei astfel de diode i forma cmpului electric intern sunt prezentate n figura 2.7

Fig. 2.7 Structur PIN

Dioda lucreaz invers polarizat fiind astfel creat (n structur) o zon de sarcin spaial a crei lime depinde de tensiunea invers i de doparea zonelor. Perechile electron-gol pot fi create n interiorul sau n afara (zona de difuzie) acestei regiuni. Purttorii creai n zona de difuzie se deplaseaz ncet (prin difuzie) ctre regiunea de sarcin spaial, i rspunsul fotodiodei este lent. Se prefer ca absorbia s aib loc n zona de sarcin spaial pentru a face rspunsul mai rapid. Zona intrinsec "lrgete" zona de sarcin spaial pentru a face mai probabil absorbia fotonilor n aceast parte a dispozitivului. Aceasta are ca urmare creterea eficienei conversiei i micorarea timpului de rspuns.

Timpul de rspuns a unei diode PIN este limitat prin: timpul de drift tdr al purttorilor prin zona de sarcin spaial, timpul de difuzie tdif al purttorilor generai n exteriorul regiunii de sarcin spaial i constanta de timp rezultat din capacitatea intern i rezistena de sarcin[6].

Rspunsul unei diode PIN la un semnal optic (de putere) dreptunghiular poate avea diverse forme[4], figura 2.8 .

Fig. 2.8 Rspunsul unei diode PIN la un impuls optic dreptunghiular Diode de recepie cu ctig intern (AphD Avalanche photodiodes) Acestea sunt mai complexe dect PIN pentru a crea o zon (n structura) n care cmpul electric s aib valori (~3105 V/cm), ca n figura 2.9 .

Fig. 2.9. Structura unei diode cu ctig intern APhD

Astfel n regiunea de sarcin spaial fotonii absorbii genereaz perechi e-g primare. Electronii accelerai n cmpul important din zon, capt energii suficiente pentru a putea crea prin impact noi perechi e-g secundare. Apare deci o ionizare de impact i un proces de avalan n dioda invers polarizat[5].

Tensiunile inverse uzuale sunt mai mari (~50-400 V); variantele recente obin amplificare i cu tensiuni mai mici (~15-25 V).

Factorul de multiplicare de ordinul 104 poate fi obinut folosind materiale fr defecte de structur pentru a asigura uniformitatea multiplicrii purttorilor pe ntreaga arie senzitiv a dispozitivului.

Tehnologic pot fi mbuntite performanele; de exemplu un "inel de gard" poate micora curenii reziduali ce apar la marginea jonciunii (figura 2.10).

Fig. 2.10 Realizarea unui inel de gard n structuri AphD

Sunt disponibile APhD cu Ge i Si. Operarea la viteze mari impune generarea purttorilor n zona de sarcin spaial i nu n afara ei, unde transportul prin difuzie ctre electrozi ar fi mult mai lent[6].

Timpul de rspuns al AphD poate fi limitat prin 3 factori:

a) timpul de tranzit prin zona de absorbie (de sarcin spaial);

b) timpul procesului de avalan;

c) constanta RC determinat de capacitatea jonciunii i rezistena de sarcin a fotodetectorului. La ctig mic a) i c) sunt mecanisme dominante, pe cnd n cazul ctigului ridicat este dominant b); n principiu odat cu creterea ctigului scade banda (~100 GHz) aa nct produsul amplificare-band pentru aceste dispozitive poate fi considerat constant.

Adesea, se obine o form asimetric a impulsului electric, lucru care se explic prin timpul de cretere relativ scurt n care electronii sunt colectai (150 200 ps) i un timp de cdere dictat de tranzitul mai lent al golurilor (~1 ns sau mai mult).

Cteva dezavantaje (AphD/PIN):

dificulti de realizare datorit structurii mai complexe (cost ridicat);

mecanismul aleator de multiplicare creeaz zgomot n exces (fa de PIN);

tensiuni de polarizare n general ridicate (40 500 V) i dependena de lungime de und folosit;

variaii termice ale ctigului i astfel necesitatea unor compensri termice pentru a stabiliza funcionarea.

2.2.2 Componentele unui receptor Proiectarea unui receptor optic depinde fundamental de tipul de modulaie utilizat pentru a transmite informaia cu ajutorul luminii. Un receptor pentru semnal digital OOK are o schem bloc ca n figura 2.11 .

Fig. 2.11 Schema bloc a unui receptor optic de tip OOK

Receptorul este format dintr-un fotodetector cu circuitul de polarizare, un preamplificator cu zgomot mic, un amplificator principal cu AGC, urmat de un FTJ i un circuit de decizie comandat de un circuit care recupereaz tactul din semnal[5].

Front end

Partea: Front end este construit dintr-o fotodiod i un preamplificator (de zgomot) mic.

Un preamlificator (cu impedan mare de intrare) nu poate fi utilizat dac lrgimea de band f este mult inferioar debitului D. De multe ori se utilizeaz un egalizator care ridic (relativ) frecvenele mari din spectru n comparie cu cele joase.

O alt variant este amplificatorul transimpedan[4] ce realizeaz o configuraie ce permite obinerea simultan a benzii i a senzitivitii ridicate i n plus o dinamic superioar.

Canalul liniar.

Canalul liniar const ntr-un amplificator cu ctig ridicat (amplificator principal) i un filtru trece jos (FTJ). De multe ori, ntre front end i acest amplificator se ntrepune un circuit de egalizare pentru a corecta caracteristica de frecven a preamplificatorului. Ctigul preamplificatorului principal este controlat automat (AGC Automatic Gain Control) pentru a limita tensiunea medie de la ieire la un nivel fixat indiferent de nivelul optic de la intrare. FTJ are rolul de a "forma" impulsurile de ieire pentru a reduce interferena ntre simbolurile vecine - "ISI" (Inter Symbol Interference).

Fig. 2.12 Egalizare pe lanul de recepie pentru a minimiza interferena ntre simboluri

a) fr interferen b) semnal cu interferen ntre simboluri c) semnal egalizat

Recuperarea datelor

Recuperarea datelor se realizeaz ntr-un circuit de decizie cu ajutorul unui semnal de tact (ceas), recuperat din fluxul de date (Tb=1/D, fb=1/T).

