Fibra optica plastica de banda larga pentru fttd( fiber to the display)

High - Bandwidth plastic optical fiber for fiber to the display

FIBRA OPTICA PLASTICA DE BANDA LARGA PENTRU FTTD( FIBER TO THE DISPLAY)

I.         Introducere

Cea mai mare provocare in tehnologia informatiei este cum se instaleaza fibrele optice gigabit in retele locale de calculatoare (acasa, la birou sau in diferite cladiri).

Componenta periferica a retelei de comunicatii, numita si 'ultima prima mila' ('th last first mile'), se estimeaza ca ar conta cam 95% din intreaga retea, pentru care pana acum s-a folosit cablu UTP (fire de cupru - perechi rasucite neecranate). Cu toate astea, exista limitari atat pentru transmisiuni la mare distanta cat si pentru transmisiuni in banda larga. Iar atunci cand suta de metrii este depasita in interiorul unei cladiri, potrivirea vitezelor de comunicatie pentru transferuri de ordinal Gb devine dificila. Pe de alta parte, Fibrele SM (monomod, pe baza de siliciu), folosite pentru a sustine sistemul raspund destul de bine la viteze mari. Totusi, datorita diametrului de mai putin de 10μm, sunt necesare tehnici de conectare si despartire precise, care implica costuri ridicate pentru sistemele periferice unde exista un numar mare de puncte de conectare. In contrast, fibrele optice plastice (POF), dintr-un material de baza foarte usor si flexibil in comparatie cu fibrele de sticla, sunt recomandate pentru cabluri cu un diametru al nucleului mai mare - intre 100μm si 1000μm - si prezinta avantajul ca nu sunt necesare tehnici speciale de conectare sau costuri de instalare ridicate.

In aceasta lucrare este prezentat statutul actual al POF ca mediu de comunicatii capabil sa ofere servicii de banda larga. POF dezvoltate pentru comunicatii de date de viteza mare sunt clasificate in 4 categorii:

POF monomod

POF multimod (ML) cu diferenta de indice de refractie(SI)

POF multi-nucleu (MC) cu diferenta de indice (SI)

POF gradata (GI)

O fibra monomod a fost pregatita prin tehnica de polimerizare, formandu-se un mic nucleu, conditia de monomod fiind satisfacuta pentru prima data. Pe de alta parte, alte trei tipuri de POF au nuclee mari, motiv pentru care se propaga foarte multe moduri (peste 50.000). Asadar, reducerea dispersiei modale a fost o problema cheie pentru fibrele multimod. La POF ML, nucleul este compus din mai multe straturi cu indici de refractie diferiti. Aceasta structura concentrica ML reduce dispersia modala, in comparatie cu o fibra SI, atingandu-se valoarea empirica a ratei de date de 500Mb/s pentru o transmisiune pe 50m. Din alt punct de vedere, MC POF are nucleul format din zeci de mici nuclee. Prin reducerea diametrului nucleului, reducem nu numai dispersia modala ci si rata de pierderi. O transmisiune de date la 500 Mb/s pe 50m este de asemenea realizata cu POF MC. Desi o rata de date de 500Mb/s pare destul de mare pentru aplicatiile existente, cum sunt - cautatul pe internet si comunicatii bazate pe text, un port de date de 1Gb/s este deja implementat, chiar si pe unele computere personale. Pentru infrastructura, se pot gasi in comert switchuri si alte echipamente cu viteze pana la 10Gb/s. Standardele Ethernet 1Gb/s si 10Gb/s specifica utilizarea fibrelor multimod si a VCSEL-urilor. Totusi, dispersia fibrelor multimod existente este problema, in special in sistemele de transmisiuni la10Gb/s, dar a fost dezvoltata o noua generatie de fibre multimod pentru a acoperi o rata de date atat de mare. Pe de alta parte, a fost deja ceruta o rata de date intre 1 si 2.5Gb/s pentru o interfata a unui display digital de rezolutie mare: Interfata digitala video (DVI, 1.65 Gb/s/canal). Asadar, vor fi cerute rate de date mult mai mari pentru diferite aplicatii electronice.

A fost demonstrat ca indicele de refractie optim ofera POF GI posibilitatea de a transmite cu un debit de 10Gb/s sau peste. A fost dezvoltata o fibra POF GI cu o rata de pierderi scazuta, ce poate suporta un debit atat de mare din cauza proprietatilor de material (dispersie scazuta). In plus, atenuarea POF GI PF (polymer-based) a scazut cu 10dB/km in intervalul de lungimi de unda intre 800 si 1300ηm.

