01_osnovna svojstva optickih vlakana (1)

Основна својства оптичких влакана

1. ОСНОВНА СВОЈСТВА ОПТИЧКИХ ВЛАКАНА

4


1.1 ПОЈАМ ОПТИЧКОГ ВЛАКНА И ОПТИЧКОГ ПРЕНОСА

Проналазак оптичког влакна, као новог медијума за пренос информација и

енергије, и технолошки развој полупроводничких извора зрачења и фотопријемника,

довели су до фундаменталних промена у развоју телекомуникација.

Најстарији научни запис, који се односи на пренос светлости кроз затворену

контуру се приписује британском физичару Џону Тиндалу (John Tyndall). Он је 1870.

проучавао простирање светлости кроз танак, закривљени млаз воде [1]. Од тада, многи

научници у Европи, Америци и Јапану, а данас и у свим развијеним земљама дају

допринос проучавању феномена простирања светлости кроз оптички транспарентне

материјале, углавном разне врсте стакала и полимера. Коришћење стакла као преносног

медијума за оптичке комуникације је предложено у Јапану још 1936. године и прошло је

дуг пут, од система огледала и призми, преко пуних блокова стакла и стаклених цеви до

оптичког влакна, које се данас користи.

Проналаском ласера 1960. године поново је оживела идеја да се светлост користи

за пренос порука. Пренос кроз слободан простор се показао непогодним због дисперзије и

апсорпције ласерског зрачења у атмосфери. Када је америчка фирма ”Corning Glass

Works” успела да 1970. године произведе стаклено влакно чије је слабљење било мање од

20 dB/km, оптичка влакна су постала могућа замена бакарним проводницима као медијум

за пренос светлосних сигнала.

Развој оптичких стаклених влакана је даље ишао у правцу проналажења нових

технологија за обезбеђивање све мањих оптичких губитака и могућности производње све

5


дужих и флексибилнијих влакана, као и у правцу повећања брзина комуникација и

смањења цене. Губици су се смањивали, од почетних и тешко употребљивих 20 dB/km све

до данашњих 0,2 dB/km што је врло блиско теоретској граници од 0,13 dB/km. Дужина

влакна је порасла од почетних неколико метара до садашњих неколико километара по

једном влакну. Брзина комуникација је, такође, порасла са неколико стотина симбола у

секунди до данашњих 10 Gb/s. То је све пратио брз развој извора зрачења – ласера и

пријемника светла – фотодиода, као и пратеће опреме и телекомуникација уопште. По

цени, оптичко влакно је данас најјефтинији медијум за пренос информација.

Комуникацијски каблови од оптичких влакана производе се за низ различитих

намена у телекомуникацијама и индустрији.

1.1.1 ПРОСТИРАЊЕ СВЕТЛОСТИ КРОЗ ОПТИЧКО ВЛАКНО

Простирање светлосног снопа кроз оптичко влакно засновано је на принципу

преламања светлости. Када светлосни сноп из средине већег индекса преламања (језгро)

прелази у средину мањег индекса преламања (омотач) долази до његове рефлексије назад

у средину са већим индексом преламања.

На Сл.1.1. приказано је кретање светлосног снопа кроз двослојно влакно, при чему

језгро има индекс преламања n1, а омотач n2, при чему је n1>n2.

Слика 1.1. Основна структура и кретање светлосног снопа кроз двослојно оптичко влакно

Светлосни сноп улази из спољашње средине, која има индекс преламања n0, у

језгро влакна под углом Φ0. Када светлосни сноп наиђе на границу између језгра и

6


омотача, уколико је угао Φ2 већи од критичног угла, наступиће тотална рефлексија, тако

да ће рефлектовани сноп (пуна линија) наставити кретање кроз језго до границе са

омотачем, када ће поново доћи до тоталне рефлексије итд.

Максималну вредност угла Φ0, при којем на граници језгро омотач у влакну још

долази до тоталне рефлексије, одређује величина названа нумеричка апертура. Уколико је

упадни угао већи од неке максималне вредности, неће доћи до тоталне рефлексије и у

влакну ће постојати губици, јер ће део светлости стално излазити кроз омотач.

Нумеричка апертура се дефинише релацијом [2]:

(1.1)

где је Φ0m максимални упадни угао при којем још увек настаје тотална рефлексија на

граници језгра и омотача. Применом закона рефлексије, после сређивања, се добија:

(1.2)

Мод у оптичком влакну одговара једном од могућих начина, на који се светлосни

таласи могу простирати кроз оптичко влакно. Такође, мод може бити сагледан, као

стојећи талас у трансверзалној равни оптичког влакна. Формалније мод одговара решењу

таласне једначине, која је изведена из Максвелове (Maxwell) једначине примењене на

граничне услове, који су одређени оптичким влакном таласовода. Број модова који могу

да прођу кроз влакно израчунава се на основу једначине (1.3)[1,3].

(1.3)

где су:

V- број модова

a - полупречник језгра

- таласна дужина светлости у вакууму

при чему дата једначина важи уз услов да је индекс преламања језгра већи од индекса

преламања омотача.

Оптичка влакна се могу поделити на основу броја модова на мономодна и

мултимодна, а мултимодна се могу даље поделити на влакна са скоковитим – степенастим

прелазом индекса преламања (дисконтинуална промена, Сл.1.2.а) и влакна са

градијентним или постепеним прелазом индекса преламања. (континуална промена

индекса преламања, Сл.1.2.б).

7


Слика 1.2. Промена индекса преламања језгра оптичког влакна а) степенаста ; б) градијентна

1.1.1.1 Простирање светлости кроз мономодна оптичка влакна

Мономодна оптичка влакна се данас једина користе за реализацију далеких веза, а

све већа је и њихова примена у локалним мрежама. Пречник језгра им је од 3,5m до

10m, у зависности од таласне дужине која се користи. Због малог пречника језгра код

мономодног оптичког влакана не долази до појаве модалне дисперзије, тако да има велики

пропусни опсег. Разлика индекса преламања језгра и примарног омотача је врло мала.

Типичан пречник примарног омотача је 125m [4].

Слика 1.3. Простирање светлости кроз мономодно оптичко влакно: изглед пресека влакна, путање и профила индекса преламања

Основна предност мономодног влакна је велика ширина опсега преноса, јер нема

разлике у кашњењу код различитих модова, као што је случај код мултимодних влакана.

Кроз ова влакна се простире само један таласни мод и пропусни опсег је ограничен само

хроматском дисперзијом. Недостатак му је мали пречник језгра па захтева извор са

компатибилном емитујућом површином и одговарајућим угаоним дијаграмом зрачења.

Као извори користе се полупроводнички ласери, док је ефикасност увођења светлости

некохерентних извора, као што је ЛЕД диода, у мономодно оптичко влакно врло мала.

8


1.1.1.2 Простирање светлости кроз мултимодна оптичка влакна

Код мултимодних влакана примарни омотач је направљен од материјала чији је

индекс преламања мањи од индекса преламања језгра. Као механичка заштита користи се

омотач од пластике. Како пластични омотач има већи индекс преламања од примарног

омотача, он истовремено служи да елиминише модове у примарном омотачу.

