Optoelectronică - atenuatoarele optice

1. Introducere

Una dintre cele mai importante realizări în domeniul comunicaţiilor este crearea Sistemelor de Transmisiune prin Fibră Optică (STFO) pe baza utilizării Liniilor de Comunicaţie prin Fibră Optică (LCFO). Elementul de bază al LCFO este fibra optică, care la etapa actuală se consideră cel mai perfect mediu fizic pentru transmisia informaţiei, precum şi mediu cel mai perspectiv pentru transmisia fluxurilor mari de informaţie la distanţe considerabile.

Cea mai importantă parte componentă a Liniilor de Comunicaţie prin Fibră Optică este fibra optică. Ea reprezintă o structură lungă, cilindrică din material transparent care permite propagarea undelor de lumină prin interiorul său. Fibra optică constă din trei straturi: miez, cămaşă şi înveliş de protecţie.

Miezul – partea fibrei prin care are loc propagarea luminii. El este fabricat fie din sticlă, fie din masă plastică. Cu cît e mai mare diametrul fibrei, cu atît e mai mare cantitatea luminii ce poate fi transmisă prin fibră. Indicele de refracţie al miezului n1 este mai mare decît indicele de refracţie al cămeşii n2.

Cămaşa. Destinaţia cămeşii constă în crearea celor mai bune condiţii de reflecţie a luminii de frontiera miez – cămaşă şi evitarea iradierii energiei luminoase în spaţiul înconjurător.

Învelişul de protecţie. De obicei, învelişul de protecţie poate conţine mai multe straturi şi este destinat pentru a asigura protecţia fibrei de factorii mediului ambiant.

Tipul fibrei este determinat de tipul modelor care trec prin miezul acesteia. Toate fibrele optice se împart în două grupe de bază:

- monomod – foloseşte o lungime de undă specifică. Diametrul miezului se conţine între 8-10 μm. Fibra monomod se foloseşte deseori pentru staţiile telefonice interurbane şi aplicaţii video

- multimod – utilizează un număr mare de mode. Diametrul miezului este mai mare decît cel al fibrei monomod. Fibrele multimod sunt tipurile, de obicei, specificate pentru LAN (Reţelele de arie locală) şi WAN (Reţelele de arie largă).

Avantajele cablurilor optice faţă de cablurile obişnuite:

1. pierderea mică a semnalului (de obicei, mai puţin de 0,3 dB/km), aşadar nu trebuie de repetat transmisia pe distanţe mari

2. capacitate mare de transmisie a datelor (de mii de ori mai mare, atingînd viteze de pînă la 1,6Tb/s în condiţii de cîmp şi de pînă la 10Tb/s în cele de laborator)

3. imunitate la interferenţe electromagnetice, dar pot fi deteriorate la acţiunea radiaţiei α şi β

4. nu prezintă radiaţie electromagnetică; dificil de tras cu urechea la conversaţii

5. rezistenţă electrică înaltă, deci este sigur de folosit lîngă echipament de înaltă tensiune sau între ariile cu potenţial diferit al pămîntului

6. greutate nesemnificativă

7. nu se înregistrează interferenţă între cabluri

8. nu prezintă pericolul scînteii.

Dezavantajele cablurilor optice faţă de cablurile obişnuite:

1. cost ridicat

2. necesitatea unor transmiţători şi receptori optici costisitori

3. unirile şi sudările sunt mai scumpe decît în cazul cablurilor simple

2. Atenuarea în fibre optice

Atenuarea - este fenomenul prin care semnalele electromagnetice îşi pierd din puterea initială (cu care au fost transmise in mediu) o data cu creşterea distantei. Acest fenomen apare din cauza faptului ca mediul de transmisie absoarbe o parte din energia semnalelor. Din acest motiv se impun limitari ale distantei pe care un semnal o poate parcurge fara a depaşi un anumit nivel de degradare. Cu cit semnalul este receptionat la o mai mare distanta fata de sursa, cu atit posibilitatea de a fi decodificat corect este mai mica din cauza atenuarii şi a interferentelor.

Atenuarea semnalului este un factor foarte important in procesul proiectsrii sistemului de comunicatii prin fibre optice, precum şi a oricaror altor sisteme de comunicatii. Deoarece receptoarele necesita ca puterea de intrare a lor sa fie mai mare decat un anumit nivel minim, atunci pierderile de transmisie determina distanta maxima de transmisie pana la care este necesara restaurarea semnalului.

Principalele puncte ale sistemului de comunicatii prin fibre optice unde au loc pierderile de semnal sunt conectorii, cuploarele de intrare, imbinarile, precum si insa-si fibra optica.

Atenuarea reprezintă cel mai important parametru al cablurilor optice, care determină lungimea sectorului de regenerare. Atenuarea este condiţionată de pierderi proprii în fibra optică p şi pierderi suplimentare, aşa numite pierderi de cablu c, condiţionate de structura, precum şi de deformarea şi flexiunile fibrelor optice apărute în procesul depunerii straturilor protectoare.

