Fibre ottiche

 

 

 

Fibre ottiche

 

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La fibra ottica

Indice

 

Introduzione
Ma cos'è la fibra ottica?
Storia
Principi di funzionamento
Aspetti tecnici
Evoluzione
Sistema di trasmissione
Un po’ di conti...
Realizzazione tecnologica
Problematiche
Attenuazione
Dispersione
Tipi di fibre
Vantaggi & Svantaggi
Utilizzi
Bibliografia
Sitografia
Glossario

 

Lo sviluppo crescente di nuove applicazioni induce alla nascita nuovi bisogni altrimenti inimmaginabili.

In ambito informatico ciò porta ad una sempre maggiore richiesta di banda per l’utente finale.
Quindi è necessario un potenziamento notevole delle reti di trasmissione.
La fibra ottica sembra essere la soluzione definitiva al problema, in quanto la banda passante, è teoricamente infinita.

Ma cos'è la fibra ottica?

In prima battuta possiamo dire che è una cannetta costituita da due tubi (uno all’interno dell’altro) molto piccola.
Generalmente realizzata in materiale vetroso e in cui - per qualche strano fenomeno - la luce resta imprigionata, e pertanto può venire trasportata.
Una fibra ottica è costituita da due parti: un nucleo (detto anche core) e un mantello (cladding).

Concettualmente la fibra ottica si può immaginare come una canna dell’acqua: la luce rimane all’interno di un materiale (aria nella canna, vetro nella fibra) e non esce all’esterno del secondo materiale (plastica nella canna, cladding nella fibra).

 

Le fibre ottiche non sono un ritrovato dell’ultima ora: la loro storia è abbastanza lunga, infatti i primi esperimenti di guida della luce (tramite l’utilizzo di acqua e aria) vennero svolti nel XIX secolo.
Con gli inizi del ’900 (1910- formulazione della teoria della propagazione di un’onda elettromagnetica all’interno di una guida) sono state gettate le fondamenta teoriche di ciò che avrebbe poi portato alla fibra.
Ma ci volle quasi mezzo secolo per la comparsa delle prime applicazioni (endoscopi)!
Nessuno però pensava di usare queste scoperte (altamente inaffidabili) al fine della comunicazione. Questo perché avrebbero comportato perdite di dati, grandi attenuazioni e distorsione di segnali.
Grazie all’invenzione del laser (1962) e agli studi sui vetri a basse perdite (1966) si poté giungere a quelle che meritatamente sono chiamate fibre ottiche moderne.
Da questo momento in poi è sorta una competizione tra le principali aziende produttrici che ha portato ai livelli attuali la fibra.

 

Per comprendere il funzionamento della fibra ottica bisogna analizzare due fenomeni che intervengono nella trasmissione:rifrazione e riflessione totale.

Ogni materiale ha una proprietà intrinseca detta indice di rifrazione.
Tale indice può essere definito come il rapporto tra la velocità di propagazione della luce nel vuoto (o nell’aria c=3*108 m/s) e la velocità della luce nel mezzo considerato.
Immaginiamo un raggio di luce che colpisce una superficie di separazione fra un mezzo e l’altro. Il raggio (detto raggio incidente) si dividerà in due: una prima parte sarà riflessa e rimarrà nel primo materiale (raggio riflesso), una seconda (raggio rifratto) passerà nel secondo (con un angolo diverso).
Gli angoli formati dai raggi incidente, riflesso, rifratto con la perpendicolare al punto di incidenza, sono detti rispettivamente angolo di incidenza, angolo di riflessione e angolo di rifrazione.
Per la legge di riflessione si verifica che l’angolo di incidenza è pari all’angolo di riflessione.
Per la legge di rifrazione si può affermare che il rapporto tra il seno dell’angolo di incidenza ed il seno dell’angolo di rifrazione è costante e pari al rapporto tra gli indici di rifrazione del primo e del secondo mezzo.

Nell’immagine qui sopra si possono vedere tre situazioni possibili. L’angolo 2 è il cosiddetto angolo critico, l’ angolo cioè per il quale il raggio rifratto è radente alla superficie di separazione.
Il primo raggio incide tale superficie con un angolo inferiore all’angolo critico.
Il risultato è che la maggior parte del raggio passa nel secondo mezzo, solo una piccola parte (trascurabile) rimarrà all’interno del primo materiale.
Il secondo raggio incide la superficie di separazione con un angolo superiore a q2.In questo caso il raggio rifratto manca del tutto! Si ha perciò un fenomeno di riflessione totale, che significa riflettere totalmente l’energia. Pertanto il secondo raggio rimarrà sempre all’interno del primo mezzo.
L’angolo limite, ovviamente, varia al variare degli indici di rifrazione (q arcsen n1/n2).
Se la condizione della totale riflessione non è rispettata (q minore dell’angolo critico), accade che i raggi entranti con forte inclinazione, vengono rifratti (nel secondo mezzo) e dopo un breve percorso il raggio di luce si esaurisce completamente, a causa delle ripetute rifrazioni che indeboliscono il segnale.

