În 1965, Charles K. Kao și George A. Hockham de la compania britanică Standard Telephones and Cables (STC) au fost primii care au promovat ideea că atenuarea în fibra
optică poate fi redusă sub pragul de 20 decibeli pe kilometru (dB/km), permițând utilizarea fibrelor optice ca mediu practic de telecomunicații. Ei au arătat că atenuarea din fibra optică disponibilă la acea vreme este cauzată de impurități care pot fi înlăturate, și nu de fenomene fizice fundamentale, cum ar fi împrăștierea. Această descoperire i -a adus lui Kao Premiul Nobel pentru Fizică în 2009. Nivelul crucial de atenuare de 20 dB/km a fost atins pentru prima oară în 1970, de
cercetătorii Robert D. Maurer , Donald Keck, Peter C. Schultz și Frank Zimar de la fabricantul american de sticlă Corning Glass Works, denumit astăzi Corning Incorporated. Ei au realizat o fibră cu atenuare de 17 dB/km prin doparea sticlei de silicat cu titan. Câțiva ani mai târziu, ei au produs o fibră cu doar 4 dB/km atenuare cu dioxid de germaniu ca dopant pentru miez. Asemenea atenuări mici au deschis calea comunicațiilor prin fibră optică și Internetului. În 1981, General Electric a produs longouri de cuarț ce putea fi tras în fire de fibră optică de 40 km lungime.
Atenuarea din cablurile moderne de fibră optică este cu mult mai mică decât în ca blurile electrice de cupru, ducând la conexiuni de fibră optică cu distanțe între repetoare de 70– 150 km. Amplificatorul de fibră optică dopată cu erbiu, care a redus costul sistemelor de
comunicații prin fibră optică pe distanțe mari prin reducerea și, în multe cazuri, eliminarea totală a necesității repetoarelor optic -electric-optic, a fost dezvoltată de mai multe echipe conduse de David N. Payne de la Universitatea Southampton , și de Emmanuel Desurvire de la Laboratoarele Bell în 1986. Fibr a optică mai robustă folosită astăzi se are atât miezul cât și
teaca din sticlă, suferind astfel mai puțin de pe urma trecerii timpului. Ea a fost inventată de Gerhard Bernsee în 1973 la Schott AG în Germania. În 1991, studiile în domeniul cristalelor fotonice a dus la dezvoltarea fibrei optice cu cristal fotonic[11] care ghidează lumina prin difracție într -o structură periodică, și nu prin reflexie
internă totală. Prima fibră din cristal fotonic a devenit disponibilă pe piață în 2000. Fibra din 6
cristal fotonic poate fi proiectată să transfere putere mai multă decât fibra convențională, iar proprietățile dependente de lungimea de undă pot fi manipulate pentru a îmbunătăți performanțele fibrei în anumite aplicații. {2} 2.Pierderile în fibre optice și atenuarea lor.
1.Factorii care influențează cel mai mult performanțele fibrelor optice ca mediu de transmisie sunt atenuarea și lățimea benzii. Aceste caracteristici de transmisie au o importanță majoră în procesul cercetări compatibilității fibrelor optice în scopuri de comunicații. Deși lățimea enormă a benzii fibrelor optice a stimulat mult dezvoltarea comunicațiilor optice prin ghizii de sticlă, atenuarea mare a limitat transmisia semnalelor doar la zeci de metri. Cercetările ulterioare privind atenuării au arătat absorbția cauzată de impuritățile din sticlă, stimulând investigările asupra sticlelor pure pentru comunicațiilor prin fibre optice. În prezent, se folosesc fibre cu pierderi de ordinul a 0,2dB/km.(1)… După cum atenuarea determină distanța de transmisie a semnalului, dispersia limitează lățimea benzii fibrei optice. Altfel zis, limitează numărul de biți ai informației transmise într-o perioadă dată de timp. 2.Atenuarea este fenomenul prin care semnalele electromagnetice își pierd din puterea inițială (cu care au fost transmise în mediu)odată cu creșterea distanței. Acest fenomen apare din cauza faptului că mediul de transmisie absoarbe o parte din energia semnalelor. Din acest motiv se impun limitări ale distanței pe care un semnal o poate parcurge fără a depăși un anumit nivel de degradare. Cu atât semnalul este recepționat la o mai mare distanță față de sursă, cu atât posibilitatea de a fi decodificat corect este mai mică din cauza atenuării și a interferențelor. {3} 7