Spectrul semnalului de date n varianta RZ are o component spectral pe frecvena fb=D care poate fi separat printr-un filtru trece band ascuit. Mai dificil este recuperarea ceasului dintr-o secven NRZ din spectrul creia lipsete componenta spectral pe frecvena fb. n aceast variant se folosete componenta fb/2 care este extras i apoi dublat. Circuitul de decizie compar semnalul de ieire provenit de la "canalul liniar" cu un prag fixat. Comparaia are loc n momentele bine precizate. Circuitul de decizie este acela care furnizeaz n fiecare moment de decizie un bit la ieire cu valoarea "1" sau "0" dup cum, n momentul deciziei semnalul de intrare (tensiunea) este deasupra sau sub prag. De multe ori pentru a obine o detecie optimal se utilizeaz un filtru adaptat (n raport cu forma semnalului) care urmrete s sesizeze prezena sau absena unui impuls cu o eroare ct mai mic.

Momentul optim de decizie este dat de deschiderea maxim a "ochiului". Din cauza zgomotului inerent din receptor[1], apare o probabilitate finit de eroare n luarea deciziilor. n general, receptoarele sistemelor optice de comunicaii realizeaz BER de valori reduse (10-9).

2.2.3 Zgomotul receptorului

Receptorul optic convertete puterea optic Pin ntr-un curent prin fotodiod Ip=RPin. Zgomotul poate proveni i din exterior (nsoind semnalul optic) peste care se adun zgomotul propriu produs n receptor.

Pentru analiza receptorului se va considera numai zgomotul produs n receptor. Atunci, Ip(t) va fluctua n jurul unei valori medii Ip (figura 2.13).

Fig. 2.13 Rspunsul fotodetectorului la un semnal optic constant

Relaia Ip = RPin rmne valabil cu observaia c Ip are n prezena zgomotului semnificaia valorii medii. Aceste fluctuaii afecteaz performaele receptorului.

2.2.4 Mecanismul de producere a zgomotului

Exist dou mecanisme fundamentale de producere a zgomotului responsabile de producerea fluctuaiilor curentului Ip chiar dac Pin = ct.

Zgomotul cuantic

Zgomotul cuantic (alice) n curentul produs de fotoreceptor datorit caracterului corpuscular al luminii. Fotonii, genereaz purttori la momente aleatoare dnd natere zgomotului cuantic (figura 2.14). Acest zgomot crete odat cu valoarea semnalului.

Fig. 2.14 Generarea zgomotului cuantic

Zgomotul termic

La temperatur finit, electronii se mic aleator ntr-un conductor (viteza lor are o component de drift i una termic, mult mai mare). Astfel, printr-o rezisten la bornele creia se aplic o tensiune constant apare un curent fluctuant. Rezistena de sarcin din zona "front end" a receptorului produce zgomot termic, la fel ca i preamplificatorul.

Zgomotul termic poate fi modelat ca un proces Gaussian a crui densitate spectral poate fi considerat uniform (aproape zgomot alb) pn n jurul frecvenei de 1 THz. La fecvene superioare ~300 THz apare o atenuare puternic (-200 dB) a zgomotului termic.2.2.5 Receptoare cu PIN

Se observ c RSZ crete liniar cu ptratul puterii optice incidente[3]. Aceasta implic construcia preamplificatorului ntr-una din cele dou variante deja menionate (amplificator de tensiune cu impedana ridicat sau amplificator transimpedana TZA).

Efectul zgomotului poate fi apreciat prin diveri factori de merit, de exemplu: NEP (noise equivalent power), D (detectivitz), D=1/NEP, Z (factor de merit), etc. NEP este definit ca o putere optic incident (monocromatic sau cu un spectru precizat) care produce printr-un fotodetector ideal un curent egal cu valoarea efectiv a zgomotului ntr-o band de 1 MHz (SRN=1).

Valorile tipice sunt n gama

Un avantaj al utilizrii factorului NEP este uurina de a exprima puterea optic necesar pentru a obine un RSZ specificat dac se cunoate f. Factorul de merit Z este raportul dintre tensiunea de zgomot efectiv la ieirea receptorului i tensiunea maxim creat de o pereche e-g generat n fotodiod.

2.2.6 Receptoare cu APhD n general, receptoarele echipate cu fotodetectoare cu avalan ofer un RSZ superior receptoarelor echipate cu PIN pentru aceai putere optic incident. mbuntirea se datoreaz ctigului intern (mecanismul este prezentat n figura 2.15) care mrete de M ori fotocurentul:

(3.1)

Fig. 2.15 Principiul fotomultiplicrii

Relaia conduce la presupunerea c RSZ s-ar mbunti de M2 ori. Aceasta este varianta cea mai optimist, n realitate mecanismul de producere a ctigului este responsabil de zgomote suplimentare. Zgomotul termic rmne aproximativ acelai fiind generat de componente electrice pe cnd zgomotul cuantic are componente suplimentare datorit generrii aleatoare a perechilor e-g secundare[6]. De fapt factorul de amplificare este i el o mrime aleatoare, valorile M din relaia precedent fiind de fapt o medie.

2.2.7 Sensibilitatea receptorului

Sensibilitatea receptorului permite o apreciere comparativ a diverselor realizri. Un receptor sensibil realizeaz aceleai performane n raport cu unul mai puin sensibil, dar primind o putere optic inferioar celui din urm. Criteriul de performan n receptoarele optice din sistemele digitale este BER (bit error rate) definit ca probabilitatea de a interpreta incorect un bit recepionat.

Sensibilitatea receptorului este definit ca puterea incident medie minim necesar receptorului pentru a garanta un BER=10-9.

2.2.8 Rata erorilor (BER)

n figura 2.16 se prezint alura semnalul binar (fluctuant) primit de circuitul de decizie. Acesta decide, la momentul td (generat de "ceasul" receptorului) acestui semnal i se poate atribui valoarea "0" sau "1".

