SISTEME DE MASURARE CU FIBRE OPTICE

1. STRUCTURA SISTEMELOR CU FIBRE OPTICE

Sistemele cu fibre optice, pe ansamblu, au doua sectiuni:sectiunea optica si sectiunea electronica.

Fig.1. Sistem cu fibre optice.

1.1. Sectiunea electronica

Sectiunea electronica de emisie este compusa din:

1 sursa optica (leduri superluminiscente, diode laser);

Blocul electronic de comanda (BEC) are rol de modulare a semnalului optic emis de sursa.

Sectiunea electronica de receptie este compusa din:

2 fotodetector (diode cu jonctiune p-n sau p-i-n, fotomultiplicatori, fotodiode cu avalansa controlata);

Blocul electronic de receptie (BER) are rol de a converti semnalul furnizat de fotodetectori (in general curent) intr-o tensiune, respectiv de a amplifica si prelucra aceasta tensiune.

1. Sectiunea optica

3,3 filtre optice;

4,4 lentile pentru focalizarea fascicolului, au rolul de a creste randamentul optic al transmisiei;

conectori ( 5, 5 conectori pentru cuplajul fibre-detector si dispozitive optice auxiliare; 5 iterconectare fibre);

6, 6 fibre optice.

In cazul sezorilor cu fibre optice extrinseci zona activa a senzorului inlocuieste conectorul 5.

FIBRE OPTICE

1. Dimensiuni

Fibrele trebuie sa aiba diametre cuprinse in intervalul 8-10 mm pentru fibrele monomodale si intre 50-200 mm pentru fibrele multimodale. O alta clasificare a diametrului este cea tipica de 125mm ( standardele includ cam 100:8/125mm ce au ce au pretentia de a revendica modul simplu; 10/125mm potrivit modului simplu; 50/125mm, 62,5/1255 mm si 85/125mm-indexul gradat ). Protectia exterioara trebuie sa mareasca marimea psihica a fibrei cu cativa zeci de mm. 1250mm este diametrul standard global.

O importanta functie aditionala referitoare la cablurile cu fibre optice este limita de incovoiere a razei pentru protectia fibrelor. Cablurile speciale submarine au un diametru relativ mare din cauza ca au nevoie de consolidari speciale.

Caracteristici

Caracteristicile fibrelor care intereseaza un proiectant tin de parametrii de transmisie si de proprietatile mecanice care sunt unice in comparatie cu transmisia pe fibre.

Cel mai important atribut al fibrelor optice moderne este extrem de buna transparenta (atenuare scazuta) a lungimii de unda.

Multe fibre sunt considerate excelente daca au atenuarea de 10 dB/Km si la oscilatii ale lungimii de unda. Astazi fibrele uzuale au atenuari

cuprinse intre 5 si 0.2 dB/Km, atenuari ce depind de tipul fibrei si de lungimea de unda, si rezultatele experimentale au obtinut si 0.16 dB/Km. Fibrele utilizand materiale alternative au dat o atenuare foarte mica de circa 0.001 dB/Km.

Fig. arata atenuarea tipica caracteristica indexului gradat al fibrelor. Trebuie notat ca atenuarea este o functie puternica ce depinde de oscilatii si de aceea exista o rezonanta ce cuprinde vibratiile armonicilor ionului de hydroxyl (apa).

Fig.Atenuarea caracteristica a fibrei graded-index.

Intr-adevar, apa a dovedit ca atenuarea majora aparuta timpurie in fibra si numai manuala s-a dovedit aproape neglijabila mult peste spectrul de interes.

Fig.3 ne arata atenuarea caracteristica fibrelor simple moderne. Notabila este imbunatatirea atributelor primare pentru reducerea doparii concentratiei miezului.

Fig.3.Atenuarea caracteristica fibrei monomodale.

In bazele experimentale au fost produse unele fibre cu caracteristicile din fig. 4 ce elimina influentele apei in atenuare.

Fig.4. Atenuare specifica produsa eperimental.

Emiterea luminii timpurii si receptia erau nu numai valoroase, dar si scurte oscilari de ordinul a 8 pini; prin aceste procedee au fost fabricate fibre care permit operatii esentiale totdeauna de interes in fibrele fereastra marginite de absorbtia in infrarosu si de efectele imprastierii (Rayleigh) care trebuie studiat. In plus, acesta este posibil sa opereze simultan cu multiplicarea oscilatiilor fara apreciabile interferente, mari multiplicari folosite la latimea benzii fibrei.

Aceasta cu doua constituente majore pentru atenuarea neta a fibrelor: absorbtia si imprastierea.

3.Absorbtia

Absorbtia luminii in oglinzi de siliciu pur este datorata oscilatiei intrinseci ce dau pierderi in ultraviolet si infrarosu ce se suprapun peste sunetul hidroxilului fundamental (OH) dau vibratii de 72mm. Acest varf al OH se petrece la 0.72; 0.95 si 1.38mm. Absorbtia aditionala ce se petrece la varf la

combinarea acestor frecvente si vibratii ale frecventelor de SiO₂ tetrahedron la 0.88, 1.13 si 1.24 mm [23]. In fibrele curente, numai varful de 1.38mm este mai semnificativ.

