Din punctul de vedere al opticii, pentru a obtine informatii despre un obiect
trebuie indeplinite cel putin trei conditii si anume: (a) obiectul sa
fie luminos, adica sa emita lumina direct sau indirect, (b) lumina care provine
de la obiect sa fie transmisa catre locul unde se face detectia fara pierderi
prea mari si (c) cantitatea de lumina care ajunge la locul de detectie sa fie
suficient de mare. Observam ca mediul prin care se transmite informatia optica
este de importanta esentiala pentru ca semnalul optic transmis sa nu fie “mutilat”
sau distorsionat. z8e19ee
Chiar si in cazurile cand ne intereseaza doar simpla observare a
obiectelor, dispozitivele si aparatele optice clasice sau devin prea complicate
sau nu pot rezolva o anumita problema de rezolvare. Sa luam doar un singur exemplu:
cei care lucreaza in domeniul medical sunt interesati sa dispuna de metode
rapide si sigure de explorare a anumitor parti interne sau organe interne ale
organismului uman. Metodele clasice, bazate pe folosirea lampilor cu incandescenta,
nu numai ca sunt greoaie si implica iluminari mici, dar prezinta si riscuri
datorita folosirii conexiunilor electrice. Toate aceste dificultati sunt eliminate
daca iluminarea se face din afara prin intermediul unei fibre optice subtiri.
Insa fibrele optice sunt deja folosite pe scara larga in tehnica
comunicatiilor sau de transmitere a imaginilor. Aceasta posibilitate este faciliata
de natura electromagnetica a luminii, frecventa undelor luminoase fiind mult
mai mare decat cea a undelor radio. Antr-un context mai general
fibrele optice reprezinta un domeniu al opticii integrate, iar progresele care
vor fi obtinute in cadrul opticii integrate vor depinde foarte mult de
progresele ce se vor realiza in domeniul fibrelor optice.
Ca domeniu al opticii, care a aparut exclusiv din necesitati practice dintre
cele mai diverse, fibrele optice au cunoscut o dezvoltare rapida dupa anul 1950
ca rezultat al obtinerii primelor fibre optice cu performante ridicate. Principiul
de functionare al fibrelor optice este asemanator, din multe puncte de vedere,
cu principiul de transmitere a luminii printr-o bagheta de sticla transparenta.
Teoretic, lumina poate fi transmisa printr-o astfel de bacheta de sticla optica,
daca indicele de refractie al sticlei este mai mare decat indicele de
refractiei al aerului. Din punct de vedere practic insa, neomogenitatile
de compozitie si de prelucrare, precum si impuritatile de pe suprafata materialului
implica piederi foarte mari de lumina de-a lungul parcursului luminii. Pe de
alta parte, natura electromagnetica a radiatiei luminoase arata ca pot aparea
pierderi de lumina si fenomene parazite care limiteaza drastic posibilitatile
de folosire practica a fibrelor optice.
Indiferent de domeniile in care se folosesc, fibrele optice sunt ghiduri
de lumina folosite pentru transmiterea informatiilor cu piederi mici de energie
dintr-un loc in alt loc. Vom analiza transmiterea radiatiei luminoase
prin fibrele optice din punctul de vedere al opticii geometrice si din punctul
de vedere al opticii ondulatorii.
FIBRA OPTICA SIMPLA
Prin fibra optica simpla intelegem un mediu optic transparent, de mare
lungime, cu sectiunea transversala circular simetrica si indicele de refractie
constant sau radial variabil, separat de un alt material cu indicele de refractie
constant si mai mic, pentru ca la suprafata de separare sa se produca reflexia
totala a radiatiei luminoase, fara pierderi. Dupa mudul de variatie radiala
a indicelui de refractie al materialului transparent, denumit miezul fibrei
optice, distingem mai multe tipuri de fibre optice reprezentate in figura
8.1. Invelisul fibrei optice are si rolul de aproteja de impuritati suprafata
de separare dintre miez si invelis, la care se produce fenomenul de reflexie
totala. Tehnologia de obtinere a fibrelor optice este prezentata de Tader si
Spulber (1985).
CONSIDERATII DE OPTICA GEOMETRICA
Propagarea radiatiei luminoase prin fibra optica poate fi analizata din punctul
de vedere al opticii geometrice atunci cand diametrul miezului fibrei
optice este mare comparativ cu lungimea de unda a radiatiei luminoase (efectele
de difractie se neglijeaza). Daca diametrul miezului fibrei optice este de acelasi
ordin de marime cu lungimea de unda a radiatiei luminoase, analiza trebuie facuta
in cadrul opticii ondulatorii. In aceasta sectiune vom considera
ca sunt implinite conditiile de aplicabilitate a opticii geometrice.
In limbajul opticii geometrice, radiatia luminoasa incidenta la limita
de separare dintre miezul fibrei (cu indicele de refractie n1 ) si invelisul
protector (cu indicele de refractie n2, n1 > n2) va fi reflectata total si
deci se va propaga fara pierderi de-a lungul fibrei optice, daca unghiul de
incidenta ? este mai mare sau egal cu unghiul limita l (0>l), unde unghiul
limita este dat de relatia sin l=n2/n1=1/n21 (8.1)
Fie o fibra optica cilindrica cu sectiunea transversala, circulara de raza R0
si cu indicele de refractie n1=constant, inconjurata de un mediu protector
cu indicele de refractie n2=constant si fie SI o raza de lumina, care intersecteaza
axa de simetrie a fibrei, incidenta pe suprafata plana a fibrei optice, perpendiculara
pe axa de simetrie, sub unghiul de incidenta i, asa cum se arata in figura
8.2. Dupa ce sufera refractia la suprafata plana sub unghiul de refractie r,
dat de relatia r=arc sin (n0/n1 sin i), (8.2) unde n0 este indicele de refractie al mediului din care lumina patrunde in
fibra, raza de lumina ajunge la suprafata de separare dintre miezul fibrei si
mediul protector sub unghiul de incidenta ? dat de relatia
?=p/2-r. (8.3)
Conform relatiilor (8.1)- (8.3), conditia de reflexie totala in punctul
I’ este data de relatia sin ?=cos r=(1-sin²r)½=(1-n²0 /n²1 sin²i)½>n2/n1,
(8.4a) sau
(n1²-n2²)½=sin imax>sin i. (8.4b)
Aceasta inseamna ca orice raza de lumina, incidenta pe suprafata plana
a fibrei optice sub unghiul de incidenta i mai mic decat unghiul imax,
dat de relatia (8.4b), va fi trapata in fibra optica (raza trapata). Unghiul
de refractie maxim pentru o raza trapata este dat de relatia sin rmax= n0 sin imax= (1- n2²)½ . (8.4c) n1 n1²
Apertura numerica (A.N.) a fibrei optice este
A.N.= n0 sin imax= (n1²-n2²)½ .
Fig 8.3. Distanta de la axa de simetrie la drumurile succesive parcurse de raza
in interiorul fibrei optice este o marime constanta, notata cu dc . De
asemenea si unghiul de incidenta ? din interiorul fibrei ramane constant,
fiind dat de relatia cos ?= sin r cos?= n0 sin i cos ? n1 unde sin ?= dc/R0. In functie de unghiul de incidenta la intrare,i, conditia
de trapare a razei de lumina se scrie n0 sin i< A.N. sec ?. Razele incidente
care nu intersecteaza axa de simetrie a fibrei optice determina o apertura numerica
virtuala (A.N.V.) care se poate calcula folosind relatia
A.N.V.= n0 sin imax= (n1²-n2²)½ sec ? .
Intrucat nu toate razele de acest fel sunt trapate de fibra optica,
chiar daca se indeplineste conditia i < imax, apertura numerica efectiva
(A.N.E.) se calculeaza cu ajutorul relatiei
(A.N.E.)²= n0²- 2 Aa(n0²-n1²+n2²)i½+an0²-2(n1²-n2²)iarccosa(n1²-n2²)½/n0iS
, p pentru obtinerea careia s-au luat in consideratie toate razele de lumina,
indiferent daca intersecteaza sau nu axa de simetrie, iar fibra optica s-a considerat
perfect cilindrica.