Atenuarea semnalelor optice depinde, în primul rând de proprietățile proprii ale fibrei optice, iar în al 2-lea rând, de procesele fizice ce au loc la transmisiunea luminii. 3.Pierderile de absorbție de material constau în disiparea unei părți a puterii optice a semnalului transmis prin fibră optică. Aceste pierderi ce au loc datorită compoziției materialului, proceselor de reducere și pot fi: -intrinseci -extrinseci Absorbția intrinsecă este cauzată în silica de către rezonanță. Absorbția este mai mică decât 0,03d/km în regiunea lungimilor de undă 1,3µm – 1,6µm. Absorbția extrinsecă în fibrele din silică este cauzată de astfel de impurități ca Cu,Ni,Fe,Mn,Cr etc. În regiunea lungimilor de undă 0,65µm – 1,6µm.Însă în fibrele moderne principala cauză a absorbției extrinseci o constituie ionii OH. 4.Pierderile la Împrăștiere Pierderile fibrelor optice depind de lungimea de undă de operare și sunt un alt factor ce limitează performanțele sistemului de comunicații. Pierderile la împrăștiere sunt determinate de 2 mecanisme:liniar și neliniar. Împrăștierea liniară poate fi divizată în 2 tipuri: Împrăștierea Rayleigh și Mie. {3} 5.Pierderile de curbă în fibrele optice Curbarea fibrei optice cauzează pierderi de radiație. Curburile pot fi microscopice sau macroscopice. Cele macroscopice au loc când fibra este bobinată sau întâlnește colțuri în traiectoria sa. În acest caz, în procesul 8
propagării semnalului energia din câmpul temporar întrece viteza luminii în cămașă și deci are loc inhibarea mecanismului de ghidare.Ca urmare, energia luminii iradiată din fibra optică, după cum este reprezentat în figura 1.
Fig.1. Reprezentarea pierderilor de curbură ale fibrei optice. Partea modului ce se mișcă în afara săgeții întrerupte trebuie să se miște mai repede decît viteza luminii în cămașă,pentru a menține frontul undei plane. Aceasta fiind imposibilă, raza este iradiată.
De-a lungul fibrei există un front al fazei care se mișcă perpendicular pe direcția propagării. Acest front al undei trebuie să fie în fază cu sine însăși pe diametrul câmpului, iar când frontul fazei se mișcă prin curbură, atunci lumina la raza interioară trebuie să se miște mai încet decât la cea exterioară. Adică la capătul exterior al miezului lumina trebuie să întâmpine un indice de refracție mai mic decât în fibra dreaptă. {3}
9
3.Dispersia Impulsului și Viteza de Transmisie a Informației prin Fibra Optică
Legăturile prin fibre optice sunt limitate în lungime de către atenuarea și dispersia impulsului optic. Dispersia semnalului optic transmis cauzează împrăștiere pentru transmisiile analogice și digitale prin fibre optice. Când semnalul ajuns la receptor este foarte slab pentru defectarea clară, atunci atenuarea devine o problemă majoră, iar sistemul va fi limitat de nivelul puterii. În legăturile în care puterea optică este suficientă, dar forma semnalului este distorsionată,sistemul este limitat de lățimea benzii. În acest caz, reconstrucția mesajului transmis este dificilă. Adică, dispersia este fenomenul care determină limitare benzii de trecere a unei fibre sau cablu optic, datorită măririi duratei unui impuls de radiație la ieșirea din fibră. Dispersia mai produce și o împrăștiere a impulsurilor de intrare în fibra optică.