4. Imprastierea

Imprastierea trebuie vazuta ca rezultat al fluctuatiilor compozitionale in fibra, acelasi subiect al reducerii cu control atent al procesului de fabricatie normal si propriu materialului.

Imprastierea Rayleigh

Imprastierea Rayleigh este datorata incidentului ireductibil al structurii moleculare a sticlei. Aceasta este invers proportionala cu puterea de oscilatie la puterea a patra

[1]

Constanta de proportionalitate depinde de densitatea impuritatilor angajate la proces.

Aceasta este prima imprastiere Rayleigh care previne efectiv utilizarea oscilatiilor semnificative sub 0.8mm in fibrele de siliciu.Aceasta imprastiere este cauzata de relativele malimperfectiuni in sticla cum ar fi bulele de aer sau microsparturile. Aceasta imprastiere poate fi redusa de-a lungul unui control atent in procesul de fabricatie.

Ghidul de unda al imprastierii

Ghidul de unda al imprastierii este rezultatul variatiilor diametrului si imperfectiunile mansonului ce inveleste miezul interfetei ceea ce cauzeaza devierea de la forma cilindrica perfecta. Transferul energiei in radiatie duce la distrugerea mecanismului.

Inconvoierea si microinconvoierea

Indoiturile ascutite pot contribui la pierderea integritatii fibrei.Cablul va proteja fibra de intinderea excesiva a benzii.

Razele optice nu sunt folositoare pentru analizarea comportarii luminii in fibrele simple, dar considerand distributia de putere si dimensiunile efective este folositor pentru compararea si vizualizarea efectului de incovoiere si microincovoiere in fibrele simple.

Gradele de limitare ale campului modal care scade cu micro si macroincovoierea care efectiv deformeaza profilul indicelui si promoveaza pierderea prin dispersie a puterii. Cu toate ca este lunga, incovoierea nu depaseste limite rezonabile (latimea diametrului de circa 5cm ), aceste pierderi sunt practic neglijabile si tehnica furnizarii a modificat structura mansonului.

Raza campului (sau diametrul) este o functie puternic dependenta de oscilatii, cresterea este liniar rapida cu l. Din cauza ca incovoierea este in functie de diametrul campului fibrei aceasta de asemenea depinde de l (aceasta in contrast cu fibrele multifolan care esential sunt independente de l). In particular, macroincovoierea este incredibil o functie exponentiala a lui l pe cand microincovoierea poate sa se mareasca sau sa scada cu l, depinzand de axa de deformare a functiei.

Microinconvoierea este microscopica, de perioada scurta, incidentul incovoierii este tipic intiparit pe timpul procesului de fabricare a fibrei. Microincovoierea ce da multe pierderi senzinitatii este dependenta de diametrul campului modal al fibrei simple, iar aceasta valoare este neinsemnata (tipic 4m).

Dispersia

Dispersia este mecanismul ce limiteaza largirea benzii fibrei. Acesta este rezultatul fiecarei lungimi de unda- senzorial efectiva cu viteza propagarii, spre exemplu, cu pulsul luminii linistite a multiplicarii lungimii de unda ce soseste dispersata in timp (material dispersata sau geometric).

Dispersia materiala

Dispersia materiala cromatica este proprietatea intrinseca a materialului care este functie de lungimea de unda. Fig. 5 ilustreaza aceasta caracteristica pentru siliciu pur.

Fig.5.Dispersia

modala pentru siliciu pur.

Ghidul de unda al dispersiei

Alta dependenta a lungimii de unda a mecanismului de dispersie este ghidul de unda al dispersiei care este datorat dependentei lungimii de unda de viteza modala a grupului. Acest lucru e posibil, prin mutarea catre zero, a dispersiei lungimii de unda intrucatva catre dispersia materialului impotriva lungimii de unda a dispersiei.

Dispersia modala

Dispersia modala este cel mai bine explicata prin diagrama 6.

Fig.6.Dispersia modala.

In dispersia reala a materialului, acest efect s-ar putea presupune mai sever pentru LED-uri decat pentru ILD-uri din cauza ca formele radiatiei sunt mai largi. In practica, totusi, ambele tipuri de surse sunt in stare sa excite toate modelele de fibre multifilon si combinari de matisari si conectori conduc in plus sa reduca diferentele intre tipurile de surse.

Din fericire, un important indice tehnic declasa a fost dezvoltat prin sporirea importanta a latimii benzii fibrelor multifilare. Aceasta introducere tehnica a indicelui de refractie in miez care face o trecere rapida a timpului mai putin dependenta de distanta.