Код мултимодних влакана са степенастим индексом преламања светлосни сноп се

простире под условима тоталне рефлексије на граничној површини језгро – примарни

омотач, Сл.1.4.

Слика 1.4. Простирање светлости кроз мултимодно оптичко влакно са степенастим индексом преламања: изглед пресека влакна, путање и профила индекса преламања

Влакна са степенастим индексом преламања имају пречник језгра од 50m до

1000m. То су јефтина оптичка влакна, једноставна су за употребу, али су врло

ограниченог пропусног опсега. У принципу се не користе за потребе преноса података.

Слика 1.5. Простирање светлости кроз мултимодно оптичко влакно са градијентним индексом преламања: изглед пресека влакна, путање и профила индекса преламања

9


Градијентно мултимодно оптичко влакно има параболичан профил промене

индекса преламања у материјалу језгра. Такав профил проузрокује да је путања светлости

слична таласној, Сл.1.5.

Угао прихватања је зависан од растојања од центра језгра, па је максималан у оси

влакна, а на ободној ивици језгра је нула. Велика ширина опсега код градијентног влакна

приписује се томе што је ефективна брзина различитих модова скоро иста. Дужа путања

спољних светлосних снопова компензована је њиховом већом брзином, јер је брзина

обрнуто пропорционална вредности индекса преламања, v=c/n.

Профил индекса преламања је:

(1.4)

где је r a.

треба да има вредност нешто мало мању од 2, што се доста тешко постиже у

производњи, али је постигнут компромис за таласне дужине 850 nm и 1300 nm, па ово

влакно има и назив ”влакно за два прозора”.

Градијентна оптичка влакна имају најчешће пречник језгра од 50 m, 62,5 m, 100

m и 200 m. Имају доста добар пропусни опсег који се креће и до 800 MHzkm, а рад са

њима је релативно лак.

Предност мултимодних оптичких влакана је велики пречник језгра, тако да је

знатно олакшано убацивање светлости у њих, као и њихово међусобно спајање. Такође,

при раду са њима, као извор светлости могу се користити ЛЕД диоде, које у одређеним

применама могу добити предност над знатно скупљим ласерским диодама.

Недостатак мултимодних оптичких влакана је појава модалне дисперзије. Она

настаје када се оптичка снага убаченог светлосног импулса распореди на све модове у

влакну, који се крећу благо различитим брзинама, што доводи до кашњења неких модова

на излазу из оптичког влакна, па долази до развлачења импулса. Модална дисперзија се

смањује коришћењем градијентних влакана.

1.1.2 МАТЕРИЈАЛИ И ТЕХНОЛОГИЈЕ ИЗРАДЕ ОПТИЧКИХ ВЛАКАНА

Комерцијална оптичка влакна могу бити сачињена од различитих материјала. Један

од типова оптичких влакана су вишекомпонентна стаклена оптичка влакна, чије језгро и

омотач чине стакла различитог хемијског састава. Добијају се стапањем ултрачистих

прахова. Стакла, која чине омотач и језгро одвојено се стапају, а затим спајају у

10


компактно влакно у специјално конструисаном двоструком тиглу. Најчешће коришћена

оптичка влакна су такозвана PCS (polymer coated silica), коју чини влакно од допираног

кварцног стакла са заштитном полимерном превлаком 1,5. Шема процеса добијања

оптичког влакна из предоблика (преформе), дата је на Сл. 1.6.

Слика 1.6. Шема процеса добијања оптичког влакна из предоблика

Преформа се извлачи у влакно у уређају за извлачење. Она је фиксирана у држачу

у горњем делу уређаја, помоћу кога се спушта у пећ, тако да се њен доњи део нађе

непосредно испод центра пећи, где је и највећа температура од преко 2000 С. На тој

температури материјал преформе се размекшава и топи, па се услед тежине доњег дела

истеже у влакно. Доњи део истегнутог влакна се одсече на око 1 m испод пећи и води кроз

11


расхладни систем са хелијумом, а потом се извлачи на пречник од око 100 m. Затим

влакно иде даље кроз помоћни вучни систем и потом се повлачи кроз уређај за наношење

примарног омотача, па онда на ултравиолентно очвршћавање, наношење другог слоја и

коначно кроз неколико зона за очвршћавање масе влакна и омотача. Други вучни систем

води влакно преко затезних ваљака, који пригушују механичке вибрације целог извученог

дела влакна, и најзад на вучни добош за намотавање. Процес је аутоматски са постепеним

повећањем брзине којом се може контролисати пречник извученог влакна.

Поред тога постоје и оптичка влакна израђена искључиво од полимерних

материјала, која се користе на веома кратким растојањима, јер имају слабљења реда

величине dB/m и због тога се не могу користити у телекомуникационе сврхе 6. Следећу

групу чине стаклена оптичка влакна, која уместо полимерне имају тзв. херметичку

превлаку. Постоје два основна типа херметичких превлака: неорганске и металне.

Неорганске херметичке превлаке добијају се хемијском депозицијом из парне фазе. Ове

превлаке имају дебљину од 50-100 nm, а најчешће коришћен материјал за њихову израду

је аморфни угљеник, али се користе и SiC, TiN, BN. Металне херметичке превлаке

добијају се замрзавањем растопа метала углавном Sn или Аl. Превлаке су дебљине 5-20

m. Оптичка влакна са металним херметичким превлакама, још увек су у фази

истраживања 7-9.

Под оптичким влакнима у даљем тексту подразумеваће се искључиво PCS влакна,

која представљају најраспрострањенију врсту телекомуникационих влакана.

1.1.3 ИЗВОРИ И ДЕТЕКТОРИ СВЕТЛОСТИ У СИСТЕМИМА СА ОПТИЧКИМ ВЛАКНИМА

1.1.3.1 Светлосни извори

Основни извори светлости, који се данас користе у оптичким комуникацијама су

полупроводничке ласерске диоде (ЛД) и полупроводничке светлеће диоде (ЛЕД). Оне дају

довољно велику и просторно усмерену оптичку снагу, излазни оптички сигнал се може

директно модулисати преко побудне струје, димензије су им прилагођене димензијама

оптичких влакана. Ређе се користе гасни ласери и то углавном за системе за комуникације

у слободном простору.

1962. године развијен је полупроводнички извор од GaAs, који је радио на ниској

температури. Даљи рад је усмерен са једноставних p-n спојева на добијење једноструких и

12


двоструких хетероструктура које су омогућиле смањење побудне струје, повећање

модулационог опсега и континуални рад на собним температурама.

Извори зрачења у оптичким комуникацијама раде на таласним дужинама на којима

је слабљење у оптичким влакнима најмање. Зато се, паралелно са развојем технологије

производње оптичких влакана, која су у почетку имала мала слабљења на таласним

дужинама око 850 nm, прешло на таласне дужине од 1300 nm и 1550 nm. Материјали

полупроводничких извора светлости за ова подручја базирана су на легурама GaAsInP.