3. Pentru ce este nevoie de atenuat semnalul optic

In timpul lucrului cu surse de iluminare intensive (de exemplu laserele) iluminarea detectorului de spectru ce are o sensibilitate inalta poate atinge valoarea pragului de saturatie. Determinarea corecta a spectrului in acest caz devine imposibila. Se poate avea nevoie de atenuare si la masurarea absorbtiei, pentru a evita saturatia la primirea spectrului de referinta.

In unele cazuri suprasolicitarea detectorului se poate de prevenit utilizind un filtru, o apertura de intrare mai mica (o fisura mai ingusta sau o fibra de un diametru mai mic), sau introducind in calea propagarii optice filtre de lumina neutre. Alta metoda mult mai simpla este de a regla timpul de integrare a spectrometrului (cu ajutorul unei programe de control).

Daca aceste metode nu pot fi indeplinite atunci se recurge la un atenuator optic.

4. Destinatia atenuatoarelor

Ei sunt utilizaţi pentru a controla nivelul puterii semnalelor optice la ieşirea din sursele luminoase şi a convertorilor electrico-optici. Ele sunt, de asemenea, aplicate în scopul testării liniarităţii şi a diapazonului dinamic a fotosensorilor şi fotodetectorilor.

Destinatia de baza a atenuatoarelor este: masurarea rezervei sistemei optice de atenuare, pentru care este nevoie de a determina nivelul puterii la intrarea fotoreceptorului, la care numarul de erori intrece nivelul de prag.

La masurarea pierderilor cu ajutorul atenuatorului, ele inlocuiesc dispozitivele in care este nevoie de masurat pierderi. Receptorul in acest caz va avea un rol de indicator de putere.

Fig.1. Schema masurarii pierderilor cu ajutorul atenuatorului.

Schimbarea atenuarii introduse se efectuiaza prin egalarea puterii primate de indicator in comparare cu aceea care a fost pina la schimbare. Apoi conform datelor atenuatoarelor se determina atenuarea, pe care o introduce dispozitivul necunoscut sau fibra.

Atenuatoarele sunt folositoare pentru reglarea nivelului puterii cu scopul obtinerii semnalului dorit. De aceasta este nevoie in tehnica de masurari sau in sistemele de transmisie a datelor pentru concordanta atenuarii in fibra optica cu parametrii dinamici ai sistemei. La transmiterea informatiei prin fibra optica cele mai mici nivele ale semnalului poate duce la pierderea informatiei, iar prea mari nivele ale semnalului pot duce la supraincarcarii a dispozitivului de receptie si erori de lucru a intregii sisteme de transmisiune.

Atenuatoarele mentin atenuarea intr-o directie dreapta si pot functiona bidirectional.

Un exemplu de utilizare al atenuatorului optic este folosirea lui in sistemele WDM, unde puterea fiecarui canal se allege in asa mod incit sa asigure o caracteristica spectrala plana a semnalului, care se indreapta catre amplificatorul EDFA. Deci caracteristica sectrala plana in limitele latimii canalului deasemenea reprezinta un parametru cheie a atenuatorului.

5. Notiuni generale despre atenuatoarele optice

Atenuatoarele optice sunt dispozitive utilizate pentru micsorarea energiei sau puterii luminii laser de un numar difinit de ori cu eroarea data. De aceea el este numit cite o data prelungitorul artificial al fibrei optice.

Marimea micsorarii nivelului puterii optice poate fi una si aceeasi sau poate varia. In functie de acest punct de vedere atenuatoarele pot fi divizate in doua clase:

Atenuatoare fixe;

Atenuatoare variabile;

Dupa principiul de functionare atenuatoarele optice sunt subdivizate in mai multe clase: mecanice; de polarizare; acustooptice; de difractie; de interferenta; electrooptice

La masurarea parametrilor sistemelor de comunicatii bazate pe fibra optica cel mai des sunt utilizate atenuatoarele de polarizare si cele mecanice.

Atenuatoarele mecanice pot fi clasificate in doua tipuri: cu ruptura a fibrei optice si fara ruptura a fibrei. Atenuatoarele cu ruptura a fibrei functioneaza pe baza principiului schimbarii distantei, a unghiului sau devierii axei capetelor fibrelor optice, si deasemenea situarea intre cele doua capete de fibra a unor diferite filtre de lumina.

Atenuatoarele fara ruptura a fibrei schimba valoarea atenuarii la schimbarea unghiului de indoiere a fibrei. Aceste atenuatoare au avantajul fata de atenuatoarele cu ruptura a fibrei prin faptul ca ele pot functiona si in sistemele televiziunii prin cablu. Acest avantaj este foarte important din cauza ca aparatajul utilizat in sistemele de televiziune prin cablu este de tip analogical si este foarte sensibila la reflectarea la intoarcere.