Cand suprafata plana, a fibrei opice, prin care intra lumina, este oblica
fasa de axa de simetrie, conul razelor trapate va fi si el oblic, la iesirea
din fibra, fata de axa de simetrie. Reprezentarea schematica a formei fasciculului
incident si de forma suprafetei prin care intra lumina, este data in figurile
8.4 a, b, c.
Daca fibra optica este conica, asa cum se arata schematic in figura 8.5,
unghiul de incidenta al unei raze trapate in interiorul fibrei se modifica
de-a lungul acesteia, raza de lumina putandu-se chiar intoarce la
suprafata de intrare. Conditia de trapare a unei raze de lumina care intersecteaza
axa de simetrie a fibrei conice este data de relatia n0 sin i= n1 sin r= n1R2 sin rx< (n1²-n2²)½ R2 ,
R1 R1 unde R1 este raza suprafetei de intrare, iar R2 raza suprafetei de iesire ale
fibrei conice. Apertura numerica a fibrei optice conice este mai mica de R1/R2
ori decat apertura numerica a fibrei optice cilindrice. Obtinerea unei
cat mai mari concentratii spatiale de lumina se poate realiza prin conicizarea
fibrei optice, insa acest lucru este acompaniat de cresterea divergentei
unghiulare a fasciculului de lumina. Putem creste suprafata iluminata de fascicul
micsorand unghiul de convergenta al conului.
Prin Curbarea fibrei optice anumite raze de lumina initial trapate pot trece
in mod radiativ. In practica razele de curbura sunt mari, incat
pierderile radiative sunt neglijabile, ceea ce asigura un mare avantaj fibrelor
optice ca ghiduri de lumina. Curbarea fibrei optice distruge simetria axiala.
Efectul curbarii se manifesta cel mai pregnant asupra razelor de lumina din
planul de curbura care intersecteaza axa; de aceea, pentru inceput vom
lua in consideratie numai astfel de raze, reprezentarea schematica fiind
data in figura 8.6. Raza de lumina care intra in fibra optica in
punctul I’’ este refractata sub unghiul de refractie r, iar unghiul
de incidenta ?1 in punctul I``, obtinut prin aplicarea teoremei sinusului
in triunghiul I`I``O va fi sin ?1=Rc-R0 sin I``I`O=Rc-R0 cos r .
Rc+R0 Rc+Ro
Unghiul de incidenta pentru urmatorul punct de incidenta, I``, va fi ?2=p-r
2 iar drumul parcurs de raza de lumina intre doua reflexii succesive va
fi d= I`I``= (Rc+R0) sin ß , cos r
Rezultatul obsinut evidentiaza faptul ca in cazul fibrelor optice cu indici
de refractie care difera foarte pusin unul de altul, chiar si micile curbari
ale fibrei optice distrug efectul de trapare a razelor de lumina.
CONSIDERATII PE BAZA OPTICII ELECTROMAGNETICE
Multe fenomene care apar la ghidarea luminii prin fibrele optice nu pot fi
abordate in cadrul opticii geometrice; pentru explicarea lor trebuie folosita
optica electromagnetica. Asemanarea ghidurilor de unda rectangulare, fibrele
optice cu sectiunea transversala circulara pot suporta mai multe moduri. Calitativ,
modurile pot fi descrise in raport de variatia radiala a campului
cu maxime sau minime pe axa de simetrie si cu maxime aditionale de-a lungul
razei miezului. Acestea din urma se noteaza cu litera m. Modurile stationare
sunt caracterizate de un camp care scade monoton in afara miezului
fibrei optice.
Concomitent cu variatia radiala poate aparea si o variatie azimutala; campul
poate vira ciclic in apropierea circumferintei. Lungimea circumferintei
trebuie sa corespunda unui numar intreg l de cicluri. Daca lumina este
polarizata liniar (PL), diferitele moduri sunt caracterizate prin notatii simbolice
de forma PLlm.
Atenuarea fasciculului de lumina in timpul propagarii de-a lungul fibrei
optice se datoreaza in principal urmatoarelor cauze:
-reflexiei la suprafata de intrare in fibra optica;
-imprastierii si absorbtiei in materialul fibrei optice;
-reflexiei totale incomplete la limita de separare miez-strat.
Atenuarea este mare la inceputul fibrei optice dupa care in fibra
se propaga numai modurile trapate ramase.
Fibra optica simpla are deja multiple aplicatii practice. Ea poate fi folosita
ca aparatura de dimensiuni mici in cele mai diverse dispozitive. De asemenea,
ea este folosita pentru transportul energiei radiative in scopuri de incalzire
locala a materialelor. De exemplu, in cuplaj cu o lampa incandescenta
de 100W fibra optica simpla s-a folosit pentru sudarea conexiunilor din dispozitivele
electronice.
Cand sunt implicate densitati mari de energie radianta, transmisa, ca
in cazul cuplarii fibrei optice cu un laser de putere, efectul de solarizare
a materialului limiteza domeniul de aplicabilitate al fibrei optice. De pilda,
pentru o densitate de putere de 15kW/cm² o fibra optica obisnuita, lunga
de 1,5m, isi reduce transmitanta in timp de 7 min de la 0,53 la
0,25, din cauza solarizarii. Folosirea unor materiale optice cu proprietati
superioare a permis obtinerea unor fibre optice in care efectul de solarizare,
in conditiile specificate, determina o reducere a transmitantei in
timp de o ora de numai 10%.
CABLURI DIN FIBRE OPTICE
Desi fibra optica simpla are o mare flexibilitate, datorita faptului ca energia
si cantitatea de informatie transmise prin fibra sunt limitate, se folosesc
cabluri alcatuite din mai multe fibre optice simple.
Cablurile de fibre optice sunt de doua feluri:
1. cabluri necoerente sau ghiduri de lumina, care se folosesc atunci cand
semnalul transmis de o fibra optica simpla a cablului nu este corelat cu semnalele
transmise se celelalte fibre simple ale cablului; in astfel de cabluri
nu este importanta pozitia relativa a diferitelor fibre simple care alcatuiesc
cablul;
2. cabluri coerente, folosite in special pentru transmiterea imaginilor;
la asemenea cabluri pozitia relativa a diferitelor fibre simple care intra in
componenta acestora este de importanta vitala.
CABLURI NECOERENTE
Functia primara a cablurilor necoerente este de a transmite lumina dintr-un
loc in alt loc. Avantajele lor fata de alte dispozitive optice care pot
indeplini acelasi rol sunt flexibilitatea, eficienta ridicata, compactitatea
si posibilitatea de modelare a sectiunii transversale a fasciculului luminos.
Flexibilitatea permite ghidarea luminii dupa drumuri complicate fara sa fie
necesara folosirea oglinzilor sau a prismelor. Eficienta ridicata poate avea
valori mai mari decat unul. Cu ajutorul cablurilor optice se poate modifica
atat forma sectiunii transversale a unui fascicul luminos cat si
numarul de fascicule transmise; un singur fascicul de lumina poate fi divizat
in mai multe fascicule de lumina separate, sau mai multe fascicule de
lumina pot fi combinate intr-un singur fascicul de lumina.
Structura de aranjare a fibrelor optice simple intr-un cablu poate fi
sau hexagonala sau patratica, asa cum se arata schematic in figura 8.8.
Intr-un montaj hexagonal fibrele optice ocupa o fractiune egala cu p/2v3=0,9069
din suprafata unui element de retea (reprezentat punctat in figura), daca
nu se ia in consideratie grosimea staratului protector de material, si
ocupa o fractiune egala cu o,9069 R0/R1 daca se considera si grosimea stratului
protector, R1 fiind raza sectiunii transversale corespunzatoare stratului protector.
Intr-un aranjament patratic fractiunea este de p/4=0,785, ceea ce determina
ca transmitanta acestor cabluri sa fie mai mica decat cea a cablurilor
cu aranjament hexagonal de 2/v3=1,115 ori.
Diametrul fibrelor optice de sticla folosite pentru alcatuirea cablurilor poate
ajunge pana la 0,15mm fara ca flexibilitatea cablului sa se reduca prea
mult. Daca se folosesc fibre optice de material plastic, diametrul maxim poate
fi decca 1,5mm. Prin curbarea (indoirea) cablurilor, cele mai solicitate
sunt fibrele optice exterioare. Astfel de solicitari duc la micsorarea transmitantei
cablului. In cazul cablurilor de sticla transmitanta se stabilizeaza la
o valoare cu cca 1% sau 2% mai mica decat cea initiala dupa aproximativ
100 de solicitari, pe cand la cablurile din fibre de material plastic
transmitanta continua sa se reduca cu cresterea numarului de solicitari.
