Fiberoptik

Bilder i större format finns i separat Bildbilaga

Charles K. Kao i forskningslabbet

Charles K. Kao

Inledning

I denna artikel används några uttryck och definitioner, som behöver förklaras. Bilderna i början visar illustrationer över ljusets optiska och fiberoptiska egenskaper i en optisk fiber.

Fiberoptikens historia

De vetenskapsmän, som har gjort stora grundläggande insatser inom optisk kommunikationsområdet är kinesen Dr Charles K. Kao och amerikanen Dr Robert Mauer. Dr Kao och Dr. Mauer har genom teoretiskt forskningsarbete och teknisk utveckling av optisk fiber och optiska systemkomponenter skapat nya lovande områden för informationsöverföring. De båda gjorde stora framsteg inom detta område under 1960- och 1970-talet.

För sitt pionjärarbete belönades Charles K. Kao med Nobelpriset i fysik 2009.

Fiberoptiken började användas i Sverige under mitten av 1970-talet. Det var i första hand inom telekommunikation (Ericssonkoncernen) som den nya fiberoptiken introducerades. ASEA (ABB) började använda fiber för styrning av tyristorer vid den tidpunkten.

Inom det militära området används fiberkablar i kommunikationsbuss MIL-STD-1773, flygplan, fordon och i telekommunikationsnät.

De används ofta vid signalöverföring, där stora krav ställs på tålighet mot avlyssning och känslighet för yttre störningar, såsom EMI, EMC och ENP.

Idag är det inte ovanligt med fiberoptiska transmissionslänkar. De förekommer inom olika verksamhetsområden, både för överföring av analoga och digitala signaler.

Fiberoptik

Elektromagnetiska spektrumet

Större bild

Reflektion

Grundläggande optik

Kommunikation i fiber introducerar många termer och begrepp, som är nya och ovana för teletekniker.

Ljuset

Ljuset kan uppträda som en våg- eller partikelrörelse, beroende på applikation. Normalt betraktar vi ljus som en elektromagnetisk våg eller som elektromagnetisk strålning. Ljus är samma slags vågrörelse som radio, radar, röntgen eller gammastrålning. Det för ögat synliga ljuset är enbart en liten del av det elektromagnetiska spektrumet.

Våglängd

Vid betraktelse av ljuset, med såväl vågteori som kvantfysik, har begreppet våglängd en central betydelse. Med ljuset som en vågrörelse definieras våglängden λ som avståndet mellan två vågtoppar.

Ljushastigheten

Ljusets hastighet c i vakuum är en fysikalisk konstant och är 299792458 m/s. (Ljushastigheten på c definierades 1983.) I glas är ljushastigheten ungefär 2/3 av hastigheten i vakuum. Ljushastigheten i glas kan anges som v ≈ 200000 km/s. Förhållandet mellan ljusets hastighet i vakuum och ljusets hastighet i ett annat material definieras som materialets brytningsindex n och är c/v.

 Exempel på brytningsindex för några material:

• Optiskt glas          1,4 – 1,8

• Luft                         1,0003

• Vatten                    1,34

Ljusets brytning i vatten

Deviationsvinkel

Ljuset bryts från normalen

Gränsvinkeln i_I för totalreflektion.

Ljuset leds i en fiber

Reflektion i krökt fiberledare

Ljusets egenskaper

När ett föremål upphettas övergår energin i ljusstrålning. Denna process är reversibel (dvs. kan fungera i andra riktningen). Solstrålarnas ljus omvandlas till värme då det absorberas av jorden. Hur stor värme som alstras genom absorption beror på ytans optiska egenskaper. Fönsterglas t.ex. uppvärms endast i ringa grad av solstrålningen, eftersom den största delen strålningen kan passera rakt igenom materialet. Ett svart föremål absorberas däremot helt och uppvärms också i motsvarande mån.

Reflektion

En annan egenskap hos ljuset är att ljuset under vissa förutsättningar inte absorberas utan reflekteras, t.ex. då ljus faller på en spegel. I detta fall gäller reflektionslagen i_I = i_R.

