6 Fiberoptiske kabler

1. 6 Fiberoptiske kabler Fordeler • Svært stor båndbredde og overføringshastighet • Leder ikke elektrisk strøm • Inneholder ikke metall • Upåvirkelig av elektromagnetiske interferens og atmosfæriske utladninger • Generelt svært god støyimmunitet • Stor regeneratoravstand • Påvirkes ikke av potensialforskjell mellom sender og mottaker • Lang holdbarhet og høy driftssikkerhet • Små dimensjoner og lett i vekt • Miljøvennlig Gjengiit med tillatelse fra Solar Elektrongros AS

2. Hva er lys? • Elektromagnetiske bølger som svinger med svært høye frekvenser. • Synlig lys ligger innenfor en frekvensgruppe som påvirker og derfor kan oppfattes av det menneskelige øyet. • Frekvensområde fra omkring 400 THz (Tera Hz, 1 THz = 1012 Hz) for rødt lys til omkring 750 THz for blått lys. • Synlig lys utgjør bare en liten bit av det elektromagnetiske frekvensspekteret. • Mer vanlig å operere med lysets bølgelengde. • I fiberoptiske kabler benyttes lys som ligger utenfor den synlige delen av frekvensspekteret.

3. c = f 0,01 nm 1 nm 100 nm 1m 10 m 1 mm 10 cm 1 m 10 m Gamma-stråler Røntgen-stråler Ultrafiolett lys Infrarødt lys Mikro-bølger Radio-bølger Synlig lys Figur 6.1 Bølgelengder i det elektromagnetiske frekvensspekter. Bølgelengde ogfrekvens Forholdet mellom bølgelengde ogfrekvens f og er gitt ut av formelen: c =lysets hastighet

4. Lys • Lys som stråler ut fra en lyskilde vil i vakuum stråle ut i rette linjer. • Når lys treffer en ru overflate, vil det enten bli absorbert eller reflektert i forskjellige retninger. • Noen frekvenser absorberes mer enn andre, og dette gir overflater ulik farge. • Hvite overflater sprer lyset for alle bølgelengdene likt. • Helt sorte overflater absorberer alt lyset. • Hastigheten varierer noe med bølgelengden, dvs. lysets farge. • Lyset forplanter seg med ulik hastighet i ulike medier.

5. Lysets hastighet i vakuum ca. 3 x 108 m/s nøyaktig: 299.792.458 m/s Hastigheten i m/s i ulike medier

6. Lysbrytning • Når lys går fra ett materiale til et annet, forandres hastighet og retning. • Siden fargene har forskjellig bølgelengde, vil de brytes ulikt. • Jo kortere bølgelengde, desto større brytning.

7. Rødt Hvitt lys Oransje Gult Grønt Blått Indigo Fiolett Lysbrytning Figur 6.2 Lysbrytning i et glassprisme.

8. c n = v Brytningsindeks c = lysets hastighet i vakuum v= lysets hastighet i aktuelt medium Brytningsindeks: • vakuum = 1 • luft = 1,003 • glass = 1,5

9. n1 n1 n2 n2 2 2 n1 >n2 a) n1 <n2 b) • Figur 6.3 Hvordan lyset brytes ved overgang mellom to materialer med ulik brytningsindeks. Snells lov:n1 . sin 1 = n2 . sin 2 Lysbrytning og brytningsindeks

10. r = 1 1 1 n1 n1 2 > 90 n2 2 = 90 n2 n1 > n2 a) b) Figur 6.4 Forhold ved total refleksjon. Refleksjon av lys

11. Fiberkjerne Primærbelegg (plast) Refleksjonskappe Figur 6.5 Oppbygning av en enkel fiber i en fiberoptisk kabel, sterkt forstørret. Fiberens egenskaper • Grunnmaterialet en form for glass eller kvarts (silisiumdioksid, SiO2). • Finnes i store mengder i naturen. • Lyset vandrer kun i fiberkjernen. • Fiberkjerne og refleksjonskappe er glass med ulike egenskaper (brytningsindeks). • Primærbelegget (plast) hindrer fiberen i å brekke.

12. Lengdetverrsnitt Tverrsnitt Fiberkjerne   Lysstråle Refleksjonskappe Primærbelegg Figur 6.6 Hvordan lyset brer seg i en optisk fiber. Lysets forplantning i fiberen

13. n2. sin 90 1,45 . sin 90 1,45 . 1 sin  = = = min = 75,2 = 0,967 n1 1,5 1,5 Beregning av kritisk vinkel, eksempel Brytningsindeks fiberkjerne: n1 = 1,50 Brytningsindeks refleksjonskappe: n2 = 1,45 max = 90 – 75,2= 14,8 Dette gir en maksimal vinkel:

14. Multimodus 50 - 62,5 m 125 m Singelmodus 9 m Refleksjonskappe Fiberkjerne Figur 6.7 Fysisk størrelse på selve fiberen for multimodus og singelmodus. Fibertyper To hovedtyper: • multimodus fiber • singelmodus fiber 125 m

15. Figur 6.8 Gradertindeksfiber. På grunn av at brytningsindeksen avtar jevnt utover fra midten, vil lysets brytning også endres i takt med avstanden fra senteraksen. Multimodusfiber To typer: • trinnindeksfiber (produseres ikke lenger som glassfiber) • gradertindeksfiber tykkelse fiber 125 m tykkelse fiberkjerne 50 og 62,5 m. vanlig betegnelse 50/125 og 62,5/125

16. Lys Figur 6.9 Singelmodusfiber Singelmodusfiber( monomodusfiber) • tykkelse fiber 125 m • tykkelse fiberkjerne 9 m. • vanlig betegnelse 9/125 På denne linken finner du flere opplysninger om fiber: INFO http://www.lanshack.com

17. Mottatte lyspulser Sendte lyspulser Dispersjon Figur 6.10 Dispersjon kan føre til at lyspulsene flyter sammen. τtot = τmode2 + τkrom2 Dispersjon • modusdispersjon • kromatisk dispersjon (materialdispersjon) Samlet dispersjon er en tidsfaktor og angis i ns/km eller ps/km:

18. NA = sin  = n12 – n22  Figur 6.11 Numerisk apertur defineres som sinus til innfallsvinkelen. Numerisk apertur • Et mål for den største aksepterte vinkel (akseptansvinkel) en lysstråle kan ha i forhold til fiberens optiske akse for å kunne oppnå totalrefleksjon i fiberen. n1 = brytningsindeks kjerne n2 = brytningsindeks refleksjonskappe

19. Numerisk apertur, verdi • Normale verdier numerisk apertur fra 0,1 til 0,3. • Tilsvarer vinkler fra 5,7 til 17,5. • Verdien påvirker størrelsen på tapet som man får når lyset går inn i fiberen. • Jo høyere verdi, desto mer lys vil slippe inn i fiberen uten å gå tapt i refleksjonskappen.

20. Dempning og overføringstap • Urenheter og uregelmessigheter i materialet gir i lysspredning og absorpsjon av lys i fiberen (Rayleighspredning). • Forårsaker dempning av lyset. • Skarpe bøyer på fiberkabelen fører til økt dempning. • Dempningen i fiber er avhengig av lysets bølgelengde, da noen bølgelengder absorberes mer enn andre i fiberen.

21. Dempning (dB/km) 1000 800 1200 1400 1600 bølgelengde (nm) Figur 6.12 Dempning i fiber er forskjellig for ulike bølgelengder. Dempning og bølgelengde Benyttede bølgelengder: Multimode 850 nm 1300 nm Singelmode 1310 nm 1550 nm På denne linken finner du datablad med data for bl.a. dempning, dispersjon og nummerisk apertur for ulike typer fiberoptisk kabel: DATABLAD http://www.draka.no/

22. Lyskilder

23. Detektorer Som lysdetektorer brukes fotodioder av typene PIN og APD (lavinediode). Alle diodetypene har et forholdsvis bredt spektralområde. Materialer i lysdetektorer og tilhørende bølgelengdeområder: • Ofte er elektronikken i hver ende den største begrensningsfaktoren med hensyn til båndbredde i overføringssystemet. • Lysdioder har en viss stigetid og detektorer en viss reaksjonstid. • Kan variere fra komponenttype til komponenttype.

24. innkoblingstap utkoblingstap Koblingstap • Innkoblingstap, tap i overgangen der lyset går inn i fiberen. • Utkoblingstap, tap i overgangen der lyset kommer ut av fiberen.

25. Lyspulser Lyspulser Fiberkabel Elektriske pulser Elektriske pulser Skjøt Konnektor Konnektor PIN eller APD LED eller LD Sender Mot-taker Figur 6.16 Prinsippskisse av et fiberoptisk overføringssystem. Fiberoptisk system

26. 1 fiber 2 fiber Figur 6.17 Enhet for bølgelengdemultipleksing (WDM). Bølgelengdemultipleksing (WDM, Wavelength Division Multiplexing) • Avstanden mellom kanalene fra noen nanometer og oppover. • Mer avansert metode er DWDM (Dense WAavelength Division Multipleksing) der avstanden mellom kanalene er mindre enn 1nm.

27. Skjøting og terminering Typer skjøting: • limskjøt • mekanisk skjøt • konnektorskjøt • sveiseskjøt • En dårlig utført skjøt resulterer i kraftig dempning av signalet. • Riktige arbeidsmetoder og utstyr er nødvendig. • I en godt utført skjøt kan tapet være nede i 0,05 dB. • Tap under 0,25 dB regnes som akseptabelt.