Temperatura pana la care se folosesc cablurile de sticla depinde de materialul
stratului protector si de materialul folosit pentru unirea fibrelor si poate
fi de pana la 4ooºC, iar temperatura maxima la care se mai pot folosi
cablurile de plastic este impusa de materialul plastic folosit pentru obtinerea
fibrelor.
CABLURI COERENTE
Deoarece fiecare fibra optica simpla, componenta a cablului, poate transporta
o anumita cantitate de energie, corespunzatoare unui anumit element de suprafata
a obiectului, independent si fara influenta fibrelor vecine, cablurile coerente
servesc pentru transmiterea imaginilor dintr-un loc in altul.
Fibra optica este extrasa din furnal pe un tambur, avand insa grija
de a pozitiona spirele succesive ale elicoidului unele langa altele fara
sa se suprapuna. Dupa ce s-a obtinut latimea dorita, se depune un nou strat
prin inversarea sensului de spiralare a fibrei, numarul straturilor depinzand
de numarul de fibre care trebuie sa alcatuiasca cablul. Dupa ce s-a realizat
numarul dorit de straturi, fibrele de pe tambur se taie paralel cu axa tamburului.
Procedeul nu permite obtinerea unor fibre mai subtiri de cca 20 µm, motiv
pentru care se procedeaza la reincalzirea cablului si intinderea
sa obtinandu-se fibre cu diametre de cca 5 µm.
Datorita grosimii finite a materialului invelisului protector, o anumita
cantitate de energie se pierde. Imprastierile din miezul fibrei si la
suprafata fibrelor duc de asemenea la pierderi de energie. Ambele fenomene contribuie
la trecerea luminii dintr-o fibra in alta. In cazul cablurilor nocerente
aceasta duce, in cel mai rau caz, la micsorarea fluxului luminos. In
cazul cablurilor coerente insa trecerea luminii dintr-o fibra in
alta este insosita de micsorarea contrastului din imaginea finala, motiv
pentru care fibrele se acopera cu un strat metalic protector sau cu un strat
opac de sticla.
In general, cele doua tipuri de cabluri optice, coerente si necoerente,
prezinta aceleasi proprietati optice, desi din anumite puncte de vedere pot
aparea deosebiri. De exemplu, folosirea izolatiei pentru prevenirea trecerii
luminii dintr-o fibra optica in ,alta face ca apertura numerica a cablurilor
optice coerente sa fie mai mica din cauza cresterii atenuarii razelor de lumina
mai inclinate fata de axa. In plus, de interes deosebit devine functia
de propagare efectiva.
Izolatia dintre fibre nu este perfecta, incat de aceea, in
fibre poate aparea lumina parazita. Cand iluminarea suprafetei de intrare
a cablului se mentine in conul de lumina cu semiunghiul la varf
i<imax, lumina parazita se poate datora uneia din urmatoarele cauze:
· patrunderea luminii prin materialul dintre miezul fibrei;
· abaterea de la reflexia interna totala;
· imprastierea luminii in fibra sau la suprafata ei;
· curbarea cablului.
Orice defect constructiv al fibrelor optice poate duce la distorsionarea imaginilor.
Aceste distorsiuni include punctele intunecoase datorate fibrelor rupte
sau sparte si deformarile imaginilor datorate alinierii incorecte a fibrelor
in cablu. De cele mai multe ori abaterile de la alinierea axiala determina
o deplasare laterala a imaginii.
APLICATII ALE CABLURILOR
Cand se folosesc in tehnica iluminatului, fibrele optice prezinta
mai multe avantaje fata de sistemele clasice, avantaje care vor fi prezentate
in continuare: a. Fibrele optice permit separarea sursei de lumina de suprafata ce trebuie
iluminata, fapt de importanta esentiala in special in aparatele
optice medicale iintroduse in organism pentru inspectia vizuala
a diferitelor organe interne. Metodele clasice de observare bazate pe folosirea
lampii cu incandescenta complica mult sistemul optic, nu permit obtinerea unor
iluminari suficiente si prezinta riscuri din punctul de vedere al conexiunilor
electrice. Toate aceste dificultati se inlatura daca iluminarea se va
face cu o fibra optica subtire. b. Cablurile optice permit miniaturizarea, o problema cruciala in aplicatiile
care implica folosirea mai multor surse de lumina. c. Fibrele optice se pot folosi pentru iluminarea instrumentelor de masura si
control. De exemplu, un sistem optic poate incorpora mai multe instrumente
care, din punst de vedere clasic, se ilumineaza separat folosind becurile cu
incandescenta. Folosirea unui cablu optic de fibre optice iluminat de o singura
sursa de lumina poate diviza fasciculul de lumina in mai multe fascicule,
fiecare dintre acestea folosindu-se pentru iluminarea unui instrument. d. Metoda de cuplare sau decuplare a diferitelor conexiuni electrice, bazata
pe folosirea fibrelor optice, asigura o protectie ridicata si capata o extindere
tot mai mare. e. Controlul surselor de lumina localizate in locuri greu accesibile deschide
un camp larg de aplicatii pentru cablurile optice. f. Se stie ca sursele de lumina intinse prezinta o eficienta mica de iluminare
a unor suprafete mici, in special cand acestea sunt fantele dreptunghiulare
ale aparatelor optice. Folosirea unor cabluri optice a caror sectiune transversala
variaza continuu de la forma circulara la forma alungita prezinta un avantaj
potential. g. Fibrele optice pot fi folosite pentru obtinerea unor corelatori multicanal,
fasciculele provenite din diferite locuri putand fi sumate sub forma unui
singur semnal.
Cand se folosesc in tehnica sistemelor de comunicatii, fibrele optice
ofera avantaje multiple fata de sistemele clasice. Asfel de aplicatii trebuie
insa sa ia in consideratie nu numai posibilitatile de distorsionare
a semnalelor transmise ci si posibilitatile de distrugere in timp a cablurilor
de fibre opzice, in special datorita fragilitatii fibrelor de sticla.
Protectia cablurilor optice trebuie asigurata fata de abraziune si contaminare,
fata de tensiunea la intindere, si fata de tensiunea datorata indoirii.
Straturile protectoare, folosite pentru asigurarea conditiilor impuse de folosirea
in conditii de securitate a cablurilor optice, pot ocupa o parte importanta
din intregul volum al cablului. Intrucat functia unui sistem
de comunicatii este aceea de a transmite informatii, asemenea sisteme trebuie
apreciate si comparate in raport cu capacitatea de informare a unui canal.
Din acest punct de vedere, marimea capacitatii de informare este legata de micsorarea
imprastierii impulsului, datorata atat dispersiei de material cat
si dispersiei modale, si de cresterea puterii de transmisie sub un raport semnal/zgomot
convenabil.
Cat priveste posibilitatea de a folosi cablurile optice coerente pentru
a transmite imaginile dintr-un loc in altul, trebuie pornit de la faptul
ca este imposibil sa se aseze fibra optica in contact cu obiectul. Procedeul
este de a forma imaginea obiectului pe fata de intrare a cablului folosind mijloace
clasice. Adesea este necesar ca imaginea formata pe fata de iesire a cablului
sa fie marita, folosind tot mijloace clasice. Combinatia obiectiv-cablu coerent
de fibre optice-ocular este cunoscuta sub denumirea de fibroscop.
Fibroscoapele au deja multiple aplicatii atat in medicina cat
sa in industrie, in special pentru controlul suprafetelor interne
la care accesul prin mijloace clasice nu este posibil.
Exista inca multe aplicatii ale fibrelor optice pentru obtinerea imaginilor
in marime naturala, pentru realizarea tuburilor convertor cu fascicul
baleiat sau in fotografia ultrarapida. Progresele obtinute pana
acum in domeniul fibrelor optice si cele care vor fi obtinute mai departe
deschid calea dezvoltarii unui nou domeniu de varf al opticii, optica
integrata.