 

 

Una caratteristica da tenere in considerazione per una fibra ottica è l’apertura numerica.
Una fibra non è in grado di ricevere tutta l’energia luminosa che incide all’estremità, ma parte di essa si disperde senza entrare.
Si definisce dunque un cono di accettazione, entro il quale il segnale luminoso passa all’intero,ed all’esterno del quale il segnale si disperde.

Nell’immagine qui sopra si può notare, evidenziato in verde, il cono di accettazione ed in rosso l’angolo di accettazione.
Mentre il primo è una figura tridimensionale, il secondo è bidimensionale.
Se il raggio luminoso è esterno al cono (con angolo >q) allora non subisce riflessione totale, ma si disperde nel mantello o nell’aria.
Il termine sen(q) prende il nome di apertura numerica (NA).L’apertura numerica permette di stabilire i limiti angolari entro i quali la propagazione della luce avviene in modo guidato.

I cavi ottici
Per proteggere e tutelare le fibre si realizzano delle strutture chiamate cavi ottici, che, oltre a garantire il grado di protezione, permettono di potenziare la capacità del mezzo, raggruppando più fibre ottiche in un unico supporto fisico. La connessione verso il cavo di trasmissione e ricezione viene realizzata tramite dispositivi detti connettori.
Prima del cablaggio, ogni singola fibra è ricoperta con un rivestimento primario di diametro compreso fra i 200 e i 250 μm. Per facilitare l’assemblaggio ed aumentare ulteriormente la resistenza meccanica si usa un rivestimento secondario. Tale rivestimento ha il compito di evitare le cosiddette microfratture (rotture interne della fibra) che possono essere causate da abrasioni meccaniche, dalle curvature o dall’umidità.
Esso normalmente è costituito da materiale plastico e può essere realizzato in due modi:

• Aderente
• Lasco

 

Nel primo caso il rivestimento è formato da due strati: quello interno, molto elastico, serve per assorbire le sollecitazioni trasversali, l’altro serve per aumentare la resistenza assiale della fibra. Questo metodo presenta vantaggi e svantaggi:tra i vantaggi possiamo annoverare una buona resistenza meccanica, dimensioni ridotte e una facile connessione. Tra gli svantaggi, dobbiamo invece tener conto della sensibilità agli sforzi dovuti alle microcurvature, l’aumento dell’attenuazione in seguito all’operazione di rivestimento e la sensibilità alle variazioni di temperatura.
Nel secondo caso la protezione è garantita da un tubetto di materiale plastico con elevata resistenza meccanica, all’ interno del quale la fibra si dispone in modo elicoidale.
Questa struttura prevede svantaggi in termini di dimensioni (i cavi diventano ingombranti), ma come vantaggi abbiamo un’ottima resistenza meccanica, una minore sensibilità alle variazioni di temperatura e l’attenuazione non aumenta dopo il rivestimento della fibra.
Un cavo in fibra ottica può contenere fino a 1152 fibre, in quanto la dimensione di ognuna è estremamente ridotta (125 micron). Ogni singola fibra può essere coperta anche da 5 rivestimenti diversi (Kevlar, silicone, nylon, ecc.).

Evoluzione
Le prime fibre erano in grado di trasportare fino a 2 Mbit/s poiché presentavano notevoli problematiche. Oggigiorno siamo in grado di trasportare fino a 10Gbit/s quindi siamo giunti ad un livello molto superiore, ma la nuova frontiera da raggiungere sono i 40 Gbit/s.

 

Tecniche trasmissive

Esistono molte tecniche che permettono di aumentare la capacità trasmissiva, la più importante delle quali è certamente la multiplazione.
Nelle fibre ottiche viene usata un nuovo genere di multiplazione: la DWDM(Dense Wavelenght Division Multiplexing): multiplazione a divisione di lunghezza d’onda.
E’ noto che il segnale luminoso è formato da diverse lunghezze d’onda. Se associamo un singolo segnale ad un insieme di lunghezze d’onda otteniamo un segnale all’uscita distorto, poiché (all’interno della fibra ottica) lunghezze d’onda diverse viaggiano a diverse velocità. Questo è il problema della dispersione di spettro.
Ma se associamo a diverse lunghezze diversi canali, possiamo trasmettere più dati. Normalmente vengono impiegate fino a mille lunghezze d’onda diverse!
Grazie a questa tecnica possiamo far compiere un balzo molto elevato alla capacità trasmissiva della fibra senza modificarla minimamente.