Fig. 2.16 Decizie n receptorul digital

Circuitul de decizie compar valoarea I a semnalului n momentul td cu ID (prag). Dac I > ID decizia este "1" iar dac I < ID decizia este "0".

BER scade odat cu creterea lui Q (de exemplu BER < 10-12 pentru Q > 7).

Senzitivitatea receptorului se definete n mod obinuit pentru BER=10-9 (Q6) (figura 2.17).

Fig. 2.17 Caracteristica BER

2.2.9 Jitterul

(zgomotul de faz)

Pn acum a fost fcut presupunerea c eantionarea n vederea deciziei se face n momentele optime cnd tensiunea este maxim[6] (minim). Aceste momente sunt generate de circuitele de extragere ceas care n prezena zgomotului peste semnal conduc la apariia unor fluctuaii ale momentului de decizie (jitter). Astfel, n funcie de jitter (t, amplitudinea acestuia) apar penalizri suplimentare. Deoarece t este o mrime aleatoare, reducerea tensiunii necesare circuitului de decizie este de asemenea aleatoare, putnd fi interpretat ca un zgomot suplimentar introdus pe lan. Un astfel de zgomot implic creterea puterii optice pentru a pstra aceeai probabilitate de eroare, deci o penalizare de putere indus de jitter.

CAPITOLUL IIITESTE DE TRANSMISIE A SEMNALULUI PE FIBRE OPTICE3.1 Termeni de baz Caracterizarea unui cablu de fibre optice prin parametrii si de transmisie provine din nevoia de a verifica instalarea corect a sistemului. Astfel de teste trebuie s fie executate cu instrumente simple i la ndemn, potrivite pentru utilizare n teren.

Retrodifuzia este fr ndoial una din cele mai cuprinztoare metode de investigare a caracteristicilor de atenuare ale fibrelor optice utilizate n telecomunicaii[4]; instrumentul care permite ca asemenea teste s fie executate se numete OTDR, reprezentnd: Optical Time Domanin Reflectometer.3.2 Ce este OTDR-ul? OTDR-ul (Optical Time Domain Reflectometer - Aparat de msurat n domeniul timp a reflexiilor optice) este principalul aparat folosit pentru joncionarea i nteinerea legturilor cu fibre optice.

Acesta permite ca o linie de legtur s fie msurat de la un capt la cellalt.

Fig. 3.1 Vedere de ansamblu a OTDR-ului

OTDR-ul emite impulsuri de lumin de la o surs cu diod laser n fibr. Limea impusului este de obicei selectabil de ctre utilizator. Semnalele caracteristice de la jonciuni i din fibra nsi se ntorc reflectate la OTDR. De aici semnalul este ndreptat printr-un cuplor spre receptor unde este convertit n semnal electric i n final analizat i afiat pe ecranul OTDR-ului.

OTDR-ul msoar diferena de timp dintre momentul transmiterii semnalului i momentul ntoarcerii acestuia[7]. Valoarea de timp este multiplicat cu viteza luminii n fibr pentru a calcula distane. Astfel OTDR-ul afieaz puterea relativ a semnalului ntors n funcie de distan.

Cu aceste informaii caracteristica principal a liniei este determinat de: distana -- localizarea caracteristicilor liniei, a sfritului de fibr sau a ntreruperilor.

pierderile -- de exemplu pierderea la o jonciune individual sau pierderea total pe toat lungimea legturii.

atenuarea -- a fibrei n legtur.

reflexia -- mrimea reflexiei ( sau a pierderilor de ntoarcere a unui eveniment ).

3.2.1 Ce se poate face cu OTDR-ul ?

Se poate verifica i documenta calitatea unei linii.

Se pot localiza discontinuitile unei linii. O discontinuitate reprezint un eveniment din linie[7] ( jonciune mecanic, jonciune sudat, conexiuni, ruperi de fibr, etc.).

OTDR-ul msoar:

localizarea discontinuitilor unei legturi

atenuarea fibrei n legtur

pierderile unei discontinuiti

reflexia unei discontinuiti

pierderile totale din linie

OTDR-ul se folosete pentru:

instalare i verificare

ntreinere

localizarea defectelor

identificri de fibr

testarea fibrei de la distan

n timpul montrii (instalrii) fibrei optice, un OTDR este utilizat pentru a fi siguri c jonciunile i conexiunile au pierderi mici (i reflexii mici n marea majoritate a cazurilor), aceste pierderi nefiind provocate de ndoiturile sau deformrile fibrei i n final dac pierderea total a liniei se ncadreaz n limitele admise[4].

Pentru ntreinere legtura trebuie periodic verificat cu OTDR-ul pentru a se constata eventualele deranjamente. Dac legtura este ntrerupt (fibra a fost tit accidental) OTDR-ul va fi utilizat pentru localizarea deranjamentului.

3.2.2 Descrierea funcionrii OTDR-lui Descrierea funcionrii OTDR-ului se face pe baza schemei 3.2.

Fig. 3.2 Schema bloc

Dioda laser emite un semnal i se ateapt rspunsul din fibr. Acest rspuns este de fapt puterea care se ntoarce dintr-un anumit punct la un moment dat, datorat mprtierii luminii din cauza neomogenitii materialului.

Dac se consider c, a este atenuarea n fibr, atunci puterea optic ntr-un anumit loc L n fibr este:

(3.1)unde, P(0) este puterea la intrare n fibr, a este atenuarea pe unitate de lungime a fibrei. Dac atenuarea nu este constant n fibr, atunci puterea devine:

(3.2) Puterea backscatter, care se ntoarce dintr-un anumit punct din fibr, este proporional cu puterea incident n acel punct al fibrei P(L), cu un coeficient de mprtiere, care este dependent de compoziia fibrei exprimnd neomogenitatea fibrei,cu limea impulsului , W, trimis n fibr i invers proporional cu diametrul cmpului optic din fibr, notat w, atunci Pb devine:

(3.3) Aceast lege este una de proporionalitate i poate fi dedus fizic i matematic. Invers proporionalitatea se refer numai la diametrul cmpului w, care depinde nu numai de diametrul fibrei ci i de diferena indicilor de refracie a miezului i nveliului. Cu ct diferena este mai mic cu att MFD este mai mare, deci cmpul ptrunde n nveli cu att mai mult cu ct diferena dintre nf i nc este mai mic.

