6 Fiberoptiske kablar

1. 6 Fiberoptiske kablar Fordelar • Svært stor bandbreidd og overføringsfart • Leier ikkje elektrisk straum • Inneheld ikkje metall • Blir ikkje påverka av elektromagnetisk interferens og atmosfæriske utladingar • Generelt svært god støyimmunitet • Stor regeneratoravstand • Blir ikkje påverka av potensialskilnad mellom sendar og mottakar • Varer lenge og er driftssikre • Små dimensjonar og lette i vekt • Miljøvenlege Gjengitt med løyve frå Solar Elektrongros AS

2. Kva er lys? • Elektromagnetiske bølgjer som svingar med svært høge frekvensar. • Synleg lys ligg innanfor ei frekvensgruppe som påverkar det menneskelege auget, og som difor kan oppfattast av auget. • Frekvensområde frå omkring 400 THz (Tera Hz, 1 THz = 1012 Hz) for raudt lys til omkring 750 THz for blått lys. • Synleg lys omfattar berre ein liten bit av det elektromagnetiske frekvensspekteret. • Meir vanleg å operere med bølgjelengda til lys. • I fiberoptiske kablar blir det nytta lys som ligg utanfor den synlege 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-strålar Røntgen-strålar Ultrafiolett lys Infraraudt lys Mikro-bølgjer Radio-bølgjer Synleg lys Figur 6.1 Bølgjelengder i det elektromagnetiske frekvensspekteret. Bølgjelengd ogfrekvens Forholdet mellom bølgjelengd ogfrekvens f er gitt av denne formelen: c =lysfart

4. Lys • Lys som strålar ut frå ei lyskjelde, strålar i vakuum ut i rette linjer. • Når lys treffer ei ru overflate, blir det anten absorbert eller reflektert i ulike retningar. • Nokre frekvensar blir meir absorberte enn andre, og det gir overflater ulik farge. • Kvite overflater spreier lyset for alle bølgjelengdene likt. • Heilt svarte overflater absorberer alt lyset. • Farten varierer noko med bølgjelengda, det vil seie med fargen på lyset. • Lyset forplantar seg med ulik fart i ulike medium.

5. Lysfart i vakuum ca. 3 x 108 m/s nøyaktig: 299.792.458 m/s Farten i m/s i ulike medium

6. Lysbryting • Når lys går frå eitt materiale til eit anna, endrar fart og retning seg. • Sidan fargane har ulik bølgjelengd, blir dei brotne ulikt. • Dess kortare bølgjelengd, dess større bryting.

7. Raudt Kvitt lys Oransje Gult Grønt Blått Indigo Fiolett Lysbryting Figur 6.2 Lysbryting i eit glasprisme.

8. c n = v Brytingsindeks c = lysfarten i vakuum v= lysfarten i aktuelt medium Brytingsindeks: • vakuum = 1 • luft = 1,003 • glas = 1,5

9. n1 n1 n2 n2 2 2 n1 >n2 a) n1 <n2 b) • Figur 6.3 Korleis lyset blir brote ved overgang mellom to materiale med ulik brytingsindeks. Snells lov:n1 . sin 1 = n2 . sin 2 Lysbryting og brytingsindeks

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 Oppbygging av ein enkel fiber i ein fiberoptisk kabel, sterkt forstørra. Fibereigenskapar • Grunnmaterialet er ei form for glas eller kvarts (silisiumdioksid, SiO2). • Finst i store mengder i naturen. • Lyset vandrar berre i fiberkjernen. • Fiberkjerne og refleksjonskappe er glas med ulike eigenskapar (brytingsindeks). • Primærbelegget (plast) hindrar fiberen i å brotne.

12. Lengdetverrsnitt Tverrsnitt Fiberkjerne   Lysstråle Refleksjonskappe Primærbelegg Figur 6.6 Korleis lyset breier seg i ein optisk fiber. Forplanting av lyset i fiberen

13. n2. sin 90 1,45 . sin 90 1,45 . 1 sin  = = = min = 75,2 = 0,967 n1 1,5 1,5 Utrekning av kritisk vinkel, døme Brytingsindeks fiberkjerne: n1 = 1,50 Brytingsindeks refleksjonskappe: n2 = 1,45 max = 90 – 75,2= 14,8 Det gir ein maksimal vinkel:

14. Multimodus 50-62,5 m 125 m Singelmodus 9 m Refleksjonskappe Fiberkjerne Figur 6.7 Fysisk storleik på sjølve fiberen for multimodus og singelmodus. Fibertypar To hovudtypar: • multimodus fiber • singelmodus fiber 125 m

