Fibre Optice

2.1 Generalităţi

Fenomenul fizic care stă la baza ghidării fascicolelor de fotoni în fibrele optice este reflexia totală internă (TIR), cunoscut încă din 1854. Deşi FO au fost realizate prima oară îin anii 1920 ele au devenit oarecum practice în 1950 când prin utilizarea unui înveliş pentru miezul FO s-au îmbunătăţit radica caracteristicile de ghidare.

Înainte de 1970, FO erau utilizate pentru transmisiuni pe distanţe foarte scurte (de exemplu, imagini în medicină – endoscopii). Utilizarea în comunicaţii de distanţă era încă nepractică datorită atenuărilor foarte mari (~ 1000 dB/km). Situaţia s-a schimbat după 1970 când a fost posibilă, tehnologic, realizarea unei FO cu atenuare sub 20 dB/km. După 1979 se realizează o variantă de FO cu o atenuare de aproximativ 0.2 dB/km în ”fereastra III-a” (λ=1.55µm).

Fig. 1

În figura 1 este prezentată (calitativ) atenuarea lineică intrinsecă a FO în funcţie de lungimea de undă optică (λ) sau frecvenţa (f), punându-se în evidenţă ferestrele (din infraroşu apropiat) utilizate pentru comunicaţii (I – λ = 0.85 µm-Short wave band; II – λ = 1.3 µm, 0.3-0.4 dB/km-Medium wave band; III – λ = 1.55 µm, 0.2-0.25 dB/km-Long wave band) pentru realizările din anii 1973 şi 1981. Limita atenuării este dată prin legea difuziei Razleigh care afirmă că puterea optică absorbită de miezul fibrei variază cu λ-4 fără să depindă de intensitatea luminii. Apare în toate tipurile de FO şi se datorează fluctuaţiilor de densitate şi compoziţie.

2.2 Descrierea geometrică a FO

O fibră optică este constituită dintr-un miez cilindric de „silice” – sticlă de cuarţ1 cu indicele de refracţie n1 şi rază a şi un înveliş de rază b şi indice de refracţie n2, n2 ≤ n1. Dacă trecerea de la n1 la n2 se face „brusc” este vorba de o fibră optică cu salt de indice (MMF, SMF)2, iar dacă trecerea este gradată, fibrele optice se numesc gradate. Figura 2 prezintă secţiunea printr-o FO şi profilul indicelui de refracţie n(p); (p este distanţa de la axul fibrei la un punct interior). Pentru a observa cu uşurinţă proprietăţile de ghidare se poate utiliza cu aproximaţie optica geometrică (fiind valabilă numai pentru a >>λ). Dacă razele de lumină intră sub un anumit unghi faţă de axul fibrei (în interiorul unui con de acceptare) atunci ele se propagă ghidat prin miezul fibrei datorită reflexiei totale interne.

Fig. 2

1 [θtop ~ 600oC, Δn/n=100 ppm/grad Celsius, volum (a=125 µm, L=1km) = 12 cm3 (masa 28 g)]

2 MMF se referă la FO cu salt de indice sau gradate, a căror geometrie permite ghidarea mai multor “moduri” iar SMF se referă la FO cu salt de indice, monomod. MMF-multimode fiber, SMF-singlemode fiber

Există un număr finit de astfel de raze, dependente de modul în care este construită fibra (geometrie şi indici de refracţie). Pntru o rază a miezului comparabilă cu lungimea de undă λ este necesară o analiză mai exactă a propagării, folosind setul de ecuaţii Maxwell (care ţin seama şi de fenomene cum ar fi interferenţa şi difracţia).

Fibrele optice sunt medii dispersive (indicele de refracţie depinde de lungimea de undă), deci un impuls optic cu o anumită largime spectrală îşi măreşte durata prin propagare într-o fibră monomod (dispersie intramodală). Dacă fibra este multimod apare în plus (se adaugă la dispersia intramodală) şi o dispersie intermodală datorată traseelor de lungime diferită prin miezul fibrei pe care le parcurg diversele raze de lumină (moduri).

Fibra gradată are indicele de refracţie al miezului dependent de rază. Valoarea este maximă (n1) pe axul fibrei şi scade la valoarea n2 la interfaţa miezului cu învelişul. Astfel viteza de propagare a luminii ghidate creşte într-o fibră gradată pe măsură ce traseul acesteia se îndepărtează de axul fibrei. În acest fel dispersia intramodală este micşorată semnificativ în raport cu fibra cu salt de indice (uzual de aproximativ 3000 de ori). Diametrul miezului (2a) este, cu aproximaţie: 50...200 µm pentru fibre multimod cu salt de indice, 50...100 µm pentru fibre gradate şi 8...12 µm pentru fibre monomod. Învelişul are între 125...200 µm pentru fibre monomod şi gradate şi între 125 şi 400 µm pentru fibre multimod.

2.2.1 Fibre cu salt de indice multimod

Un parametru optic fundamental al unui material este indicele de refracţie (1.33 pentru apă, 1.5 pentru sticlă, 2.42 pentru diamant, etc.), notat cu n. În spaţiul liber (în vid), undele luminoase se deplasează cu viteza c=3•108 m/s. Relaţia dintre viteză (c), frecvenţă (υ) şi lungime de undă (λ) este c = υ • λ . Printr-un mediu dielectric neconductiv viteza luminii scade, astfel încât V = c/n . Când o rază de lumină întâlneşte un mediu diferit faţă de acela prin care se propagă, o parte din rază (unda reflectată) se întoarce în mediul din care provine, iar cealaltă parte (unda refractată) se va propaga prin noul mediu, figura 3. Unghiurile faţă de normală diferita în cele două medii se explică prin vitezele diferite ale undelor în aceste medii.