In concluzie, suntem de parere ca POF GI este singura POF care poate acoperi un debit atat de mare si care poate conecta orice system dintr-o locuinta la infrastructura de comunicatii. Prin urmare, in sectiunile urmatoare, ne referim la proprietatile si aplicatiile fibrei optice plastice cu indice de refractie gradat (POF GI).

Aceasta lucrare este organizata dupa cum urmeaza: Sectiunea II vorbeste despre istoria dezvoltarii tehnologiilor POF. In sectiunile III si IV sunt discutate detalii despre POF GI PMMA (POF GI polimetil-metacrilat) si POF GI polymer-based. Sectiunea V introduce conceptul de 'Fiber to the Display' - FTTD, mentionat anterior. In sectiunea VI este un rezumat al tehnologiilor POF mentionate. Tehnologia gigabit pe care o propunem ne adduce la 'Comunicatia fata-in-fata'.

II.       Istoria dezvoltarii POF

A.    Dezvoltarea in atenuarea POF

Prima idée de POF este originara din 1960, dinainte ca Corning sa demonstreze ca fibrele optice pe baza de silicati au o atenuare mai mica de 20dB/km. In 1966, DuPont inventeaza prima POF numita "Crofon". Aceasta fibra este de tipul SI compusa dintr-un nucleu din polimetil metaacilat (PMMA) infasurat intr-o materie partial fluoruasa. In urma progreselor rapide facute in domeniul tehnologiilor fibrelor optice silicate, Fibrele optice devin baza infrastructurii retelelor de telefonie de lunga distantam din intreaga lume. Pe de alta parte, POF s-au dovedit mai practice in retele de comunicatii pe distanta scurta sau pentru ghiduri de luminca si aplicatii de iluminat, datorita avantajelor cum sunt: diametrul mare cu o flexibilitate mecanica ridicata si o apertura numerica mare. In particular, potentialul materialelor cu polimer (flexibilitatea mecanica ridicata, utilizarea facila) poate reduce nu numai costul fibrei cat si costul instalarii fibrei. Prin urmare, s-a pus accentul pe asemenea aplicatii ale POF ca mediu de transmisiune in retele de scurta distanta.

In 1975, Mitsubishi Rayon a comercializat prima SI POF sub numele de 'Eska'. A fost urmat de Asahi Chemical si Toray in ani `70. Piata POF a fost initial dominate de aceste 3 mari companii care produceau POF SI cu nucleu PMMA. In anii 1980 au fost facute analize experimentale pentru reducerea pierderilor in nucleul PMMA. In 1984, Kaino a raportat ca a fost obtinuta o SI POF PMMA cu pierderi scazute.

La sfarsitul anilor 1980 a fost facuta o analiza impresionanta. Groth a calculat teoretic rata de absorbtie datorata vibratiilor distantelor hydrogen-carbon in PMMA si alti polimeri, introducand teoria energiei potentiale a lui Morse. Astfel, a fost dezvoltat procesul de calculare a limitei de atenuare a POF. Aceste rapoarte pornesc o competitie de imbunatatire a POF, intre cele 3 mari companii japoneze mai sus mentionate, cel mai mic nivel de atenuare fiind obtinut la sfarsitul anilor `80. Dezvoltarea in atenuarea POF SI este aratata in Fig.1, in comparatie cu atenuarea POF GI.

Fig. 1

In ceea ce priveste tipurile de POF GI, primul raport al nucleului PMMA GI a venit de la Universitatea Keio in 1976. Un profil parabolic al indicelui de refractie in prima POF GI, a fost dezvoltat prin copolimerizarea metal-metaacrilatului monomer cu un al doilea monomer cu un indice de refractie mai ridicat decat MMA. In timpul procesului de copolimerizare, a fost variata proportia celor doi polimeri, folosindu-se de diferenta de reactivitate intre cei doi polimeri. De fapt, initial atenuarea a fost masurata unde va la 1000dB/km pentru POF GI compusa din MMA si vinil benzoate, care era de aproximativ 10 ori mai mare decat atenuarea pentru POF SI. Totusi, in acest proces este relevant faptul ca polimerul rezultat este in mare impartit intre 2 polimeri.

