1 1.1 Glasvezel

1
WERKINGSPRINCIPE
In dit hoofdstuk komen de werking principes van glasvezelsensoren. Zo wordt de
werking van de FBG – datalogger verduidelijkt.
1.1
Glasvezel
1.1.1
Geschiedenis
In 1870 gebruikte John Tyndall een waterstraal die vloeide uit een ton en die terecht
kwam in een andere ton om aan te tonen dat lichtstralen afbuigen. Toen het water uit
de bovenste ton kwam, stuurde Tyndall een lichtstraal door de opening. Hij stelde
vast dat de lichtstraal een zigzagweg aflegde. De lichtstraal maakt gebruik van
interne reflectie om de specifieke weg af te leggen. Dit eenvoudige experiment is
duidelijk op volgende figuur weergegeven. Dit is dan ook het begin van het
onderzoek van geleide transmissie door licht. De experimenten werden doorgezet
door onder andere Alexander Graham die de “photo phone” uitvond, een optisch
systeem om stemtransmissie uit te voeren. Deze technologie staat beter bekend als
“free-space optical”. In 1950 werd voor het eerst gebruik gemaakt van glasvezel om
het licht te transporteren. Toen in 1960 de eerste laser werd uitgevonden en deze
sterk werd verbeterd in de jaren ‟60 – „70, mede door de opkomst van halfgeleiders,
werden in de late jaren ‟70 en de vroege jaren ‟80 in de hoofdtelefooncentrales
glasvezelsystemen geïnstalleerd. Door de stijgende opkomst van grote bandbreedte
voor internettoepassingen word veelvuldig gebruik gemaakt van de glasvezel techniek.
Fig. 2.1 experiment van John Tyndall
1.1.2
Soorten
De glasvezel is een dunne buigzame draad van glas, waarin een lichtbundel zich kan
voortplanten. De glasvezel bestaat uit een kern (core) met een bepaalde
brekingsindex met daar rond een bekleding (cladding) met een andere breking index. Dit verschil in brekingsindex zorgt ervoor dat de lichtstraal binnen deze kern
gereflecteerd wordt. Bij de glasvezel kan men een onderscheid maken tussen drie
typen: step-index multimode, step-index singlemode en graded-index multimode.
1.1.2.1
Step-index multimode vezel
De multimode vezels hebben een relatief grote kerndiameter, tussen de 50 en 100
micrometer, en een claddingdiameter tussen de 120 en 200 micrometer. Deze
afmetingen zijn zowel geldig voor de step-index multimode vezel als voor de gradedindex multimode vezel. Door deze relatief grote kerndoorsnede kunnen er meerdere
lichtstralen onder verschillende hoeken de kabel binnentreden. Hierdoor ontstaat er
verstrooiing van licht in de kern. Bij digitale signalen heeft dit tot gevolg dat een
signaalpuls aan het einde van de kabel breder is dan de verzonden signaalpuls. Met
het gevolg dat een beperkte bandbreedte mogelijk is (ongeveer 200 MHz). De
demping van de kabel ligt in de ordegrootte van 10 tot 50 dB per km, wat veel is.
1.1.2.2
Graded-index multimode vezel
De graded-index multimode kabel heeft een kern waarvan de brekingsindex van
binnen naar buiten afneemt. Het gevolg is dat het ingestraalde licht ook afbuigt. De
afstand die een lichtstraal langs de randen aflegt is groter dan de afstand van de
lichtstraal die door het hart van de kern gaat. Daar staat tegenover dat de
brekingsindex van het glas in het hart groter is. Door de lagere brekingsindex zal de
snelheid van het licht langs de randen groter zijn dan in het hart van de kern. Bij dit
type kabel treedt er geen pulsverbreding op. Deze kabel heeft een bandbreedte van
200 MHz tot 3 GHz en een demping van 7 tot 15 dB per kilometer.
1.1.2.3
Singlemode vezel
De singlemode vezel heeft een zeer kleine diameter van 6 tot 9 micrometer en een
cladding van 125 micrometer. De lichtstralen kunnen daardoor slechts recht de kabel
binnentreden. Hierdoor ontstaat er in de kabel geen verstrooiing van het licht, en
treedt er geen pulsverbreding op. De bandbreedte bij een singlemode vezel kan
oplopen tot verschillende tientallen GHz over tientallen kilometer. Men spreekt dan
over een bandbreedte van 3 tot 50 GHz. Bij dit type van vezel varieert de demping
van 0,2 tot 2 dB per kilometer.
Voor de toepassingen in het labo gebruikt men een singlemode vezel waarvan de
kern is samengesteld uit glas.
Fig. 2.2 vezel
De core is van ordegrote 5–9 µm, de clading is 125 µm en de buffer 250µm
Fig. 2.3 transmissie in een glasvezel
1.1.3
Verliezen
Wanneer het licht zich in de glasvezel gaat voortbewegen, treedt er verlies op van
zijn intensiteit. Men streeft ernaar om kabels te gebruiken die een zo klein mogelijke
demping geven aan het signaal. Men gebruikt bijgevolg de singlemode vezel
waardoor de demping varieert tussen 0,2 en 2 dB per kilometer. De grootste oorzaak
van deze verliezen zijn de onzuiverheden in het glas die het licht gaan absorberen en
verstrooien. Deze strooiverliezen nemen proportioneel af bij toenemende golflengte.
Men tracht dan ook om gebruik te maken van een zo zuiver mogelijke glasvezel.
Een andere bron van verlies in de vezel is de buiging van de vezel. Deze buiging
geeft aan het licht de mogelijkheid om de kern te verlaten en over te gaan in de
cladding. Hoe kleiner de buigingsstraal, des te groter de verliezen. Hierdoor is het
aan te raden om de buigingsstraal steeds groter te nemen dan 30mm.