Sistema di trasmissione
In un sistema di trasmissione che sfrutta la fibra ottica, possono essere presenti numerosi componenti:

• Convertitori (trasformano il segnale elettrico in segnale ottico e viceversa)
• Switch (permettono l’ instradamento su più linee)
• Multiplexer (permettono il passaggio di più segnali su una stessa linea)
• Demultiplexer (il contrario)
• Amplificatori ottici (ristabiliscono il livello del segnale)
• Filtri (correggono il segnale)
• Compensatori (eliminano i problemi di dispersione cromatica)

 

Tutte queste funzioni sono oggi ottenute tramite l’utilizzo di componenti molto avanzati.

Un semplice sistema di trasmissione funziona generalmente in questa maniera:

Il segnale elettrico passa attraverso un convertitore ottico che lo traduce in un segnale luminoso. Un multiplexer provvede poi a trasmettere sulla stessa fibra più segnali luminosi provenienti da sorgenti diverse.
La fibra ottica provvede poi a far giungere il segnale a destinazione; a questo punto i segnali vengono divisi da un demultiplexer e, dopo una riconversione è possibile ottenere il segnale elettrico di partenza.

Un po’ di conti...
Considerando che ogni fibra può contenere fino a 1000 canali (colori o lunghezze d’onda), ciascuno con capacità di 10 Gb/sec, e ogni cavo può essere composto da 1152 fibre, otteniamo che un cavo in fibra può trasportare ben 11.5 Peta bit al secondo. Molto di più di quanto è capace di generare il più grosso supercomputer al mondo.

Realizzazione tecnologica
Per la realizzazione delle fibre ottiche, attualmente, vengono impiegati due tipi di materiali:vetri a molte componenti e silice drogata.
Naturalmente in entrambi i casi il materiale di base è la silice. Nel primo caso i vetri sono costituiti da sodio/calcio o da sodio/boro silicati. L’unico inconveniente risulta essere l’attenuazione abbastanza elevata a causa delle impurità. Si è constatato che ogni parte per milione di ciascun elemento estraneo presente, causa perdite dell’ordine di alcune decine di dB. Si è potuto aggirare tale problema realizzando delle fibre ottiche con silice drogata, in effetti, le fibre ottiche appartenenti a questa famiglia sono attualmente le più utilizzate. Le tecniche per la realizzazione delle fibre ottiche risultano molto sofisticate, esse consistono nella deposizione chimica tramite vaporizzazione. Tali tecniche vengono chiamate CVD.

Tutti i canali che trasmettono i segnali li modificano in parte, a causa di svariati problemi.
Le fibre ottiche sono immuni ai disturbi elettromagnetici, i problemi principali sono l’attenuazione e la dispersione.
L’attenuazione consiste in una riduzione del segnale in termini di ampiezza, mentre la dispersione consiste in un alterazione (allargamento) del segnale in termini di tempo.

Dispersione                                Attenuazione

Attenuazione
Le zone in cui si può verificare attenuazione sono:

• Lungo la fibra
• Nelle connessioni fra due fibre (sulle giunture ottiche)
• Nell’accoppiamento tra sorgente e fibra
• Nell’accoppiamento tra fibra e rilevatore

 

L’attenuazione è dovuta a diversi fattori, riconducibili a due famiglie: perdite dovute alla realizzazione tecnologica e perdite dovute a interconnessione tra fibre ottiche.
In entrambi i casi si possono imputare delle cause di tipo intrinseco (ineliminabili) che dipendono dalle caratteristiche delle fibre, e di tipo estrinseco (non eliminabili del tutto, ma migliorabili).

 

Perdite dovute alla realizzazione tecnologica

• Perdite intrinseche
• Diffusione
• Assorbimento

 

• Perdite estrinseche
• Irradiazione (curvature)

Perdite dovute all’interconnessione fra fibre ottiche

• Perdite intrinseche
• Differenza fra indici di rifrazione
• Differenza di NA
• Differenza fra diametri del core

 

• Perdite estrinseche
• Errori di disassamento
• Errori di separazione
• Disallineamento angolare

Analizzeremo ora tutti i tipi di perdite dovuti all’ attenuazione:

Perdite per diffusione (scattering)
E’ un effetto di sparpagliamento del raggio luminoso in tutte le direzioni a causa della disomogeneità nella struttura della fibra. Tali difetti sono dovuti alla presenza di particelle metalliche e bolle d’aria. Poiché i raggi diffusi presentano angoli diversi da quelli che garantiscono la riflessione totale, escono dal core e si disperdono nel mantello. In questo modo si hanno perdite di energia ineliminabili, poiché dipendono dal trattamento subito dal materiale durante la fase di lavorazione.

