Principiul transmisiei cu fibră optică, cabluri optice
Fibra optică reprezintă mediul ideal pentru reţelele
de mare viteză şi întindere medie şi mică datorită unor avantaje certe date de caracteristicile sale de transmisie. Firma Aurocon COMPEC pune la dispoziţie o gamă largă de produse în domeniul sistemelor bazate pe fibre optice: cabluri de fibră optică cu diferite performanţe, conectoare specifice, adaptoare, amplificatoare, elemente auxiliare, scule şi truse de scule necesare realizării şi întreţinerii
sistemelor şi nu în ultimul rând echipamente de testare specifice.
Sistemele de comunicaţie cu fibre optice au o importanţă din ce în ce mai mare în transmisia şi prelucrarea datelor deoarece oferă o serie de avantaje suplimentare comparativ cu sistemele bazate pe transmisia informaţiei pe cale electronică. La sistemele optice semnalele sunt transmise sub formă de lumină (fotoni), fără sarcină electrică, şi de aceea nu sunt afectate de câmpuri electrice cum sunt cele ce apar în echipamentele de tensiune înaltă sau în timpul descărcărilor electrice. Similar, câmpurile magnetice, cum sunt cele produse de motoare şi transformatoare, nu au efect asupra transmisiei optice. Nu există probleme de interacţiune între canale învecinate de comunicaţie, deoarece fluxul luminos foarte redus ce s-ar pierde din fibra optică este reţinut în învelişul opac din jurul fibrei, asigurând că semnalele optice nu interferă chiar dacă fibrele sunt foarte apropiate una de cealaltă. Lipsa oricărei pierderi de semnal din fibră spre exterior asigură şi o securitate perfectă a transmisiei, fiind imposibilă măsurarea semnalului din exteriorul fibrei.
Natura fibrei optice asigură că aceasta poate funcţiona în orice condiţii atmosferice şi poate fi imersată în majoritatea fluidelor. Masa, dimensiunile reduse şi rezistenţa mecanică ridicată sunt utile în majoritatea aplicaţiilor. Izolarea electrică perfectă este un avantaj evident, oferind o libertate mai mare în proiectarea emiţătorului, a liniei de transmisie şi a receptorului, eliminând şi necesitatea buclelor de împământare.
Avantajul cel mai important este însă banda de frecvenţe mai ridicată şi pierderile de transmisie mai reduse. La orice cablu coaxial sau paralel banda de frecvenţe variază invers proporţional cu pătratul lungimii, în timp ce la fibra optică aceasta variază doar invers proporţional cu lungimea. Rezultă posibilitatea unor lungimi mari de tronson de fibră optică. Se remarcă o capacitate mare de transmisie şi viteze mari de transfer.
O schemă de principiu a unei linii de transmisie a informaţiei folosind fibra optică este indicată în figura 1.
PRINCIPIUL COMUNICAŢIEI CU FIBRĂ OPTICĂ
Cablul cu fibră optică este format dintr-un fir de material sticlos numit miez, acoperit cu un înveliş numit manta. Proprietăţile de difracţie ale celor două medii de sticlă sunt diferite. La exterior ele sunt protejate de un înveliş de protecţie. Energia luminoasă se propagă în interiorul fibrei optice într-un număr finit de configuraţii. Fiecare astfel de configuraţie, numită mod, are propriile proprietăţi de propagare. Fibra optică ce permite folosirea mai multor moduri de propagare poartă denumirea de fibră multimodală.
Pentru înţelegerea corectă a modului de utilizare şi a parametrilor caracteristici ai fibrelor optice este necesară o înţelegere corectă a modului de funcţionare.
Fibra optică transmite lumina pe principiul reflexiei interne totale. Razele de lumină ce ajung la suprafaţa de separaţie dintre două medii optic transparente cu densităţi diferite suferă o refracţie, schimbându-şi direcţia conform legii lui Snell:
n1 sin(q1)= n2 sin(q2)
unde n1 şi n2 sunt indicii de refracţie pentru cele două medii. La o anumită valoare a unghiului q1, va apare o refracţie cu unghi q2=90O, deci razele de lumină rămân în mediul iniţial de propagare. Acest unghi limită (critic) este egal cu:
Apertura numerică
La o fibră optică razele ce intră sub un unghi faţă de suprafaţă fibrei, mai mare decât un unghi limită dependent de unghiul limită de reflexie absolută sunt reflectate intern integral de mai multe ori şi ies doar prin celălalt capăt al fibrei. Razele de lumină ce intră sub un unghi mai mare decât acest unghi limită pierd o parte din energie la fiecare reflexie şi se atenuează pe traseu.