Ten slotte is de golflengte van het licht tevens verantwoordelijk voor de demping van
het signaal. De absorptie varieert namelijk met de verschillende golflengtes. Voor een
golflengte van 850 nm zijn de verliezen 4 - 5 dB per kilometer. Bij 1300 nm neemt het
verlies af tot 3 dB per kilometer. De golflengte waarmee men gaat werken ligt rond de
1550 nm. Deze golflengte is ideaal voor het doorzenden van het licht over lange
afstanden omdat de verliezen beperkt blijven tot minder dan 1dB per kilometer.
1.1.4
Eigenschappen
De glasvezel heeft superieure kwaliteiten ten opzichte van netwerken met
koperkabels. Hieronder worden de belangrijkste eigenschappen van glasvezel
opgesomd.
Voordelen:
-
Een grotere overdrachtscapaciteit en getrouwheid dan bij koperdraad of
coaxkabel,
-
Is volledig immuun tegen praktisch alle soorten van storingen (EMC).
-
Niet onderhevig aan corrosie,
-
Bij het transporteren van licht door de glasvezel is er op geen enkel
moment gevaar voor vonkvorming, zelfs in de meest explosieve omgeving
is er geen risico op vuur. Geen gevaar voor elektrocutie,
-
De smelttemperatuur van glas ligt op 1000°C.
-
Passief element
-
Goedkoop
Nadelen:
1.1.5
-
Zonder de coating, fragiel,
-
Het aan elkaar lassen (splice) van glasvezels en het aansluiten van de
kernen op connectoren vraagt nog steeds de nodige vaardigheid en kennis
Vezelconnecties
Wanneer je glasvezels aan elkaar of aan connectoren gaat koppelen, is het uiterst
belangrijk dat de vezeluiteinden bestaan uit een rein, vlak oppervlak loodrecht op de
as van de vezel. Dit kan je bekomen door de vezel te klieven. Dit is een procedure
waarbij je eerst de beschermlaag moet verwijderen en een kras moet maken op het
oppervlak. Hierdoor creëer je een zwak punt waardoor je de vezel gemakkelijk kan
breken. De kras breng je aan door middel van een apparaat dat voorzien is van een
slijpwieltje met een diamantbekleding. Let op dat de vezel niet vuil wordt. Om de
vezelvlakken correct aan elkaar te zetten, zijn er twee methodes: verlijmen en lassen.
Als je vezels verlijmt, zijn nog enkele variaties mogelijk om beide vezeleinden exact
aan te sluiten en ze dan met optische lijm duurzaam te hechten. Lijmverbindingen
zijn technisch minder omslachtig dan lasverbindingen maar veroorzaken wel iets
grotere overgangsverliezen.
Om vezels op een snelle en flexibele manier met elkaar te verbinden, maakt men
gebruik van connectoren. Deze zijn meestal gebaseerd op ferrules. Dit zijn
cilindrische of conische stukken metaal voorzien van een centrale holte, waar de
vezel precies in past. De ferrules passen op hun beurt in de connectorblokken, zodat
de vezels in de ferrules exact over elkaar uitkomen. Een groot assortiment aan
connectoren is mogelijk.
Fig. 2.4 Klieven van glasvezels
Fig. 2.5 Vezelconnectoren
1.1.5.1
Lijmverbinding
Bij een lijmverbinding wordt een lijmstof tussen beide vezeluiteinden aangebracht. De
lijm gaat de verbinding verstevigen en deze ook volledig omsluiten. Meestal gebruik
je een glazen buisje om de uiteinden correct te lijmen. Bij deze methode plaats je de
vezeluiteinden tegen elkaar en omsluit je dit met het buisje. Via een kleine
trechtervormige opening dien je de lijm in het nauw omsloten buisje toe.
Fig. 2.6 Lijmverbinding
De lijmverbinding wordt stilaan verdrongen door de thermische verbinding. Nochtans
bewijst het zijn nut nog steeds in toepassingsgebieden waar er geen vonk mag
gemaakt worden.
1.1.5.2
Gelaste vaste verbinding
Gelaste verbindingen, die men ook splicen noemt, zijn nodig wanneer een uiterst
minimale overgangsdemping vereist is. Deze demping kan tot minder dan 0.1 dB per
connectie gaan. Je maakt hierbij gebruik van automatische lasapparatuur welke
steeds voor een kleinere verbindingsdemping zorgen. Via nauwkeurige cameraatjes
is het mogelijk de twee uiteinden te verbinden. Bij deze procedure is het noodzakelijk
dat er een extra smelttemperatuur opgewekt wordt die door een lichtboog wordt
bereikt. Je kunt het technische verloop voor de aanmaak van een lasverbinding
volgen aan de hand van figuur 2.8. Nadat je de buitenmantel hebt verwijderd, maak
je een kras in de vezel. Met behulp van het krastoestel, breekt deze dan ook. Nu dien
je de vezel in de v-groef van het lasapparaat in te spannen en het lasproces te
starten. Met behulp van xyz-micromanipulatoren gaat het lasapparaat de vezels
tegen elkaar plaatsen. Dit kan je ook volgen op de camera. Het lasproces duurt maar
enkele seconden. Afhankelijk van de dikte van de fiber worden de uiteinden dicht bij
elkaar gebracht en verhit. Door de vervorming en uitzetting smelten de 2 vezels aan
elkaar. Om de las te beschermen, breng je na het lassen een omhulsel aan. Als je
vezels gaat lassen, is de lichtboogtemperatuur en de tijdsduur van uiterst belang.
Fouten hierbij leiden tot een verkeerde splice. Je krijgt hierdoor een groot
vermogenverlies.
Fig. 2.7 Lasapparatuur met camera
Fig. 2.8 Lasprocedure