Fig.2. Reprezentarea împrăștierii impulsurilor digitale 1101 de lumină când sunt transmise prin a) fibră scurtă L1 și b) fibră lungă L2˃L1. La considerarea sistemelor de comunicații digitale prin fibre optice, mecanismele dispersiei cauzează împrăștierea impulsurilor de lumină transmisă 10
care traversează de-a lungul canalului. În fig.2. este prezentat acest fenomen ce cauzează împrăștierea și suprapunerea impulsurilor vecine, care nu pot fi eventual recunoscute la receptor. {3} Acest efect cunoscut ca interferența dintre simboluri, de asemenea majorează numărul de erori ale canalului optic digital, rata erorilor fiind dependentă de atenuarea semnalului. Pentru ca impulsurile de lumină să nu se suprapună, este necesar ca viteza de transmisie a informație în biți B să fie mai mică decât duratele impulsurilor împrăștiate (2Ʈ) B≤ 1/2Ʈ. Aceasta înseamnă că împrăștierea impulsului datorită dispersiei canalului Ʈ=ΔT dictează o durată a impulsului de intrare de asemenea ΔT. După cum am menționat, conversia vitezei de transmisie a informației în biți către lățimea benzi de trecere în Hz depinde de formatul de codare utilizat. În cazul formatului nereîntoarcerii la zero NRZ sunt 2 perioade a biților în o lungime de undă. În figura 3. Sunt prezentate 3 structuri ale fibrei optice monomod cu indice treaptă de refracție (a),multimod cu indice cu indice treaptă de refracție (b), și multimod cu indice gradat de refracție (c), precum și reprezentarea schematică a împrăștierilor respective ale pulsurilor asociate cu fiecare fibră. {3}
11
Fig .3. Sunt reprezentate și împrăștierile impulsului datorită dispersiei în fiecare fibră. Se poate de observat că cea mai mică dispersie a pulsului de lumină are loc în fibrele monomod cu indicele treaptă de refracție. Pe când cea mai mare dispersie a pulsului are loc în fibrele multimod cu indicele treaptă de refracție, iar fibrele cu indicele gradat au performanțe îmbunătățite. Cantitatea împrăștierii pulsurilor depinde evident de distanța parcursă prin fibră până la următorului repetor și se măsoară în ns/km. Pentru aprecierea diferenței între cantitățile împrăștierii în diferite tipuri de fibre, trebuie de cercetat mecanismele dispersiei care constau din trei componente principale: -
Dispersia ghidului de undă
-
Dispersia de material
-
Dispersia modală 12
Primele două componente formează dispersia intramodală, apărând în fibrele monomod și multimod datorită dependenței dintre lungimea de undă a radiației incidente și viteza de propagare a fiecărui mod. Dispersia modală apare numai în fibrele multimod, fiind o consecință a diferenței dintre vitezele de grup ale diverselor moduri de propagare a luminii. {3}
4.Dispersia Intramodală sau cromatică
Datorită faptului că sursele optice utilizate în comunicațiile prin fibre optice nu emit doar o frecvență, ci o bandă de frecvențe (pentru laser este de o fracțiune de procent de la frecvența centrală, iar pentru diodele electroluminisciente este de un procentaj mai important), atunci pot avea loc diverse rețineri în propagarea diferitelor componente spectrale ale semnalului transmis. Acesta cauzează împrăștierea fiecărui mod și deci dispersie cromatică sau intramodală. Însă și proprietățile dispersive ale materialului fibrei, precum și efectele de ghidare din structura fibrei, de asemenea pot cauza diferențe de reținere în propagare. Dispersia materialului poate fi explicată și cu ajutorul figura 3. Este cunoscut că viteza de propagare a luminii în ghidul de undă se micșorează în dependență de indicele de refracție .Iar indicele de refracție este dependent de lungimea de undă după cum este reprezentat în figura 4. Dacă impulsul de lumină de la sursa optică are lățime specială
Δ = 2 –
1, atunci indicii de refracție corespunzători sunt respectiv,
n2 și n1. .