Fotodioda recepioneaz puterea optic ntoars napoi , Pb (L) iar dup ce este amplificat i prelucrat este trimis aparatului. Ceea ce se afieaz pe ecranul aparatului este logaritmul puterii Pb(L) nmulit cu zece astfel obinndu-se curba n decibeli, 10 log Pb(L) [db], dar datorit faptului c impulsul parcurge de dou ori fibra, pe ecran se va afia 5-log Pb(L). Pe ecranul aparatului se afieaz o curb n db, cu evoluia n timp. Timpul va fi nlocuit cu distana ca fiind x=c/n t/2. Pentru funcionarea OTDR-lui trebuie cunoscut indicele de refracie a materialului, aceast informaie se introduce cu ajutorul panoului frontal i de obicei este notat cu IOR. Msurarea se poate face la diferite lungimi de und,aceasta realizndu-se cu un buton de pe panou care face ca laserul s emit pe 850, 1300, 1310, 1550 (nm). Pentru precizii mari n determinarea distanelor este necesar s se introduc indicele de refracie corespunztor lungimii de und folosit[2]. Puterea ntoars prin efect Raylight este foarte mic , ea poate s fie fa de impulsul iniial sub -50db. Din aceast cauz semnalul preluat de fotodiod este zgomotos, iar zgomotul este cu att mai mare cu ct punctul de unde este ntoars puterea este mai ndeprtat, de aceea afiarea informaiei i trasarea curbei nu se face dup un singur impuls ci dup mii de impulsuri ale cror semnale sunt mediate eliminndu-se astfel zgomotul alb.3.3 Impulsul invers

OTDR-ul primete i afieaz nu doar semnalele de la discontinuiti dar i pe cele de la fibra nsi. Acest semnal este cunoscut sub numele de Impulsul invers (backscatter)[7]. n timp ce strbate fibra lumina este atenut, acest efect numindu-se mprtierea Raleigh. Aceasta este cauzat de mici schimbri ale indicelui de refracie a sticlei care se gsesc continuu de-a lungul fibrei (figura 4.3).Fig. 3.3 mprtierea Raleigh O fraciune din impulsul de lumin va fi ntoars spre OTDR acesta fiind impulsul invers. Receptorul OTDR-ului este fcut s fie foarte sensibil deci poate s detecteze semnale foarte mici (normal detecteaz un semnal ntors din fibr care a fost atenuat ntre (40-80)dB. Este foarte important ca OTDR-ul s poat msura impulsul invers deoarece schimbrile de nivel ale acestuia determin pierderile de-a lungul liniei.

Impulsul invers pentru fibre unimod este tipic ntre (-48,-52) dB pentru lungimi de und de 1310 nm i este ntre (-31,-38)dB pentru lungimi de und de 1550 nm.

3.4 Indicele de refracie

Indicele de refracie este un numr, n, utilizat pentru a exprima raportul dintre viteza luminii n vid i viteza luminii n fibr. Indicele de refracie al fibrei de msurat trebuie s fie bine cunoscut i introdus n OTDR.

Indicii de refracie sunt tipic ntre (1,4 - 1,5).

Valoarea exact este furnizat de ctre productor[6].

Dac valoarea indicelui de refracie este dat cu o toleran de 0,1% distana tuturor discontinuitilor din fibr va fi aflat cu o toleran de 0,1%.

Tipic coeficienii de refracie sunt:

fibr unimod 1550 nm n=1,458

fibr unimod 1310 nm n=1,471

fibr multimod 850 nm n=1,496

fibr multimod 1300 nm n=1,491

* Fibra optic pozat la calea ferat este fibr unimod pentru care coeficienii de refracie sunt:

n=1,4681 pentru 1550 nm

n=1,4675 pentru 1310 nm

3.5 Discontinuiti nereflexive Jonciunile sudate i ndoiturile fibrei cauzeaz pierderi, dar n general nu produc reflexii. Pe ecranul OTDR-ului acestea apar ca nite cderi brute ale nivelului caracteristicii impulsului invers. Diferena de nivel reprezint pierderile acelei discontinuiti (figura 3.4).Fig. 3.4 Discontinuiti nereflexive-pierderile

3.5.1 Fenomenul de amplificare OTDR-ul msoar pierderile pe jonciuni prin comparaia ntre impulsul invers msurat iniial i dup jonciune. Pierderile pe jonciune produc o scdere a nivelului impulsului invers dup jonciune fa de nivelul de dinaintea jonciunii. Oricum, dac fibra dup jonciune are un coeficient de ntoarcere mare, (dac produce un nivel mai mare al impulsului invers fa de impulsul invers recepionat n mod normal din fibr) impulsul invers va fi mai mare dup jonciune dect naintea ei.

O jonciune nu poate produce amplificare; poate produce doar pierderi deoarece este pasiv. Oricum OTDR-ul, din cauza felului n care msoar pierderile jonciunilor, adesea afieaz amplificri[7]. Dac o anumit jonciune arat c produce o amplificare, totdeauna caracteristica va fi cresctoare n acel punct, indiferent ce marc de OTDR se folosete (figura 3.5).Fig. 3.5 Discontinuiti nereflexive-amplificarean acest caz singurul mod de a afla valoarea real a pierderilor este s se msoare acea jonciune cu OTDR-ul conectat i la cellalt capt al fibrei i s se fac medierea celor dou pierderi citite (numit media celor dou moduri-two way averaging).n general dac o jonciune arat c produce amplificare nseamn c pierderile prin ea sunt foarte mici.

3.6 Discontinuiti reflexive

Conexiunile mecanice i crpturile din fibr cauzeaz amndou pierderi i reflexii. Pierderile sunt determinate de schimbarea nivelului impulsului invers. Fluxul luminos ntors spre OTDR (care permite aprecierea pierderilor) va fi determinat de amplitudinea reflexiei la suprafaa discontinuitii suprapus peste impulsul invers, dup cum se vede n figura 3.6 .Fig. 3.6 Discontinuiti reflexive3.7 Sfritul de fibr

Sunt dou posibiliti de frit de fibr:

Primul - dac sfritul de fibr a fost tiat pe o suprafa perpendicular sau dac a fost instalat un conector, reflexia va fi de 4%[4], aceasta fiind reflexia Fresnel (figura 4.7).