Ideal, modificarea lina a indicelui de refractie va trebui sa fie intrebuintata (si se va obtine prin procesul de schimbare a ionilor), rezultatele procesului sunt comparabile cu sedimentarea discreta a indicelui de refractie progresiv. In concluzie, schimbarea indicelui de refractie poate fi vizualizata prin numarul de straturi fara incrementarea marginilor. Profitul indicelui parabolic poate fi aratat ca aproape de cel ideal.

Efectul gradarii este analog cu experimentele de transmisie atmosferica cu frecventa benzii radio si este rezultatul straturilor ionosferice E si F.

Deoarece fibrele monofilare nu au dispersie modala, caracteristicile dispersiei sunt de la distanta superioare indicelui treapta al fibrei, si mult mai bun decat indicele gradat al fibrei (fig.8.).

Fig.8.Caracteristica dispersiei pentru fibra monomodala.

Corespondenta comportamentului latimii benzii fibrelor monofilare este in functie de lungimea de unda data la o sursa ca in fig.8.

Performanta fibrelor monofilare este clar dependenta de sursa de iluminare, si aceasta stiinta este un factor important in interpretarea datelor de constructie a fibrelor. Constructia fibrelor monofilare este citata prin urmatorii parametrii distincti:

- dispersia maxima peste randul spectral sau fereastra de exemplu

D 3.5 ps/nm Km cu 1285-1330 nm

- dispersia maxima a lungimii de unda specifice, de exemplu

D 20ps/nm Km la 1550 nm

- dispersia nula a lungimii de unda cu toleranta, de exemplu l 10 nm

- dispersia maxima a pantei de dispersie nula a lungimii de unda, de exemplu

S₀ 0.09ps/nm² Km

Similar, banda de trecere se comporta ca o functie puternic dependenta daca deriva sursei ILD opereaza in regim simplu sau multi-longitudinal.

Acest lucru este posibil sa schimbe expresia, spre exemplu, pentru banda de trecere B, pentru laserul multi-longitudinal ce excita o fibra monofilara

B [2]

Unde:

D(l) este dispersia fibrei la lungimea de unda l

S(l) este panta dispersiei la lungimea de unda l

Dl este dependenta de densitatea puterii spectrale a sursei si L este lungimea fibrei.

Cu aceste date de constructie, este posibil sa calculam band de trecere a fibrei pentru orice caracteristica laser.

Pentru banda de trecere a fibrei monofilare, in expresia de mai sus, la variatia lui 1/L cand iluminam cu un laser multi-longitudinal, nu poate fi aratata variatia lui 1/pentru excitatia cu un laser longitudinal simplu.

Unghiul de acceptanta

Este interesant de gasit unghiul conului de lumina care trebuie sa intre in fibra in ordinea care trebuie sa intre in fibra in ordinea care trebuie ghidat sau acceptat (vezi fig.9.).

Fig.9.Latimea benzii caracteristica fibrei monomodale.

Astfel: n₀sinq =n₁sinq si [3]

n₁sinq =n₂sinq [4]

unde q si sin q =cos [5]

Din 3 si 5 sinq [6]

si din 4 sin² [7]

insa

si folosind 7

introducand in 6.

Aceasta este expresia generala, evaluand u_o=1 (spatiu liber, sau aproximativ pt.aer ) si q , conditia pentru reflectie interna totala devine

apertura numerica (NA)    [10]

Astfel, numai lumina care intra cu unghiul q poate fi ghidata in structura fibrei. q este inaintea de limita unghiului de acceptanta si poate fi numita apertura numerica (NA) clar, largimea unghiului de acceptanta si apertura numerica in fibre in sensul ca o proportie e larga a luminii oferite de sursa care este cuplata la fibra pentru transmisie.

Din nefericire, aperturile numerice largi implica uzual o mare dispersie (latimea de banda ingusta). Aceasta este usor de aratat, utilizand optica geometrica (vezi exercitiile), atunci cand dispersia fibrei stop-index este proportionala cu patratul aperturii numerice.

De notat ca relatia ce defineste apertura numerica imprumuta ea insasi o interpretare geometrica: triunghiul dreptunghic avand n₁ drept ipotenuza si n₂ si NA drept catete. In plus unul din unghiurile triunghiului este unghiul critic (pentru reflectie interna totala) pentru fata.

Desigur, razele luminoase ce intra in fibra nu sunt considerate a fi in planul axelor (meridional).

Considerand fig. 10., unde razele intra oblic in fibra sub unghiul q_S fata de normala si la distanta d fata de axa. Poate fi aratat ca unghiul de acceptanta pentru astfel de raze este dat de:

sinq_S , unde [11]

q_a este unghiul de acceptanta al razei meridionale si q_g este jumatate din unghiul inainte de proiectia pe suprafata fibrei a razelor oblice succesive inainte si dupa reflexia interna.

Fig.10.Unghiul de acceptanta.

Alte proprietati unice

Vom prezenta cateva din proprietatile peliculare ale fibrei optice, din care cateva au avantaje unice.