În cazul dispersiei în material al modului de propagare, vitezele puterilor optice
13
la lungimile de unde λ 1 și λ 2 sunt respectiv, c/n1 și c/n2 .. Adică puterea optică a lungimii λ 2 va ajunge la ieșire mai repede decât cea cu λ 1 ,cauzând împrăștierea lățimii impulsului datorită dispersiei materialului. Trebuie de menționat că toate semnalele optice constau dintr-un diapazon de lungimi de unde. Impulsurile utilizate în comunicațiile optice sunt de la circa 0,2 nm până la 5 nm lățime în sistemele cu fibre monomod. {3}
Dispersia cromatică
Dispersia cromatică este o combinaţie între dispersia de material şi dispersia de ghid. În general termenul de dispersie cromatică înseamnă suma ambelor dipuri de dispersie, vezi figura 4
Fig. 4. Dispersia cromatică: suma dispersiilor de material şi de ghid
14
Dispersia cromatica este dependentă de lungimea de unda şi de ghid, fiind neglijabilă pentru sisteme cu viteză de transmisie mica (sub 100 MHz) şi pentru sisteme cu transmisie pe distanţe mici (sub 5 km). Dispersia cromatică este neglijabilă şi în sistemele de bandă largă care folosesc LED-ul ca emiţător optic. Dispersia modală poate fi un factor limitator pentru legăturile care utilizează fibre multimod cu salt de indice, dar acest lucru se întîmplă rar în cazul legăturilor ce folosesc fibre multimod cu indice gradat.Lăţirea impulsului datorită dispersiei cromatice Lăţirea impulsului, σcrom , datorită dispersiei cromatice se calculează cu formula următoare σcrom = D( )λ ⋅ ∆λ ⋅ L [ps] (&.3) unde D(λ) este dispersia cromatică care se dă în foile de catalog ale fiecărei fibre. • D( )λ ≈ 100 + 0.4(850 − λ) [ps km × nm] pentru 800< λ <900 nm • D( )λ ≤ 3.5 ps km × nm pentru 1285< λ < 1330 nm • D( )λ ≤ 17 ps km × nm pentru 1525< λ <1575 nm • ∆λ = lăţimea spectrală a emiţătotului • L = lungimea legăturii (km) {4}
15
Fig. 5. Pulsuri de lumină reprezentînd bitul "1" şi bitul "0" (temporizarea corespunde unui sistem idealizat)
Fig. 6. Dispersia cromatică pentru o fibră monomod standard cu lungimea de 50 km. Dispersia cromatică este 16ps/nm x km. Puritatea spectrală a laserului
16
utilizat este 1 nm. Atît sistemul STM-16 şi STM-64 vor cădea.
Fig. 7. Dispersia cromatică pentru o fibră monomod standard, cu lungimea de 50 km.Dispersia cromati că este 16 ps/nm x km. Puritatea spectrală a laserului este 0.1 nm. Va cădea doar sistemul STM-64.
Fig. 8. Dispersia cromatică pentru o fibră monomod cu dispersie deplasată şi lungimea de 50 km. Dispersia cromatică este 4 ps/km x nm. Lăţimea spectrală a
l aserului este 0.1 nm. Toate sistemele vor funcLăţimea spectrală a laserului este
17
0.1 nm. Toate sistemele vor funţiona corect.
Fig. 9. Dispersia cromatică pentru o fibră monomod cu dispersie deplasată şi lungimea de 150 km. Dispersia cromatică este 4 ps/ km x nm. Lăţimea spectrală a laserului este 0.1 nm. Toate sistemele vor funcLăţimea spectrală a laserului este 0.1 nm. Toate sistemele vor funţiona corect.
Seria de figuri 5 - 9 ilustrează ce se întîmplă cu un puls idealizat de lumină cînd este ghidat prin diferite tipuri de fibre monomod la lungimea de undă de 1550 nm. Pentru 1310 nm, dispersia cromatică este aproape de zero , ceea ce face dispersia cromatică mai puţin critică pentru transmisii pe distanţe mari şi viteze mari. Tot în aceste figuri se ilustrează importanţa utilizării unor lasere cu lăţime spectrală foarte mică, în special în cazul distantelor foarte mari între repetoare. Nu trebuie uitat însa, in cazul legăturile pe distanţe mari, bugetul de putere. {4}
18
5. Dispersia Ghidului de Undă Iar dispersia Ghidului de unde rezultă din variația vitezei de grup cu lungimea de undă pentru un mod particular ce se propagă prin fibra optică. Viteza de grup, de asemenea, variază și în dependență de construcția fibrei, adică de profilul indicilor de ref racție, diferența relativa a indicilor de refracție Δ, etc. Această extindere a pulsului optic cauzată de spectrul sursei optice, precum și de construcția fibrei se numește dispersia ghidului de unde. Profilul fibrei optice are un efect mare asupra vitezei de grup deoarece câmpurile electric și magnetic constituente ale impulsului optic se extind și în cămașa fibrei. Cu cât este mai mare lungimea de undă cu atât mai mult se extinde câmpul electromagnetic al undei în direcția cămeșii. Deci o mare parte a undei la lungimi scurte de unde se află în interiorul miezului cu indicele de refracție mai mari. Aceste unde mai scurte vor traversa mai încet decât cele mai lungi, cauzând dispersia semnalului.