1.1.3.1.1 Ласерске диоде

У развоју полупроводничких ласерских структура јављају се три основна типа,

Сл.1.7 [10]. Историјски, прва је била једноставна ”сендвич” конструкција која се састојала

од два слоја кристала GaAs са примесом телуријума Те као донора за формирање n-типа

полупроводника и примесама цинка Zn као акцептора за формирање p-типа

полупроводника, Сл.1.7.а. Предња и задња страна су биле полиране и представљале су

огледала Фабри - Пероовог резонатора. Оваква структура је захтевала велику густину

струје побуде да би се достигао праг ласеровања.

Слика 1.7. Основни типови полупроводничких ласера: а) двослојни;б) једноструко или двоструко хетерослојни; в) уско-зонски и двоструко хетерослојни

Додавањем одређених примеса у активни слој, уз задржавање претходна два слоја

полупроводника, добијена је нова структура, која ефикасније води генерисани талас.

Ласерске диоде овог типа праве се у варијантама са једноструком и двоструком

хетероструктуром, Сл.1.7.б. Хетероструктуре чине низ слојева вишекомпонентних легура

са различитим енергетским процепима и индексима преламања. Ове ласерске диоде раде

са смањеном густином струје на прагу ласеровања.

13


Трећи тип ласерских диода су структуре са уском активном зоном ограниченом

хетероструктурама, Сл.1.7.в. Активна зона не прелази ширину од 5 m, што обезбеђује

стабилан рад у ”једно трансверзалном” моду осциловања. Ове ласерске диоде имају мањи

сопствени шум, мању струју прага ласеровања, лакше се хладе, имају модулациони опсег

изнад GHz и данас представљају најчешће коришћене светлосне изворе у оптичким

телекомуникацијама.

Ласери са једноструким хетероструктурама користе се данас за неке једноставније

примене у оптичким комуникацијама. Они могу да раде у режиму кратких импулса са

великим паузама, са великом снагом реда више вати, али им је модулациони опсег око

стотинак kHz. Побудне струје су им реда неколико десетина ампера. Двоструко

хетероструктурни ласери имају мању вршну снагу, али могу да раде са дужим импулсима

и краћим паузама уз већи модулациони опсег од више МHz, а побудне струје су им око

једног ампера.

На Сл.1.8. приказана је типична карактеристика ласерске диоде, На слици се виде

два подручја: подручје са малим струјама у коме ласерска диода ради као ЛЕД диода, док

се у подручју после струје прага ласеровања светлосна емисија нагло повећава.

Сл.1.8. Типична карактеристика ласерске диоде

Ласери су температурно веома зависни. Праг струје побуде код GaAlAs, који ради

на 850 nm, повећава се за 1 % за сваки С температуре хладњака. Код InGaAs ласера (1100

–1670 nm) ова промена је 2 % по С [2]. И таласна дужина емитоване светлости је

температурно зависна и расте око 1nm/3С [2]. Ради тога се хладњак ласера температурно

стабилизује термоелектричним хлађењем (Пелтијевим ефектом).

Битна разлика у односу на ЛЕД диоду је да изнад прага ласеровања емисија

престаје да има карактеристичну широку спектралну расподелу и своди се на једну од

14


неколико спектралних линија, Сл.1.9. Просторна расподела емитоване светлости код ЛЕД

диода је знатно шира него код ласерских диода.

Светлост настала у ласерској диоди услед стимулисане емисије је просторно

кохерентна, па се може ефикасно спрегнути са једномодним оптичким влакном. Напротив

код ЛЕД диода она је некохерентна, па је светлосна снага убачена у једномодно влакно

занемарљива.

Слика 1.9. Спектрална и просторна расподела емисије:а) ЛЕД диода; б) ласерска диода

1.1.3.1.2 ЛЕД диоде

ЛЕД диода има особину да зрачи светлост у свим правцима од извора, односно

њена светлосна емисија је изотропна. То представља проблем за ефикасно спрезање ЛЕД

диоде са оптичким влакном. Интензитет зрачења светлости је скоро директно сразмеран

јачини струје кроз спој. Промена излазне снаге светлости је у основи линеарна у широком

опсегу улазне струје, па су погодне за примену и у дигиталним и у аналогним системима.

ЛЕД диоде представљају ефикасне, поуздане и јефтине светлосне изворе.

Данас се за израду ЛЕД диода искључиво користи двострука хетероструктура

уместо једноставног p-n споја. Оне могу бита са површинском и са бочном емисијом

светлости, Сл.1.10.

Већина ЛЕД диода са површинском емисијом генерише светлост са великом

нумеричком апертуром од око 0,9. Зато се користе различите врсте сочива да нумеричку

апертуру смање на 0,2. При спрезању са вишемодним влакном са степенастим индексом у

15


њега се може убацити око 20 W, а само 2 W при спрезању са једномодним оптичким

влакном [2].

Слика 1.10. ЛЕД диода са зрачењем са бочне странеактивне зоне у двострукој хетероструктури

ЛЕД диода са бочном емисијом има већу ефикасност спреге са влакном

степенастог индекса, око 50 W, односно 20 W са једномодним влакном. Структура ових

ЛЕД диода је слична ласерима са двоструком хетероструктуром, али бочне стране не

играју улогу огледала и не формирају резонатор. Емитовано зрачење има елиптичан

облик.

Слично ласерским диодама и ЛЕД диоде имају негативни температурски

коефицијент излазне снаге код сталне струјне побуде. Коефицијент се креће између –0,5 и

–1,5 %/С, како за GaA1As (850 nm) тако и за InGaAs (1550 nm) 11. Најчешће се за

температурну стабилизацију користи термоелектрично хлађење ради стабилизације снаге.

ЛЕД имају релативно малу ширину опсега модулације, око 100 MHz. Оне су знатно

стабилније од ласера. Веома су поуздане и користе се углавном код система за краће везе

и са ограниченим опсегом преноса.

1.1.3.2 Светлосни детектори

Светлосни детектори или фотодетектори су елементи, који претварају светлосни

сигнал у електрични. То су такође полупроводнички елементи на бази силицијума.

Када разматрамо конструкцију фотодетектора за светловодне телекомуникације

обично се концентришемо на следеће захтеве:

да фотодетектор има што већу осетљивост, односно, релативно низак ниво

упадне светлосне снаге за одређене перформансе;

16


да има потребан динамички опсег, тј. да може да прихвати одређен опсег

промене упадних светлосних снага;

да има потребан пропусни опсег;

и да има одговарајући међустепен за повезивање са конвенционалном

електроником која се иза њега наставља.

Ове захтеве испуњавају фото осетљиви силицијумски полупроводнички елементи,

у облику p-n споја са инверзном поларизацијом, познатији као фотодиоде 2 .