Microfonia

Deoarece dimensiunile fibrelor si curbura pretind a fi bune in ghidajul luminii, schimbarea acestor parametrii poate modula lumina ce traverseaza fibra. Curbura este fibrelor este atasata la o diafragma capabila sa transforme nivelul de presiune al sunetului in deformarea spatiala a infasurarii.Curbura infasurarii previne distorsiunile datorate campului magnetic in microfoanele dinamice.

Cuplarea structurilor

In ghidul de unda al fibrelor monomodale, campuri de magnitudine semnificativa exista in manson, si daca doua din structuri sunt plasate adiacent, lumina poate sa fie produsa printre acestea. Aceasta proprietate a fost aplicata in numeroase mecanisme noi, incluzand schimbarile de mai sus, modulatoare si senzori.

5. Tipuri de fibre

In continuare va fi prezentata o clasificare a fibrelor optice pe baza celor mai uzuale criterii:

A.    In functie de materialele utilizate pentru miez si pentru camasa, cele mai importante fibre optice sunt:

- fibrele pe baza de dioxid de siliciu (SiO₂) (fig.6.). Sticla de silice este cel mai bun material pentru realizarea fibrelor optice monomodale. Acestea au, de obicei, miezul din dioxid de siliciu(SiO₂) dopat cu dioxid de germaniu (GeO₂) si/sau cu pentaoxid de fosfor (P₂O₅), iar camasa din dioxid de siliciu dopat cu oxid de bor (B₂O₃) si/sau cu fluor (F). ele pot rezista pana la 600⁰C in functie de rezistenta termica a camasii de protectie. Pierderile intrinseci ale acestor fibre in ultraviolet si in vizibil sunt datorate, in cea mai mare masura, imprastierii de tip Rayleigh, fiind de ordinul unitatilor zecilor de dB/km in vizibil si de ordinul sutelor-miilor de dB/km in ultraviolet.

- fibrele de plastic. Cele mai cunoscute si utilizate fibre optice din plastic utilizeaza polistirenul sau polimetilmetacrilatul (PMMA) pentru miez si derivati cum ar fi fluoropolimerii, pentru realizarea camasilor. Uzual, fibrele din plastic pot fi utilizate in domeniul de temparatura -30 80⁰C. pentru temperaturi sub 135⁰C se utilizeaza fibre cu miezul din policarbonati. Fibrele din plastic sunt mai putin stabile in timp comparativ cu cele din sticla si lucreaza, in special, in vizibil unde pierderile sunt, oricum, de ordinul sutelor de dB/km. Sunt fibre multimodale, avand diametre de 450-900mm pentru miez si 10-20mm pentru camasa. Diametrul mare le face foarte potrivite pentru senzorii chimici suprafata activa a fibrei fiind mai mare. O varianta intermediara o reprezinta fibra PCS (plastic-clad silica) cu miezul de silice (in general, nedopat) cu camasa din plastic (de exemplu, cauciuc siliconic). Aceasta fibra este foarte utila in cazul senzorilor intrinseci cand este nevoie ca miezul fibrei sa intre in contact activ cu un alt mediu, deoarece camasa de plastic poate fi usor indepartata.

- fibrele pentru aplicatii in infrarosu sunt fibre de constructie speciala utilizate pentru radiatii cu lungimea de unda de peste 1700mm, domeniu unde asigura pierderi de aproximativ 100dB/km. Prezinta compozitii chimice foarte complexe.

B. In functie de distributia indicelui de refractie in miez, fibrele optice pot fi:

fibre optice step index (cu indice de refractie constant in miez);

fibre optice graded index (indicele de refractie din miez descreste dinspre centru spre camasa, scopul acestei variatii fiind acela de a egaliza vitezele de propagare ale diferitelor moduri de unda).

C. In functie de numarul de moduri de unda posibil, exista doua tipuri de fibre optice:

- fibre optice monomodale, care permit propagarea unui singur mod de unda (sunt fibre cu miezul de diametru mic - 2 mm care prezinta o atenuare scazuta si o largime de banda mare; se folosesc in special in telecomunicatii si in constructia senzorilor chimici invazivi):

- fibre optice multimodale, care permit propagarea unui numar mare de moduri de unda, pana la ordinul sutelor (sunt fibre cu diametrul miezului de 25 mm; o fibra foarte utilizata la ora actuala este fibra cu diametrul miezului de 50mm). numarul modurilor de unda se calculeaza cu relatia amintita:

N= [12]

3. CONECTORI PENTRU FIBRE OPTICE SI MATISARI

Unele dintre utilizarile interconexiunilor in fabricarea senzorilor cu fibre optice include asocierea surselor si detectorilor la fibra, disociind tensiunea unei surse (in special diode laser) intre un numar de senzori, disociind fasciculul si combinand lumina in interferometre si furnizand interconexiuni fibra-fibra. Toate interconexiunile trebuie sa fie proiectate tinandu-se seama de reflexie si pierderile de insertie consecutive, cu scopul de a minimaliza pierderile de insertie.