Fig.10. a) Indicele de refracție al bioxidului de siliciu dopat și pur. b) Banda spectrală a sursei optice. {5} 19
Aceste 2 tipuri de dispersie intramodală tind spre a se anula reciproc, iar caracteristicile de dispersie sunt reprezentate în figura 11. Pentru o fibra monomod standard de tipul G.652, care are dimensiunile 10/125 µm și care are dispersia în banda 1,3 µm mai mică de 3,5 ps * nm-1 * km-1.
Fig.11 Dispersia unei fibre monomod standard. Aceste 2 tipuri de dispersie se anulează reciproc la 1,31 µm, astfel semnal evitând dispersia minimă. În regiunea I (normală) lungimile lungi de unde parcurg cu viteze mai mari decât undele scurte, pe când în regiunea II (anormală) undele scurte parcurg cu viteze mai mari decât cele lungi. Deci cu cât este mai largă banda spectrală, cu atât va fi mai mare dispersia semnalului. Pentru un singur mod al cărui constantă de propagare este β, fibra prezintă dispersie a ghidului de unde când (d 2 β ) / (d λ 2 ) ≠ 0. Spre deosebire de fibrele multimod , în care majoritatea modurilor se propagă departe de blocare, ce sunt libere de dispersia ghidului de unde. {5}
6.Dispersia Intermodală
Dispersia intermodală sau modală este prezentă în fibrele multimod. Cauza împrăștierii impulsului optic, ce se transmite prin fibra optică, o constituie 20
reținerile cu diferite durate în propagarea modurilor, lățimea lui depinde de vitezele de grup diferite ale modurilor. Cea mai mare dispersie modală are loc în fibrele multimod cu indicele treaptă de refracție, dar ea poate fi redusă prin utilizarea profilului aproape parabolic a indicelui de refracție (în fibrele cu indicele gradat de refracție). Adică fibrele cu indicele gradat de refracție dau un avantaj mare al lățimii benzii față de fibrele multimod cu indicele treaptă de refracție. În fibrele monomod, datorită propagării doar a unui mod, nu are loc dispersia intermodală. Deci și împrăștierea mai mică a impulsurilor optice va oferi posibilitatea unei lățimi mai mari a benzii. {5}
DISPERSIA MODALA Este cauzata de diferenta dintre timpii de propagare a razelor care parcurg traiectorii diferite de-a lungul fibrei. Evident, dispersia modala va apare in fibrele multimod. Ea poate fi redusa foarte mult in fibrele cu indice gradat si eliminata total prin folosirea fibrelor monomod. Determina alungirea unui impuls luminos pe masura ce acesta se propaga de-a lungul fibrei. Daca aceasta imprastiere este accentuata, se poate intampla ca impulsuri consecutive sa se suprapuna (interferenta simbolica). Intr-o fibra multimod cu indice treapta, raza care se propaga axial va parcurge fibra in timpul cel mai scurt. Raza care se propaga sub un unghi apropiat de unghiul critic (raza de mod maxim) va parcurge fibra prin reflexii totale, multiple, la suprafata de separatie miez-invelis si va parcurge traiectoria cea mai lunga si in consecinta se va propaga in intervalul de timp cel mai lung. Daca aceste raze reprezinta componentele extreme ale unui manunchi de raze emise simultan si care compun un impuls luminos emis de o sursa de radiatie, razele componente ale impulsului vor ajunge la capatul fibrei in intervale de timp diferite si vor determina alungirea/ distorsionarea impulsului initial, scaderea amplitudinii lui. In cazul fibrelor monomod cu indice treapta, din cauza ca diametrul lor este 21
foarte mic, razele luminoase vor parcurge traiectorii cu aproximativ aceeasi lungime si vor ajunge in acelasi interval de timp la celalalt capat al fibrei. Drept consecinta nu se va produce alungirea impulsului luminos transmis. La propagarea unui impuls luminos printr-o fibra multimod cu indice gradat, razele componente ale acestui impuls luminos vor parcurge triectorii diferite (deci de lungimi diferite). Datorita faptului ca indicele de refractie este variabil (descrescator spre periferie) razele care se propaga pe traiectoriile cele mai indepartate de miez, care sunt si cele mai lungi, se vor propaga cu o viteza mai mare. Pentru un indice de profil optim ales (de obicei parabolic) va rezulta o egalizare a timpilor de propagare a razelor componente ale impulsului luminos emis, in consecinta dispersia modala fiind mult atenuata. Se poate observa ca, pe masura ce distanta parcursa prin fibra creste, razele luminoase care compun impulsul se imprastie in timp, ceea ce cauzeaza o alungire a impulsului si o scadere a amplitudinii lui. Se poate observa, de asemenea, ca, la un moment dat impulsul luminos va interfera cu cel care il urmeaza.