Фотодиода, која има p-n слој полупроводника са унутрашњим међуслојем између

p и n слојева, позната је као PIN (P-layer-Intrinsic layer-N-layer) диода. PIN диода

представља најзначајнији фотодетектор с обзиром на њену једноставност, стабилност у

раду и таласни опсег. Принцип рада је следећи: када је енергија долазног фотона већа од

енергетског процепа материјала, енергија фотона се апсорбује и стварају се парови

електрон-шупљина у i-зони (зона мале проводности – intrinsic зона) диоде. Идеална

фотодиода са занемарљивом рекомбинацијом произвешће по један пар електрон-шупљина

за сваки фотон. Енергија фотона обрнуто је сразмерна са таласном дужином. На граничној

таласној дужини енергија фотона је мања од енергије енергетског процепа, па долази до

наглог пада криве фото осетљивости.

Типични полупроводнички материјали за фотодиоде и њихове особине дати су у

Табели 1.

Табела 1: Карактеристике типичних полупроводничких материјала

Материјали Енергетски процеп Гранична таласна дужина

Si 1,11 eV 1120 nmIn Ga As P 0,89 eV 1400 nmIn Ga As 0,77 eV 1600 nm

Ge 0,67 eV 1400 nm

Друга врста фотодиода је лавинског типа и означава се са APD (Avalanche Photo

Diode) 12.

Фотодиоде раде као avalanche фотодиоде када носиоци убрзавани у електричном

пољу достигну тако велике брзине да даљи парови електрон-шупљина настају услед

сударне јонизације. Овај унутрашњи појачавачки процес доводи до повећања

фотоелектричне струје услед појаве мултипликације носилаца. Укупно време преласка

носилаца такође се повећава, тако да производ појачање-таласни опсег остаје практично

17


константан. Он је међутим довољно велики да може да детектује сигнале и при брзинама

већим од 1Gbit/s.

1.1.4 СЛАБЉЕЊЕ ЛАСЕРСКЕ СВЕТЛОСТИ ДУЖ ОПТИЧКОГ ВЛАКНА

Слабљење светлосног сигнала приликом простирања кроз оптичко влакно,

представља једну од његових најважнијих карактеристика 13. Слабљење се изражава у

dB, а дато је изразом:

(1.5)

где су Р1 и Р2 оптичке снаге светлости на улазу и излазу оптичког влакна.

Однос снага светлосног сигнала на улазу и излазу оптичког влакна дефинисан је изразом:

(1.6)

где је коефицијент слабљења по јединици дужине [dB/km], d дужина оптичког влакна.

Светлосни зрак, који уђе у језгро оптичког влакна простире се захваљујући низу

рефлексија. Сваки пут када дође до рефлексије светлости, губи се мали део интензитета

светлосног зрака. Појава слабљења код оптичких влакана проузрокована је утицајем три

ефекта: расејањем светлости, апсорпцијом, због присуства нечистоћа у материјалу од кога

је оптичко влакно произведено, и савијањем оптичког влакна 13,14.

Расејање светлости настаје услед микроскопске неуједначености индекса

преламања материјала. Светлосни зрак се делимично расипа у разним правцима, тако да

се део светлосне снаге губи. Коефицијент слабљења услед расејања опада са порастом

таласне дужине и пропорционалан је са 1/4. Појава расејања има највећи утицај на

укупне губитке у оптичким влакнима и може да износи и до 90% од укупног слабљења.

Апсорпција је проузрокована присуством нечистоћа у материјалу од кога је

начињено оптичко влакно. Од нечистоћа, код већине влакана, доминирају јони воде, који

проузрокују максимална слабљења на таласним дужинама од 1250 nm и 1390 nm. На

таласним дужинама изнад 1700 nm стакло почиње да апсорбује енергију светлости услед

молекуларне резонанције силицијум-диоксида. Развојем технолошких поступака

производње оптичких влакана, ови губици се могу свести на потпуно занемарљиве

вредности.

Савијање влакна се може поделити на:

18


микросавијање, које се јавља услед микроскопских неправилности у геометрији

влакна (кружна асиметрија, неуједначен пресек дуж влакна и неравнине на споју језгра и

примарног омотача), које настају у производном процесу и услед механичких стресова

као што су притисци, истезања и упредања.

макросавијање, код кога је савијање оптичког влакна реда центиметра. У овим

случајевима настаје губитак оптичке снаге услед непотпуне тоталне рефлексије на

граници између језгра и примарног омотача. Мономодна оптичка влакна су знатно

осетљивија на савијање на већим таласним дужинама.

Најнижа вредност слабљења се постиже на таласним дужинама, које одговарају

другом и трећем оптичком прозору, односно на око 1300 nm и 1550 nm.

1.1.5 ОСНОВНА МЕРЕЊА НА ОПТИЧКИМ ВЛАКНИМА

Телекомуникациони системи са оптичким влакнима имају значајне предности над

класичним кабловима са металним проводницима. Због своје другачије структуре и

диелектричне природе, мерни инструменти и мерне методе се разликују од оних са

класичним мерењима. На путу сигнала од извора информација до места пријема, оптичка

мерења се односе само на део од оптоелектронског предајника до оптоелектронског

пријемника.

У оптичким комуникацијама, спектар светлосних сигнала обухвата таласне дужине

од 760 nm до 1600 nm, и у њему се налазе три употребљива прозора: 800 nm, 1310 nm и

1550 nm. За сва потребна мерења на овим таласним дужинама утврђене су мерне методе и

развијени одговарајући мерни инструменти и уређаји.

Мерења на оптичким влакнима могу да се сврстају у три основне групе:

механичка, температурна и оптичка мерења 2.

Карактеристике преноса оптичких влакана зависе од њихове конструкције. Профил

индекса, ексцентричност језгра и нумеричка апертура оптичког влакна, су параметри, који

се верификују одговарајућим мерним методама.

1.1.5.1 Механичка мерења

19


Упоредо са развојем оптичких влакана напредовала су истраживања у области

испитивања њихових механичких својстава. Њихов развој је и даље динамичан, јер

побољшање механичких својстава доводи до продужавања века трајања оптичких влакана

и веће поузданости рада свих телекомуникационих система, који се заснивају на

оптичким влакнима 15. Сложеност правилног одређивања механичке поузданости

оптичког влакна, може да илуструје податак да постоји више од 12 модела, којима се на

основу резултата механичких испитивања предвиђа радни век оптичких влакана 15,16.

PCS оптичка влакна се у механичком смислу разликују од већине других

материјала. Иако су крта, она нису слаба, јер сразмерно својим димензијама издржавају

велика оптерећења. Готово сво оптерећење преноси се на стаклени део влакна, тако да до

кидања влакна долази на месту, где постоји неки дефекат или пукотина на стакленом делу

оптичког влакна. С обзиром да ова слаба места настају случајно, већина механичких

испитивања се даје у облику статистичких резултата.

При испитивању оптичких влакана, механичко оптерећење се односи на различита

напрезања, којима може бити изложено оптичко влакно. Најчешће се примењује затезно

оптерећивање, ређе притисно и осетљивост влакна на механичке ударе. Већина

примењиваних техника може се применити и за статичка и за динамичка испитивања

замора материјала.