Unghiul limită faţă de suprafaţa fibrei la care poate intra o rază de lumină pentru a ieşi prin celălalt capăt al fibrei, denumit şi unghi de acceptare, este dat de relaţia:
considerând propagarea prin aer înainte de intrarea în fibră şi n1 indicele de refracţie al materialului fibrei, iar n2 indicele de refracţie al învelişului exterior al fibrei.
Apertura numerică se defineşte ca sin(qa) .
Modurile de propagare
Razele de lumină ce se propagă prin fibrele optice pot fi clasificate ca meridionale şi de rotaţie. Razele meridionale sunt acelea care intersectează axa fibrei în timpul propagării, după fiecare reflexie internă, în timp ce razele de rotaţie nu intersectează niciodată axa fibrei. Există de asemenea şi raze paralele cu axa fibrei, care se propagă prin fibră fără a fi reflectate. De interes pentru propagarea semnalelor prin fibrele optice sunt razele meridionale.
Şi acestea se pot grupa în două categorii: cu mod de ordin redus şi cu mod de ordin ridicat. Modurile de ordin redus includ acele raze care care intră sub unghi redus în interiorul unghiului de acceptare în timp ce modurile de ordin înalt includ razele ce intră sub unghi mare. Fibrele monomodale sunt acelea la care zona centrală şi apertura numerică sunt atât de mici încât prin fibră se poate propaga un singur mod. Există şi alte moduri dar aceastea se atenuează rapid.
Construcţia fibrelor
Există două tipuri constructive utilizate cel mai des: fibrele cu index variabil în trepte şi fibre cu index gradat. Fibrele cu index variabil în trepte sunt formate dintr-un miez cilindric de sticlă, silica sau plastic cu indicele de refracţie n1, acoperite cu un înveliş subţire cu indice de refracţie mai redus n2. Fibrele cu indice gradat au indicele de refracţie variabil de la o valoare ridicată în centru până la o valoare redusă la margine. Aceasta face ca razele să se propage ca în figura 4.
Dispersia
În fibrele optice există două tipuri de dispersie, ce limitează lăţimea de bandă a semnalului: dispersia de material şi dispersia modală.
Dispersia de material este datorată propagării undelor de diferite lungimi de undă cu viteze diferite, chiar în acelaşi mediu de propagare. În consecinţă unde cu lungimi de undă diferite emise de sursă nu vor ajunge la receptor simultan şi vor avea o dispersie în timp datorită propagării în durate de timp diferite. Acesta fenomen este redus folosind un emiţător cu spectru îngust de emisie, de genul unui laser.
Dispersia modală este produsă de diferenţa de drum de propagare dintre modurile de ordin redus şi cele de ordin înalt. După cum se poate observa şi din figurile 3 şi 4, modurile de ordin înalt au o durată de propagare mai ridicată decât cele de ordin redus şi simultan razele de lumină suferă o dispersie la recepţie. La fibrele cu index variabil în trepte dispersia modală poate fi redusă prin scăderea aperturii numerice pentru a permite numai modurilor de ordin redus să se propage. La fibrele cu index gradat efectul este redus deoarece modurile de ordin înalt se propagă cu viteză mai mare prin regiunile de index mai redus, astfel că diferenţa de timp dintre modurile de ordin înalt şi cele de ordin redus nu este atât de mare ca la fibrele cu index variabil în trepte.
Dispersia este în general o problemă numai la distanţe mari de comunicaţie şi în consecinţă pentru aceste aplicaţii se folosesc fibre cu index gradat împreună cu emiţătoare laser, deşi preţul acestor fibre este mai mare decât al celor cu index variabil în trepte. La distanţe scurte (< 500m) sunt preferate fibrele cu index variabil în trepte, cu bandă mai redusă, datorită costului sensibil mai redus şi a metodelor de cuplare mai simple.
Pierderi de transmisie
Există patru cauze principale de pierderi în fibrele optice: absorbţia în material; împrăştierea în material; neregularităţi la interfaţa miez/înveliş; curbura.
Absorbţia în material
Absorbţia în material este datorată impurităţilor moleculare din miezul fibrei, care absorb anumite lungimi de undă. Procesele de purificare avansată aplicate în faza de elaborare a materialului reduc semnificativ aceste fenomene dar sunt costisitoare. O altă soluţie este utilizarea unui emiţător care să aibă vârfurile spectrului de emisie în domeniul spectral cu transmisie maximă a materialului. Spre exemplu, fibrele din plastic au absorbţie minimă între 630 şi 670 nm şi sunt de aceea recomandate a fi utilizate cu emiţători în lumină roşie, vizibilă.