Fig. 4.7 Sfrit de fibr plat

Al doilea - dac fibra este rupt, suprafaa neregulat provoac dispersia luminii, deci nu va exista reflexie. n acest caz semnalul afiat are o simpl cdere de la nivelul impulsului invers pn la nivelul de zgomot al OTDR-ului (figura 3.8).

Fig. 3.8 Sfrit de fibr rupt

Este posibil ca pentru o fibr rupt s se produc reflexie, ns nu va avea o amplitudine aa de mare ca amplitudinea citit pentru o suprafa final tiat perpendicular i/sau lustruit. 3.8 Tipuri de fibre folosite Fibrele unimod au dimensiunile 9/125 m.

Fibrele multimod au dimensiunile 50/125 m sau 62,5/125 m.

Fig. 3.9 Tipuri de fibre

Cerinele pentru fibre sunt viteze mai mari, atenuri mai mici pe km, puteri de lansare mai mari i preuri ct mai mici.

O putere mai mare nu este neaprat mai bun pentru utilizator, pentru c aceasta poate arde particulele de praf din interiorul conectorilor. Dac acest lucru se ntmpl msurtoarea va fi eronat.

Pentru reelele LAN de obicei se folosesc fibre multimod. Sunt mai putin costisitoare i de obicei acoper distane mai scurte dect fibrele unimod[2].

Lungimile de und folosite pentru fibre multimod sunt 850 nm i 1300 nm.Pentru fibrele unimod se folosesc lungimile de und de 1310 nm i 1550 nm.3.9 Folosirea cordoanelor de msur Dac un cordon de msur unimod este folosit pentru msurarea fibrei multimod, sau dac se folosete un cordon de msur multimod de 50 m pentru msurarea fibrei multimod de 62,5 m sau 100 m, este posibil ca distanele s fie msurate cu exactitate dar atenurile vor fi msurate eronat. Aceasta se ntmpl datorit faptului c lansarea impulsului de lumin se face dintr-un mediu cu diametru mai mic ntr-un mediu cu diametru mai mare, i acesta din urm nu se umple complet, rezultnd erori la msurarea pierderilor.

Dac un cordon de msur multimod se folosete pentru msurarea fibrei unimod va rezulta o pierdere de putere[6] cnd se lanseaz impulsul de lumin dintr-un diametru de 50 m sau 62,5 m ntr-un diametru de 9 m i de asemenea se reduce i domeniul de msur (distana maxim pe care o poate scana aparatul).3.10 Tipuri de conectori utilizai la msurarea cu OTDR-ul Conectorii pot fi lustruii drept sau sub un anumit unghi i pot fi cu sau fr contact. n general lustruirea depinde de tipul de conector. n figura 3.10 se prezint trei tipuri de conectori.

Fig. 3.10 Tipuri de conectori

Drept, fr contact. Captul conectorului este lustruit pe o suprafa plat, perpendicular pe axa fibrei. n conector, capetele de fibr sunt perpendiculare pe axa fibrei i ntre ele va fi o lentil de aer, datorit construciei mecanice. Aceast lentil de aer produce o reflexie de aproximativ 4% adic pierderi de ntoarcere de 14 dB. Acesta este cel mai defavorabil caz pentru conectori. Se folosete la fibre multimod.

Drept, cu contact (PC phisical contact - contact fizic). Captul conectorului este perpendicular pe axa fibrei, dar este lustruit sub form de calot convex. Aceasta determin contactul fizic dintre capetele celor dou fibre, aceti conectori numindu-se de tip 'PC' (exemplu FC/PC, ST/PC). Se folosete la fibre unimod, pierderile de ntoarcere sunt mai mari (reflexii mai mici) cam 30 dB.

Unghiular cu contact (APC angle phisical contact - contact fizic unghiular). Se folosete doar la fibre unimod. Captul conectorului este lustruit sub un unghi (de obicei 8 fa de planul perpendicular pe axa fibrei). Acest lucru determin ca lumina reflectat s treac prin cmaa fibrei mai mult dect lumina care se ntoarce n fibr. Acest tip de conector are cel mai nalt grad de pierderi de ntoarcere. n plus, conectorii sunt lustruii sub form de calot convex permind contactul celor dou fibre astfel c se reduc suplimentar reflexiile ntoarse n fibr.Acest tip de conector are pierderile de ntoarcere de ordinul 70-80 dB. Cele mai comune tipuri sunt FC/APC, SC/APC, DIN/APC (sau DIN 4108). Datorit reducerii luminii reflectate se reduce zona oarb de dup conexiune.

Conectorii de fibr de tipul drept[7], cu contact (FC/PC) au :

pierderi pe jonciune de (0,1 - 0,3) dB.

pierderi de ntoarcere mai mari ca 45 dB.

Principalele cerine pentru o bun conectare sunt :

pierderile pe jonciune (ct mai mici); pierderile de ntoarcere (ct mai mari); repetabilitatea sau numrul de conectri-deconectri (ct mai mare); durabilitatea-rentabilitatea (ct mai bun);

Sunt cteva grupe de conectori :

drept cu contact; drept fr contact; unghilar cu contact; unghiular fr contact;

Un OTDR este n principiu echipat cu conectori ce aparin acestor tipuri, de obicei cu tipurile drept cu contact i unghiular cu contact. Amndou au pierderi de ntoarcere mari i pierderi pe jonciune mici. Pierderile de ntoarcere mari sunt importante deoarece reduc reflexiile de la suprafaa conectorului i micoreaz zona oarb de dup conexiune[5]. Conectorii de fibr de tipul unghiular cu contact (FC/APC) au :

suprafaa nclinat cu 8 fa de planul perpendicular pe axa fibrei; pierderi pe jonciune de (0,2- 0,5) dB;

cele mai bune pierderi de ntoarcere (mai mari dect 60 dB);

OTDR-ul are o opiune care furnizeaz unghiul conectorului de ieire. Avantajul utilizrii conectorului unghiular este c micoreaz zonele oarbe de dup conexiune.