Приликом полагања оптичког кабла или његовог удувавања у кабловске цеви,

оптичка влакна у њему су подвргнута напрезању на истезање, што понекада може да

доведе до њиховог прекидања. У пракси је потребно одредити прихватљиву границу

истезања оптичког влакна, тј. треба одредити дозвољену силу истезања, која проузрокује

занемарљиво додатно слабљење. Један од начина одређивања ове силе и затезне чврстоће

влакна представља кидање затезањем, коришћењем различитих типова кидалица.

Проблем, који се јавља оваквим испитивањем настаје због ефекта лаког љуштења

заштитне превлаке са оптичког влакна, као и појаве лома влакна у клеми. Постоје

различити начини превазилажења овог проблема, а често коришћени у многим

лабораторијама је техника намотавања влакна око специјалних котурова, који могу бити

са променљивом кривином или ротирајући котурови.

На Сл. 1.11. дат је дијаграм зависности слабљења оптичког влакна од типичне силе

истезања 17, са зоном еластичности, пре које се не постиже трајна деформација.

20


Слика 1.11. Дијаграм зависности додатног слабљења од силе истезања

Значајно је напоменути да поред типа оптерећења и начина на који се испитивање

врши, читав низ параметара утиче на резултате, који се добијају испитивањем механичких

својстава оптичких влакана. На резултате, који се добијају механичким испитивањем

утичу брзине успостављања напона и деформација, дужина узорка и др. Због тога се увек

наводе сви услови при којима је испитивање вршено и упоређују само резултати добијени

у потпуности истим испитним условима.

1.1.5.2 Температурна мерења

Температурне карактеристике оптичког влакна дефинисане су углавном са

индукованом тензијом материјала услед сила контракције на ниским температурама и

ефектом ширења при високим температурама. У односу на век трајања оптичког влакна

битне су три температурне особине 2:

за услове транспорта,

за услове монтаже,

за нормалне радне услове.

У току транспорта оптички кабл може да буде изложен великим температурним

променама. Промене слабљења, које настају контракцијом или ширењем материјала

током транспорта могу се смањити, ако је кабл чврсто намотан на тело калема. Пожељно

је да тело калема буде од дрвета или картона, јер има мање ширење услед топлотног

утицаја него пластични материјал кабла.

Температурни опсег, који се може допустити приликом постављања или полагања

кабла зависи од материјала од кога је произведен кабл. Најнижа температура, која је

21


допуштена зависи од еластичности кабла при којој је могућа монтажа, а највиша

дозвољена температура зависи од вискозитета компонената језгра.

Испитивање способности нормалног оптичког преноса кабла се врши у клима

комори. Мерење се врши у екстремним температурним границама, које су специфициране

за цео циклус (-20C до +60C). Каблови, који се полазу у земљу задржавају температуру

околног земљишта са којима су у додиру, тако да су заштићени од врло ниских

температура испод 0C.

1.1.5.3 Мерења оптичких особина

Измерена оптичка снага се изражава у ватима (W), или његовим мањим деловима,

али се најчешће користе логаритамски изрази односа снага. Погодније је изражавање у

децибелима (dB) јер се на дијаграмима и у табелама може приказати велики распон

односа. Снага изражена у децибелима је:

dB10 log (Ps/Pr) (1.7)

где је снага сигнала, која треба да буде измерена Ps, а референтна снага Pr. Ако су снаге

променљиве величине, снага на улазу (P1) и снага на излазу из система (P0), тада је

слабљење светлосне снаге на крају оптичке везе (по релацији 2.5):

А10 log (P0/P1) (1.8)

Опште мерне технике за мерење слабљења у оптичком влакну су 18:

техника директног мерења методом замене ( изводи се помоћу два идентична

влакна, различитих дужина, при чему влакно познате дужине служи као референтно

влакно);

техника кратке везе (изводи се мерењем снага извора везујући извор кратком

везом директно на инструмент, а потом преко кабла, који се испитује).

Светски стандарди предност дају процесу одређивања слабљења методом замене,

јер је једноставнија за извођење и лакша за презентирање резултата. Недостатак ове

технике је то што се морају имати два идентична влакна, или се од једног треба одсећи

комад.

За технику кратке везе потребно је да буде доступан само један крај влакна и

само једно влакно. Недостатак ове технике је низак ниво сигнала, који се добија.

22


Било која од ове две технике мерења да се примењује, увек се добија апсолутно

мерење светлосне снаге, прво кроз један, па кроз оба оптичка влакна, и из њихове разлике

добија се величина слабљења снаге, односно губици изражени у dB.

1.1.5.3.1 Мерење методом рефлектоване светлости

Мерење на оптичким влакнима помоћу рефлектоване светлости представља

најзначајнију мерну методу, код које се користи краткотрајни светлосни импулс великог

интензитета, који се усмери у оптичко влакно. Осцилоскоп детектује, појача и на дисплеју

приказује повратни сигнал. Повратни сигнал настаје услед Rayleigh-овог расејања

светлости у влакну и Frenel-ове рефлексије на дисконтинуитетима средине кроз коју се

простире светлост, као и на крајевима влакна. Оптички рефлектометар у временском

домену обавља мерења ових светлосних расејања. Популарни назив за овај инструмент је

OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) и представља важан и често незаменљив мерни

уређај 19.

На Сл. 1.12. приказана је типична конфигурација OTDR-а.

Слика 1.12. Принцип рада OTDR инструмента за мерење помоћу рефлектоване светлости

Импулсни генератор побуђује ласерску диоду, која емитује оптичке импулсе у

влакно. Ширина импулса се креће од нано секунде до микро секунде брзином понављања

од 1kHz за дугачке, па до 20 kHz за кратке дужине оптичких влакана. Брзина понављања

послатих импулса треба да је тако изабрана да се рефлектовани сигнали не преклапају.

23


Рефлектовани сигнали се одвајају од емитованих помоћу усмереног делиоца (рачве), или

са поларизованим раздвајачем светлосног снопа.

Као детектор често се користи APD диода. Сигнал, који прими фотодиода се даље

води на појачавач, а затим на систем за побољшање односа сигнал/шум. Сигнал се

приказује у логаритамском односу на дисплеју уређаја. Вредности су подељене са 2, јер

вертикална скала треба да прикаже слабљење влакна само у једном смеру. Хоризонтална

оса је такође калибрисана по дужини влакна у једном смеру.

OTDR-ом се може мерити: слабљење оптичког влакна, његова униформност,

слабљење на завареним или конекторским спојевима, одређивање места прекида у влакну,

дужина кабла, као и мултимодна дисперзија. Сва наведена мерења се изводе само на

једном крају влакна, без потребе да излазни крај влакна буде доступан. На пример, на Сл.

1.13. приказана је крива расејања уназад, која се добија на екрану, и она даје комплетну

слику оптичког влакна или трасе са оптичким влакном, која се испитује 20.