Acest fenomen (interferenta simbolica) este o sursa importanta de erori in transmisiile digitale. Aparitia lui poate fi impiedicata fie prin alegerea adecvata a tipului de fibra (cel mai indicat) sau printr-o alegere adecvata a modului de codificare a datelor (exemplu: banda obtinuta pentru o codificare UPRZ este dubla fata de cea pentru o codificare UPNRZ). 22
Diferenta dintre timpii absoluti de propagare ai celei mai lente si celei mai rapide raze care se pot propaga printr-o fibra optica multimod se numeste constanta de dispersie a fibrei si se exprima in ns/km. Dispersia totala va fi egala cu produsul dintre constanta de dispersie si lungimea total ă a fibrei (L) :
Pulsul de lumină ce se propagă printr-o fibră multimod trebuie să fie văzut ca un număr mare de subpulsuri, fiecare avînd al său unghi de cădere în fibră. Astfel pulsurile de lumină vor urma diferite raze (traiectorii) de propagare prin fibră. Lungimea traiectoriilor de propagare variază datorită unghiurilor de incidenţă şi de reflexie. Pulsurile de lumină emise simultan vor ajunge la sfîrşitul fibrei în timpuri puţin diferite. Poate fi descris acest fenomen ca o lărgire a impulsului (în timpul propagării prin fibră) deoarece se măreşte durata impulsului. Fenomenul este extrem de dăunător pentru comunicaţiile prin fibra optică.
Fig.12. Dispersia intermodală Deoarece diferite mode urmează diferite raze de propagare , pulsul de lumină se lărgeşte în raport cu lungimea fibrei.Ca exemplu, lumina se propagă de-a lungul 1 km de fibră în aproximativ 5 μs., iar diferenţa de timp va fi
23
t = 50 ns
.
Intervalul de întârziere a modelor individuale deformează semnalul original sau pulsul de lumină. Dispersia modală (intermodală) cauzează:
reducerea capacităţii de transmitere (Mbit/s);
micşorarea distanţei de transmitere.
Acesta este „natural” reducerea efectelor de dispersie modală într-o fibră. Modele individuale cooperează şi transferă energia de la una la alta. Modele de ordin jos (modele cu unghi mic la axa fibrei) devin mode de ordin înalt (mode cu unghi mare la axa fibrei) după transferul de energie. Cuplarea modelor, apare la punctele de impurităţi în miez, la conectoare şi la îndoituri ale fibrei. În fibrele moderne, este posibil de a micşora cuplarea modelor prin sporirea calităţii fibrei. Rezultatul este sigur neutralizat prin diferenţa de timp t. Această diferenţă nu creşte liniar cu lungimea fibrei, dar în felul următor: lungimea fibrei (L) .
t
(5.2)
Dispersia modală poate fi eliminată total prin reducerea diametrului miezului în aşa fel ca numai o modă, moda LP 01, să poate să se propage în fibră, fibra monomod.
24
7.Dispersia de polarizare Dispersia modală de polarizare, PMD. În fibra monomod în realitate nu se
transmite numai o modă. Întotdeauna se transmit două mode (moda electrică şi moda magnetică). Cînd lumina este introdusă în fibră de laser, aceste două cîmpuri sunt sincronizate cu vectorii de cîmp care menţin unghiul de 90 0 între ei (perpendiculari unul pe altul). Fiecare cîmp reprezintă o „modă” polarizată. Dispersia modală de polarizare poate fi lămurită în felul următor. În fibrele optice monomod nu se propagă numai o modă, dar două fundamentale – două mode cu polarizaţii perpendiculare ale semnalului de intrare. În fibra ideală, adică omogenă după geometrie, două mode se propagă cu aceeaşi viteză. Însă în realitate fibrele optice conţin dimensiuni geometrice neideale (miezul sub formă de elipsă), ce duc la diferite viteze de propagare a acestor două mode cu diferite componente de polarizare şi, prin urmare, duc la apariţia dispersiei modale de polarizare. Diferenţa între timpii de sosire a modelor polarizate se numeşte dispersia modală de polarizare, PMD, şi se măsoară în picosecunde (ps).