Multe sisteme de mare vitez sau legturi CATV utilizeaz conectori unghiulari pentru a reduce reflexiile ntoarse n fibr, deoarece laserii de mare vitez sunt foarte influenai de aceste reflexii.

Conectorii unghiulari sunt mai dificil de construit cu exactitate, de aceea atenurile pe conexiune sunt ceva mai mari. De asemenea mai au un mic dezavantaj fiind dependeni de polarizare. Pierderile pe conexiune pot schimba cu cteva zecimi de dB strile de polarizare.3.11 Msurarea cu OTDR-ul3.11.1 Domeniul dinamic

Domeniul dinamic este un factor important ce afecteaz i calitatea msurtorilor cu OTDR-ul. n figura 3.11 se arat raportul semnal/zgomot necesar pentru a vedea cu certitudine locul jonciunilor.Tehnologia de astzi permite ca pierderi pe jonciuni mai mici de 0,1 dB s fie remarcate. Deci pentru verificarea acestor jonciuni de pe toat linia de legtur este necesar un domeniu dinamic mare[7].

Fig. 3.11 Raportul semnal-zgomot

n acest exemplu este afiat o linie cu 31 dB atenuare total. Pentru a msura jonciuni de 0,1dB la sfritul liniei, este necesar un domeniu dinamic de 39,5 dB.

Domeniul dinamic este diferena n dB dintre nivelul iniial al impulsului de lumin i pragul (nivelul) de zgomot. Pentru a putea msura pierderi n jonciune ct mai mici, trebuie ca raportul semnal zgomot s fie ct mai mare conform tabelului 3.1 .

TABELUL 3.1pierderi n jonciuneRaport:semnal/zgomot minim necesar (SNR=1)

0,1 dB8,5 dB

0,05 dB10 dB

0,02 dB12 dB

Sunt dou referine pentru domeniile dinamice :

vrf - este diferena n dB pn la nivelul de vrf al pragului de zgomot.

medie(SNR=1) - reprezint diferena n dB pn la nivelul mediu al pragului de zgomot. Aceasta mbuntete cu apoximativ 2 dB domeniul dinamic ns mai folosit este domeniul dinamic cu referin la vrf.Domeniul dinamic depinde de - limea impulsului luminos

- timpul de mediere

- felul OTDR-ului

3.11.2 Domeniul de msur

Domeniul de msur al OTDR-ului este definit ca atenuarea maxim ce poate fi localizat ntre poarta optic de ieire a OTDR-ului i o discontinuitate ce va fi msurat, pentru care instrumentul este capabil s msoare n limitele erorilor admise.

Pentru a putea msura anumii parametri ai liniei, domeniul de msur trebuie s fie funcie de domeniul dinamic (DD) ca n tabelul 3.2 (referina medie a domeniului dinamic).

TABELUL 3.2Parametriidomeniul de msur (SNR=1)

pierderi n jonciune (0,5dB)DD-6dB

coeficient de atenuareDD-6dB

sfrit de fibr fr reflexieDD-4dB

sfrit de fibr cu reflexieDD-2,5dB

3.11.3 Distana care poate fi msurat

Distana maxim care poate fi msurat depinde de atenuarea din fibr i de domeniul dinamic al OTDR-ului. Pentru a msura fibre lungi, sau pentru a msura rapid fibre scurte, trebuie un domeniu dinamic mare.

Este greit ideea c distana maxim care poate fi setat pe scara OTDR-ului arat ce lungime maxim de fibr poate fi msurat. Acest lucru nu este adevrat. Domeniul dinamic i atenuarea n fibr (n dB pe km) [5]determin lungimea maxim care poate fi msurat. Impulsul invers nu poate fi sesizat dup punctul unde caracteristica intersecteaz pragul de zgomot. Extinznd scala se va afia o arie mai mare de zgomot.

Chiar dac fibra nu este lung, sau dac are atenuare mare, se va dori un domeniu dinamic mare, pentru o mai bun precizie a msurtorilor rapide cnd se seteaz minimul timpului de mediere.3.11.4 Zona oarb sau rezoluia a dou puncte

n timp ce domeniul dinamic determin ct de departe se poate analiza fibra, zonele oarbe determin ct de n amnunt i ct de apropiate pot fi dou discontinuiti pe care OTDR-ul le poate msura.

Zonele oarbe sunt zone care apar datorit reflexiilor aprute la jonciunile sau conexiunile mecanice, care tind s satureze receptorul OTDR-ului[7]. O zon oarb apare totdeauna la nivelul suprafeei de separaie ntr-o conexiune mecanic i la toate celelalte reflexii aprute de-a lungul fibrei (figura 3.12)

Sunt doi parametrii pentru zonele oarbe care acum au fost n mare msur acceptate n industrie:atenuarea zonei oarbe - este distana de la nceputul reflexiei pn la punctul unde nivelul receptorului a revenit la +0,5dB fa de impulsul invers din momentul reflexiei (minim 20m). Unele documentaii prevd +0,1dB . Dup acest punct OTDR-ul poate msura din nou atenuri i pierderi, pentru c se poate recepiona din nou impulsul invers.

momentul zonei oarbe - este distana de la nceputul reflexiei pn la punctul unde caracteristica amplificat a sczut fa de nivelul maxim cu 1,5dB (minim 4m). Dup aceast distan o alt reflexie poate fi identificat. Oricum, pierderile i atenuarea nu pot fi msurate.

Zonele oarbe se mai numesc i rezoluia a dou puncte, deoarece determin ct de apropiate pot fi dou discontinuiti care pot fi detectate.Fig. 3.12 Zona Oarb

Zonele oarbe se doresc a fi ct mai scurte cu putiin.

Cordonul de msur (fibra de lansare) trebuie s fie mai lung dect atenuarea zonei oarbe.