Слика 1.13. Елементи слабљења на некој траси оптичког влакна који се добијају мерењем OTDR-ом

На овој кривој расејања се уочавају:

снага инцидентног импулса убаченог у оптичко влакно;

снага сигнала повратног расејања;

Френелове рефлексије на почетку и на крају посматраног влакна или посматране

трасе оптичке везе;

слабљење на варовима, конекторима и прекидима;

опадајући тренд трасе услед Reyleighevog расејања. 1.2 ВРСТЕ СПОЈНИХ ЕЛЕМЕНАТА ОПТИЧКИХ ВЛАКАНА

24


Спојеви на оптичким влакнима могу бити изведени механички или методом фузије

2. У механичке спојеве, који су демонтажни, спадају различите врсте оптичких

конектора и механичке спојнице. Спојеви изведени методом фузије су трајни.

1.2.1 РАСТАВЉИВИ СПОЈЕВИ ОПТИЧКИХ ВЛАКАНА

1.2.1.1 Утицај конекторских спојева на слабљење

Намена оптичких конектора подразумева механичко повезивање са другим

компонентама оптичког система уз могућност монтаже и демонтаже, са одређеним

захтевима унесеног слабљења. Од вредности слабљења, које уноси оптички конектор

зависи ефикасност читавог оптичког система.

Да би се постигао потребан квалитет преноса сигнала, услови за избор конектора

треба да буду увек исти, а то су:

солидна конструкција и једноставност монтаже,

мало слабљење,

иста величина унетог слабљења и после више спајања и растављања.

Како је оптичко влакно веома малог пречника и веома савитљиво, остваривање

непосредног контакта представља технички проблем. Употребом ферула, који је прецизно

димензионисан цилиндричан материјал (керамички материјал на бази алуминијум или

цирконијум оксида или од нерђајућег челика) у који се увлачи припремљено оптичко

влакно. На тај начин се обезбеђује непосредан и чврст чеони механички спој два влакна.

То се посебно остварује код керамичке феруле PC-типа (Physical Contact), чије чело има

конвексан кружни облик, што је приказано на Сл. 1.14 21.

Слика 1.14. Површина чела PC-феруле

25


Димензије ферула су тачно дефинисане и са строгим толеранцијама, да би се

одговарајуће оптичко влакно могло сместити у елемент ферула. С обзиром на то да су

димензије влакна реда микрометра, дозвољене толеранције отвора за влакно у ферулу од

1 m за мономодно влакно до 2/4 m за мултимодно влакно 22.

Најстрожи захтев, који се поставља код стављања влакна у кућиште конектора је да

се омогући подешеност центра језгра влакна са осом ферула. Конектори, који се срећу на

тржишту имају најчешће могућност да се само спољни пречник влакна центрира у

цилиндричној ферули убацивањем влакна у концентричне капиларне цеви. То омогућава

тзв. слободна област на површини чела феруле, приказано на Сл. 1.15.

Слика 1.15. Усредњена и слободна област површине чела PC-феруле

Конекторизација оптичког влакна захтева врло специфичне услове рада. Захтева се

идеално чиста просторија, (негативан утицај прашине сведен је на најмању могућу меру).

Поред тога температура и влажност просторије, морају бити у одређеним строго

дефинисаним границама. Сам процес је подељен у више фаза 23:

у складу са одговарајућом табелом произвођача конектора, алатом се врши

отклањање спољашњег омотача и секундарне заштите оптичког влакна, све док не остане

само језгро са примарним омотачем (cladding);

чишћење влакна са марамицом и алкохолом;

бирање одговарајуће феруле са пречником отвора 125 m, 126 m или 127 m, и

провера проходности цевчице феруле конектора;

убризгавање двокомпонентног лепка за оптичке конекторе у цевчицу феруле

конектора, при чему на страни феруле или на задњем крају конекторске главе не сме да

остане трагова лепка (време коришћења отвореног лепка је ограничено на 2 сата);

центрирање и фиксирање припремљеног оптичког влакна у елемент феруле

цевчице;

26


навлачење металног прстена и његово стезање, тј. остваривање механичког споја

конекторске главе са каблом (конектори, који се користе за влакна са омотачем пречника

900 m, не захтевају употребу алата за кримповање);

сушење лепка убризганог у цевчицу феруле конектора (користи се пећ за

сушење, сушење траје 30 минута на 90 С);

алатом са дијамантским ножем се на тачно одређениј дужини исече вишак влакна

изнад површине чела феруле;

брушење и полирање чеоних површина ферула са влакном, брусним папирима од

9 m до 1 m и емулзијом за полирање која је финоће 0,01m (може се радити ручно и

машински);

визуелна провера полиране чеоне површине феруле.

Већина конекторских конструкција заснива се на директном физичком контакту

обрађених чеоних површина влакана, који омогућавају директно простирање оптичке

снаге из једног влакна у друго, или из влакна у оптички пријемник, са минималним

слабљењем. Значи, карактеристике конектора се дефинишу повећањем слабљења његовим

укључењем у везу.

Слабљења, која се јављају на конекторима или на конекторском споју оптичких

влакана, могу зависити од унутрашњих и спољашњих фактора 13.

a) Унутрашњи фактори слабљења на конекторима

У унутрашње факторе спадају одступања оптичких и димензионих карактеристика

оптичких влакана, при чему се подразумева да се при мерењу слабљења користи

идентично влакно на оба краја конектора.

Улазна површина оптичког влакна треба да је оптимално постављена и подешена

по све три осе у односу на светлосни извор. Подешеност се мора остварити и на излазном

крају влакна у односу на фотодетектор. Тада је струја у фотодиоди сразмерна примљеној

снази Pe1.

Влакно се пресече приближно на својој средини, тако да се подешеност влакна на

улазу и излазу не мења, а на пресеченим крајевима се поставе конекторски завршеци. Оба

конекторска краја треба да се механички подесе у вођици да би се формирао конектор на

коме ће се обавити мерење. Поновљеним мерењем снага на излазу из система се мења за

величину унетог слабљења због конекторског споја, односно добија се Pe2. Из ове две

добијене вредности може се израчунати величина унетог слабљења:

27


ас=10 log (Pe1 / Pe2 ) (1.9)

Код ове мерне методе избегнути су утицаји самог влакна као што су

ексцентричност и елиптичност, који такође могу бити узрок мерних грешака.

Општи услови од утицаја на појаву губитака су:

аксијална неподешеност влакана, која представља најкритичнији фактор, што се

види и са Сл. 1.16.а и са дијаграма на самој слици. Неподешеност по оси за око 30%,

односно 30 m, повећава слабљење за 2 dB.

Слика 1.16. Случајеви неподешености влакана приликом спајања у конекторуа) аксијална неподешеност влакна;

б) раздвојеност влакана;в) угаона неподешеност.

раздвојеност влакана на месту потребног додира има исти ефекат на величину

унетог слабљења, зависну и од нумеричке апертуре, као што се види са Сл. 1.16.б, која је

овде од посебног утицаја.

28


угаона неподешеност доводи до повећаног унетог слабљења, али је слабљење

зависно и од нумеричке апертуре влакна (подсећање: нумеричка апертура је величина која

изражава способност сакупљања оптичке снаге и једнака је квадратном корену из разлике

квадрата индекса преламања језгра и индекса преламања омотача оптичког влакна), Сл.