Interconexiunile pot fi grupate in trei clase si anume:

- conectori (interconexiuni demontabile intre fibre sau intre fibra si unele componente ca sursa, detector sau chipuri integrate)

- noduri (legaturi de fuziune sau legaturi permanente intre doua fibre sau intre fibra si componente optice)

- cuplari (conexiuni care redistribuie energia intre 2 sau mai multe fibre)

In cazul unor fibre monomodale nodurile sunt relativ usor de format. Nodurile si conectorii multipli cu mai putin de 1/10 dB pierdere de energie pot fi realizate. De asemenea in cazul cuplelor monomodale mai ales in cazul celor avand doua porturi

de intrare si doua de iesire au fost atinse pierderi de mai putin de 1 dB. Conectorii multimodali si cuplele sunt acum disponibile. In cazul unor conectori multimodali pierderea medie este de 1 sau 2 dB. Golurile sunt setate pentru mai putin de 0.5dB. pentru scopurile dezbaterii fibra din care emerge lumina va fi numita fibra sursa, in timp ce fibra in care intra lumina va fi numita fibra scufundata(afundata).

In conectori si noduri pierderile de putere sunt incluse in 2 clase: intrinseci si extrinseci. Pierderile intrinseci se datoreaza variatilor sau interferentelor in fibre, care apar dupa procesul de fabricatie si sunt corectabile mecanic sau extern ca finisarea incorecta a suprafetelor capatului fibrei sau matuirea mecanica incorecta a fibrelor. Unele din aceste efecte sunt aratate in fig. 11. Numai miezul fibrelor e aratat in aceste scheme. Efectele intrinseci sunt aratate la stanga fig.11. Daca suprafetele miezurilor fibrelor sursei si fibrele scufundate nu sunt aceleasi, nepotrivirea poate determina o pierdere de putere. Diferente ale aperturilor numerice dintre doua fibre pot de asemenea genera pierderi.

Fig.11.Cateva din cauzele pierderii de putere intrinseca si extrinseca la interconectarea fibrelor optice.

Pentru cazul fibrelor graded index discutate anterior o nepotrivire a profilului indicelui de reflectie poate duce la pierderi intrinseci.

Pierderile apar numai cand lumina dintr-o fibra cu un miez sau apertura numerica (AN) mai mari intra intr-o fibra cu miez si AN mai mici. In aceste cazuri o parte din lumina din miezul fibrei izvor nu va fi prinsa in miezul fibrei scufundate.

Invers de la miez si NA mici la mari pierderile datorate nepotrivirilor nu apar.

Exemple de cauze de pierderi extrinseci sunt aratate in dreapta fig. 11. Daca lumina care intra intr-o fibra scufundata sau iese dintr-o fibra izvor e divergenta cu un unghi conic de 15 pana la 20 , o separare a miezurilor va permite ca o parte din lumina

emanata din miezul fibrei izvor sa nu ajunga la miezul fibrei scufundate.

De asemenea nealinierea angulara poate duce la faptul ca o portiune din lumina de la o fibra izvor (f.i.) sa intre intr-o fibra chiuveta (f.c.) la unghiuri care nu vor permite captarea in miez. In sfarsit, pierderile pot apare datorita echilibrarii laterale in 2 fibre din cauza ca nu sunt corect aliniate sau miezurile lor nu sunt concentrice in comparatie cu diametrul exterior al fibrei doar cand suprafetele exterioare ale placajului sunt aliniate corect. In general fibrele sunt aliniate dupa suprafetele lor exterioare. Exista un numar de alte efecte extrinseci care nu sunt indicate aici. Capatul fibrei poate sa nu fie metal. Acesta poate cauza pierderi prin imprastiere. Capetele fibrelor pot sa nu fie plane cauzand aparitia efectului de lentila.

Astfel, este esential ca se are in vedere in fabricarea sau achizitionarea fibrelor optice, conectorilor si nodurilor sa se asigure ca pierderile intrinseci si extrinseci sunt sau pot fi minimizate. Un efect care poate fi corectat usor este reflexia de la capetele ambelor fibre datorita diferentei indicilor de refractie intre sticla si aer. Pentru SiO₂ rezulta o pierdere de 0.4dB. pentru a corecta aceasta este necesar doar sa se utilizeze un lichid de potrivire a indicilor sau un material ceramic intre capetele a doua fibre fiind scopul alaturarii fibrelor.

Fig.1Apro-ximarea pierderilor in dB data de largirea diametrului miezului in functie de apertura numerica pentru conectarea a doua fibre optice.