Pentru a scade excesul de coefficient de imprastiere cauzat in urma diferentei de reactivitate a monomeilor, a fost dezvoltat un alt process bazat de copolimerizarea aleatoare. Atenuarea pentru POF GI cu MMA-benzil-metacrilat copolymer bazata pe acest proces de poimerizare aleatoare a scazut la aproximativ 200dB/km de la 100dB/km. Totusi, excesul de coefficient de imprastiere(scattering loss) de aproximativ 100dB/km a ramas acelasi. Pentru a rezolva problema atenuarii ridicate, ne=am bazat pe cercetarile fundamentale asupra relatiei dintre scattering loss si structura eterogena e materialelor polimer. In locul procesului de copolimerizare, am inventat procesul de dopare moleculare. Profilul indicelui de refractie nou format este dat de distributia radiala a concentratiei dopantului. Erau mai multe grade de libertate in alegerea materialului dopantului in comparatie cu selectia monomerului. Prin proiectarea structurii dopantului astfel incat sa fie compatibil cu PMMA, putem reduce marimea structurii eterogene din polimer, facandu-se astfel progrese remarcabile in scaderea atenuarii POF GI pana la valoarea obtinuta pentru POF SI.

Fig. 2. Development of data rate achieved by POF links. GI POF at

650 nm. GI POF at 850 nm. GI POF at 1300 nm. SI POF.

Metoda de dopare a declansat cercetarea si dezvoltarea materialelor polimerice cu atenuare mica. Un polimer aliphatic in general are o rata de absorbtie mare datorita vibratiilor hydrogen-carbon. Totusi, prin inlocuirea, in intregime, a hidrogenului cu fluor, s-a atins o atenuare impresionant de mica chiar si la o lungime de unda de 1.3 m. Prima POF GI PF polymer-based, numita 'Lucina', a fost comercializata de Asahi Glass Co. folosindu-se pentru prima data un polimer PF numit 'Cytop'.

B.    Dezvoltarea in transmisiuni prin POF de viteza mare.

In anii `90 s-a cercetat mult asupra utilizatii POF in comunicatii de viteza mare, in diferite tari. S-a pus accent mai mult pe POF SI. Pe de alta parte, caracteristicile de banda larga a POF GI au fost verificate experimentat pentru prima data abia in 1990 (Banda la-3dB era de 17.3GHz pentru 15mla o lungimed e unda de 670 m). Descoperirea tehnologica a fost demonstrata in 1994, asa cum arata Fig.2, venind ca o continuare la dezvoltarea laserelor NECsi a VCSEL-urilor.

Dupa 1994, au inceput sa fie conduse experimente asupra transmisiunilor gigabit folosind POF, in intreaga lume, combinand POF GI cu una din aceste surse de lumina pentru o modulare de viteza mare. In 1994 este inregistrata prima transmisiune 2.5Gb/s pe 100m folosing POF GI cu nucleu PMMA.

In 1999 transmisiunea experimentala la 11Gb/s pe 100m facuta de Asahi Glass Co si Laboratoarele Bell din Statele Unite a avut un rezultat extrem de important ce a demonstrat performantele largimii de banda. Caracteristicile de banda larga si pierderi mici ale POF GI PF au avansat, iar la inceputul anilor 2000 s-a raportat transmisiunea experimentala la1Gb/s pe o distanta de 1km.Bazandu-se pe aceste experimente, s-a demonstrat ca POF GI PF se poate folosi in domeniul benzilor largi. Fibra POF intrata in utilizare in 2000 este POF GI PF si sepoate de asemenea gasi in comert. O retea LAN de 1Gb/s folosit POF GI PF a fost construita la Universitatea Keio in 2000. Ca urmare, POF GI a fost folosita in Tokyo in complexe rezidentiale, spitale, sali de conferinte, etc.

III.     POF GI bazata pe PMMA

A.Dispersia modala

Dispersia modala este in general dominanta in functia de raspuns la impuls a fibrelor optice multimod. Cu toate astea, este bine stiut faptul ca dispersia modala poate fi minimizata prin formarea unui profil quadratic al indicelui de refractie in fibrele multimod si ca largimea de banda a fibrelor multimod este puternic influentata de perturbatii ale indicelui de refractie. Astfel, o problema importanta este optimizarea profilului indicelui de refractie astfel incat sa duca la reducerea dispersiei modale. Pentru a putea analiza profilul optim al indicelui fibrei POF GI, este adoptata o metoda cunoscuta de aproximare. In aproximarea dupa putere a profilului, distributia indicelui de refractie a unei fibre POF GI este data de relatia:

n(r) = n₁[a-2 (r/a)⁹]^1/2 , 0<=r<=a

n(r) = n₂ , r > a (1)

unde n1 si n2 sunt indici de refractie in centrul miezului, respectiv, pe invelis, a este raza miezului, g este indicele exponentului, parametru al profilului indicelui, iar este diferenta relativa data de relatia:

=(n₁²-n₂²)/2n₁²  (2)

A fost deja demonstrate ca o largime de banda mare poate fi atinsa cand indicele exponentului, g, este aproximativ 0.2. Cu toate astea, ceilalti factori de dispersie, profilul si materialul nu sunt luati in considerare.