Ljusets brytning

Vi möter dagligen exempel på denna egenskap, men kanske inte så uppenbart som vid absorbtion och reflektion. När en ljusstråle går genom luften och träffar t ex. vatten under vinkeln i_I kommer vinkeln i_B inte att bli lika stor som i_I. Definitionsmässigt är brytningsindex för synligt ljus i vakuum 1 och för alla transparanta ämnen är brytningsindex i det synliga området större än 1, t.ex. för glas ca 1,5 och för vatten ca 1,35. Då en ljusstråle övergår från ett medium till ett annat, med annat brytningsindex, ändras infallsvinkeln. Därvid gäller att större brytningsindex ger mindre brytningsvinkel.

En ljusstråle som går från glas till luft bryts från normalen. Om infallsvinkel i_I ökas så ökas i_B också, men i_B mer än i_I. Då i_I är tillräckligt stor inträffar att i_B = 90⁰, vilket betyder att ingen stråle kommer ut ur glaset. Denna vinkel kallas gränsvinkeln för totalreflektion.

Brytningslagen:  n_glas /n_luft = sin i_B/sin i_I  ; 

för n_glas = 1,5 och n_luft = 1,0 ger gränsvinkeln i_I = 41,8⁰ ≈ 42⁰.

Gränsvinkeln för totalreflektion:

• Glas/luft är            42⁰

• Vatten/luft är        49⁰

• Diamant/luft är     24,5⁰

 Detta är ett intressant fenomen. Om ljuset tillåts ha en vinkel till normalen > 42⁰ så kommer inget ljus ut. Detta fenomen är vad man utnyttjar i fiberoptiken.

Om ett glasmaterial med brytningsindex n₂ omger ett annat med brytningsindex n₁ och n₁ >n₂ uppstår totalreflektion vid gränsytorna, som medför att ljuset kan ledas från den ena änden till den andra. (Ljuset går från ett optiskt tätare medium till ett optiskt tunnare medium alltså ett material med lägre brytningsindex.) Detta är den fysikaliska förutsättningen för fiberoptiken. Av detta följer att fibern inte behöver vara rak, utan kan leda ljus i böjt tillstånd. I en optisk fiber fortplantas ljusvågor i en glaskärna som har ett något högre brytningsindex än det omgivande glashöljet.

Ljuset begränsas till glaskärnan på grund av reflektion. Beroende på ljusvåglängd, glaskärnans diameter, glaskärnans renlighetsgrad och brytningsindex erhålls olika villkor för ljusvågornas utbredning och överföring.

Numerisk apertur

Större bild

Fiberns acceptans

Större bild

Dispersion (överdrivet ritat).

Större bild

Pulsförlängning genom dispersion

Optiska fibrer

Större bild

Fiberoptikens fysikaliska bakgrund

Som transmissionsmedium är det främst tre fundamentala egenskaper hos den optiska fibern, som är intressanta:

•  Acceptansen och numeriska aperturen, som beskriver hur stor del av ljuset från en ljuskälla som kan kopplas in i fibern.

• Dämpningen, som beskriver hur inkopplat ljus dämpas utmed fibern.

• Dispersionen eller ljusspridningen (förvrängningen), som beskriver hur fiberns bandbredd begränsas eller hur pulsernas breddas.

Numeriska aperturen NA = sin αmax

Den numeriska aperturen för optokablar avsedda för digital eller analog överföring av information, ligger mellan 0,3 för kabel med hög dämpning och 0,05 för kabel med låg dämpning men med goda överföringsegenskaper.

Dämpningen

Skillnaden i ljusstyrka mellan det ljus som sänds in i fibern och det ljus som kommer ut i andra änden motsvarar den ljusförlust som uppkommer i fibern. Ljusförlusten mäts i enheten decibel [dB]. Det är många olika orsaker till att ljus förloras genom sin färd genom fibern. Materialet absorberar ljus, materialet sprider ljus, förlust genom kurvor och mikroböjar, skarvar och kontakter, dragspänning och tryck mm.

Dispersion

Genom enkla försök kan man påvisa att brytningsindex står i relation till ljusets våglängd på så sätt att långvågigt (rött) ljus har mindre brytningsindex än kortvågigt (violett) ljus. Detta förhållande kallas dispersion (kromatisk dispersion). Kopplar vi en ljuskälla, som utsänder ett spektrum av olika våglängder till en optofiber, uppstår brytningsfenomen.