Orice reflexie, inclusiv cea produs la suprafaa porii optice de ieire a OTDR-ului cu cordonul de msur, produce o zon oarb. Reflexia va satura receptorul OTDR-ului i se va menine pe durata unui impuls. Dup ultimul impuls se observ o revenire exponenial (o coad). Dup aceasta, OTDR-ul poate msura impulsul invers. Aceast zon oarb se observ adesea pentru 10s la metru pentru impulsuri scurte, sau 100s la metru pentru impulsuri lungi necesare msurtorilor distanelor mari[7].

Denumirea este de fibre de lansare, deoarece zona oarb produs de suprafaa conectorului, se va gsi n interiorul cordonului de msur i va permite un nceput bun pentru msurarea fibrei testate. Aceasta doar n cazul cnd conectarea la fibra testat se face printr-o jonciune nereflectiv.

Singura modalitate este de a folosi o jonciune sudat, ceea ce nseamn c trebuie folosit o main de sudat (splicemachine), fibra testat neavnd nc montat conectorul. Dac fibra de lansare este ataat la fibra de test printr-un conector, o alt zon oarb va apare n fibra testat deviind astfel de la scopul propus.

Utiliznd un conector unghiular la intrarea n OTDR, se poate reduce lungimea zonei oarbe.

Zona oarb depinde de - limea impulsului luminos

- suprafeele reflective

- felul OTDR-ului

Majoritatea OTDR-urilor permit utilizatorilor s selecteze limea impulsului de lumin. Un impuls mare, la aceeai valoare de vrf[4], conine mai mult energie dect unul scurt. Deci un impuls mare produce un semnal ntors mai mare ca n figura 3.13 (un nivel mai mare al impulsului invers) dect un impuls scurt, nseamn c un impuls mare mrete domeniul dinamic.

Utiliznd un impuls mare apar consecine. Zonele oarbe devin mai mari.

Fig. 3.13 Impulsul lung Un impuls mic nseamn zone oarbe mai mici permind ca dou jonciuni mecanice apropiate s fie detectate. ns un impuls mic implic un domeniu dinamic prea mic pentru a vedea clar sfritul de fibr.

Fig .3.14 Impulsul scurt

Impulsul mare implic un domeniu dinamic suficient pentru a vedea impulsul invers clar pn la sfritul fibrei, dar zonele oarbe se mresc, reducnd rezoluia dintre dou jonciuni mecanice apropiate.

OTDR-ul trimite impulsuri de lumin repetitive n fibr. Rezultatele tuturor impulsurilor sunt mediate. n acest fel zgomotul aleator la recepie mediat scade n timp. Pe ecranul OTDR-ului pragul de zgomot scade cu timpul. Ateptnd mai mult, domeniul dinamic crete. mbuntirile substaniale apar cam n primul minut. Dup aceasta, mbuntirea pragului de zgomot scade, (aceeai mbuntire obinut ntr-o prim perioad de timp va fi realizat dup aceasta ntr-o perioad cel puin dubl de timp).

Multe OTDR-uri sunt setate implicit pentru un domeniu dinamic aflat dup 3 min de medieri .

Dup cum se observ, obinerea unui domeniu dinamic mare nseamn timp. Iat de ce, HP furnizeaz module cu diferite domenii dinamice. Un modul cu domeniul dinamic mai sensibil cu 1dB, poate reduce la jumtate timpul de mediere. Modulele OTDR-ului pot mri cu 4dB domeniul dinamic, dac se msoar 3 min n loc de 10 s. Modulele dinamice mari nu sunt numai pentru distane lungi, ele salveaz de asemenea timp pentru toate msurtorile.

Tipul OTDR-ului are un efect major asupra domeniului dinamic i a zonelor oarbe, pe care le poate obine. Tipul receptorului OTDR-ului este important. Exist dou Tipuri de OTDR-uri.

OTDR-uri de nalt rezoluie. (figura 3.15) La acest tip de OTDR, receptorul are o lime de band lat. n domeniul timp aceasta nseamn zone oarbe nguste. Oricum, zgomotul n receptor este proporional cu limea de band[2], deci acest tip de OTDR are un prag de zgomot ridicat i implicit un domeniu dinamic redus. OTDR-urile de nalt rezoluie de obicei utilizeaz impulsuri cu lime mic, pentru a obine zone oarbe mai mici. Acest lucru reduce domeniul dinamic deoarece nivelul impulsului invers va fi mai mic.

Fig. 3.15 OTDR de nalt rezoluieOTDR-uri de distan lung.(figura 3.16) La acest tip de OTDR limea de band a receptorului este ngust, pentru a reduce pragul de zgomot i pentru a crete domeniul dinamic. Aceasta ncetinete timpii de tranziie de la recepie i rezult zone oarbe maimari. OTDR-rile de distan lung utilizeaz impulsuri cu lime mare care mresc domeniul dinamic dar de asemenea contribuie la mrirea zonelor oarbe.Fig. 3.16 OTDR de distan lung

3.11.5 Precizia distanei i primul punct de rezoluie

Precizia distanei este n funcie de precizia bazei de timp, eantionul de lungime, setarea indicelui de refracie i factorul de cablare, ca n figura 3.17 .Fig.3.17 Precizia distanei Msurarea cu precizie a distanei depinde de urmtorii factori:

Eantionul de lungime. OTDR-ul mparte semnalul recepionat n intervale regulate. Aceste eantioane sunt apoi corelate n maniera unete punctele. Pentru a vedea cum arat aceast caracteristic se unesc cu segmente de dreapt toate punctele de nivel ale fiecrui eantion. Localizarea reflexiei n exemplul din figur este la nceputul impulsului cresctor din caracteristic[4]. Oricum, datorit limii finite a eantionului , localizarea nu poate fi exact. Cea mai bun msurtoare care poate fi realizat de utilizator este plasarea unui punct de referina (marker) la sfritul zonei de cretere de pe caracteristic. Astfel eroarea se va datora eantionrii. Pentru a micora eroarea, trebuie repetat procedeul de eantionare. ns la msurarea distanelor lungi, ali parametri, cum ar fi eroarea indicelui de refracie, va avea o contribuie mult mai mare n acurateea msurtorii.

Precizia bazei de timp. Utilizarea unei baze de timp cu cristal de cuar menine aceste valori la un nivel foarte sczut.