B. Dispersia cromatica

Dispersia in material este indusa de dependenta indicelui de refractie din centrul miezului de lungimea de unda si de limitare spectrului sursei de lumina, in timp ce dispersia profilului este dependenta de proportionalitatea dintre diferenta relative aindicilor, , si lungimea de unda. Fig.3 arata cum aceste trei disersii afecteaza caracteristicile de banda ale POF GI PMMA. Banda maxima (>80GHz pt.100m) a POF GI PMMA se obtine cand g este aproximativ 2, daca dispersia modala a PMMA nu este luata in considerare.

Totusi, se observa o neconcordanta intre banda calculata theoretic si cea masurata experimental. Pe de alta parte, relatia dintre banda si indicele exponentului POF GI PMMA este estimata cu precizie de metoda Wentzel-Krames-Brillouin (WKB), unde toti factorii de dispersie sunt luati in considerare: dispersie modala, in material, disperia profilului,

Asa cum arata Fig.3, banda masurata experimental este bine prezisa daca luam in considerare dispersia de material a polimerului si lungimea spectrala a luminii sursei la 650 m. Este evident a banda maxima variaza intre 5 si 2 GHz., depinzand de lungimea spectrala cand indicele exponentului este optimizat. Aceasta dependenta a lungimii spectrale de banda este data de valoarea mare a dispersiei de material pentru PMMA. O dependenta semnificativa se observa pentru exponenti intre 1.6 si 3, asa cum se poate observa in Fig.3. Cand g este departe de valoarea optima, g >3, dispersia de material are un efect scazut asupra caracteristicilor largimii de banda (Fig.3 a si b).

Pe de alta parte, este notat faptu ca exponentul optim la care avem un maxim al benzii creste la 2.3. In rolul de dopant in Fig.3, pentru POF GI a fost folosit benzyl benzoate. Acest indice g_opt , se interpreteaza dupa cum urmeaza: Analitic, rezolvand ecuatiile de unda ale lui Maxwell, g_opt poate fi exprimat dupa cum urmeaza:

unde P este disperse profilului, si este dat de relatia:

Daca aproximam ca N1, indicele de grup este egal cu n1 =>

obtinem g optim dat de relatia (6), deoarece in (3) poate fi neglijat.

Asa cum arata Fig.3, daca lungimea de banda a POF GI cu un indice exponential de 5 este estimate theoretic, ajungem la o valoare de 200MHz la 100m considerand doar dispersia modala. Totusi, lund in considerare toti factorii de dispersie, banda ajunge la un maxim de 300 MHz la 100m care este mai putin sensibil la largimea spectrala a sursei de lumina. Acest rezultat indica faptul ca caracteristicile de banda sunt puternic influentate de dispersia profilului, chiar daca indicele exponentului este cu mult diferit de cel optim. Asadar, efectul largimii spectrale a sursei de lumina poate fi neglijat.

C. Caracteristicile modului de propagare.

Este bine stiut faptul ca propagarea mai multor moduri simultan in fibrele multimod influenteaza puternic lungimea benzii. In POF SI propagarea mai multor moduri a fost observata, dar s-a demonstrat ca pentru fibra POF GI efectul cuplarii modurilor este mult mai mic. Pentru a explica cuplarea modurilor, au fost propuse mai multe ipoteze: dispersia luminii, perturbarea proprietatilor ghidului. Acestea au fost discutate in principiu pentru MMF, fiind foare putine propuneri pentru POF GI. Pe de alta parte, analiza propagarii modului si managementul caracteristicilor modurilor de propagare pentru POF GI au devenit din ce in ce mai importante, la fel ca si tehnicile de management al dispersiei. A fost confirmat faptul ca aperture numerica este un factor important in puterea de cuplare a modurilor pentru POF GI PMMA si ca asigurand o aperture numerica (AN) mare este un mod de a reduce cuplarea modurilor. Intr-o astfel de fibra POG FI cu AN mare, conditia de incidenta devine importanta pentru performantele in ceea ce priveste largimea benzii.

Puterea de cuplare a modurilor in POF GI PMMA depinde de conditia de incidenta cu mediul vecin. Masuratorile asupra acestui mediu sunt dupa cum urmeaza: Un grup de moduri cunoscut este trimis pe o fibra monomod de 1m conectata la o dioda laser la 650 m lungime de unda. Aceasta fibra satisface conditia de monomod la 650 m. Acum sunt selectate spre a fi transmise modul de ordinul cel mai mare si cel mai mic. Apoi, masuram campul vecin la distanta de 100m cu o camera CCD.