FIBRA OPTICA
O tehnologie care foloseste fire (fibre) de sticla (sau plastic) pentru transmiterea
datelor. Un cablu de fibre optice consta in mai multe fire de sticla,
din care fiecare este capabil sa transmita mesajele la viteze apropiate de viteza
luminii.figura 30.
Fibrele optice au cateva avantaje fasa de liniile de comunicatie traditionale,
din metal:
· cablurile de fibra optica au o latime de banda mult mai mare decat
cablurile de metal; asta inseamna sa ele pot purta masi multe date;
· cablurile de fibra optica sunt mai putin susceptibile la interferente
decat cablurile metalice;
· cablurile de fibra optica sunt mult mai subtiri si mai usoare decat
firele de metal;
· datele pot fi transmise digital (forma naturala a datelor de pe calculatoare)
in loc de a fi transmise analogic.
Principalul dezavantaj al fibrelor optice este pretul mare al instalarii cablurilor.
In plus, ele sunt mult mai fragile decat firele metalice si sunt
mai greu de ramificat.
Fibra optica este o tehnologie in special pentru retelele locale (local-are
network). Mai mult, companiile telefonice traditionale inlocuiesc gradat
liniile telefonice cu cabluri de fibre optice. In viitor, aproape toate
comunicatiile vor folosi fibre optice.
Fibrele optice sunt cilindri lungi si flexibili cu diametru de 10-100µm,
prin care razele luminoase se propaga prin reflexii interne totale multiple
pe suprafata laterala a fibrei; exista si fibre optice cu gradient , caracterizate
de faptul ca indicele de refractie este maxim in centrul fibrei scade
treptat spre periferia ei asfel incat reflexia totala a luminii
este mai complicata decat in cazul fibrelor optice simple.Figura
151.
CE SUNT FIBRELE OPTICE?
Fibrele optice sunt fasii subtiri si lungi de sticla foarte fina cu
diametrul parului uman.
Sunt aranjate in snopuri numite cabluri optice si sunt folosite pentru
a transmite semnale de lumina pentru distante lungi.
Daca te uiti atent la o singura fibra optica o sa vezi ca are urmatoarele parti:
· miezul -; centrul subtire al fibrei pe unde circula lumina;
· invelisul- materialul optic din afara care inconjoara miezul
si reflecta lumina inapoi in el;
· mediul protector- invelis de plastic care protejeaza fibra de
stricaciuni si umezeala.
Sute sau mii de aceste fibre optice sunt aranjate in snopuri in
cablu optic. Snopurile sunt protejate de invelisul extern al cablului
numit imbracaminte.
Fibrele optice sunt de doua feluri:
- fibre simple- folosite sa transmiti un semnal pe fibra (folosite la tefoane
si cablu TV);
- fibre multiple - folosite sa transmiti mai multe semnale pe aceeasi fibra
(folosite la retelele de calculatoare).
Fibrele simple au miezul foarte subtire (cam 3,5·10-4 inci sau 9 microni
in diametru) si transmit lumina laser inflarosu.
Fibrele multiple au miezul mai mare (cam 2,5·10-3 inci sau 62,5 microni
in diametru) si transmit lumina inflarosie de la o dioda luminoasa (LED).
Unele fibre optice sunt facute din plastic. Acestea au un miez mai mare (0,04
inci sau 1 mm diametrul) si transmit lumina rosie din LED-uri.
Sa presupunem ca vrei sa aprinzi o lanterna intr-un hol lung si drept.
Pur si simplu indreapta lanterna spre hol- lumina circula in linii
drepte, deci nu e nici o problema. Dar daca holul are o curba? Posi sa pui o
oglinda in colt ca sa reflecte lumina. Dar daca holul ar avea multe curbe?
Ai putea sa imbraci peretii in oglinzi si sa indrepti lumina
astfel incat sa ricoseze dintr-un perete in altul pe hol.
Aceasta este exact ce se intampla intr-o fibra optica.
Diagrama despre reflectia interna a unei fibre optice
Lumina intr-un cablu cu fibre optice calatoreste prin miez (holul) ricosand
constant de invelis (peretii cu oglinzi), un principiu numit reflectie
interna totala. Pentru ca invelisul nu absorba nici un pic de lumina din
miez, unda de lumina poate calatori distante mari. Oricum, cateva din
semnalele luminoase se degradeaza in fibra, in principal din cauza
impuritatilor din sticla. Cat de mult se deterioreaza semnalul depinde
de puritatea sticlei si de lungimea de unda a luminii transmise. Cele mai bune
fibre optice nu deterioreaza semnalul, mai putin de 10%/km la 1550nm.
Pentru a intelege cum sunt folosite fibrele optice in sistemele
de comunicatii sa ne uitam la un exemplu dintr-un film din Al II-lea Razboi
Mondial, unde 2 vapoare intr-o flota trebuie sa comunice una cu alta fara
semnale radio sau pe mari agitate. Capitanul unei nave trimite un mesaj unui
marinar pe punte. Marinarul traduce mesajul in cod MORSE (punte si linii)
si foloseste semnal luminos (o lampa puternica cu acoperitoare) ca sa trimita
mesajul celeilalte nave. Marinarul de pe cealalta nava vede codul MORSE, il
decodeaza in engleza, si trimite mesajul sus la capitan. Acum, imaginati-va
facand asta cand vasele sunt fiecare in celalalt capat al
oceanului separate de mii de mile si ai un sistem de comunicatii prin fibre
optice instalat intre cele doua nave.
Un sistem de transmisie prin fibra optica este compus din:
· transmitator- produce si codeaza semnalele luminoase;
· fibra optica- conduce semnalele luminoase (pe distante lungi);
· regeneratorul optic- poate fi necesar pentru amplificarea semnalului;
· receptorul optic- primeste si decodeaza semnalele luminoase.
TRANSMITATORUL
Transmitatorul este ca marinarul de pe puntea vaporului care emite semnalele.
Primeste si directioneaza aparat optic pentru a focaliza lumina in fibra.
Lasarele au mai multa putere decat LED-urile, dar variaza mai mult cu
schimbarile in temperatura si sunt mai scumpe. Cea mai uzuala lungime
de unda a semnalului luminos este de 850nm, si 1550nm (inflarosu si parti invizibile
ale spectrului).
REGENERATORUL OPTIC
Cum am mentionat mai sus o pierdere a semnalului apare cand lumina este
transmisa prin fibra, in special pe distante lungi (mai mult de 1km),
ca un cablu subacvatic. Deci, unul sau mai multe regeneratoare trebuie plasate
pe cablu pentru a amplifica semnalul de lumina degradat. Regeneratorul optic
consta din fibre optice cu un invelis special. Portiunea inbracata
este pompata cu laser. Cand semnalul degradat intra in invelis,
energia laserului permite moleculelor sa devina ele insesi lasere. Moleculele
emit apoi un nou semnal luminos mai puternic cu aceleasi caracteristici ca semnalul
slab primit. Regeneratorul este un amplificator pentru semnalul de intrare.
RECEPTORUL OPTIC
Receptorul optic este ca marinarul de pe vapor care primeste semnalul. El primeste
semnalul luminos de intrare, il decodeaza si il trimite ca semnal
electric celuilalt utilizator, computer, TV, sau talafon (capitanul celeilalte
nave).
De ce sistemele din fibre optice sunt revolutia telecomunicatiilor? In
comparatie cu firul metalic conventional, fibra optica este:
· mai ieftin- cateva mile de cablu optic sunt mai ieftine decat
aceeasi lungime de fir de cupru;
· mai subtire- fibrele optice pot fi trase in diametre mai mici
decat firul de cupru;
· capacitate purtatoare mai mare- pentru ca fibrele optice sunt mai subtiri
decat firele de cupru, mai multe fibre pot fi adunate intr-un cablu
de acelasi diametru. Aceasta permite mai multe linii telefonice prin acelasi
cablu sau mai multe canale TV;
· mai putina degradare a semnalului- pierderea de semnal pe fibre optice
este mai mica decat pierderea pe firele de cupru;
· semnale luminoase- spre deosebire de semnalele electrice din cupru,
semnalele electrice din fibra nu interfereaza cu celelalte fire din cablu. Aceasta
inseamna o conversatie telefonica mai buna sau o receptie TV mai buna;
· putere mica- fibrele optice se degradeaza mai putin, pot fi folosite
transmitatoarele mai mici;
· semnale digitale- fibra opticp este ideala pentru transmiterea semnalelor
digitale (foarte folosite pentru retelele de calculatoare);
· neinflamabil- pentru ca nu trece curent electric prin fibre, nu exista
riscul de foc;
· greutate mica- o fibra optica este mai usoara decat un cablu
de cupru, ocupa mai putin spatiu in pamant;
· flexibile- fibrele optice sunt atat de flexibile, pot transmite
si primi lumina, sunt folosite in camere digitale flexibile in urmatoarele
scopuri:
- imagine medicala;
- imagine mecanica;
- instalatii.
