OPTIČKI KABELI

1. OPTIČKI KABELI svojstva i primjena Pomorski fakultet u Splitu

2. UVOD Materijali od kojih se izrađuju optička vlakna su dielektrici,te su obrađeni u 6. nastavnoj cjelini. Ovdje ćemo im razmotriti posebnu primjenu u komunikacijama. Optičko vlakno nameće se kao najperspektivniji prijenosni medij, jer je davno uočen ogroman informacijski kapacitet kojeg omogućuju prijenosni sustavi koji rade na frekvencijama elektromagnetskih valova svjetlosti (kapacitet prijenosa informacija razmjerno raste s radnom frekvencijom sustava). Brz napredak optičkih komunikacija bio je ograničen s dva čimbenika: realizacijom primopredajnih komponenata optičkog komunikacijskog sustava i izradom optičkih vlakana pogodnih za prijenos informacija. Optička vlakna se danas sve više upotrebljavaju za veze na velikim udaljenostima na kopnu i pod morem, u lokalnim mrežama u poslovnim zgradama, industrijskim objektima, bolnicama, transportnim sustavima, na plovnim objektima, itd.

3. Suvremeno zanimanje za optičke komunikacije potječe iz 1960. godine, kad je prvi put prikazan laser (engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja, izvor koherentnog monokromatskog zračenja.) kao efikasan izvor elektromagnetskih valova (svjetlosti) čije su frekvencije bile za oko 104 puta više od najviših radiokomunikacijskih frekvencija tada u upotrebi. Teškoće s prvim laserima su bile njihova nepouzdanost, glomaznost i neodgovarajuća izlazna snaga. Ti su problemi uvelike riješeni pronalaskom poluvodičkog lasera 1962. godine. Tako je otvoren put za korištenje ogromnih kapaciteta prijenosa s optičkim vlaknima. Kod suvremenih poluvodičkih lasera istovremeno se generira svjetlosno zračenje i obavlja modulacija. Pobuda je struja koja kroz njih protječe. Radnu valnu duljinu određuje materijal iz kojeg je napravljen P-N spoj. Silicijska poluvodička tehnologija pružila je, također, mogućnost realizacije efikasnih fotodetektora optičkih signala kao što su PIN i APD fotodiode.

4. PIN diode imaju osiromašeno područje koje formiraju nepokretni atomi donora u N-tipu i akceptora u P-tipu. Širina tog područja ovisi o koncentraciji primjesa (što je područje šire, manje je primjesa). Pri apsorpciji fotona elektroni prelaze iz valentne u vodljivu zonu, te nastaju parovi elektron-šupljina. Ako takav par nastane u osiromašenom području, nositelji naboja se pod utjecajem jakog električnog polja brzo kreću i nastaje električna struja. Poželjno je da se veći dio svjetlosti apsorbira u osiromašenom području. Povećanje osiromašenog sloja postiže se smanjenjem koncentracije primjesa u N-sloju. Slabo dopirani N-sloj može se smatrati intrinzičnim, tako da postoji Pi-prijelaz. Ako se tome doda jako dopirani N-sloj, dobija se PiN struktura. PiN fotodioda posjeduje veliku osjetljivost i brzinu rada, a blizak im je spoj metal-poluvodič28.

5. APD (Avalanche Photodiode) lavinska fotodioda 38. Kako je izlazna struja fotodiode svega nekoliko nA, tako slab strujni signal teško se može pojačati bez unošenja šuma u sklop. Zato je nužno povećati izlaznu struju diode prije pojačavanja, a to se postiže lavinskom diodom. Za nastajanje lavinskog učinka nužno je realizirati složeniju poluvodičku strukturu (vanjski tanki sloj N-tipa, slabo dopirani sloj P-tipa, te zatim široko područje i-tipa, te na kraju jako dopirani P+- sloj), te znatno povećati inverzni napon (u odnosu na PiN diodu) da bi nositelji naboja, koji nastaju kod apsorpcije fotona u vanjskim slojevima poluvodiča, prolazeći preko područja djelovanja jakog električnog polja, dobili energiju dovoljnu za pobudu višekratno ponavljajući proces udarne ionizacije. Čimbenik umnožavanja M jednak je višekratniku fotostruje, a za obični PN prijelaz određuje se izrazom: gdje je UB vanjski polarizacijski napon, UP probojni napon prijelaza i V broj koji za silicij iznosi od 1,5 do 4, a za germanij od 2,5 do 9.