In Fig.4 sunt aratate rezultatele pentru acest camp pentru o POF GI cu o AN de 0.15 0.17 0.20 si 0.30. Asa cum s-a demonstrat anterior, remarcam o diferenta destul de mare intre modurile inalte si joase la o AN=3.0, in timp ce pentru AN de valori mici, profilele sunt independente de conditia de incidenta.

Din rezultatele pe o mare varietate de POF GI este confirmata relatia dintre aperture numerica si puterea de cuplare a modurilor. Deasemenea, este demonstrat faptul ca, pentru o AN mai mare de 0.17, dependenta de mediul incident este evidenta. Aceasta dependenta este analizata din punct de vedere cantitativ. Se gaseste faptul ca puterea de cuplare este in relatie cu diferenta de constanta de propagare ( ), pentru modurile adiacente. Daca profilul indicelui de refractie pentru POF GI poate fi aproximat ca in relatia (1), constanta de propagare a modului este descrisa de relatia:

unde k este numarul de unda, M este maximul modului principal. Din (7) putem observa ca , care este diferenta intre a modurilor cu acelasi m, este o functie de n1 si . Daca doua moduri au aceeasi constanta de propagare, = 0, aceste moduri se numesc moduri degenerate. Pe de alta parte, daca valoarea lui este mare, propabilitatea de transfer de energie intre aceste moduri scade, si efectul de cuplare a modurilor este foarte putin observabil. Prin urmare, pentru valori mari ale lui n1 si , cuplarea modurilor scade pentru fobra POF GI.

Dependenta AN de este calculate si aratata in Fig.5(a). Aici, este definit ca fiind diferenta de constanta de propagare intre al m-lea si m+5-lea mod, din moment ce in nucleul POF GI se propaga un numar mare de moduri. Fiecare valoare este calculate din profilul indicelui de refractie (Fig5(b)). In acest caz profilul indicelui de refractie este aproximat cu un polinom cu 10 termeni. Folosind forma polinomiala, putem calcula cu precizie constanta de propagare a modului.

Se poate vedea ca valorile cresc cu cresterea AN. Acesta este considerat unul din motivele pentru care la POF GI cu AN mare se poate observa mai bine cuplarea modurilor. Deoarece atat rezultatele experimentale cat si cele teoretice arata acelasi trend, se verifica faptul ca AN este un factor cheie in determinarea puterii de cuplare a modurilor si ca aceasta putere poate fi controlata, controland AN.

D.Formarea profilului indicelui ideal.

Profilele de indici pot fi obtinute prin procesul de polimerizare

Indicii de refractie obtinuti prin polimerizarea interfata-gel au inceput sa se schimbe la frontiera cu miezul. Datorita acestei deviatii la interfata cu miezul, dispersia modala a GI POF nu a fost minimizata obligatoriu chiar daca indicele de refractie din centrul miezului nu a fost ajustat catre valoarea optima. De aceeia indicele de refractie al GI POF de la granita cu miezul poate fi controlat cu precizie cu ajutorul unui proces de polimerizare interfata-gel in 2 etape pe care am propus-o mai sus. Indicele de refractie optimizat este aratat in figura 6. In fig.6 indicele de refractie masurat (linia groasa) este in perfect acord cu aproximatia curbei (cercul deschis) a legii puterii cu un expinent g de 2.45 in regiunea miezului. De vreme ce dopantul este sulfat diphenil, exponentul g_opt este de 2.49.

Iesirea pulsului de lumina din fibra de 150m este aratat in figura 7 comparat cu intrarea pulsului optic la o lungie de unde de 650 nm. In acest caz, pulsul optic este cuplat la GI POF pentru a lansa intrgul mod uniform.(lansarea supraincarcata (OFL)). In ciuda OFL (cel mai defavorabil caz) se observa o largire usoara a pulsului. Cercurile inchise din figura 7 semnifica iesirea undei estimata de procesul WKB al masuratorii indicelui aratat in figura 6. In calcul, atat dispersia modala cat si cea cromatica sunt luate in considerare [38]. Un bun acord se observa intre masuratori si calcul.

Masuram deasemnea si intarzierea modala (DMD) al fibrei aratat in figura 6 pentru a verifica mica dispersie modala. Metodologia este similara cu conditia de dependinta a lansarii al NFP mentionate dupa cum urmeaza: un semnal optic provenit de la un LD la o lungime de unda de 650 nm este cuplata la fibra cu o proba de fibra SM in acelasi mod cu masuratoarea NFP. Scanand pozitia unde fibra este asemanatoare cu GI POF de la centrul miezului spre periferie fiecare grup modal de la ordinea de sus la cea de jos poate fi lansata selectiv. Apoi masuram diferenta in timp al impulsurilor optice printre diferitele grupuri modale cu ajutorul unui osciloscop. Rezultatul este aratat in figura 8. Rezultatul arata ca fiecare grup modal are aceiasi intarziere de grup.