Indicele de refracie. Un OTDR msoar timpul i calculeaz distana utiliznd o formul dat. Ct timp c, viteza luminii n vid, este bine cunoscut, utilizatorul trebuie s introduc indicele de refracie n. Astfel, pentru o eroare de 0,1% pentru n, rezult o eroare de 0,1% pentru distan. Pentru distane lungi, chiar i erorile mici devin semnificative (0,1% pentru 30 km nseamn 30 m!).

Factorul de cablare. OTDR-ul msoar lungimea fibrei, care de obicei este mai mare dect lungimea cablului (pentru a permite ntinderea).Pentru a afla lungimea cablului trebuie cunoscut factorul de cablare[2].

Precizia distanei dat de OTDR depinde de obicei de limea eantionului i de precizia bazei de timp. Dac pentru acestea precizia poate fi chiar bun, trebuie avut n vedere c erorile datorate setrii indicelui de refracie cauzeaz erori mult mai mari.

3.11.6 Mascarea optic

O masc este un comutator opto-acustic, plasat naintea receptorului OTDR-ului.

Este folosit la reducerea zonelor oarbe care sunt cauzate de reflexii. n timp ce receptorul OTDR-ului este foarte sensibil pentru a putea distinge impulsul invers ce are un nivel sczut de putere, reflexiile pot fi cu peste 50 dB fa de acesta, producnd saturaia receptorului. Limea zonei oarbe este n principal datorat timpului necesar receptorului s revin la nivelul de recepie al impulsului invers (figura 3.18).Fig. 3.18 Mascarea optic

Scopul mtii este de a bloca lumina ctre receptor pe timpul reflexiei (la fiecare dintre ieirea conectorului aparatului sau orice pereche de conectori). n acest fel receptorul niciodat nu va ajunge n saturaie i revenirea va fi mai rapid, reducnd zonele oarbe. Pe ecranul OTDR-ului semnalul cade spre pragul de zgomot n timpul ct masca este activ. Aceasta nseamn c impulsul invers nu este vizibil n acest timp, acolo fiind o zon oarb datorit mtii[7].

Tipic pentru OTDR-urile cu masc, atenuarea zonelor oarbe poate fi semnificativ. Oricum, cele mai bune performane pot fi atinse plasnd mtile manual (nu automat), ns acest lucru este foarte delicat. Normal, doar un utilizator experimentat poate executa aceast operaie care de altfel consum mult timp pentru poziionarea corect a mtilor pentru a obine cele mai bune rezultate. Aceasta implic plasarea mtilor n locurile de reflexie, executarea de msurtori i tot aa pn cnd rezultatul obinut este cel scontat. Acesta este evident un proces obositor i ndelungat, i dei exist i un procedeu de plasare a mtilor automat, zonele oarbe n acest caz sunt mult mai rele.CAPITOLUL IV

Msurarea unei tronson de fibr optic

4.1 Pregtirea fibrei pentru msurat

Pentru ntreinerea legturilor, acestea trebuie periodic verificate cu OTDR-ul pentru a se constata eventualele deranjamente. Pentru aceasta am avut nevoie de urmatoarele:

un OTDR (la aceast msurtoare s-a folosit un Mini OTDR HP E6000A)

interfa de conector care s se potriveasc cu conectorul fibrei utilizate.

fibra optic, care este monomod de tip Siemens

Primul pas care se face nainte de a conecta fibra la OTDR este acela de a cura conectorii. Aceasta se face n felul urmtor:

se sufl murdria cu aer curat sub presiune;

se utilizeaz alcool izopropilic i un pmtuf din bumbac;

se utilizeaz o crp moale pentru a ndeprta particulele dizolvate;

se sufl cu aer sub presiune pentru a ndeprta orice alte fragmente rmase pe suprafaa conectorului;

se cerceteaz suprafaa conectorului de zgrieturi i particule arse i se remediaz aceste neajunsuri.

Numai dup ce am efectuat aceste lucrri fibra se poate conecta pentru a putea fi msurat. Dac nu se respect aceste reguli, particulele de praf care sunt mici dar n comparaie cu miezul de 9 m al fibrei , pot fi considerate mari i pot obtura parial sau total captul fibrei.

Dup curarea conectorilor, se ataeaz interfaa conectorului optic la ieirea optic i se pornete aparatul de msur. Conectarea fibrei la aparatul de msur se realizeaz ca n figura 4.1

Fig. 4.1 Conectarea fibrei la OTDR

4.2 Setarea aparatului de msur Urmtorul pas n efectuarea msurtoarei const n setarea modului de msurare. Acesta se face de pe ecranul OTDR-ului. Am setat astfel:

indicele de refracie; Acesta este furnizat de productorul fibrei i este n = 1,4681; el fiind important pentru calcularea cu exactitate a distanelor.

limea impulsului de lumin, pe care l-am setat la 1s. Folosind un impuls de lime mare apar consecine i anume, zonele oarbe devin mai mari. Limea impulsului de lumin de 1s nseamn zone oarbe mai mici , ceea ce permite ca dou jonciuni mecanice apropiate s fie detectate.

lungimea de und; Fiind o fibr monomod lungimea de und este 1550nm; modul de msurare ( timp de 1 min); coeficientul impulsului invers pentru fibra de tip Siemens este de 50,0 dB

modul de optimizare ales este cel dinamic; Acestea fiind setate se poate trece la efectuarea msurtoarei, apsnd butonul de pornire/oprire.

Dup aproximativ un minut pe ecran vor aprea:

diagrama de msur; tabelul cu evenimente; tabelul cu parametrii; tabelul cu rezultatele poziionrii markerului B; tabelul cu informaiile totale;4.3 Interpretarea rezultatelor Afiajul indic pe o scal vertical n dB i o scal orizontal n km numeroase puncte de achiziie ce vor reprezenta semntura de retrodifuzie a fibrei testate.Aceste semnaturide retrodifuzie le vom numii evenimente.

Se arat evenimente reflexive, nonreflexive i sfritul de fibr.

Discontinuitile reflexive care apar pe ecran se datoreaz conexiunilor mecanice sau crepturilor din fibr, care cauzeaz amn