Strålen A (i bilden bredvid) motsvarar det violetta ljuset. Detta reflekteras oftare och tillryggalägger en längre sträcka. Strålen A kommer fram till utgången senare än B. Om en ljuskälla sänder ut en kort puls, som i början har mycket branta flanker, blir denna puls förlängd då den når utgången. För en fiber anges dispersionen i ns/km eller ps/km. Genom denna icke önskade pulsförlängning, begränsas den maximala överföringsfrekvensen i en optokabel.

Fiberkabelns uppbyggnad

Typiska fiberdämpningskurvor

Större bild

Dämpningen i en optofiber och hur den förändras med l.

Större bild

Diameterangivelser för tre vanliga  fiberkablar
Större bild

Fiberkabel

Optiska fiberkablar indelas i två stora grupper, singelmodfibrer och multimodfibrer. Sedan indelas multimodfibern i stegindexfiber och gradientindexfiber.

I gradientindexkabeln reflekteras inte ljuset mot ett gränsskikt utan böjs av gradvis inne i kabeln och fokuseras i mitten. Denna kabeltyp uppvisar väsentligt mindre dispersionsvärden och det är därför möjligt att uppnå större överföringsfrekvens än med en stegindexkabel.

Förutom dispersionen finns andra effekter som försämrar överföringsegenskaperna, d.v.s. mindre energi kommer fram till kabelutgången än vad man matade in. Dessa ljusförluster uppstår i huvudsak genom absorbtion i kabeln och genom spridning, s.k. ”scattering”. Spridningen uppstår genom att ljus träffar oregelbundenheter eller föroreningar i kabelmaterialet. En typisk kurva, som visar dämpningen som funktion av våglängder i optofiber, visas i bilden till vänster.

Fiberkabelns egenskaper

Två fysikaliska processer ger upphov till negativa egenskaper i fibern:

Absorbtion:
-  IR – absorption
-  OH – absorption
-  UV – absorption
-  Metalljoner

 Ljusspridning:
- Våglängdspridning, λ^{- 4}   
- Större inhomogeniteter, blåsor
- Ojämnheter i kärndiameter, krökar

De vanligaste fiberkablarna kan ha kärna och hölje av plast, kärna av glas och hölje av plast, eller kärna och hölje av glas. Fibern kan vara av stepindex- eller gradientindexprofil, singel- eller multimod och ha olika numerisk apertur och kärndiameter.

Lasersändare med fibergränssnitt, pigtail.

Större bild

Ljusdetektor, PIN- diod

Fiberdon SMA
Större bild

Ljus från fiberkärna (Ø=50µm)

Ljuskällor

För att kunna överföra elektriska signaler med optiska fiberkablar behövs en ljuskälla (optosändare) och en ljusdetektor (optomottagare). Ljuskällan omvandlar elektriska signaler till ljus och ljusdetektorn omvandlar ljus till elektriska signaler.
Som optosändare används lysdiod (LED) eller laserdiod (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). För system med höga krav på frekvens och överföringsdistans används laser. Laserdioden har två stora fördelar:

• Det utsända ljuset har ett mycket smtitle spektrum. Dispersionseffekten är därför mycket mindre jämfört med bredbandiga ljuskällor.

• Laserljuset är väl samlat. Detta gör det möjligt att använda optiska kablar med ytterst små dimensioner.

Ljusdetektorer

Som ljusdetektor används fototransistorer, PIN- dioder och lavindioder, s.k. APD (Avalanche Photo Diode). PIN- dioden och fototransistorn arbetar med en förspänning på 5-40 V. APD arbetar med en förspänning på några hundra volt och är dock känsligare som mottagare.
Viktigt är också att en bra ljusdetektor har ett lågt eget brus och en stor bandbredd.
Nedan visas en sammanställning av ljusdetektorernas viktigaste egenskaper:

Kontaktförluster vid förskjutning i radiell led.

Större bild

Kontaktförluster som uppstår vid vinkelfel
Större bild

Kontaktförluster vid förskjutning i axiell led
Större bild

Skarvning av fiberkabel

Viktigt är att dämpningstillskottet p.g.a. skarvtekniken inte blir en begränsad faktor. Svetsning, limning och fiberdon är de tre vanligaste metoderna.
De optiska förlusterna i en skarv kan delas upp i en fiberberoende och en skarvteknikberoende del.