Dupa o analiza cantitativa al largirii pulsului aratata in figura 7, am gasit doar o larfgire cu 124.8 ps (rms) al iesirii fata de intrare. Aceasta largire se considera ca fiind introdusa de dispersia materialului. Dispersia materialului al dopantului adaugat PMMA la o lungime de unda de 650 nm a fost estimata ca fiind 4238 ps/nm/km in lucrarea precedenta[38]. Latimea spectrului diodei folosita pentru a masura iesirea este de 2.6 nm si este aratata in figura 7. Asa deci, largirea rms a pulsului datorata dispersiei materialului a fost calculata ca fiind 109.3 ps, care este asemanatoare cu rezultatul masuratorii largirii impulsului. Aceste rezutate indica ca indicele de refractie format in fibra, aratat in figura 6, este aproape optim si dispersia modala este minimizata

E. Marele avantaj al POF GI - flexibilitatea

Cand Fibrele POF GI sunt folosite in retele rezidentiale, este necesara stabilitatea proprietatilor optice si mecanice. Sunt cercetate pierderile de indoire si performantele benzii la indoiri ale fibrei POF GI.

In Fig9.(a) sunt aratate propritatile unei transmisiuni la 1.25 Gb/s pe o fibra POF GI cu pierderi de indoire mici, diagrama ochiului, masuratori dupa ce sunt numarul de indoiri creste. Diagramele ochiului sunt aratate in Fig.9(b). O deschidere buna este mentinuta chiar si in conditii extreme de indoire. Astfel este demonstrate avantajul fibrei POF GI cu pierderi de indoire mici si o flexibilitate mecanica crescuta (Fig.10).

IV.            Fibra POF GI -polymer based

A. Atenuarea

Este bine stiut faptul ca polimerii PF au un mare avantaj in ceea ce priveste atenuarea, fata de PMMA si alti polimeri optici transparenti. Atenuarea scazuta este rezultata prin eliminarea pierderilor de absorbtie intrinseci din cauza vibratiilor C-H care exista la PMMA.

In general, vibratiile H-C cresc cu cresterea lungimii de unda, dar atenuarea fibrei POF GI PF este dramatic mai scazuta decat cea a fibrei POF GI PMMA, in special la lungimi de unda intre 800 si 1000 m, asa cum se poate observa in Fig.11. Consecvent, atenuari mici intre 10 si 15 dB/km au fost atinse pentru lungimi de unda intre 1000si 1300 m.

In Fig.11 este deasemenea estimata atenuarea limita a unei fibre POF PF. In aceasta estimare, factorii de atenuare sunt grupati in 2 categorii: rata de imprastiere, constanta de material, si pierderile de absorbtie.

B.Dispersia fibrei POF GI PF - polymer based

O alta caracteristica importanta a acestei fibre este dispersia de material scazuta. Am demonstrat deja ca dispersia in material a polimerului este mult mia mica decat la PMMA si chiar decat la silicati, in special la lungimi de unda mici. Aceasta inseamna ca fibra POF GI PF are potential o banda mai larga cu un indice de refractie optim, decat fibrele silicate MMF.

Am estimate dispersia in material a POF GI PF-polymer based masurand dependenta de lungimea de unda a indicelui de refractie a diferitelor tipuri de polimeri. Este cunoscuta relatia:

In (8), , este largimea spectrala a sursei de lumina, este lungimea de unda a sursei de lumina, c este viteza luminii, este derivata de ordinul 2 a indicelui de refractie in functie de lungimea de unda, iar L este lungimea fibrei. Indicele de refractie ca functie de lungimea de unda este calculat din ecuatia Sellmeier, pentru a putea calcula derivate din (8).

Dispersia de material calculata pentru diferite materiale este prezentata in Fig.12.:

Aceste curbe, din Fig.12, sunt obtinute pe baza relatiei (8). Dispersia de material a polimerului PF este mult mai mica decat la silicati sau la PMMA, in special in spectrul vizibil si infrarosu. Desi dispersia de material la silicate este aproape zero la 1300 m, dispersia de material pentru silicate dopati cu GeO2 este mai mare decat la silicate puri.

Pe de alta parte, este notat faptul ca aditia de dopanti la polimeri PF provoava schimbari foarte mici in ceea ce priveste valoarea dispersiei de material. Din moment ce este folosit ca dopant un compus PF, dispersia de material a polimerului PF dopat este deasemenea mica. Prin urmare, ne putem astepta ca fibra POF GI PF sa aiba o largime de banda destul de mare pe o plaja intinsa de lungimi de unda , comparative cu POF GI PMMA.