Efectele nepotrivirii dintre suprafetele miezului si AN a fibrelor este aratat in fig. 1

Apare o problema cand fibra optica cu un miez mai mare sau AN mai mare este unita cu o fibra optica cu miez sau AN mai mici. Mai departe, cu cat diferenta de miez sau AN creste, pierderea va creste. Curbele din fig. 12 arata pierderile de putere optica in decibeli ca o functie fie a diferentei procentuale intre diametrele miezului unei fibre izvor largi unite cu o fibra optica mai mica fie fibra izvor cu AN mai mari unite cu fibre chiuveta cu AN mai mici. Aceste curbe specifice se aplica azi fibrelor step-index dar in directia de a o demonstra pentru fibrele graded-index. O nepotrivire de 10% fie in diametrul miezului (mai mare la mai mic) fie in AN (mai mare la mai mic) va cauza o pierdere de aproximativ 0.5dB. pentru fibrele multimodale mai largi nu e o problema dificila sa mentii diametrele in cadrul a 10% din fiecare sau in cazul aceleiasi fibre.

Pentru o fibra cu miez de 50m va fi necesar sa se pastreze dimensiunile la 5m dar cand avem de-a face cu fibre multimodale cu un miez de 5m sau mai putin e necesara mentinerea diametrelor in cadrul a 0.5m. diferentele in AN trebuie de asemenea controlate cu acuratete, cu toate acestea indicii de refractie sunt controlati inauntru si intre fibre cu o variatie de doar cateva procente. Asadar, principala problema este variatia diametrelor miezului intre fibre si in cadrul aceleiasi fibre.

Pierderile extrinseci datorita separarii capetelor pentru fibre step-index e aratat in fig. 13. diametrul miezului e indicat cu D si separarea cu S. pierderea (dB) e desenata ca o functie de S/D. efectul e de asemenea f(AN). Cu cat AN e mai mare cu atat imprastierea luminii din fibrele izvor e mai mare si datorita acestui fapt cu atat mai mare va fi procentul de lumina care va intra in miezul fibrei chiuveta.

In figura rezultatele sunt indicate pentru AN de la 0.15 la 0.50. pentru fibrele utilizate la senzori AN de interes este in jur de 0.2 si de fapt mai aproape de 0.15. In acest caz, asa cum se vede in fig. 13 o diferenta de 10% in diametrul miezurilor va determina doar o pierdere de cateva zecimi de dB. Intr-adevar pentru AN=0.15 o separare a capetelor de o jumatate de miez diametru va produce o pierdere de 0.7 dB. In cazul nodurilor nu exista separare, de aceea pierderea aceasta nu apare.

Fig.13.Variatia pirderilor de putere cu distanta de separare intre diametre intre doua fibre optice step-index pentru cateva valori ale aperturii numerice.

Efectul unei deplasari laterale a unor miezuri de diametre e aratat in fig. 14. Diametrul D al miezului fibrei si deplasarea transversala d sunt aratate.

Fig.14.Pierderi de putere in conector date de deplasarea transversala (laterala) a miezului a doua fibre optice step-index.

Asa cum se poate vedea, o deplasare cu 10% care pentru fibrele unimodale poate fi 0.5m poate determina o pierdere de 0.5dB. cand se achizitioneaza fibre sunt importante dimensiunile fibrelor de exemplu diametrul exterior trebuie sa fie mentinut uniform pana la 1% dintr-o valoare nominala si miezurile trebuie sa fie concentrice in cadrul a 0.5. pentru o fibra de 80m, o variatie de 1% diametrului este 0.8m. poate conduce la o deplasare de 0.4m care pentru un miez de 5m poate duce la d/D=0.08

corespunzand la o pierdere de aproximativ 0.4dB.

Fig.15.Pierderi de putere in conector date de deplasarea axial unghiulara a miezului a doua fibre optice step-index.

Acest efect e si el o functie de AN crescand cu cresterea AN. O nealiniere minima de 5% produce o pierdere de aproximativ 0.4 dB in conexiunea dintre doua fibre avand fiecare AN=0.15.

Asa cum se arata mai sus, un criteriu important pentru succesul fie al unui conector fie al unui nod este chiar pregatirea fibrelor . Fibrele optice utilizate in senzori de obicei constau intr-un miez de sticla inconjurat de un placaj de sticla invelit intr-un material tampon utilizat pentru a proteja suprafetele. Un tip de astfel de invelis e facut dintr-un material acrilic care poate fi inlaturat cu acetona si un pamatuf. Un alt tip de invelis consta intr-un strat gros de 100mm de cauciuc siliconic inconjurat de un alt strat de 200mm grosime din plastic dur ca Hystel^c. Acesta poate fi inlaturat cu o lama de ras. Pentru a preveni zgarierea fibrei lama trebuie sa fie tinuta la un unghi foarte superficial respectand axa fibrei. Mai departe, o lama trebuie sa fie utilizata numai o data. Dupa ce invelisul a fost indepartat fibra poate fi clivata in oricare din cele cateva modalitati.

4. SURSA OPTICA

Sursa optica utilizata este o dioda electroluminiscenta (LED).Diodele electroluminiscente emit spontan un fascicul optic, in urma excitarii electrice in curent direct in domeniul 0 5 A, dar cu randament inferior diodelor laser (maxim 1%).