15. Figur 6.8 Gradert indeksfiber. Fordi brytingsindeksen minkar jamt utover frå midten, endrar også lysbrytinga seg i takt med avstanden frå senteraksen. Multimodusfiber To typar • stegindeksfiber (blir ikkje lenger produsert som glasfiber) • gradert indeksfiber tjukn fiber: 125 m tjukn fiberkjerne: 50 og 62,5 m. vanleg nemning: 50/125 og 62,5/125

16. Lys Figur 6.9 Singelmodusfiber Singelmodusfiber( monomodusfiber) • tjukn fiber: 125 m • tjukn fiberkjerne: 9 m. • vanleg nemning: 9/125 På denne linken finn du fleire opplysningar om fiber: INFO http://www.lanshack.com

17. Mottekne lyspulsar Sende lyspulsar Dispersjon Figur 6.10 Dispersjon kan føre til at lyspulsane flyt saman. τtot = τmode2 + τkrom2 Dispersjon • modusdispersjon • kromatisk dispersjon (materialdispersjon) Samla dispersjon er ein tidsfaktor og blir oppgitt i ns/km eller ps/km:

18. NA = sin  = n12 – n22  Figur 6.11 Numerisk apertur er definert som sinus til innfallsvinkelen. Numerisk apertur • Eit mål for den største aksepterte vinkelen (akseptansvinkelen) ein lysstråle kan ha i forhold til den optiske aksen til fiberen for å kunne få totalrefleksjon i fiberen. n1 = brytingsindeks kjerne n2 = brytingsindeks refleksjonskappe

19. Numerisk apertur, verdi • Normale verdiar numerisk apertur frå 0,1 til 0,3. • Svarer til vinklar frå 5,7 til 17,5. • Verdien påverkar storleiken på det tapet vi får når lyset går inn i fiberen. • Dess høgare verdi, dess meir lys slepp inn i fiberen utan å gå tapt i refleksjonskappa.

20. Demping og overføringstap • Skit og ujamt materiale gir lysspreiing og absorpsjon av lys i fiberen (rayleighspreiing). • Er med på å dempe lyset. • Skarpe bøygar på fiberkabelen aukar dempinga. • Dempinga i fiberen er avhengig av bølgjelengda til lyset ettersom nokre bølgjelengder blir meir absorberte enn andre i fiberen.

21. Demping (dB/km) 1000 800 1200 1400 1600 Bølgjelengd (nm) Figur 6.12 Dempinga i fiberen er ulik for ulike bølgjelengder. Demping og bølgjelengd Nytta bølgjelengder: Multimode 850 nm 1300 nm Singelmode 1310 nm 1550 nm På denne linken finn du datablad med data for mellom anna demping, dispersjon og nummerisk apertur for ulike typar fiberoptisk kabel: DATABLAD http://www.draka.no/

22. Lyskjelder

23. Detektorar Som lysdetektorar blir det brukt fotodiodar av typane PIN og APD (lavinediode). Alle diodetypane har eit forholdsvis breitt spektralområde. Materiale i lysdetektorar og tilhøyrande bølgjelengdområde: • Ofte er elektronikken i kvar ende den største avgrensingsfaktoren med omsyn til bandbreidd i overføringssystemet. • Lysdiodar har ei viss stigetid og detektorar ei viss reaksjonstid. • Kan variere frå komponenttype til komponenttype.

24. innkoplingstap utkoplingstap koplingstap • Innkoplingstap, tap i overgangen der lyset går inn i fiberen. • Utkoplingstap, tap i overgangen der lyset kjem ut av fiberen.

25. Lyspulsar Lyspulsar Fiberkabel Elektriske pulsar Elektriske pulsar Skøyt Konnektor Konnektor PIN eller APD LED eller LD Sendar Mot-takar Figur 6.16 Prinsippskisse av eit fiberoptisk overføringssystem. Fiberoptisk system

26. 1 fiber 2 fiber Figur 6.17 Eining for bølgjelengdmultipleksing (WDM). Bølgjelengdmultipleksing (WDM, Wavelength Division Multiplexing) • Avstanden mellom kanalane frå nokre nanometer og oppover. • Meir avansert metode er DWDM (Dense Wavelength Division Multipleksing), der avstanden mellom kanalane er mindre enn 1 nm.

27. Skøyting og terminering Typar skøyting: • limskøyt • mekanisk skøyt • konnektorskøyt • sveiseskøyt • Ein dårleg skøyt gjer at signalet blir kraftig dempa. • Rette arbeidsmetodar og rett utstyr er nødvendig. • I ein godt bygd skøyt kan tapet vere nede i 0,05 dB. • Tap under 0,25 dB blir rekna som akseptabelt.