Pentru realizarea unei transmisiuni la 10Gb/s printr-o fibra POF GI PF, profilul indicelui de refractie trebuie sa fie controlat sa fie sub forma legii puterii, iar indicele exponentului g sa fie 2.1 la 0.85 m, lunda in considerare dispersia de material.

Momentan, fibra POF GI PF polymer based, este deja comercializata sub numele de 'Lucina'. Totusi, procesul de formare al profilului indicelui de refractie al Lucina este un process de difuzie directa (DD) in care materialul dopant este difuzat direct in polimer. In cazul procesului de DD, deoarece difuzia dopantului in polimer este principial condusa de legea difuziei lui Fick, profilul indicelui de refractie format prin aceasta metoda nu a fost neaparat controlat sa convearga cu profilul optim.

Fig.13 arata profilul indicelui de refractie masurat experimental al POF GI PF, mai intai prin polimerizare (linie plima), apoi prin difuzie (linie punctata). Asa cum arata figura, pentru procesul de polimerizare, profilul indicelui urmareste legea puterii.

Pe de alta parte, profilul indicelui de refractie format prin procesul de DD prezinta o mare deviatie intre valoarea masurata si cea teoretica, in special in partea extrema a invelisului. Profilul masurat are o parte de sfarsit la granite dintre nucleu si invelis care este tipica pentru profilul difuziei lui Fick Efectul acestei deviatii este cercetat masurand DMD pentru cele doua fibre. Rezultatul masuratorii DMD a fibrei POF GI PF fabricate prin procesul DD este aratat in Fig.14(a) iar in Fig.14(b) pentru procesul de polimerizare.

In cazul procesului DD, modurile de ordin mai mare arata o convergenta mai rapida decat cele de ordin scazut, deoarece graficul indicelui prezinta o deviatie mai mare de la legea puterii in special in zona de trecere de la miez la invelis. Pe de alta parte, se observa ca aproapte toate modurile au aceeasi intarziere de grup in cazul procesului de polimerizare deoarece profilul indicelui este bine controlat catre cel optim. Un alt avantaj remarcabil al fibrei POF GI PF polimer-based, cu dispersie de material mica, este dependenta semnalelor de lungimi de unda joase de banda. Este bine stiut faptul ca profilul indicelui de refractie prezinta o dependenta de lungimea de unda. In particular, in cazul fibrelor multimod silicate, fibrele multimod al caror profil al indicelui a fost optimizat pentru lungimi de unda de 1300 m arata performante scazute in cazul folosirii la lungimi de 850 m. De aceea, au fost dezvoltate fibre mutimod silicate optimizate pentru a garanta un debit de date mai mare de 10Gb/s. Aceasta dependenta de lungimea de unda a profilului indicelui optimizat este cauzata de dispersia profilului.

Deoarece polimerul PF are o dispersie de material si de profil mica, dependenta de lungimea de unda a profilului indicelui optimizat poate fi redusa, iar largimi de banda mari pot fi mentinute pe o plaja mai vasta de lungimi de unda.

Fig.15 arata performantele benzii atat pentru POF GI PF cat si pentru silicate. Profilul indicelui este optimizat pentru o lungime de unda de 850 m. Prin urmare, banda maxima este atinsa la o lungime de 850 m, iar pentru lungimi de 650 m sau 1300 m, performantele scad drastic.

Pe de alta parte, in cazul POF GI PF, chiar daca lungimea de unda variaza de la 850 la 1300 m, debitul posibil ramane mai mare de cativa Gb/s. In consecinta, POF GI PF poate fi utilizata in diferite aplicatii.

In Fig.16 este prezentata dependenta de lungimea de unda a formei undei a unei fibre POF GI PF de 300m, in comparative cu fibre silicate de aceasi lungime.

Cum MMF-ul bazat pe silica este cea mai noua descoperire: latime de banda, indicele sau de refractie este ajustat la o lungime de unde de 850nm. Largimea pulsului la iesire este aproape la fel in ambele fibre, la 850 nm. Pe de alta parte, GI POF bazata pe poimer PF arata un puls asemanator unei sageti fata de MMF-ul bazat pe silica la 650 nm datorita materialului mic si al dispersiei profilului. In MMF-ul bazat pe silica, largirea impulsului depinde puternic de lungimea de unda, ceea ce inseamna ca pentru a controla indicele de refractie pentru lungimi de unda specificate, trebuie ajuns la latimi ale benzii inalte , asa cum se arata in figura 15.

Fig.17 arata diagrama ochiuluipentru o fibra la 10Gb/s, pentru o transmisiune la 100m, la o lungime de unda de 850 m.