Domeniul spectral al radiatiei emise de diodele electroluminiscente se situeaza intre 0,35 si 1,6mm. In prezent exista o delimitare accentuata de standardele internationale referitoare la denumirea diodelor electroluminiscente in functie de spectrul optic emis. Astfel, pentru l mm, unde sfera aplicatiilor industrial-comerciale este vastza, diodele electroluminiscente sunt denumite LED (Light Emitting Diode), iar pentru 0,75 mm, sunt denumite IRED (Inflared Emitting Diode); in aceasta a doua categorie aplicatiile majoritare sunt cele de transmisie fotonica a informatiei. Banda spectrala a LED-urilor si IRED-urilor este cuprinsa intre 20 si 45 nm, ele functionand la temperatura camerei, T C, fiind mult mai mare decat cea a diodelor laser.

4.1. Diode superluminiscente

O structura de IRED superluminiscent este la fel cu cea a unei diode laser cu geometrie de banda si dubla heterojonctiune, exceptand faptul ca regiunea activa este mai scurta decat lungimea cristalului, in scopul eliminarii unei reactii optice de cuplaj intre cei doi pereti clivati, care sunt semireflectorizanti, ai cristalului semiconductor.

Fascicolul optic emis printr-o fateta laterala este necoerent si consta dintr-o emisie spontana fotonica ce este amplificata printr-o singura trecere prin regiunea activa a jonctiunii. Din acest motiv IRED-ul superluminiscent poate fi situat intre diodele luminiscente cu emisie laterala si diodele laser cu geometrie de banda. Prima dioda superluminiscenta realizata de catre echipa Lee, Burrus si Miller in laboratoarele Bell, in anul 1973 este prezentata in fig.16.

Fig.16.

Structura diodei superluminiscente cu geometrie de banda.

4. Realizarea diodelor luminiscente

Diodele luminiscente se prepara in general prin epitaxie si difuzie. Stratul epitaxal se depune pe un strat de GaAs, GaP sau Ge, taiat din monocristal crescut din topitura. Materialul substrat este comercializat sub forma de bare din monocristal cu diametrul de 2 4 cm. Substratul se alege in functie de constanta de retea a cristalului epitaxal pe care dorim sa-l depunem si de coeficientul de dilatare termica. Constanta de retea a stratului epitaxal trebuie sa aiba o valoare cat mai apropiata de cea a substratului. In cazul depunerii materialului GaAsP se utilizeaza epitaxia din faza de vapori, iar in cazul depunerii materialelor GaAs si AlGaAs se utilizeaza epitaxia din faza lichida.

4.3. Caracteristicile electrice ale diodelor luminiscente

Caracteristica curent-tensiune a unei diode luminiscente este similara cu cea a unei jonctiuni p-n obisnuite. Dioda luminiscenta este polarizata in sens direct, astfel ca nu se da prea mare atentie valorii tensiunii de strapungetre la polarizare inversa. Valoarea curentului la polarizare directa depinde de aria diodei, de geometria contactelor si de impedanta termica a structurii. Degradarea diodei luminiscente depinde de valoarea densitatii curentului electric.

4.4. Caracteristicile optice ale diodelor luminiscente

Datorita proceselor de absorbtie si reflexie a luminii, eficienta cuantica externa este de 50 100 ori mai mica decat efiienta cuantica interna.

Este natural sa existe asemenea situatie, deoarece lumina emisa in regiunea jonctiunii p-n trebuie sa parcurga un anumit drum pana iese la suprafata dispozitivului. Datorita produselor de absorbtie, intensitatea luminii emise prin suprafata scade cu adancimea, d, a jonctiunii fata de aceasta suprafata.

Reducerea coeficientului de absorbtie se poate obtine in mai multe feluri: prin ralizare stratului absorbant cat mai subtire, pri prepararea sa dintr-un material cu banda interzisa mai larga decat a materialului care emite, prin micsorarea concentratiei purtatorilor liberi, prin generarea de radiatie cu energie mai mica decat largimea benzii

interzise. O alta problema este cea a transmisiei radiatiei la suprafata dispozitivului. Transmisia depinde de indicii de refractie al semiconductorului si mediluui care-l inconjoara, precum si de unghiul sub care cade lumina pe suprafata. Daca se noteaza cu n₁ indicele de refractie al semiconductorului si cu n₂ indicele de refractie al mediului care-l inconjoara, unghiul maxim q sub care poate sa cada lumina fata de normala pe suprafata, pentru a fi emisa in exterior, se obtine din relatia lui Snell:

n₁ sin q n

5 FOTODETECTORI

Pentru detectia fasciculului de radiatie emis de o sursa optica se pot utiliza diferite tipuri de fotodetectori. In spectrul vizibil, fasciculul poate fi observat cu ochiul liber. Detectorii care se utilizeaza insa pentru masurarea energiei de radiatie emise de sursele optice sunt impartiti arbitrar in doua tipuri generale:

a) detectori cuantici, in care fotonii incidenti produc perechi de purtatori (electron-gol).In acesti detectori, curentul sau tensiunea rezultate ca urmare a separarii si deplasarii purtatorilor sunt proportionale cu numarul de fotoni incidenti;

b) detectori termici, in care se produce o schimbare a unei stari fizice a elementului fotosensibil in functie de energia radiatiei absorbite.