Din cauza acestor avantaje, vezi fibrele optice in foarte multe industrii,
mai ales in telecomunicatii si retele de calculatoare. De exmplu, daca
ai da telefon din europa in SUA sau invers, si semnalul a fost ricosat
de un sistem de comunicatii, adesea auzi un ecou pe linie. Oricum, cu fibra
optica transatlantica ai o conexiune directa fara ecouri.
Acum ca stim cum lucreaza sistemele de fibre optice si de ce sunt ele folosite,
cum se fac? Fibrele optice sunt facute din sticla extre de pura. Ne gandim
la o fereastra ca este transparenta, dar cu cat geamul este mai gros,
cu atat devine mai putin transparent din cauza impuritatilor. Oricum impuritatile
sticlei intr-o fibra sunt mult mai putine decat intr-un geam
de fereastra. Descrierea unei companii despre claritatea sticlei este urmatoarea:
“Daca ai fi deasupra unui ocean din fibra de sticla ai putea sa vezi fundul
oceanului”.
Producerea fibrei ptice necesita urmatorii pasi:
- producerea unui cilindru preformat;
- tragerea fibrelor prin cilindru;
- testarea fibrei.
Producere mulajului.
Sticla pentru mulaj este facuta dintr-un proces special numit modificarea chimica
a vaporilor condensati (MCVD). In MCVD este balonat prin clorura de silicon
(Si Cl4), clorura de germaniu (Ge Cl4) si/sau alte chimicale. Mixtura precisa
care guverneaza principiul propritatii fizice si optice (indicele de refractie,
coeficientul de expansiune, punctul de topire, etc). Vaporii de gaz sunt condusi
intr-un tub de silicon sau quart, intr-un strung special. Cum se
invarte strungul, dai cu torta in tub, torta este miscata
in sus si in jos in afara tubului.
Caldura extrema a tortei face doua lucruri sa se intample:
· siliconul su germaniul reactioneaza cu oxigenul formand dioxid
de silicon si dioxid de germaniu;
· dioxidul de silicon si dioxidul de germaniu se depun in tub fuzionand
impreuna ca sa formeze sticla.
Strungul se invarte continuu ca sa faca un invelis perfect
si consistent. Puritatea sticlei este mentinuta folosind plastic rezistent la
coroziune in sistemul de injectare a gazului si prin controlarea precisa
a debitului compozitiei mixturii. Procesul producerii mulajului este automat
si dureaza cateva ore. Dupa acesta se raceste, este testat pentru calitate.
O data ce mulajul a fost testat este instalat intr-un turn de tras fibre.
Turnul ecologic intr-un furnal de grafit (2200°C) si varful
este topit pana cand substanta cade, se raceste si formeaza un fir.
Se faqce in continuare un proces tehnologic.
Materiale si tehnologii pentru obtinerea fibrelor optice
Consideratii generale:
In domeniul fibrelor optice , aflat astazi in plina dezvoltare , eforturile
de cercetare incununata, pana in prezent, de succese notabile sunt indreptate
in doua directii principale, prima fiind gasirea unor materiale cu caracteristici
supoerioare iar a doua -;strans legata de prima- punerea la punct a unor
tenologii si instalatii cat mai performante, capabile sa asigure calitatea dorita,
la costuri cat mai accesibile.
Indiferent de compziti a aleasa , materialul dielectric utilizat pentru obtinerea
fibrelor optice trebuie ssa raspunda urmatoarelor cerinte:
- sa aiba transparenta cat mai buna la lungimea de unda a semnalului luminos
folosit ;
- sa posede stabilitate chimica cat mai buna in timp ;
- sa fie usor prelucrabil in toate fazele procesului tehnologic;
Pe baza experientei producatorilor de fibra optica , materialele cu ce ami larga
utilizare se pot grupa in trei categorii:
- bioxid de siliciu pur si amestecuri ale acestuia cu alti oxizi in cantitati
mici , denumiti si dupanti ;
- sticle multi compozite ;
- materiale palstice.
Daca se are in vedere gradul de prelucrare a materialelor mentionate mai sus,
este evidenta superioritatea polimerilor, care nu necesita temperaturi de lucru
prea inalte.Cu toate ca utilizarea materialelor plastice nu numai pt invelisul
optic, ci si pentru miez est eun subiect interesant de cercetat si experimentat,
caracteristicile optice net inferioare in raport cu cele ale sticlei le recomanda
numai pentru transmisii la distante mici, unde atenuare a semnalului optic de-a
lungul fibrei are o importanta secundara.
Iata deci cateva considerente pentru care este evidenta superioritatea primelor
doua tipuri de materiale , si anume sticlele pe baza de siliciu si cel multicompoziet,care
-;de altfel- au acelasi componenet de baza-bioxidul de siliciu. Deosebirile
dintre cele doua grupe de materiale apar cel ami pregnant cand se pune problema
alegerii tehnologiei de prelucrare pentru obtinerea fibrei optice . Desigur,
performantele produsului final -;fibra- depind in mod direct de materialul
intrebuinatat, dar si de tehnologia de realizare, existand insa si un sistem
de restrictii prin care materialul conditioneaza tehnoogia car eface posibila
prelucrarea sa, astfel incat sa rezulte fibra optica cu parametrii doriti.
Se poat eafirma ca, dat fiind evantaiul larg de compozitii pornind de la bioxidul
de siliciu pur, pana la sticlele multicompozite, granita dintre cele doua grupe
de materiale este greu de precizat, compozitiile cele mai utilizate situandu-se
insa la capetele intervalului.
Atat bioxidul de siliciu pur, cat si sticla multicompozitac au structura amorfa,
sunt antizotrope si si se trag in fire din stare lichida la temperaturi inalte
. Racirea rapida a materialului topit duce la formarea unei sticle stabile si
omogene ,in pofida tranzitiei printr-un domeniu termic in care este posibila
aparitia cu totul nedorita a cristalelor.
Dintre toate tehnologiile care se vor analiza in continuare depunerea chimica
in stare de vapori este cea care permite obtinerea unei game largi de compozitii
chimice, de la bioxidul de siliciu ppur pana la sticla multicompozita rezultata
prin adaugarea in concentratii considerabile a unor substante de aditivare cu
scopul modificarii sensibile a indicelui de refractie.Data fiind variatia continua
si si oprevizibila a proprietatilor in functie de compozitia chimica, parametrul
care deosebeste net sticla cu continut inalt e SiO2 de cea multicompozita este
temperatura de topire si, implicit, de tragere a fibrei. In timp ce temperatura
de topire a sticlei multicompozite se situeaza in intervalul 800-1200 C , bioxidul
de siliciu se topeste la circa 2000C.
In primul caz, temperaturile de lucru relativ scazute permit utilizarea cuptoarelor
traditionale in cadrul metodei cu dublu creuzet, fiind posibila obtinerea cu
usurinta a unor fibre cu apertura numerica mare dar cu indice de refractie care
variaza intr-un domeniu de valori destul de restrans.
Pe de alta parte, tehnologia depunerii chimice din faza de vapori utilizata
pentru obtinerea fibrelor optice din sticle cu continut inaltde SiO2 elimina
o mare parte a surselor de impurificarea sticlei, care, in cazul metodei dublului
creuzet,sunt in mod inevitabil mai numeroase, mai ales in timpul depozitarii
si manipularii materiilor prime. Or,tocmai impuritatile din material determina
cresterea nedorita a dispersiei semnalului optic peste valoarea intrinseca a
dispersiei Rayleigh . De asemenea, tehnologia depunerii chimice din faza de
vapori permite obtinerea cu usurinta a profilului dorit al indicelui de refractie
sia unei interfete miez-invelis optime dar presupune instalatii si aparatura
cu un grad mai ridicat de complexitate.