6. MATERIJALI ZA OPTIČKA VLAKNA I KABELE

7. OPTIČKA SVOJSTVA MATERIJALA

8. KARAKTERISTIKE OPTIČKOG VLAKNA Numerička apertura (numerička otvorenost) Disperzija Gušenje Širina propusnog opsega Vrijeme porasta Jakost niti

9. SASTAVNI DJELOVI OPTIČKOG KABELA Djelovi optičkog kabela su: • optička jezgra (vlakno) • omotač jezgre • zaštitni omotač kabela

10. Svjetlost i indeks loma • n se zove indeks loma • sredstva • Indeks loma za zrak i • vakum je približno 1 • Prozirnost je svojstvo materijala da propušta svjetlost. • Za prozirna sredstva •  r  1, te je: • U tehnici osvjetljenja koristi se usko područje valnih duljina (10-7 do 10-3) • Svjetlost je elektromagnetski val koji se vakuumom širi brzinom: • U nekom sredstvu, brzina se mijenja:

11. Svojstva optičkih materijala: BOJA

12. upadni kut -  kut refleksije (odbijanja) -  kut loma -  LOM i REFLEKSIJA upadna zraka reflektirana (odbijena) zraka • U vakuumu vrijedi da je c=. Pri promjeni sredstva, mijenja se brzina i valna duljina, ali ne i frekvencija. Kako je E=h, slijedi da se energija ne mijenja. • 2. zakon geometrijske optike: zakon odbijanja ili refleksije:  =  • 3. zakon geometrijske optike Snellov zakon (zakon loma): sin  / sin  = n2/ n1 lomljena zraka

13. Vođenje svjetlosti kroz optičko vlakno

14. Profili indeksa loma

15. NUMERIČKA APERTURA

16. Prijenosni gubici vlakana Glavni uzroci gubitaka u vlaknima su: - apsorpcija, - rasipanje, - radijacija optičke snage.

17. Disperzija

18. Disperzija u optičkom vlaknu podrazumijeva sve efekte koji stvaraju razlike u vremenima proleta, te na taj način ograničavaju širinu prijenosnog pojasa vlakna, odnosno kapacitet vlakna. Drugim riječima, disperzija u optičkom vlaknu uzrokuje da se vlakno ponaša kao niskopropusni filter s impulsnim odzivom h(t) ili prijenosnom funkcijom H(f). Impulsni odziv i prijenosna funkcija predstavljaju Fourierov transformacijski par, pa je za određivanje disperzije dovoljno mjeriti h(t) ili H(f). Mjerenjem impulsnog odziva dobiva se informacija o širenju impulsa pri prolasku kroz vlakno (izražava se u ns/km), dok se mjerenjem prijenosne funkcije izravno dobiva propusni opseg vlakna (u MHz km). U optičkom vlaknu razlikuju se: - materijalna, - valovodna i - modalna disperzija.

19. Materijalna disperzija se javlja kod materijala gdje vrijednost indeksa loma ovisi o valnoj duljini svjetlosti. Kako svjetlosni signal u načelu nije monokromatski, već zauzima određeno područje valnih duljina, materijal preko indeksa loma različito utječe na brzinu prostiranja pojedinih komponenti unutar signala, tj. impulsa. Utjecaj materijalne disperzije znatno smanjuje rad na većim valnim duljinama, te uporabu optičkih emitera sa što manjom relativnom spektralnom širinom /. U kombinaciji s materijalnom disperzijom javlja se i valovodna disperzija. Valovodna disperzija nastaje, u principu, zbog ovisnosti modalnog V-broja o valnoj duljini, tj. propagacijske karakteristike moda (npr. grupna brzina) su funkcija omjera polumjera jezgre i valne duljine. Nastalo proširenje impulsa zanemarivo je s obzirom na materijalnu disperziju. Materijalna i valovodna disperzija dominantne su kod jednomodnih optičkih vlakana. Modalna disperzija smanjuje širinu propusnog područja višemodnih vlakana, a nastaje zbog različitih putova koje prelaze različiti modovi pri propagaciji kroz jezgru vlakna. Uslijed različitih putanja svi modovi ne stižu u isto vrijeme na prijenosnu stranu.

20. Gušenje Pod gušenjem se podrazumijeva gubitak ili smanjenje signala koji se prenosi. U svjetlovodnoj niti usmjereni modovi gube dio energije zbog rasipanja i apsorpcije svjetlosti u jezgri valovoda. Ti su gubici posljedica: - raspršenja svjetlosti na submikroskopski malim nehomogenostima u strukturi, po svojim dimenzijama znatno manjim od valne duljine primijenjene svjetlosti, - apsorpcije i rasipanja svjetlosti u strukturi koja sadrži ione nekih primjesa, nepoželjnih promjena modalne strukture uzduž svjetlovoda, npr. zbog pretvaranja usmjerenih modova u modove omotača i rasipanja svjetlosti zbog savijanja i mikrosavijanja, raznih defekata i mikroskopski malih neujednačenosti u jezgri niti.