Fig.13. Lărgirea impulsului datorită dispersiei 25
modale de polarizare, PMD
Coeficientul PMD al fibrei optice măsurat pentru un kilometru este exprimat în ps/km. Primele fibre optice şi unele fibre optice de calitate inferioară au coeficientul PMD mai mult de 6 ps/km, pe cînd fibrele de calitate înaltă au coeficientul PMD mai puţin de 0,2 ps/km. Organizaţia de standardizare propune ca PMD a unei linii optice nu trebuie să depăşească 1/10 din perioada bitului. A zecea parte din perioada bitului transferă un coeficient maxim de 40 ps pentru sistemul de 2,5 Gbit/s şi 10 ps pentru sistemul de 10 Gbit/s. Pentru o linie de 400 km aceste valori transferă un PMD maxim de
40 / 400
10 / 400
pentru sistemul de 10 Gbit/s. Valoarea de 0,5 acceptată
0.5 ps / km
2 ps / km
pentru sistemul de 2,5 Gbit/s şi
ca valoare standard necesară pentru fibrele cablurilor optice. Lăţimea benzii de transmitere . Mulţi producători de fibre optice şi cablu
nu folosesc în specificaţie dispersia în produsele multimod. În loc de aceasta ei arată produsul lăţimii benzii de transmitere la lungime, sau numai banda de transmitere, exprimată în megaherţi pe kilometru.
k et
er
,
Fibra 400 MHzkm i s n ar t e d a e i g n u L
Viteza de transmisiune, MHz
26
Fig.14. Dependenţa lungimii de transmitere de lăţimea benzii de transmisiune pentru fibra 400 MHz km
Banda de transmitere de 400 MHzkm înseamnă posibilitatea de a transmite semnalul în banda 400 MHz la distanţa de 1 km. Aceasta de asemenea înseamnă, că produsul frecvenţei maximale a semnalului la lungimea de transmisiune poate fi mai mică sau egală cu 400. Cu alte cuvinte, se poate de transmis un semnal de o frecvenţă mai joasa la o distanţă mai mare sau de o frecvenţă înaltă la o distanţă mai mică, cum este reprezentat în fig.5.5. Banda frecvenţelor de lucru (banda de transmisiune) a cablurilor optice determină numărul de canale de comunicaţii transmise prin el şi este limitat de dispersia fibrelor optice.
În fig.5.6 este reprezentat caracterul variaţiei dispersiei de transmisiune
F
şi capacitatea
a fibrelor optice în dependenţă de lungimea liniei.
Micşorarea valorii F din cauza dispersiei până la o valoare admisibilă limitează distanţa de transmisiune prin cablurile optice.
Lungimea liniei
Fig.15. Dispersia capacitatea de transmisiune F a fibrei optice de diferită lungime
27
Banda de transmisiune determină cu ajutorul relaţiei
F depinde de lărgirea impulsurilor F
1/
şi se
.
5.1.3. Îndeplinirea lucrării : Dispersia maximă acceptabilă (sau lărgirea pulsului) Δtmax exprimată prin rata de transmisie R prin următoarea formulă t
1 4R
.