Dezavantajele utilizarii sticlelor cu continut inalt de bioxid de siliciu se
pot rezuma dupa cum urmeaza: in fazele de depunere de material si de tragerea
fibrei vitezele sunt mici, iar procesele se desfasoara la temperaturi inalte,
la care controlul geometriei preformei si al fibrei este dificil de realizat.
Aceste dezavantaje sunt compensateinsa din plin de calitatea net superioara
a fibrelor ptice obtinute prin oricare dintre cele cateva variante ale tehnoogiei
depunerii chimice din faza de vapori.
TEHNOOGII DE OBTINERE A FIBRELOR OPTICE DIN STICLE MULTICOMPOZITE
Materiale utilizate . Fibrele optice din sticle multicompozite se pot realiza
utilizand o gama larga de materiale, cu conditia de a se asigura proprietatile
optice necesare si prelucrabilitatea ceruta de procesul de fabricatie. De exemlu,
in cazul tehnologiei cu dublu crezuet este necesar ca cele doua materiale sa
aiba punctele de topire coborate pentru a reduce fenomenul de coroziune si impurificare
pe aceasta cael a sticlei iar valorile vascozitatii sa fie apropiate la temperatura
de tragere pentru a simplifica utilajele necesare si pentru ca procesul sa aiba
stabilitate.
Un alt aspect care are o influenta deosebita asupra performantelor fibrei optice
est ecel legat de prezenta impuritatilorin compozitia materialului de baza.
Faptul ca fibrele optice din sticle multicompozite prezinta valori mai ridicate
ale atenuari decat celecu continut inalt de bioxid de siliciu se datoreaza prezentei
in compoziti e a impuritatilor si, in special, a ionilor metalelor de tranzitie,
care determina benzi de absorbtie considerabile in spectrul vizibil si infrarosu,
chiar pentru valori foarte scazute ale concentratiei.Valuarea atenuarii la diferite
lungimi de unda depinde de concentratia in impuritati, de gradul lor de oxidare
si de compozitia sticlei in care se gasesc.Tabelul de mai jos prezinta cresterea
atenuarii determinata de o marire cu o parte de milion a concentratiei in impuritati
pentru trei tipuri de sticle si lungimea de unda de 850nm a fasciculului optic.
IMPURITATI Absorbtia (dB/km) pentru 1ppm la 850nm
Na2O-CaO Na2O-B2O3 SiO2
FeCu CrCoNiMnK 125600101026040- 550025102001140 1302213002427602500
Oxidarea sau reducerea ionilor metalici aflati sub forma de impuritati in materialul
de baza are ca efect micsorarea atenuarii. Aceste procese pot avea loc in timpul
elaborarii sticlei intr-o atmosfera cu efect oxidant( O) sau reducator (CO2-;C
O).
Prezenta sub forma gruparii (-OH) are de asemenea efecte daunatoare, determinand
cresterea atenuarii.
TEHNICI DE PURIFICARE SI ANALIZA CHIMICA
Determinarea si inlaturarea prin procese de rafinare a impuritatilor aflate
chiar in cantitati foarte mici in materialul de baza dar cu influente neorite
asupra calitatii au impus punerea la punct ta unor metode si aparatet sofisticate
de analiza si purificare din stare naturala, dar in acest caz dificultatile
inerente acestui proces ar fi aproape de neinlaturat. Pe de alta parte, unii
compusi ai siliciului aflati in starea gazoasa sau lichida pot fi purificati
prin procese de dubla distilare, precipitare partiala, absorbtie cu ajutorul
carbonului activ etc. Duap purificare materiialului de baza, bioxidul de siliciuse
poate obtine prin piroliza din SiH4 , prin reactie in faza de vapori cu oxigen
la temperatura inalta din SiCl4 sau prin hidroliza urmata de uscaresi calcinare
de Si(OC2H5) 4 .Carbonatii si alti compusi solubili ai siliciului pot fi purificati
prin precipitare, extragere cu ajutorul unui solvent etc. Descompunerea carbonatilor
in acizi icu degajare de bioxid de carbon are loc de regula inn timpul fazeii
intermediare de topire inaintea operatiei de tragere a fibrei.
Pentru a determina concentratia in impuritati a materialului de baza se utilizeaza
metode cum sunt absorbtia atomica, spectrometria de masa, fluorescenta cu raze
X etc.
Dupa faza de purificare rezulta un amestec de compusi in care concentratia fiecarei
substante nedorite nu trebuie sa depaseasca 10 parti de milion masurate separat.
TEHNOLOGIA CU DUBLU CREUZET DE FABRICARE A FIBRELOR OPTICE CU INDICE TREAPTA
DE REFRACTIE
In prezent metoda cu dublu crezuet este este utilizata din ce in ce mai putin
intrucat fibrele optice multimod din sticla multicompozita astfel obtinute au
paremetrii tehnico-calitativi inferiori celor ai fibrelor optice pe baza de
siliciu cu aplicatii in sistemele de telecomunicatii la distante mari.Cu toate
acestea complexitatea mai redusa a aparaturii si utilajelor necesare precum
si a evantaiului larg de aplicatii industriale in care transmiterea unor semnale
optice la distante mici nu impune valori reduse ale atenuarii mentin procesul
in actualitate.
Materialele cu iondice de refractie diferit pentru miezul si invelisul optic
al fibrei se introduc in clee doua creuzete dispuse concentric, unul in interiorul
celuilalt, prevazute la partea inferioara cu cate o duza circulara prin care
are loc curgerea sticlei, centrele celor doua orificii fiind situate pe axa
de tragere a fibrei optice.@. In general, faza de tragere este precedata de
prepararea sticlei cu compozitia dorita in alt creuzet la temperatura de 800
C , intr-un cutor obisnuit . In acest creuzet confectionat de obicei din cuart
se realizeaza topirea substantelor componente si tratarea topiturii astfel incat
materialul rezultat sa aiba compozitie omogena, fara incluziuni si bule de gaz.
Eliminarea gazelor din compozitie -;etapa de cea mai mare importanta, urmeaza
celei celei de reducere a concentratiei de ioni (-OH) realizata prin plasarea
sticlei topite intr0un flux de gaz uscat.Cea mai mare parte a apei continute
de materialele de baza se poate elimina insa prin mentinerea acestora intr-o
incinta la cateva sute de grade timp de cateva zile(uscte). In ciuda celor mai
severe masuri de curatenie a incintelor de lucru si de filtrare a atmosferei
cu ajutorul unor instalatii sofsticate de climatizare, continutul in impuritati
al sticlei topite este usor superior celui al substantelor componente purificate,
chiar daca creuzetul est econfectionat din cuart si izolat de mediuul inconjurator
.Din topitura sticla se tragein baghete cilindrice , se depoziteaza in containere
speciale, urmand sa se constituie “semifabricatul” care va alimenta
ulterior dublul creuzet.
Un alt aspect important al problemei este legat de amterialul din care se confectionaeza
dublul crezuet. In cele din mai multe cazuri , acesta este platina sau aliajele
ale platiniicare permit temperaturi de lucru pana la 1400C.Pentru a asigura
omogenitatea sticlei se utilizeaza un amestec confectionat din acelasi material.
Totusi, acest material nu este compet inert, ceea ce face ca prin dizolvare
platina sa contamineze sticla.
O alta alternativa testate a fost sticla cu continut inalt de SiO2 , dar la
temperatura de lucru aceasta este corodatarapid de sticla topits in are apar
astfel bula de gaz si neomogenitati. In acest caz, se recomanda incalzire cu
curenti de inalta frecventa, ceea ce face ca sticla sa ajunga la temperatura
de lucru fara a incalzi direct peretii din bioxid de siciliu ai tubului crezuet.
Dar si in aceasta situatie, datorita fenomenului de convectie , apar neomogenitati
in materialul topit . Iata deci unul dintre considerentele pentru care este
avantajoasa utilizarea unor sticle cu punct de topire mai coborat. NU trebuie
neglijat nici faptul ca sticla topita adera la peretii din bioxid de siliciu
ai creuzetului iar acesta se poate sparge in cursul racirii datorita tensiunilor
determinate de diferenta intre coeficientii de dilatare ai celor doua materiale
aflate in contact.