21. Kao izvor svjetla u ovom se pokusu koristi helij-neonski laser, koji daje lasersku svjetlost intenziteta I0. Laserski snop prolazi kroz posudu za kemijske pokuse (tzv. kiveta). Kiveta je popunjena optički prozirnim sredstvom (sredstvo koje propušta svjetlost). Na izlazu iz kivete laserski je snop oslabljen, te je njegov intenzitet I. Taj iznos detektira se u fotodetektoru. U ovom jednostavnom slučaju može se zaključiti da je došlo do gušenja svjetlosti.

22. Modovi širenja svjetlosnog signala Broj načina prijenosa signala je: V - broj ili parametar normalizirane frekvencije iznosi:

23. Osnovne konstrukcije optičkih vlakana

24. Usporedba jednomodnih i višemodnih vlakana • Jednomodna vlakna su manjeg radijusa od višemodnih, • Smanjena širina propusnog opsega usljed različitih puteva modova, • Optimalni profil raspodjele indeksa loma je parabolični, • Jednomodnim vlaknima je otežano spajanje, a dovoljnu snagu može uvesti samo laserski izvor, • Jednomodna vlakna imaju manje gubitke zbog rasipanja svjetlosti, • Fluktuacije indeksa loma jednomodnog vlakna uzrokuju raspršenje svjetlosti.

25. Proširenje impulsa Proširenje impulsa koji se propagira kroz vlakno posljedica je: - disperzivnih svojstava materijala prijenosnog medija, - strukturnih negomogenosti, - defekata vlakana.

26. Konstrukcije optičkih kabela Drugi sloj sekundarne zaštite - 1,4 mm Prvi sloj sekundarne zaštite - 1,7 mm Vodonepropusna masa Optičko vlakno Primarna zaštita Klasični modul “slobodne” strukture (LOOSE TYPE)

27. Konstrukcije optičkih kabela Sekundarna zaštita - 1,2 mm Primarna zaštita - 0,5 mm Optičko vlakno (0,125 - 0,14 mm) Klasični modul “čvrste” strukture (TIGHT TYPE)

28. Konstrukcije optičkih kabela Žljebasti optički modul

29. Konstrukcije optičkih kabela Trakasti optički modul

30. Optički elektrokomunikacijski sustav Shema optičkog elektrokomunikacijskog sustava

31. Komponenete optičkih prijenosnih sustava • optički izvori • optički detektori • aktivne • pasivne • optička vlakna • optički sprežnici • optički prekidači i konektori

32. Aktivne optičke komponente LED laserska dioda PIN dioda lavinska dioda

33. Bitni parametri optičkih prijenosnih sustava su: - željena brzina prijenosa, - duljina prijenosnog puta, -zahtjevana vjerojatnost pogreške (kvaliteta prijenosa). Pri odabiru izvora svjetlosti treba uzeti u obzir: - vrstu izvora (LED ili lasersku diodu), - centralnu valnu duljinu zračenja, - širinu spektra zračenja, - izlaznu snagu, - brzinu odziva na električnu pobudu, - dijagram zračenja i efektivnu površinu zračenja, - način modulacije i kodiranja, - radni vijek.

34. Pri odabiru optičkog vlakna kao prijenosnog medija relevantni parametri su: - vrsta optičkog vlakna (jednomodno ili višemodno), - promjer jezgre, - raspodjela profila indeksa loma, - numerička apertura, - prigušenje u zadanom spektralnom području, - propusno područje, - čvrstoća, - osjetljivost na mikrosavijanje, - disperzija svjetlosnih impulsa. Pri odabiru detektora svjetlosti relevantni parametri su: - vrsta detektora (PIN ili lavinska fotodioda), - osjetljivosti u zadanom spektralnom području, - brzina rada, - šum, - minimalna prijemna snaga.

35. Pasivne optičke komponente Optički konektori

36. Optički prekidači se dijele na mehaničke i nemehaničke. Mehanički prekidači koriste pokretne optičke elemente (mikroogledala, mikroprizme itd.), zbog čega imaju malu brzinu prekidanja. Nemehanički prekidači koriste razne elektrooptičke efekte. Imaju veliku brzinu prekidanja, male dimenzije i veliku pouzdanost. Zbog ovih svojstava su daleko pogodniji za korištenje u FOLAN mrežama. Optički konektori su neophodne komponente koje omogućuju sprezanje vlakna s aktivnim optičkim komponentama. Zbog toga se zahtijeva da budu malih dimenzija, malog unesenog prigušenja, pouzdani i jednostavni za rukovanje. Prosječno prigušenje konektora je danas ispod 0,5 dB. Dijele se na valjkaste i konusne. Valjkasti konektori obično sadrže precizne prstene ili precizne metalne štapiće kojima se vezuju vlakna. Konusni konektori sastoje se od dva konusna čepa s bikonusnim rukavcem koji ih povezuje.

