Glasvezeltransmissie.

Principe

Glasvezeltransmissie is de overdracht van signalen door middel van lichtgolven doorheen een haarfijne glasvezel. Elektrische signalen worden door een laser omgezet naar lichtpulsen. Aan het einde van de glasvezel zorgt een fotodiode voor de omzetting van het licht naar het elektrisch signaal.

Fig 15.1

De laser, gebruikt in glasvezeltransmissie, is een lichtbron met een typische golflengte van 850, 1300, 1310 of 1550 nM. (De golflengte 850 nM is nog net waarneembaar, de overige frequenties zijn onzichtbaar voor het menselijke oog)

In glasvezeltransmissie gebruikt men twee soorten lasers. Ze worden getypeerd volgens de glasvezelkabel waarvoor ze ingezet worden : de multimode en single mode laser. De straal van een laser waaiert uit (divergentie). De divergentie van de single mode laser is zeer laag en het licht draagt verder in afstand. De laser voor multimode glasvezel is goedkoper maar het licht reikt maximum 5 km ver.

Fig 15.2

Het licht wordt geleid door een dunne vezel die gemaakt is van een in een dunne draad getrokken glas (SiO2 kwarts, silica).

Licht gaat rechtdoor; dus bij de eerste bocht in de glasvezelkabel gaat het al mis.
Het licht breekt tegen de zijwand.

Fig 15.3

De glasvezel heeft een intern structuur waarin de lichtbrekingsindex varieert volgens de diameter Het optisch midden (de core) heeft een hogere brekingsindex dan de optische mantel (optical cladding).
De cladding, cover of coating, is optisch. Ze is van glas zoals het kernmateriaal en niet te verwarren met de kunststof mantel (PVC sheat)

Door de lichtbreking volgt het laserlicht de buiging in de glasvezel.
Het lijkt alsof de lichtstraal gebogen wordt.

Multimode – Single Mode

Fig 15.4

De multimode glasvezel heeft een diameter van 125 microns (µm).
De core diameter bedraagt 50 of 60.5 microns.

Eén micron is gelijk aan 0,001 mm. Ter vergelijking : de dikte van een mensenhaar varieert tussen 17 µm en 180 µm.

De multimode glasvezel kent meerdere (multi) manieren (modes) om het licht te breken.
De optische cladding (buitenste mantel in glas), heeft een step index of een graded index.
Bij step index multimode glasvezel, varieert de lichtbrekingshoek in stappen over de diameter.

Een lichtstraal die zich verplaatst via de kleinste brekingshoeken wordt het vaakst weerkaatst in de vezel. Op die manier doet die lichtstraal er langer over om de optische ontvanger te bereiken dan de lichtstraal die nauwelijks gebroken wordt.

Bij graded index multimode glaszvezel, wijzigt brekingsindex gradueel naar de buitenkant toe.
Het licht breekt er in stapjes en wordt als het ware omgebogen. De lichtstralen golven er meer gelijkmatig verder.

Fig 15.5

Fig 15.6

De single mode glasvezel heeft een diameter van 125 microns en een core diameter van 8 microns.
De optical cladding heeft een step index. De nauwe diameter van de core glasvezel en de optical cladding, laten slechts één mode, één lichtbreking toe.

Glasvezel kabel

De glasvezel op zich is te fragiel om in installatie te gebruiken op de manier zoals we koperkabel monteren. De glasvezel breekt als ze wordt geplooid, de tip is slechts een haar dik, stof of vuil zijn uit den boze.

Een opdeling tussen indoor en outdoor kabels situeert zich in de tight jacket en de loose tube.

Fig 15.7

Tight Jacket

In de indoor kabel zijn de individuele glasvezel strak ingepakt in verschillende lagen van kunststof.
In het pak bevindt zich ook een trek ontlasting.

Loose Tube

De outdoor kabel komt in contact met vocht of water. De buitenmantel is als een waterdicht buis die gevuld is met een waterafstotende gel.

Cleaving

De glasvezel wordt niet geknipt maar gebroken. Het is te vergelijken met het snijden van vlak glas. Een glassnijder met een diamanten tip maakt een diepe kras in het glas. Vervolgens wordt het glas gebroken. Bij glasvezel moet de snede absoluut vlak zijn.

Een polishing tool schuurt de tip vlak als de eindconnector (ST of SC) er handmatig wordt aangezet.

Pigtail

Fig 15.10

Fiber pig tails zijn korte glasvezels met een machinaal gemonteerde LC/SC connector.
Het vrije uiteinde (zonder connector) wordt aan de inkomende glasvezel gelast door middel van fusion splicing of mechanical splicing

Fusion splicing

Twee glasvezel uiteinden worden in uitlijningsgroeven verhit en gelast. Het vereist dure apparatuur.
Het optisch verlies van een fusion splice bedraagt 0.1 dB

Mechanical splicing

Twee glasvezel uiteinden worden uitgelijnd en op hun plaats gehouden in een groef (V) of een koker (Capillar tube), verbonden door een glaslijm met een minimale brekingsindex.
De mechanische splice noch de glaslijm hebben géén mechanische sterkte. Daarom worden de mechanische splices vastgemaakt in een houder : de splice box (niet geschikt als CD-houders 😊)

De pigtail met SC connector wordt in een duplex adapter gemonteerd in een 19” rack houder.
Vooraan is de glasvezelverbinding bereikbaar om gepatched te worden naar de glasvezelmodule.

Prefab kabel

Een betaalbaar alternatief is de geprefabriceerde kabel op lengte.
Deze is courant verkrijgbaar in de elektro groothandel en wordt afgewerkt met connectoren.
Een zijde wordt stevig ingepakt en van een pull eye (trekoog) voorzien.

Componenten glasvezel bekabeling

Fig 15.11

Transmissieverliezen.

Hoewel glasvezeltransmissie ruimschoots de snelheid en afstand van koperkabel overtreffen, kent de glasvezel ook signaalverliezen.
Het laserlicht wordt gedempt door de reflecties in de overgang tussen core en cladding en onzuiverheden in de glasvezel.
Het licht wordt verstrooid (scattered) bij kabellassen en in connectorkoppelingen.

In de berekening van de transmissieafstand, verminderen we het optisch budget met 0,3 dB per overgang. De LC connector hebben een typische insertion loss van 0.25 dB. Een verlies in een fusion splice varieert tussen de 0,1 en 0,5 dB.

Vraagstuk : De Fiber Options S701V heeft een optisch budget van 13 dB en een bereik van 5,2 km over multimode fiber. De glasvezel wordt gepatched als in voorbeeld figuur ;

Antwoord : 13 dB – (6 connectoren + 2 splices) x 0,3 dB = 10,6 dB
5,2 km * 10,6 dB / 13 dB = 4,2 km

In multimode zijn afstanden tot 5 km mogelijk. In single mode afstanden tot 60 km.