De fiberberoende förlusterna beror främst på skillnader i:
- numerisk apertur
- kärndiameter
- ytterdiameter om den används för upplinjering

De teknikberoende skarvförlusterna beror på:
- parallellförskjutning av fibern
- vinkelfel mellan fiberaxlarna
- avstånd mellan fiberytorna
- ändytornas utseende
- fresnelreflektioner från ändytorna
- smuts på ändytorna

Reflektion vid avkapad och avbruten fiberände
Större bild

Transmissionsdämpningen D

Större bild

Optisk fiber

Mätning på fiberoptiska länkar

Vid mätning i fiberoptiska anläggningar användes normalt två olika mätinstrument. 

• Stabiliserad ljuskälla med effektmeter används för att  bestämma den sammanlagda dämpningen mellan två inkopplingspunkter.

• OTDR, (Optikal Time Domain Reflektormeter), används för att i detalj analysera dämpningen i fiber per längdenhet, hela fibersträckningen, don och skarvar.

Vid fellokalisering används OTDR- instrument. Med hjälp av detta instrument kan fel lokaliseras med en precision på någon meter när längs en fiberkabel, även om kabeln är tiotals kilometer lång. OTDR- instrumentet kan även mäta förluster i don och kvalitén på don och skarvar i redan driftsatta nät. Don som har för hög backreflektion kan orsaka försämrad transmissionskvalitet.

OTDR-instrument
Större bild

Bilder i större format finns i separat Bildbilaga

Fiberoptisk signalöverföring

Ett optiskt transmissionssystem består av ljuskälla, fiberkabel och ljusdetektor. Anslutning av ljuskälla och ljusdetektor till kabeln sker via kontaktdon. Ljuskällan och ljusdetektorn utgör omvandlingen från elektriska signaler till optiska signaler och vice versa. 

De olika dämpningsförlusterna och effektförlusterna är:

• Kopplingsdämpningen mellan ljuskällan (sändaren) och  fiberkabeln D_SF.

• Skarvar och kontakter D_S, D_K.

• Fiberkabeln D_F.

• Kopplingsdämpningen mellan fiberkabel och ljusdetektor (mottagare) D_FM.

• Transmissionsdämpningen D, menas här den totala dämpningen uttryckt i dB mellan två givna optiska gränssnitt.

Begränsade för en datalänksprestanda, d.v.s. transmissionsavstånd och signalegenskaper, är dels dämpningen, dels bandbredden.

Fiberkabelns miljötålighet och livslängd

Det primära skyddshöljet på optiska fibern (vanligtvis akrylat, silikon eller teflon), visas ha en avgörande betydelse för fiberns mekaniska hållfasthet.

För att öka fiberkabelns mekaniska hållfasthet förstärker man sekundärhöljet, vanligtvis med starka plastmaterial, t.ex. kevlar. Man kan öka hållfastheten ytterligare genom att förse kabeln med dragavlastningslinor (bärlinor) av plaststavar eller aluminium.

Beträffande de optiska kablarnas långtidsegenskaper är glasmaterialet det stabilaste beträffande åldring, temperaturberoende, fuktberoende mm. En långvarig mekanisk påkänning (t.ex. vibration och skak) kan förorsaka höga dämpningar och t.o.m. fiberbrott. Det är i detta fall fråga om korrosion som förorsakar dessa fenomen. Denna korrosion sker i gränssnitten mellan glas/plast eller glas/glas. Det är därför av största vikt att de optiska fibrerna skyddas mot långvariga mekaniska påkänningar.

Elektriska egenskaper

• Isolationsförmåga: ≥ 30 kV/m (utan bärlina av metall).

• Den påverkas inte av yttre störningar, såsom EMC, EMP och ESD.

• Ett fiberoptiskt system genererar inga störningar.

Skrivet och sammanställt av: Göran Gustafsson

Bilder i större format finns i separat Bildbilaga

Källor:

·        Kompendium FIBEROPTIK, Göran Gustafsson, Mars 1980.

·        Egna noteringar, laborationer, praktiska prov och fältprov.

·        STF, Handbok i praktisk fiberoptik, 2011

Senast uppdaterad: 2015-02-05