37. Optički sprežnici su elementi kojima se ostvaruje fizičko sprezanje (vezanje) s mrežom, tj. s prijenosnim medijem. Predstavljaju element s tri ili više vlakana, koje treba spojiti, pri čemu je osigurano sprezanje između njih. Za ostvarivanje razdvojivih spojeva optičkih vlakana, te spojeva izmedu vlakana i aktivnih optičkih komponenata (optičkog izvora ili optičkog detektora) koriste se optički konektori. Fizičko spajanje stanica s optičkim prijenosnim medijem obavlja se primjenom sprežnika koji mogu biti tipa "T" (izravni) u mrežama s topologijom sabirnice ili prstena, ili pak tipa "zvijezda" (distributivni) u mrežama zvjezdaste topologije. Pri tome treba voditi računa na: kutne podešenosti, podudaranje osi, prazni prostor između vlakana, devijacije promjera, slaganje numeričke aperture i refleksiju na spoju.

38. Primjena optičkih kabela u brodskim informacijskim sustavima

39. OPTIČKI KABELI U POSEBNIM UVJETIMA PLOVNOG OBJEKTA • Razlozi zbog kojih se optičke tehnologije uvode na plovne objekte su: • visoka pouzdanost sustava (dielektrična struktura svjetlovodnih vlakana isključuje potrebu uzemljenja, mogućnost pojave prenapona, iskrenja, kratkog spoja i požara; svjetlovod je optimalni prijenosni medij u opasnim, eksplozivnim i visokotemperaturnim sredinama plovnih objekata) • smanjenje zapremine i težine čak za 90% u usporedbi s klasičnim kabelom

40. OPTIČKI KABELI U POSEBNIM UVJETIMA PLOVNOG OBJEKTA • jednostavna samodijagnostika (mjesto oštećenja svjetlovoda se utvrđuje na temelju raspršenja svjetlosti uz korištenje reflektometra) • integracija svih brodskih sustava i podsustava u jedinstveni integrirani sustav pomoću lokalne optičke mreže • sposobnost optičke brodske mreže da osigura eventualne potrebe povećanja kapaciteta prijenosnog sustava i podudarnost životnog vijeka optičkog sustava sa životnim vijekom broda

41. OPTIČKI KABELI U POSEBNIM UVJETIMA PLOVNOG OBJEKTA • implementacija pri izgradnji brodskog svjetlovodnog integriranog sustava koji je otporan na utjecaje EM impulsnih smetnji, EM interferenciju i interferenciju radio frekvencija • jednostavno i jeftino instaliranje (kabliranje je u pravilu lakše i jeftinije zbog manjih dimenzija i težine optičkih u odnosu na bakrene kabele) • smanjenje troškova održavanja, što je posljedica velike pouzdanosti optičkog kabelskog sustava, odnosno rijetkih kvarova (u prvoj godini troškovi održavanja su 25 do 50% troškova održavanja bakrenog kabelskog sustava, a nakon toga se mogu sresti na nulu)

42. OPTIČKI KABELI U POSEBNIM UVJETIMA PLOVNOG OBJEKTA • prijenos signala na plovnim objektima obavlja se na udaljenostima do nekoliko stotina metara, pa se na svjetlovodna vlakna ne postavljaju visoki zahtjevi u pogledu ukupnog prigušenja i propusnog područja. • kako brodski integrirani komunikacijski sustav ima stacionaran karakter, niti mehaničke karakteristike ne dolaze do izražaja. • brodski optički kabeli moraju imati svojstva otpornosti na specifične uvjete brodske okoline (djelovanje soli, kemikalija, vatre, promjena temperature, stranih EMP).

43. Mjerenje bitnih parametara optičkih sustava

46. PROIZVODNJA OPTIČKIH VLAKANA Za proizvodnju staklenih vlakana razvijeno je više različitih tehnologija, koje se mogu podijeliti u dvije osnovne skupine: • primjena dvije posude s tekućim staklima jezgre i omotača, • kemijska depozicija u parnoj fazi.

47. Postupak dvostruke posude

48. Postupci kemijske depozicije u parnoj fazi Postoje: • vanjska, • unutarnja i • aksijalna depozicija

49. Dobijanje vlakna iz predforme

50. Postupak vanjske depozicije