Împrăştierea în material
Împrăştierea în material este produsă de impurităţi sub formă de particule şi de fluctuaţii în temperatură şi compoziţie (împrăştierea Rayleigh) care întrerup traiectoria razelor de lumină. O comportare similară poate fi produsă şi neregularităţilor la interfaţa miez/înveliş ce conduc la transmisie în înveliş şi la piedere de energie datorită reflexiei parţiale.
Curbura
Curbura fibrei poate fi deasemenea o cauză de pierderi. Dacă curbura este prea mare unele raze vor atinge suprafaţa de separare miez/înveliş la unghiuri mai mici decât unghiul limită de reflexie şi vor fi absorbite în înveliş, conducând la o pierdere de reflexie.
Cauzele de pierderi menţionate contribuie la atenuarea globală, evaluată în dB/km.
Pierderi de cuplare
La proiectarea unui sistem de transmisie cu fibră optică, suplimentar faţă de pierderile inerente din fibre, trebuiesc luate în considerare şi pierderile din elementele de cuplare.
Există trei mecanisme de pierderi: fibră-la-fibră (individual), fibră-la-fibră (global – în pachet) şi fibră la emiţător/receptor. Pierderile sunt datorate unui număr mare de cauze, în particular reflexiei pe suprafeţele frontale, nealinieri uşoare datorită toleranţelor de fabricaţie şi a distanţei de separaţie dintre suprafeţele frontale ale fibrelor. Această distanţă este realizată din construcţia elementelor de cuplare pentru a se evita zgârierea suprafeţelor datorită contactului.
Atenuarea totală
Atenuarea totală se calculează cu relaţia:
unde FT, FR sunt puterile [mW] transmisă şi respectiv recepţionată, iar: aT – pierderea la cuplajul dintre fibră şi emiţător; aC1 – pierderea în cablul 1; naCOM – pierderile totale de cuplare datorate celor n conectori de pe traseu; aC2 – pierderea în cablul 2; aR – pierderea la cuplajul dintre fibră şi receptor.
Tipuri de cabluri cu fibre optice
Fibrele optice pot fi folosite doar pentru realizarea de conexiuni punct la punct. Pentru realizarea acestor conexiuni sunt necesare dispozitive opto-electronice: emiţătoare şi receptoare. Atenuarea semnalului luminos depinde de lungimea de undă a acestuia. Pentru comunicaţiile optice se folosesc lungimi de undă din afara spectrului vizibil, şi anume în gama 750-1600 nm.
Pentru reţelele locale sunt folosite următoarele categorii de cabluri cu fibră optică:
– cablul “tight” – utilizat pentru cablarea interioară a clădirilor; miezurile sunt protejate de mantale rezistente la foc şi cu degajare redusă de gaze toxice; în centrul cablului se află un material dielectric;
– cablul “loose” – folosit pentru cablări în exteriorul clădirilor; trebuie protejat împotriva umidităţii;
– cablul “slotted core” – folosit tot pentru cablări în exteriorul clădirilor, rezistent la umiditate.
La realizarea conectării fibrei optice se folosesc două tipuri de interfeţe:
– interfaţa pasivă este realizată cu ajutorul a două conectoare baionetă, înfipte în conductor; unul conţine un LED pentru transmiterea datelor, iar celălalt conţine o fotodiodă pentru recepţionarea acestora;
– interfaţa activă (sau repetor activ) cuprinde trei aşa-numite etaje: 1) etajul care recepţionează semnalul optic şi îl transformă în semnal electric; 2) etajul care amplifică semnalul electric;
3) etajul care transformă semnalul electric amplificat în semnal optic şi îl transmite pe fibră. În cazul interfeţelor active, căderea unei componente nu va afecta transmiterea datelor pe tronson, ci doar va întrerupe conectarea acesteia la tronson.
Datorită caracteristicilor enumerate, transmisiile prin fibră optică cunosc aplicaţii din cele mai variate, cum ar fi: transmisii de date în reţele de comunicaţie de medie şi mică întindere, aplicaţii medicale – dispozitive de investigare în lumină vizibilă, iluminare microscoape, aplicaţii industriale – dispozitive de investigare, e.t.c. Firma Aurocon COMPEC pune la dispoziţie o gamă largă de produse în domeniu, începând de la cabluri de fibră optică cu diferite performanţe, conectoare specifice, adaptoare, amplificatoare, elemente auxiliare, scule şi truse de scule necesare realizării şi întreţinerii sistemelor bazate pe fibră optică şi nu în ultimul rând echipamente de testare specifice. În acest prim articol se doreşte o scurtă trecere în revistă a câtorva tipuri de cabluri pentru sisteme pe fibră optică.