1.16.в;

б) Спољашњи фактори слабљења на конекторима

Спољашњи фактори зависе од правилног поступка обраде чела конектора и

оптичког влакна у њему. Визуелна контрола, након завршеног полирања чела конектора,

треба да покаже слободно оптичко влакно у лепку, чија површина нема огреботина.

Присутност огреботина или лепка захтева понављање поступка обраде чела конектора.

Правилно обрађени конектор треба да онемогући постојање угла између оса два спојена

језгра оптичких влакана у конекторима, затим постојање празног простора између њих и

постојање могућих нечистоћа.

Онемогућавање постојања било ког од наведених фактора се врши у циљу

постизања:

што мањих слабљења на конекторским спојевима;

што мањих вредности повратне рефлексије са чела обрађеног конектора;

квалитет споја, који се значајно не мења у току експлоатације.

Повратна рефлексија је резултат два ефекта: Rayleigh-овог расејања и Fresnel-ове

рефлексије 11. Rayleigh-ово расејање светлости, уназад, проузрокује минималну

повратну рефлексију. Fresnel-ова рефлексија се јавља на прекидима оптичких влакана, као

што су конектори и механички спојеви, и потребно је да буде у прописаним границама

због могућности појаве рефлексионог шума. Рефлексиони шум настаје тако што се део

оптичке снаге рефлектоване са чеоне површине конектора враћа назад у извор (ласерску

диоду или LED диоду). На тај начин рефлексиони шум може значајно да погорша

перформансе система (губици настали на овакав начин износе око 0,35 dB), а његово

знатно смањење се постиже коришћењем гела, који изједначава индексе преламања на

прелазима ваздух-стакло код конекторских оптичких спојева.

1.2.1.2 Утицај механичких спојева на слабљење

Механичко спајање влакана се обично изводи у пољским условима на терену, при

чему су влакна појединачно смештена у специјалној касети (баферу) 24. Овај начин

29


спајања не захтева отворен пламен, тако да је погодан за услове, где је потребна посебна

пажња. Принцип спајања се заснива на самоподешавању два оптичка влакна у удубљењу

V типа спајајућег елемента. У алату за спајање причвршћују се бафер елементи и влакна,

тако да се задрже у међусобно погодном положају за спој. Пошто се влакна одсеку на

прецизно одређену дужину и притиском фиксирају у V улегнуће алата, онда се крајеви

споје брзо стежућим лепком и задрже под притиском. Потом се спојни елемент у облику

слова U механички стегне тако да обухвати два бафера са влакнима и елиминише стресне

утицаје на оптичка влакна.

Овај начин спајања је у пракси показао добре резултате и код мономодних влакана.

Под условом да су спојена влакна идентична, оваквим механичким спајањем може се

постићи да је унето слабљење мање од 0,1 dB.

1.2.2 НЕРАСТАВЉИВИ СПОЈЕВИ ОПТИЧКИХ ВЛАКАНА

1.2.2.1 Слабљење оптичких влакана спојених електричним луком

Спајање оптичких влакана помоћу електричног лука изводи се одговарајућим

уређајем, који се назива сплајсер 25. Сплајсера има више врста, зависно од произвођача,

али су сви израђени као јединствен компактан уређај, погодан како за примену у

лабораторијама, тако и за примену на терену. Уређај за коришћење на терену има своје

аутономно напајање из акумулаторске батерије, а такође и прикључак за пуњење из

електричне мреже, када се рад обавља у лабораторији. За спајање влакана користи се

електрични лук. Електрични лук производи високи површински притисак растопљеног

стакла, односно материјала влакна, који уз прецизно самоподешавање сучељених влакана

остварује спајање. Свако дотеривање пресека влакна скопчано је са тешкоћама и

повећаним слабљењем тако да се посебна пажња обраћа на процес засецања чеоне

површине влакна. Провера квалитета чеоне површине влакна врши се под микроскопом.

Индиректно, квалитет пресека влакна се може оценити и по дијаграму зрачења. Ако је

пресек добро изведен, тада је дијаграм зрачења правилног кружног облика. На Сл. 1.17

приказан је микроскопски снимак правилно засеченог оптичког влакна.

30


Слика 1.17. Микроскопски снимак правилно засеченог оптичког влакна

Уређај за сплајсовање обично има и алат за сечење влакана тако израђен да на

влакну не оставља последице притиска, савијања или огреботина. Сечиво је од

угљеничног челика да би површина пресека била огледално чиста и да раван пресека не

одступа више од 3 од 90 у односу на осу влакна.

Оптичка влакна се постављају у вођице, које обезбеђују аутоматско међусобно

подешавање. Са свим могућностима уређаја битно је да се оствари што боља аксијална

подешеност влакана помоћу посебних микроподешавача за сваки, леви и десни крај

влакна. Уграђеном камером се прати процес подешавања. По постављању влакана у

одговарајући правилан положај и међусобни однос, што се прати на монитору, укључује

се сплајсер и процес фузије почиње тако што уређај аутоматски иницира фазу, која

предходи спајању електричним луком, увлачење влакана и њихово спајање. По

извршеном спајању спојена влакна се заштићују термоскупљајућом цевчицом.

Фактори, који утичу на величину слабљења на овакав начин спојених оптичких

влакана, деле се такође на унутрашње и спољашње 26. У унутрашње факторе спадају

особине оптичких влакана која се спајају. Спољашњи фактори зависе од поступка, који се

користи за спајање оптичких влакана и у њих спадају: растојање између крајева влакана

која се спајају, трансверзално растојање између два језгра, угао између оса два језгра,

квалитет обраде крајева влакна и њихова чистоћа и услови околине, у којој се врши

спајање.

Осим ових фактора, на слабљење на спојевима утичу и утицаји услед

микросавијања на крајевима оптичког влакна. Она могу настати у току полагања и

31


монтаже каблова, али могу бити проузрокована и повећаном осетљивошћу влакана на

микросавијања, конструкцијом кабла, врстом спојнице и касете за заштиту спојева.

Микросавијање на крајевима кабла, где се врши спајање оптичких влакана,

повећава слабљење на споју, иако оно стварно није проузроковано самим поступком

спајања оптичких влакана. Међутим, у току мерења слабљења на споју, није могуће

раздвојити ове утицаје зато што су они најчешће расподељени у самој близини стварног

споја два влакна. Ти утицаји су најчешће на растојањима мањим од 10 m, и они дају

одговарајуће повећање слабљења на спојевима.

1.2.3 ОПТИЧКА МЕРЕЊА НА СПОЈЕВИМА ВЛАКАНА

Оптичка мерења на спојевима влакана односе се првенствено на мерење слабљења

на конекторском или било ком другом споју. Већ смо навели да поседовање OTDR-а

омогућава лоцирање и карактеристике свих спојева. Међутим, за конекторе постоји мерни

поступак за тестирање њихових карактеристика (слабљења и повратне рефлексије) 27.