Se poate observa o buna deschidere a ochiului, chiar si la transmisiunea la 100m cu debit de10Gb/s. Daca puterea de iesire ar fi mai mare, s-ar observa o deschidere mia buna. Pentru o astfel de viteza de transmiiune - 10Gb/s - diametrul fotodiodei este de ordinul 50-60 m, motiv pentru care pierderile de cuplare sunt mari. Diametrul fibrei POF GI PF folosit pentru masurarea transmisiunii este de 120 m. In ciuda pierderilor de cuplare mari, transmisiunea la 10Gb/s pe 100m se face pe o banda sufficient de mare.

V.      FTTD (Conexiunea fibrei optice la monitor)

Desi eforturile de a forma o societate informationala cat mai bine conectata au dus la producerea unui intreg lant de rezultate importante, trebuie constientizat faptul ca serviciile actuale in ceea ce priveste largimea benzii nu sunt suficiente. Transmisiunile de la tastatura raman baza in lumea transmisiunilor de informatii. Scene in care, de exemplu, un pacient care se simte rau apasa pe un buton, iar de partea cealalta a monitorului este un doctor intreband 'Ce va doare?', raman de domeniul stiintifico-fantastic. Cu toate astea, distanta de comunicare intre oameni atinge limita 0, din moment ce tot ce e nevoie este ca displayul sa fie conectat printr-o fibra optica.

Pentru a promova si mai mult sistemele de banda larga, sunt necesare cercetari si dezvoltari bazate pe situatii din viata reala. Aceste studii trebuie facute in colaborare cu domenii de hardware, de sisteme perferice, electronice pentru casa, echipamente audio-video. Fig.18 arata conceptut de fibra la display (FTTD), un de POF GI sunt direct conectate la un panou mare de control printr-un cablu, imagini de rezolutie mare fiind transmise prin infrastructura retelei IP. Un nou standard de interfata cu rezolutie mare necesita un debit de 10Gb/s care este acoperit de POF GI. Astfel poate fi realizata telemedicina cat si invatatul la distanta bazat pe comunicatii in timp real.

Fibrele POF GI de banda larga sunt pe cale sa accelereze o mare schimbare in arhitectura de retea. Retelele cu cablaj tipic folosit in cladiri sunt sisteme de retea dispersate, in timp ce serverele, switchurile sunt dispersate in sistemele de retea, toate acestea fiind conectate tipic ca in Fig.19. Pe de alta parte, folosind fibrele POF GI de viteza mare, mentionate anterior, propunem o arhitectura de retea centralizata, in care exista un singur server principal, iar POF GI sunt distribuite direct oricator terminale sau echipamente, fara a mai fi nevoie de switchuri pe fiecare etaj sau servere intermediare. Asadar, un simplu proces de mentenanta a retelei este de ajuns.

Un astfel de sistem de spitalizare cu un server central bazat pe POF GI a fost realizat intr-un spital de cardiologie cu 320 de paturi, in Tokyo, Japonia in 2003. Fig.20 arata un panou din acest spital unde sunt conectate foarte mute fibre POF GI. Lungimea totala a fibreilor instalate in acest spital ajunge la 230Km.

VI.            Concluzii

Capacitatea de date necesara pentru a manevra o imagine ca biti de informatie se poate sa creasca drastic in viitorul aproapiat. De exemplu, rezolutia unei reviste de fotografie, asa cum este vazuta de ochiul uman este definite ca 350 ppi (pixel per inch), la 25 de cm (distanta minima). Cand transpunem pe un monitor de 22inch, aceasta rezolutie este echivalenta cu 4192 x 2624 pixeli, fiind nevoie de un diplay de peste 1milion de pixeli. Totusi, rezolutia ochiului uman scade drastic de la imagine statica la animatie.

Prin urmare, standardul digital pentru urmatoarea generatie de animatii este de 4096 x 2160 pixeli, la 24cadre/s. Se ajunge la 6.37Gb/s si o viteza de transmisie de peste 10Gb/s in cazul in care nu apelam la metode de compresie a imaginii. Standardul DVI este si el in dezvoltare, impunandu-se viteze de transmisiune de 2Gb/s. Pentru a acoperi suprafete la distante mari, la aceasta viteza de transmisie, folosirea cablurilor UTP devine dificila. Din acest motiv s-a propus folosirea fibrelor POF GI.

Comunicatiile de data la debite de 10Gb/s sunt de asa natura incat sa faciliteze schimbul liber de informatie la nivel individual. Pentru aceasta, este necesara o tehnologie de rezolutie mare si o retea POF care sa implementeze conceptual de FTTD.