28. Skjøtemetoder LightCrimp Plus/UNICAM • Terminering av Fiber kabling på mindre enn et minutt. • Rask, ren og enkel mekanisk termineringsprosedyre. • Ingen polering behøves - enkel tilrettelegging av kabelen, kutting og krimping, og du har en perfekt tilkobling. • Ingen strømtilkobling behøves. • Lim, herdeovn eller ultrafiolett lys behøves ikke. • Høy kvalitet, lave arbeidskostnader på installasjonen. Gjengiit med tillatelse fra Solar Elektrongros AS

29. Figur 6.18 Unøyaktigheter ved skjøting av fiber kan medføre stor dempning. Skjøtetap De viktigste årsakene til tap og dempning i en skjøt er: • dårlig sentrering av fiberendene • for stor avstand mellom snittflatene • snittflatene danner en vinkel med hverandre • uregelmessigheter og urenheter i snittflatene NB! Skal ikke skjøte fiber av forskjellig type. Her finner du flere opplysninger: Skjøting Terminering http://www.corningcablesystems.com http://www.lanshack.com

30. Primærbelegg Ytterkappe Sekundærbelegg Fiber Figur 6.19 Fiberoptisk kabel med en enkeltfiber og tett kledning. Fiberoptiskekabler, tett kledning

31. Kjerneelement Fiber Ytterkappe Strekkelement Figur 6.20 Tverrsnitt av sporkabel med løs kledning. Fiberoptiske kabler, løs kledning Under denne linken finner du mer om kabeltyper: Kabeltyper http://www.arcelect.com

32. Fiberoptiske konnektorer og patchekabler • Standard typer finnes som ST-ST, SC-SC og ST-SC. • Vanligste lengder er 1, 2, 3 og 5 meter. • Både enkle og doble. • Singel og multimodus. • Pigtails (kontakt i én ende, brukes ved at denne skjøtes til kabelen). Gjengiit med tillatelse fra Solar Elektrongros AS

33. B X Fiberoptisk installasjon RETNINGSLINJER • Bruk sunn fornuft og kvalifisert personale. • Følg KAT 5 installasjon guidelines. • Bøyeradius bør ikke være mindre enn 10 ganger kabelens diameter - 15 ganger diameter under trekk. • Under oppbevaring bør kabelen ikke utsettes for mer enn 30 ganger diameteren. • Gjennomsnittelig trekkstyrke er 1000N/3000N. • >30 x diameter Gjengiit med tillatelse fra Solar Elektrongros AS 1000N

34. Plastfiber • Lages som multimodus trinnindeksfiber. • Relativt stor dempning og høy dispersjon. • Brukes kun på korte avstander (inntil noen hundre meter) og lavere overføringshastigheter. Aktuell bølgelengde 660 nm. • Diameter fiber = 1mm. Fordeler: • Gode mekaniske egenskaper. • Enkel å håndtere og terminere. • Større fysiske dimensjoner gjør utstyret for sending og mottak av lys enklere og billigere.

35. Måling og beregning Dempningsregnskap i fiberoptiske systemer: • Summen av tapene i de enkelte deler av et fiberoptisk system utgjør den totale dempningen. • Dempningsregnskap eller effektbudsjett gir god kontroll med de totale tapene.

36. Beregningseksempel En multimodusfiber har en samlet lengde på 1,5 km. Underveis på fiberen er det to skjøter. Innkoplingstap: 0,5 dB Utkoplingstap: 0,4 dB Skjøtetap: 0,2 dB Fibertap 3 dB/km Samlet tap: ( 0,5 + 0,4 +0,2 x 2 + 3 x 1,5 ) dB = 5,8 dB Dersom lyskildens utstrålte effekt er kjent, kan vi beregne detektorens følsomhet.

37. Måle og testinstrumenter • Effektmeter: måler dempning av optisk effekt. • Reflektometer: detekterer svakheter og brudd med avstandsangivelse. På denne linken finner du mer ominstrumenter Instrumenter http://www.nortelco.no/

38. Forholdsregler under arbeidmed fiber • Se aldri inn i enden av en fiber. • Se aldri inn i laserdioder, lysdioder eller detektorer eller utstyr for disse komponentene. Lyset er usynlig, men vil likevel være skadelig. • Hold fiberen i god avstand fra øyne for å unngå skader fra de skarpe fiberendene. • Beskytt deg mot skader som stikk i huden av fiberender og fiberkutt. Kan trenge inn i hud og blodårer uten at du merker det. • Fiberrester skal alltid legges på et egnet sted i egne beholdere. • Unngå nærkontakt med etsende og irriterende væsker. • Ha alltid rikelig med vann tilgjengelig under arbeid med fiber.

39. F A R E Laser klasse III Merking med fareskilt Mer om laser og lasersikkerhet kan du finne på denne linken: Utstyr med laserlys skal alltid være merket med fareskilt. Laser http://www.laserinstitute.org/