Оптички конектор је елеменат, који служи да да одређену чврстину оптичком

влакну ради обраде његове контактне површине, и омогући физички контакт између два

оптичка влакна или оптичког влакна и уређаја. Конекторски спој треба да има особине

које омогућавају вишекратно повезивање и раздвајање, а да при томе квалитет оствареног

споја не буде изван дозвољене границе слабљења.

Уз претпоставку да се поседују одговарајући уређаји, сам поступак мерења

слабљења није компликован. Он подразумева мерење снаге (dB), која се доводи у

конектор или спој, и снаге на излазу из конектора, односно споја оптичких влакана при

чему начин изведеног мерења и примењена техника могу да имају великог утицаја на

резултате.

На Сл. 1.18. приказана је шема мерења, којом се одређује слабљење, које конектор

уноси у везу. Два оптоелектронска претварача (предајник и пријемник) споје се

референтним оптичким влакном А, на чијим крајевима се налазе конектори К1 и К2. Кроз

оптичко влакно се пропусти светлосни сигнал. Детекторска диода даће на излазу струју,

која је сразмерна оптичкој снази на улазу Р. Сада се дода оптичко влакно А, на чијим

крајевима се налазе конектори К3 и К4, чије слабљење треба одредити, на излазу из

детекторске диоде измери се снага Р која је редукована за унете губитке конекторског

споја К2-К3.

32


Слика 1.18. Шема мерења слабљења оптичког конектора

Измерено слабљење се добија из односа

а= 10 log (Р/Р) (2.10) под условом да су испуњени следећи услови:

да је слабљење влакна, које се мери познато или занемарљиво у односу на унето

слабљење од стране конектора;

да је утицај на слабљење конектора К4, који је спојен са пријемном јединицом

исто као и К2 (ако је К4 прљав или се разликује, измерено слабљење ће се приписати

конекторском споју К2-К3).

Предност овог начина мерења је што задовољава практичне потребе када треба да

се измере слабљења конекторизованих каблова, али је истовремено недостатак, што на

мерење утичу и могуће толеранције оптичких влакана. Код мерне методе од посебног је

значаја да се обезбеде услови стабилности оптичког извора, без чега се не могу добити

квалитетни резултати. Стабилност оптичког извора се обезбеђује што мањом повратном

рефлексијом на конекторском споју, који се испитује. Правилно постављени и обрађени

оптички конектори морају да задовољавају светске стандарде по којима унешено

слабљење не сме да буде веће од 0,5 dB, а повратна рефлексија мања од -35 dB.

33


1.3 УТИЦАЈ НУКЛЕАРНОГ И ЕЛЕКТРОМАГНЕТНОГ ЗРАЧЕЊА НА ПРЕНОСНЕ КАРАКТЕРИСТИКЕ КОМПОНЕНАТА ОПТИЧКОГ СИСТЕМА

Лабораторије различитог профила баве се истраживањем понашања саставних

компонената оптичких система у срединама са разним врстама нуклеарног и

електромагнетног зрачења. Резултати који се добијају су посебно интересантни како за

војне институције (због понашања у условима нуклеарне експлозије на различитим

растојањима од центра експлозије), тако и за цивилне (нпр. у медицини, телефонским

везама, рачунарским мрежама, и др., у близини нуклеарних постројења или уређаја са

нуклеарним зрачењем, или у срединама са јаким електромагнетним пољем).

Дејство нуклеарног и електромагнетног зрачења на различите материјале је

широка област, која се обрађује у зависности од различитих видова зрачења и као и

различитих енергија упадних честица. Савремени тренд, где се у сврхе телекомуникација,

телевизије, рачунара, медицине и сл., користе оптички системи је донео нове задатке. До

сада је утврђено да нуклеарно зрачење утиче на неке компоненте оптичких система 28.

На пример: утицај нуклеарног зрачења на оптички предајник изазива повећање његовог

шума и опадање појачања. Код LED диоде долази до смањења израчене светлосне снаге,

док код ласерске диоде опада квантна ефикасност и расте вредност струје прага. У

фотодиоди долази до опадања осетљивости и повећања шума.

Оптичка влакна су најчешће при првом разматрању дефинисана као неосетљива на

нуклеарно и електромагнетно зрачење, као и на велики број различитих типова

агресивних агенаса. Међутим, ту би требало да се прво разматра о којој се врсти влакана

ради (пластичној или стакленој) и о употребљеној заштити самог влакна 29. Обзиром да

се као заштита најчешће користи PVC омотач, то је онда разматрање везано за деловање

нуклеарног и електромагнетног зрачења на PVC, а затим би следило питање интеракције

са средином омотача и језгра, где би морало опет да се води рачуна о томе да ли је у

питању стаклени или пластични материјал.

Постоји много фактора, које треба урачунати у коректан теоријски прилаз за

истраживање утицаја појединог зрачења (по типу и по енергији), као и много корекционих

фактора, које би требало увести приликом било каквог израчунавања. При томе, у првом

плану треба да буду истакнуте оптичке особине влакана, па је експеримент потребан како

ради усклађивања теорије и праксе, тако и за добијање тачних података о раду једног

система, који је ометан нуклеарним или електромагнетним зрачењима.

34


Оптички конектори, као важне компоненте оптичких система, имају конструкцију

која се заснива на директном физичком контакту обрађених чеоних површина влакана,

који омогућавају директну трансмисију оптичке снаге из једног влакна у друго, или из

влакна у оптички пријемник, са минималним слабљењем. Све наведено захтева изузетну

прецизност у производњи оптичких конектора, као и правилан избор материјала, који ће

то обезбедити. У материјале, који се користе за израду оптичких конектора спадају метал,

пластика и керамика. Ферула, као прецизно димензионисани цилиндрични елемент

конектора, се израђује од керамичког материјала на бази алуминијум или цирконијум-

оксида или од нерђајућег челика. Ферул елементи се понекада раде и са метализираном

спољном површином ради причвршћења за тело конектора. Некад се цилиндрична тела

ферула производе и од фосферита, материјала, који има малу термичку проводност, да би

се спречило преношење топлоте на влакно приликом лемљења при монтажи, или

загревања услед јаке светлости при раду. Тело оптичког конектора најчешће је метално

или пластично. Различити материјали од којих се производе саставни елементи оптичких

конектора, омогућавају да се испита утицај нуклеарног зрачења на слабљење и повратну

рефлексију са чела обрађеног конектора.

Дејство нуклеарног зрачења на различите материјале изазива и њихове различите

реакције, које зависе од врсте зрачења и вредности енергије упадних честица 30. То се

посебно односи на језгра наведена у Табели 2., где је за нас од интересовања бакар, као

елеменат дела конектора. Он у одређеном проценту, након излагања зрачењу, ствара

индуковано неутронско зрачења (0,003 % од укупне апсорбоване дозе).

Табела 2: Карактеристична језгра

Језгро

63Cu65Cu181Ta208Pb207Pb206Pb204Pb

35

01_osnovna svojstva optickih vlakana (1)

Documents