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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fibertyper To hovedtyper: multimodus fiber singelmodus fiber Figur 6.7 Fysisk størrelse på selve fiberen for multimodus og singelmodus. Refleksjonskappe Fiberkjerne 125 m

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

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

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

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

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

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

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

Lyskilder Type lyskilde Spektralbredde Anvendelse lysemitterende diode (LED) 50–100 nm multimodus kabler laserdiode fra 0,01 til 3–6 nm singelmodus kabler

Detektorer Som lysdetektorer brukes fotodioder av typene PIN og APD (lavinediode). Alle diodetypene har et forholdsvis bredt spektralområde. Materialer i lysdetektorer og tilhørende bølgelengdeområder: Germanium (Ge) 1000 - 1700 nm Silisium (Si) 550 - 950 nm Gallium Arsenid (GaAs) 600 - 850 nm Indium GaAs (InGaAs) 1100 - 1700 nm Ofte er elektronikken i hver ende den største begrensningsfaktoren med hensyn til båndbredde i overføringssystemet. Lysdioder har en viss stigetid og detektorer en viss reaksjonstid. Kan variere fra komponenttype til komponenttype.

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

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

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

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

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

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

Fiberoptiske kabler, tett kledning Primærbelegg Sekundærbelegg Ytterkappe Figur 6.19 Fiberoptisk kabel med en enkeltfiber og tett kledning.

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

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

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

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

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

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

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

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

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