Etapa urmatoare -;tragerea fibrei- ridica unele probleme mai ales in ceea
ce priveste mentinerea dimensiunilor geometrice ale miezului si invelisului
optic in cadrul unor limite riguros stabilite. Astfel, in zona de alimentare
din baghete a materialului topit se formeaza in mod fracvent bule de gaz care
datorita vascozitatii mari a acestuia persista si apar in interiorul fibrei
optice. Acest dezavantaj poate fi eliminat limitand viteza de alimentare la
cativa centrimetri pe minut.
Defecte introduse in fibra in timpul procesului de tragere pot fi legate de
geometrie- abateri de concentricitate, de circularitate, variatii ale diametrului
miezului si, invelisului optic sau ale raportului clor doua diametre etc- avand
drept cauza lipsa de fiabilitate a constructiei dublului creuzet si/sau bobinarea
necorespunzatoarea fibrei la iesirea din instalatie. Daca operatia de tragere
este continua se impune un control riguros al nivelului topiturii in dublul
creuzet in vederea mentinerii lui constante.
Tehnologia cu dublu creuzet de obtinere a fibrelor optice cu indice gradat
O alta varianta a tehnologiei cu dublu creuzet de fabricatie a fibrelor optice
permite mentinerea in contact, la temperaturi inalte, un timp mai indelungat,
a materialului miezului cu cel al invelisului optic, astfel incat sa se produca
o difuzie de ioni intre cele doua materiale .(fig6.4)@
Prin dimensionarea corespunzatoare a dublului creuzet, procesul de difuzie se
desfasoara in mod controlat fiind posibila obtinerea profilului dorit al indicelui
dee refractie, de la o variatie brusca (salt) pana la o variatie cvasiparabolica.
CUM SE PROPAGA LUMINA IN FIBRELE DIELECTRICE
Pentru a scapa complet de influenta atmosferei se pot folosi ghiduri de unda
speciale. O mare raspandire au capatat-o ghidurile de unda sub forma de fibre
dielectrice subtiri, legat de care a aparut o noua directie in optica contemporana-optica
fibrelor.
Fasciculul luminos captat in fibra optica este mentinut in aceasta datorita
fenomenului de reflexie internatotalaa luminiipe suprafata laterala a fibrei.
Lumina “alearga” prin fibra urmarindu-I toate curburile (fig.44a)@
Pentru o mentinere si mai sigura a luminii in interiorul fibrei se folosesc
fibre speciale, cu gradient. In acestea indicele de refractie este maxim in
apropierea axei fibrei si scade treptat spre suprafata fibrei. Traiectoria fasciculului
luminos intr-o fibra cu gradient est earatata in fig.44 b @
Exista fibre groase (cu diametrul de ordinul 100um) si fibre subtiri ( cu diametrul
de ordinul a 1um si mai putin). Strict vorbind, traiectoria fasciculului se
poate reprezenta numami in cazul fibrelor groase, cand lungimea de undaa luminii
este mai mica decat diametrul fibrei. In cazul propagarii luminii prin fibre
subtiri , optica geometrica este neputincioasa si trebuie apelat la reprezentarile
ondulatorii. Campul undei luminoase ce se propaga printr-o fibra subtire umple
intregul volum al fibrei si o parte dinn el iese in spatiu imediat inconjurator.
Principala caracteristica a unei fibre este valoare pierderilor de radiatie
in aceasta raportata la lungimea fibrei. Pierderile se masoara in decibeli pe
kilometru. Sa consideram o portiune de fibra de un kilometru. Presupunem ca
la inrarea in ea ajunge lumina de intensitate I1, iar la iesire se inregistreaza
intensitatea I2. Pierderile in fibra reprezinta N decibeli, marimea N determinandu-se
din formula:
I1/I2=10 N/ 10
Daca de exemplu , pierderile sunt de 10db/km (N=10), aceasta inseaman ca, la
parcurgerea portiunii de un kilometru, intensitatea luminii scade de 10 ori.
Este clar ca dintr-o asemenea fibra nu trebuie facuta o linie de transmisie.
Progresele in domeniul fibrelor optice sunt legate de crearea a unor fibre cu
pierderi mai mici de 5dB/km. Pentru astfel de fibre I1/I2=3,16. In prezent exista
fibre cu pierderi si mai mici, de exemplu de 0,2dB/km in gama spectrala 1,2-1,6um;
I1/I2= 1,05. Asemenea fibre se confectioneaza din sticla de cuart dopata cu
germaniu sau bor.
IMPORTANTA FIBREI OPTICE
Fibrele cu pierderi mici (mai mici de 1 dB/Km) sunt folosite pentru linii de
comunicatie pe distante pana la cativa kilometri. Asemenea linii pot constitui,
de exemplu o legatura telefonica sigura in limitele unui oras. Crearea unor
astfel de linii de comuniucatie est ede perspectiva, deoarece un manunchi de
fibre optice este cu mult mai subtire decat un cablu telefonic obisnuit si,
in acelasi timp, permite sa se efectueze cu mult mai multe convorbiri telefonice
decat in prezent.
Diverse si foarte importante sunt aplicatiile liniilor de comunicatie prin fibre
optice relativ scurte. Vom da cateva exemple.
Se stie ca unul dintre “locurile inguste” ale calculatoarelor electronice
actuale il reprezinta sistemele de comunicare, destinate introducerii si extragerii
informatiei, realizarii comunicarii dintre procesor si memorie, precum si comunicarii
intre mai multe calculatoare. Aceste sisteme de comunicare au o schema complexa
facuta dintr-un mare numar de conductoare, in care se induc curenti electrici
de zgomot, se creeaza paraziti ce nu pot fi inlaturati. Aici apare o deficienta
caracteristica tuturor sistemelor de comunicatieelectrice: imposibilitatea principala
a deculparii ideale intre primire si receptie (intrare si iesire), sensibilitate
la toate perturbatiile exterioare. De aceea, folosirea unui sistem de comunicare
bazat pe optica fibrelor, in calculatoarele electronice moderne, are bune perspective
si este de mare importanta pentru organizarea legarurii dintre calculatoare
rapide.
Sistemele actuale de comanda a avioanelor sunt saturate de conductoare. Inlocuirea
conductoarelor cu fibre optice permit enu numai cresterea calitatii unui sistem
de comanda, ci si reducerea masei totale a avionului
Prin liniile de comunicatie cu fibre optice se pot tansmite nemijlocit imagini
in miscare fara a fi nevoie sa se aranjeze cadrele dupa succesiunea semnalelor.
In acest scop se formeaza cabluri din fibre optice. Iin cablurile folosite concret
numarul de fibre poate ajunge sa fie de ordinul milionului. Principiul transmiterii
imaginilor prin cabluri de fibre optice este destul de simplu. Se poate sune
ca fasciculele luminoase, reflectate sau emise de un element al imaginii tansmise
, parcurg intreaga lungime a cablului si la iesire reconstituie respectivul
element din imagine. Pastrand la iesirea cablului o aceeasi distributie reciproca
a fibrelor ca si la intrarea , se poate reconstitui imaginea existenta la inregistrare.
In particular, se pot lua imagini de obiecte aflate in locuri greu accesibile.
Astfel, medicii pot privi in interiorul organelor interne ale corpului uman
(esofag, stomac,intestine).
1.Orientarea luminii
Atunci cand lumina care provine dintr-o stea indepartata ajunge pe pamant, razele
luminoase sunt practic paralele si puterea optica captata de un dispozitiv dat
numai variaza practic in functie de distanta.Slabirea puterii prin unitatea
de lungime suplimentara parcursa de lumina, de ex.1 km., este nula.
La scurta distanta de sursa sa, propagarea luminii in spatiul liber are un cu
totul alt aspect.Cand ea porneste dintr-o sursa punctiforma , in toate directiile,
se spune ca ea este divergenta.In ratiunea acestei divergente,puterea captata
variaza mult in functie de distanta.Aceasta putere se micsoreaza cand distanta
creste, pentru ca intra mai putine raze in dispozitivul de receptare.
Fibra optica poseda o structura fizica care tinde esential sa suprime divergenta
naturala a luminii,adica sa o inchida intr-un indrumator imprejmuit,pentru ca
slabirea puterii optice in functie de distanta sa fie foarte mica.Astfel pute-
rea captata printr-un dispozitiv de receptare plasat la extremitatea de iesire
a fibrei,va varia foarte putin, in func- tie de lungimea acesteia.