O categorie de detectori termici, pirodetectorii, isi schimba de exemplu polarizarea ca urmare a variatiei temperaturii cristalului sub actiunea radiatiei absorbite. Aceasta schimbare se manifesta prin aparitia unei diferente de potential intre suprafetele plan-paralele ale cristalului pirodetector.

Ambele categorii de fotodetectori, cuantici si termici, sunt dispozitive cu lege de raspuns patratica, in care semnalul la iesire variaza proportional cu puterea radiatiei incidente, deci cu patratul campului electric al acesteia.

Printre detectorii cuantici se intalnesc tuburile fotomultiplicatoare, fotocelulele, fotodiodele semiconductoare. Detectorii termici cuprind bolometrele, termopilele si detectorii piroelectrici.

Fotodiodele semiconductoare sunt folosite pentru demodularea semnalelor optice im sistemele de transmisie in sistemele de transmisie de purtatoare laser in atmosfera, in spatiul cosmic sau prin fibre optice. Ele corespund unei game largi de cerinte privind performantele, compatibilitatea cu sursele de radiatie laser si mediul de transmisie, pretul de cost etc.

Fotodiodele semiconductoare sunt in general de trei tipuri: fotodiode obisnuite, fotodiode de avalansa si fotodetectori hibrizi (fotodioda si amplificator integrat). Am vazut ca fotodiodele semiconductoare cu jonctiune p-n, polarizate cu tensiuni inverse ridicate pot functiona in regim de avalansa. De asemenea, atunci cand fotodioda semiconductoare se gaseste intr-un circuit hibrid, impreuna cu un amplificator operational, se formeaza un fotodetector hibrid sau integrat.

Pe de alta parte, fotodioda poate fi iradiata brusc cu un impuls treapta de flux luminos, masurandu-se pe osciloscop timpul de crestere t_r al fotodiodei, cuprins intre 0,1 si 0,9 din valoarea maxima a semnalului electric la iesirea acesteia. Cele doua metode sunt echivalente.

Exista deci relatia:

t_r= [13]

unde f₀ este data in hertzi.

Marimile t_r si f₀ sunt legate de valorile lui R_L si C_j prin relatiile:

t_r=2,2 R_LC_j (s) [14]

f₀ 2pR_LC_j)^-1(Hz)    [15]

valorile tipice ale capacitatii jonctiunii unei fotodiode cu siliciu sunt cuprinse intre 2,5 si 80pF, iar timpii de crestere sunt de circa 3 25ns.

5. Tehnologia fotodiodelor semiconductoare

Caracteristicile generale ale fotodiodelor si ale materialelor semiconductoare folosite. Fotodiodele semiconductoare sunt in general de trei tipuri: fotodiodele obisnuite, fotodiodele de avalansa si fotodetectorii hibrizi (fotodioda si amplificator integrat). Am vazut ca fotodiodele semiconductoare cu jonctiune p-n, polarizate cu tensiuni inverse ridicate pot functiona in regim de avalansa. De asemenea, atunci cand fotodioda semiconductoare se gaseste intr-un circuit hibrid, impreuna cu un amplificator operational, se formeaza un fotodetector hibrid sau integrat.

Din punct de vedere structural, fotodiodele sunt de trei categorii: fotodiode cu jonctiune p-n sau p-i-n, fotodiode cu contact metal-semiconductor (numite si fotodiode cu bariera de suprafata Schottky), si fotodiode cu contact punctiform.

Fotodiodele semiconductoare rapide au jonctiuni planare cu diametrul de 50 mm, in scopul reducerii capacitatii diodei si curentilor superficiali de scurgere. In acest caz, radiatia incidenta poate fi focalizata cu o lentila aditionala. Cand folosesc fotodiode semiconductoare cu suprafete mari de receptie (1cm²) optica de focalizare nu mai este necesara. Cea mai mare viteza de raspuns se obtine in fotodiodele cu contact metalic punctiform. Aceste diode sunt insa putin folosite datorita dimensiunilor reduse ale suprafetei fotosensibile.

In fotodiodele PIN sau in cele cu bariera de suprafata Schottky se pot obtine rezistente serie mici ale jonctiunii, deoarece grosimea stratului de epuizare este mare in raport cu restul materialului, in care nu avem camp electric intens. Suprafetele active ale acestor fotodiode potrivite pentru o anumita aplicatie depinde in primul rand de lungimea de unda a radiatiei laser folosite.