28. Skøytemetodar LightCrimp Plus/UNICAM • Terminering av fiberkabling på mindre enn eitt minutt. • Rask, rein og enkel mekanisk termineringsprosedyre. • Inga polering trengst – enkel tilrettelegging av kabelen, kutting og krymping, og du har ei perfekt tilkopling. • Inga straumtilkopling trengst. • Lim, herdeomn eller ultrafiolett lys trengst ikkje. • Høg kvalitet, låge arbeidskostnader på installasjonen. Gjengiit med løyve frå Solar Elektrongros AS

29. Figur 6.18 Unøyaktig skøyting av fiber kan gi stor demping. Skøytetap Dei viktigaste årsakene til tap og demping i ein skøyt er • dårleg sentrering av fiberendane • for stor avstand mellom snittflatene • snittflatene lagar vinkel med kvarandre • ujamne og ureine snittflater NB! Skal ikkje skøyte fiber av ulik type. Her finn du fleire opplysningar: Skjøting Terminering http://www.corningcablesystems.com http://www.lanshack.com

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

31. Kjerneelement Fiber Ytterkappe Strekkelement Figur 6.20 Tverrsnitt av sporkabel med laus kledning. Fiberoptiske kablar, laus kledning Under denne linken finn du meir om kabeltypar: Kabeltypar http://www.arcelect.com

32. Fiberoptiske konnektorar og patchekablar • Standard typar finst som ST-ST, SC-SC og ST-SC. • Vanlegaste lengder er 1, 2, 3 og 5 meter. • Både enkle og doble. • Singel- og multimodus. • Pigtails (kontakt i éin ende, brukt når denne enden blir skøytt til kabelen). Gjengitt med løyve frå Solar Elektrongros AS

33. B X Fiberoptisk installasjon RETNINGSLINJER • Bruk sunn fornuft og kvalifisert personale. • Følg KAT-5-installasjon guidelines. • Bøyeradius bør ikkje vere mindre enn ti gonger diameteren på kabelen – 15 gonger diameteren under trekk. • Når kabelen blir lagra, bør han ikkje utsetjast for meir enn 30 gonger diameteren. • Gjennomsnittleg trekkstyrke er 1000N/3000N. • >30 x diameter Gjengitt med løyve frå Solar Elektrongros AS 1000N

34. Plastfiber • Blir laga som multimodus trinnindeksfiber. • Relativt stor demping og høg dispersjon. • Blir berre brukt på korte avstandar (inntil nokre hundre meter) og lågare overføringsfart. Aktuell bølgjelengd 660 nm. • Diameter fiber = 1mm. Fordelar: • gode mekaniske eigenskapar • enkel å handtere og terminere • større fysiske dimensjonar gjer utstyret for å sende og ta mot lys enklare og billigare

35. Måling og utrekning Dempingsrekneskap i fiberoptiske system • Summen av tapa i dei enkelte delane av eit fiberoptisk system er den totale dempinga. • Dempingsrekneskap eller effektbudsjett gir god kontroll med dei totale tapa.

36. Døme på utrekning Ein multimodusfiber har ei samla lengd på 1,5 kilometer. På fiberen er det to skøytar. Innkoplingstap: 0,5 dB Utkoplingstap: 0,4 dB Skøytetap: 0,2 dB Fibertap: 3 dB/km Samla tap: ( 0,5 + 0,4 +0,2 x 2 + 3 x 1,5 ) dB = 5,8 dB Dersom vi kjenner den utstrålte effekten til lyskjelda, kan vi rekne ut følsemda til detektoren.

37. Måle- og testinstrument • Effektmeter: Måler demping av optisk effekt. • Reflektometer: Detekterer manglar og brot med opplysning om avstand. På denne linken finn du meir ominstrument. Instrument http://www.nortelco.no/

38. Når du arbeidermed fiber • Sjå aldri inn i enden av ein fiber. • Sjå aldri inn i laserdiodar, lysdiodar, detektorar eller utstyr for desse komponentane. Lyset er usynleg, men er likevel skadeleg. • Hald fiberen i god avstand frå auga for å unngå skadar frå dei skarpe fiberendane. • Vern deg mot skadar som stikk i huda frå fiberendar og fiberkutt. Kan trengje inn i hud og blodårer utan at du merkar det. • Fiberrestar skal alltid leggjast på ein eigna stad i eigne behaldarar. • Unngå nærkontakt med etsande og irriterande væsker. • Ha alltid rikeleg med vatn tilgjengeleg når du arbeider med fiber.

39. F A R E Laser klasse III Merking med fareskilt Meir om laser og lasertryggleik kan du finne på denne linken: Utstyr med laserlys skal alltid vere merkt med fareskilt. Laser http://www.laserinstitute.org/