Ramane bineinteles sa facem sa intre in fibra lumina pro- dusa de o sursa exterioara;sau
la fel de bine sa producem lumina direct in structura de orientare,practic in
fibra.
Aceste probleme de producere si de orientare prin panglici sau prin fibre al
luminii sunt tot mai mult rezolvate
Puterea luminoasa scade la jumatate, parcurgand o dis- tanta de 100m,500m,6km
si mai mult dupa caz.Daca s-ar putea,fara inconvenient pentru sistemul de realizat sa injumatatim puterea optica
in cursul propagarii orirntate s-ar acoperi distante duble:200m,1000m,12km.
Se ajunge astfel pentru transmiterea de semnale, sa se acopere distante superioare
a 50 km.Se tinde catre 100km si limita, practic,este in mod sigur superioara.
Se poate evident racorda segmentele succesive ale unei legaturi la mijlocul
repetorilor si acoperi cele mai mari distante.In plus,si aceasta nu este de
un mai mic interes, fibra optica poate fi curbanta si lumina urca curbura indru-
matorului,cu o slaba pierdere.Ceea ce nu este posibil in ca- zul luminii in
spatiu sau ea se propaga in linie dreapta, de- parte de obiectele foarte masive,e
posibil intr-un indruma- tor.
Fibra optica poate fi rulata in spirale,in elice,in jurul unui cilindru,pentru
a constitui o bobina si a asigura si orientarea luminii.
Se poate face sa intre mai multe lumini intr-o singura fi- bra,modulate independent
unele de altele si sa transmita si- multan modulatii diferite.Se poate,de ex.,sa
se propage 4 lumini intr-un sens si 4 lumini in alt sens,pe aceeasi fibra, amestecandu-le
la intrarea lor si separandu-le la iesire. Aceasta dispozitie se numeste multiplexitatea
luminilor, unilaterala sau bilaterala.Se poate distribui lumina intr-o fibra
optica peste mai multe alte fibre.Se poate comuta lu- mina intre fibre,cu mare
viteza.
Posibilitatile de aplicatie sunt foarte numeroase si foarte diverse.Cea care
pare cea mai importanta, pentru ca satisfa- ce o nevoie preexistenta considerabila,este
cea care priveste transmisiunea de semnale.
2.Fibra optica actuala
Cu un diametru nominal de 0,125mm fibra optica ofera o enorma capacitate de
transmitere a informatiei.Printr-o fibra de 1mm calitate,aceasta capacitate
este aproape egala cu aceea a unui satelit de telecomunicatie.Intre toate avan-
tajele prezentate de fibre,in comparatie cu alte mijloace, acesta este de departe
cel principal.
Contrar fibrei de sticla obisnuita,utilizata uneori cu intarire fibra de sticla
optica care are diametrul unui fir de par,nu prezinta o rezistenta mecanica
importanta.Ea ar fi foarte rapid deteriorata de mediul inconjurator,daca n-ar
fi protejata de o imbracaminte etansa si intarite cu cabluri susceptibile care
ar rezista la constrangeri mecanice.
Intr-un cablu se pot plasa mai multe fibre intr-un nr. oarecare de ex.6 sau
12 si pana la 144.
Sa citam ca ex, de cablu cu o singura fibra, marina americana:
-diametrul fibrei optice 0,0125cm
-diametrul cablului cu structura sa de intarire 0,125cm
-greutatea cablului 2,09kg/km
-sarcina maxima 250 kg
-alungirea maxima 3,5%
Structura de intarire cuprinde 9840 fibre de sticla S, intr-un sistem de rasina.
Sa citam inca un micro-cablu cu monofibra de 52km lungime avand:
-o rezistenta maxima de 53kg
-o greutate in apa marii de 1,011kg/km
Acest cablu poate fi lansat prin intermediul unei rache- te.Cu acelasi diametru
si aceeasi rezistenta maxima ca si un cablu metalic coaxial,capacitatea unui
cablu optic submarin va fi de 400de ori mai mare.Totusi,cu sectiunea sa dreapta
minuscula de 0,0123mm p. si pentru 1 km.lungime,cu volu- mul de 12,3cm cubi
de material sticlos rafinat,fibra optica de telecomunicatie nu poate transmite
puterea utilizabila la cealalta extremitate ca sursa de energie.Atunci cand
intensi- tatea luminii depaseste un anumit prag,cand energia elec- tromagnetica,pe
unitate de volum,devine foarte ridicata,ma- teria anterior transparenta si pasiva nu ignora prezenta foto- nilor.Se produc deci efecte in general nedorite.Fibra
optica nu este o linie de transport de energie.
Asa cum este realizata actual, fibra optica reprezinta o deschidere spectaculoasa,
care ocupa un loc in seria marilor progrese ale tehnicii in domeniul posibilitatilor.Este
plauzi- bil ca toate aplicatiile posibile sa nu fi fost inca imaginate.
Evolutia mijloacelor de comunicatii
Deceniul Deschiderea tehnica
1900 radioul (Guglielmo Marconi)
1910 lampa trioda (Lee de Forest)
1920 T.V-ul iconoscopic(Vladimir Zworykin)
1930 indrumatorul de unda (Schelkumoff si Barrow)
1940 radarul (Robert Watson -;Watt)
1950 tranzistorul (John Bardeen,Walter Brattain,
William Shockley)
1960 laserul (Townes)
1970 fibra optica (Kao si Maurer)
1980 optica non-lineara
3.Putina istorie
Prima propunere serioasa de orientare a luminii dateaza din 1910,cand Hondros
si Petrus Debye pu- blica un studiu teoretic despre orientarea undelor prin
dielectrici in straturi multiple de materiale tran- sparente.
Alte studii sunt publicate in anii 1920 si 1930, care nu atrag inca suficient
atentia pentru ca aceasta era deja captivata de orientatrea microundelor care
facea radarul posibil.
Numai in anii 1950 Van Heel,Hopkins si Kanapy proiecteaza “fibroscopul”.
Kanpy este cel care va realiza prima fibra de sticla obtinuta din sticla si
o va denumi “fiber optics” .
Avantajele si inconvenientele caracteristice fibrelor optice
a).Avantajele
Fibrele prezinta caracteristici care pot varia larg in functie de nervi.Este
totusi posibil sa furnizeze o masa coerenta a performantelor lor si calitati
dintre cele mai interesante.
Marile debite numerice:
Fibra optica este foarte bine adaptata de transmisia se semnale numerice.Debitele
sistemelor din spatiu sunt esalonate si sunt de peste ordinul 3 ca marime.Ele
au de la cativa M.bit/sec. pana la cativa G.bit/sec.
Cablurile foarte subtiri:Segmentul de legatura atinge nu mai putin de 40 km.
Imunitatea la interferenta si bruiajul electromagnetic:
Fiecare sursa de lumina este inclusa. Nu exista interferenta.Bruiajul electromagnetic
este imposibil atunci. Sunetul, emisiile radio,impulsul electromagnetic ale
puterilor nucle- are sunt fara efect.
O siguranta buna:interceptia prin inductie sau simplul contact este imposibil.Pentru
a intercepta trebuie provocata o fisura pentru a patrunde lumina si aceasta
sa fie descoperita.
O securitate perfecta:nici o electrocutare,nici un scurtcir- cuit,fara impamantare. b).Inconvenientele
Fibra optica nu permite transpoprtul de energie.Tehnicile instalatiilor trebuie
sa protejeze ochii:densitatile de energie optica emisa prin sursa de lumina
si eventual prin extremi- tatea fibrei,sunt suficiente pentru a afecta retina,inainte
ca victima sa observe.Este indispensabila purtarea ochelarilor de protectie
infrarosu,pentru a lucra deasupra unui dispozi- tiv aflat in functiune.
Aplicatiile fibrelor si cablurilor optice:
Ele sunt foarte numeroase si reprezinta mari posibilitati de dezvoltare. a)Aplicatiile in retele nationale si internationale de comunicatii.
Fibrele optice sunt complet adaptate la transmiterea de semnale de la un punct
la celalalt intre centralele de comunicatie. Ele permit modularea analogica
din moment ce ras- punsul lor este liniar pentru putere. Ele p