Cablu optic LSF Simplex
Acestea sunt cabluri optice multimodale, de înaltă calitate, utilizabile pentru aplicaţii de LAN. Suportă o serie întreagă de protocoale de comunicaţie precum Ethernet şi Token Ring, precum şi servicii de transmisie imagine şi sunet.
LSF Simplex are o singură fibră optică, este de tip “tight” LSF/0H (Low Smoke and Fume, Zero Halogen Sheath – protejată de manta rezistentă la foc şi cu degajare redusă de gaze toxice) Se recomandă utilizarea pentru cablarea interioară a clădirilor. Fibra este înconjurată cu fire de Kevlar pentru sporirea protecţiei şi rezistenţei.
Cablu optic LSF Duplex este similar cu cel anterior, numai că este vorba de două fibre optice pentru conexiune duplex.
Cablu optic Intern/Extern LSF
Este un cablu cu 8 fibre optice (62•5/125mm), nemetalic, protejează fibrele împotriva umidităţii, şi este realizat din material cu emisie redusă de fum. Aceste caracteristici îl fac util şi pentru cablare în mediul exterior.
Cablu optic LSF Light Duty
Şi acesta este tot un cablu de înaltă calitate potrivit pentru aplicaţii de tip LAN. Conţine 4 fibre şi este realizat cu scopul de a oferi flexibilitate, rezistenţă şi diametrul exterior mic. Acestea permit cablurilor să fie instalate în tuburi foarte subţiri sau canale de cablu din PVC, montate aparent pe perete. Fibrele din interiorul cablului sunt protejate individual de mantale colorate de 900mm înconjurate cu fire de aramid. Cablurile sunt de emisie slabă de fum (Low Smoke and Fume/Zero Halogen). Fibrele sunt deasemenea protejate cu fire de Kevlar pentru a adăuga protecţie şi rezistenţă.
Cablu optic universal LSZH
Pentru aplicaţii de LAN.
Cele 4 fibre optice sunt protejate de mantale primare colorate (250mm), protejate la rândul lor de un material de tip gel polyester aflat într-un tub central. Acesta este înconjurat de fire de Aramid ce oferă rezistenţă, învelite într-o manta neagră LSF/OH. Rezistenţă la apă şi la UV.
Tabel comparativ
Cablu optic simplu/dublu din polimer
Acest cablu, produs de Fibre Data, reprezintă o fibră din polimer simplă sau dublă (pentru aplicaţii duplex). Atenuarea este tipic 200 dB/km la 665 nm (atenuarea creşte peste această valoare, la 820 nm, ajungând la 1500 dB/km). Caracteristicile de transmisie pentru acest cablu optic sunt astfel gândite încât cel mai bine se lucrează în lumină vizibilă. Apertura este de (NA) 0•47. Fibra este învelită în polietilenă neagră pentru protecţie. Temperatura de lucru este:-30°C la +85°C.
Cu ajutorul acestor cabluri optice se pot dezvolta sisteme în lumină vizibilă roşie, ieftine, pentru legături de date de lungime mică, sisteme de laborator pentru mediul educaţional, sisteme de iluminare la microscoape, iluminare zone greu accesibile e.t.c.
În cazul transmisiilor de date se pot realiza viteze de 10 Mbits/s la distanţe de până la 20 m.
Cabluri cu conectori
Fireşte că utilizarea cablurilor optice se va face împreună cu conectorii meniţi a realiza legăturile fie între un sistem optic şi altul, fie pentru cuplare la circuitul receptor sau emitor. Firma Aurocon COMPEC oferă şi cabluri de fibră optică cu conectori montaţi. Aceastea aduc un mare avantaj, deoarece se elimină munca destul de dificilă a montării conectorilor, lucru ce necesită scule speciale, şi deasemenea se garantează calitatea conexiunii, diminuând la maxim pierderile la conectare. Astfel performanţele legăturilor prin cablu optic pe distanţe mici pot fi maximizate, cablurile cu conectori deja montaţi având caracteristici garantate. Nu vor putea fi prezentate în acest articol toate tipurile de cabluri cu conectori montaţi, deoarece sunt foarte multe posibilităţi, acoperind practic necesarul oricăror aplicaţii. Alegerea va depinde de tipul de cablu dorit, lungimea sa (există lungimi diferite posibil a fi selectate, între 2 şi 100 m), perechea de conectori ce se doreşte la capetele cablului, pe scurt dictează aplicaţia.
În numerele viitoare, se va continua tratarea problematicii conectării prin fibră optică prin evidenţierea de tipuri de conectori şi adaptoare, scule necesare pentru montarea acestora pe cablul de fibră optică, şi nu în ultimul rând echipamente de testare pentru sistemele de transmisie prin fibră optică, oferite de firma Aurocon COMPEC.
www.compec.ro