(5.7)
Această formulă garantează lipsa interferenţei intersimbol (ISI) datorită lărgirii impulsului. Pentru fibra monomod standard cu un transmiţător diodă de laser cu modulare directă, lărgirea pulsului datorită efectului (dispersiei) cromatic este dat cu relaţia t
L D
,
unde Δt = lărgirea pulsului (ps); • L = lungimea fibrei(km); • D(λ) = factorul dispersiei cromatice (ps/nm-km); • λ = lungimea de undă(nm); • Δλ = lărgimea spectrală a emiţătorului (nm); Factorul de dispersie cromatică poate fi calculat cu formula
28
(5.8)
D
S0
4
4
3
0
,
(5.9)
unde S0 =panta nulă de dispersie (ps/nm2-km); λ0 = lungimea de undă cu dispersia nulă (nm). Lungimea fibrei limitată de dispersie este valoarea L cînd Δt = Δtmax. Notaţi, că poate fi lărgit adiţional pulsul datorită timpurilor de creştere a emiţătorului şi receptorului. Întrucât aceasta se ea în considerare în formule, rezultatele simulării trebuie să fie verificate pentru a accepta realizarea sistemului. Calculele preventive:
29
Tabelul 1. Specificaţiile sistemului Rata de transmisie
2.5
Gb/s
Puterea de ieşire
0
dBm
Transmitter Lungimea de undă 1550
nm
Lărgimea spectrală
nm
Panta
nulă
0.6
de 0.09
dispersie Lungimea de undă
ps/nm2km
1312
nm
0
dB
Fiber cu dispersia nulă Eficienţa de cuplaj intrare/ieşire Factorul de atenuare al fibrei şi eficienţele de cuplaj sunt egale cu 0 pentru a izola efectele de dispersie de la acele de atenuare. Folosind informaţiile din tabel( şi datele despre fibră) şi teoria de mai sus, determinaţi lungimea fibrei limitată de dispersie.
Sistemul Deschideţi fişierul Optiperformer numit “Dispersion Limited Fiber”. Acest sistem foloseşte o diodă laser cu parametrii impliciţi. Sistemul modelează o diodă laser modulată direct bazată pe un model de ecuaţie standard. Unul dintre efectele acestui model este că el generează un semnal cu o lărgime 30
spectrală de 0. 6 nm pentru parametrii impliciţi de 2.5 GB/s, cu modulare RZ (întoarcere la zero). În schemă există câţiva Vizualizatoare. Visualizatorul “Optical Time Domain” permite utilizatorului să vadă semnalul simulat ca funcţia de timp. Unul se află la ieşirea laserului şi unul la sfârşitul fibrei. Această permite utilizatorului pentru a observa direct schimbările pulsurilor din cauza dispersiei fibrei. Optical Spectrum Analizor permite utilizatorului a vizualiza conţinutul spectral al semnalului. În acestă lucrare de laborator se verifică dacă lărgimea spectrală este aproximativ 6 nm. Analizorul BER furnizează valorile factorului Q, probabilitatea de apariţie a erorii ( BER) şi diagrama ochi.
Fig.16. Schema sistemului de măsurare a dispersiei Simulare:
31
Configuraţi puterea laserului în aşa fel încît să realizaţi la la ieşirea de transmiţătorului o putere de 0 dBm. Puterea transmiţătorului poate fi vizualizată prin dublu-clic pe Visualizatorul Output Power Meter. Puterea este 100 dBm până când prima rulare nu este făcută. Folosind ecuaţia de factorului de dispersie cromatică, determinaţi dispersia fibrei la 1550 nm şi prin urmare configuraţi parametrul de dispersie. Folosind ecuaţiile de mai sus, determinaţi lungimea fibrei limitată de dispersie. Simulaţi de 5 ori cu următoarele valori pentru lungimea de fibră:
Iteration 1
Fiber Length Calculated dispersion-limited fiber length
2
25 km
3
50 km
4
75 km
5
100 km
După prima rulare, folosiţi analizorul spectrului optic pentru a verifica dacă lărgimea spectrală la ieşirea transmiţătorului este de 0.6 nm. Pentru a face aceasta, faceţi un clic drept pe conspiraţia de spectru şi alegeţi Marker. Plasaţi un marker pe ambele părţi ale semnalului principal. Spectrul este zgomotos, în
32
aşa fel nu se poate obţine o măsurătoare exactă, dar trebui să fie clar că lărgimea spectrală este de 0.61nm. Pentru fiecare iteraţie: Folosiţi analizorul BER pentru a măsura şi înregistraţi f actorul Q, factorul de eroare şi diagrama ochi. Folosiţi analizoarele optice în domeniul de timp pentru a compara lăţimea de puls la intrarea şi ieşirea fibrei.
33
8.Concluzie:
Disoersia în fibrele optice limitează calitatea transmiterii
semnalului. Atît dispersia cromatică, cât și dispersia de polarizare trebuie să fie măsurat pentru a evalua potențialul de upgrade a rețelelor spre viteze de transmitere mai mari, sau pentru a evalua necesitatea compensării. Deși e greu de facut lucrul acesta este necesar ca sa-l ridicam nivelul performanți odată cu micșorarea erorilor de biți transmiși prin fibrele optice.
34