In questo disegno è rappresentato il fenomeno di scattering

Perdite per assorbimento
L’assorbimento è un fenomeno dovuto alla presenza di particolari ioni nei materiali della fibra. Nonostante il sofisticato trattamento delle fibre, infatti, permangono sempre delle piccole quantità di sostanze che manifestano maggior assorbimento a particolari lunghezze d’onda. Perciò è stato stabilito che i sistemi ottici operino su tre intervalli di lunghezza d’onda, detti finestre, all’interno dei quali il fenomeno di assorbimento risulta limitato.

 

Finestra	Lunghezza d’onda	Impiego
Prima	800-900nm	Collegamenti urbani senza ripetitori
Seconda	1250-1350nm	Sistemi a banda larga,collegamenti fino a 100Km senza ripetitori
Terza	1500-1550nm	Sistemi attuali e in fase di sviluppo

Perdite per curvature
Le fibre ottiche sono spesso sottoposte a sollecitazioni meccaniche di tipo direzionale.
Queste però, provocano una dispersione del raggio incidente, poiché l’angolo di incidenza viene modificato, facendo superare (almeno a qualche percorso di raggi) l’angolo critico, e facendo disperdere, così, il segnale. Per ridurre queste perdite si usano dei rivestimenti secondari di tipo lasco.

Dispersione dovuta alla curvatura di una fibra ottica:

Differenza fra gli indici di rifrazione
La differenza fra gli indici di rifrazione di due fibre giuntate insieme determina delle perdite,perché il raggio luminoso passando da un mezzo ad un altro viene trasmesso solo in parte. La perdita è la stessa in entrambe le direzioni, e l’attenuazione è trascurabile, quando gli indici di rifrazione del core sono uguali.

Differenza fra aperture numeriche
Questa differenza comporta delle perdite solo quando la prima fibra ha NA maggiore della seconda (relativa al lato destinazione), poiché alcuni dei raggi in ingresso alla seconda possono venire dispersi.

Differenza fra diametri del core
Anche in questo caso la perdita viene solo se il diametro della fibra destinazione è più piccola, poiché le perdite sono dovute al fatto che alcuni raggi rimbalzano indietro. Nel caso opposto, invece, non si hanno perdite, perché questo fenomeno non avviene.

Perdite per errori di disassamento o disallineamento assiale
Tali perdite sono dovute alla non perfetta coincidenza degli assi del core o dei cavi ottici delle due fibre che si devono connettere.

Perdite per errori di separazione o accostamento
Nel tentativo di connettere due fibre ottiche,a volte, si verifica un imperfetto contatto tra di esse. In altre parole esse sono affacciate,ma non a contatto, per cui esiste un terzo mezzo in cui passa il segnale luminoso, prima di entrare nella seconda fibra.

Perdite per errore di disallineamento angolare
Si verificano nel caso in cui gli assi delle due fibre da connettere formano un certo angolo.

Dispersione
La dispersione causa invece una riduzione della banda e i segnali in uscita hanno tempi di salita e discesa maggiori.
La dispersione può essere di due tipi: modale e cromatica (o di spettro).
Si consideri un’ impulso luminoso di breve durata che si propaga in una fibra ottica. I percorsi di propagazione, seguiti dai raggi di luce sono diversi, e pertanto anche i tempi impiegati. E’ ovvio, che alcuni raggi, percorrendo meno spazio (angoli di incidenza minori), giungano all’altra estremità della fibra prima di altri. Tale fenomeno di ritardo temporale viene chiamato dispersione modale. La conseguenza di questo fenomeno è la degradazione della forma dell’impulso, cioè rende l’impulso di origine deformato (allargato e appiattito).
Poiché il massimo ritardo dipende dalla lunghezza della fibra, risulta che la deformazione è direttamente proporzionale a questa.
Per diminuire questo tipo di dispersione vengono utilizzate fibre graded-index oppure fibre monomodo.
La dispersione di spettro invece è dovuta al fatto che lunghezze d’onda diverse viaggiano a velocità diverse nella fibra (l’indice di rifrazione varia al variare della lunghezza d’onda).
Per limitare questo problema si utilizzano sorgenti luminose come laser che possiedono banda emissiva molto ridotta.

All’interno della fibra ottica, dunque, il segnale viene trasmesso per riflessione.
Possiamo, però, fare alcune suddivisioni fra diversi tipi di fibre.
Esistono fibre di tre tipi:

• multimodo graded index;
• multimodo step index;
• monomodo step index.

 

Una fibra si dice multimodale, se i segnali luminosi al suo interno possono seguire diversi percorsi:

Viceversa di dice monomodale, se il segnale luminoso può seguire un solo tragitto:

Rispetto ad una fibra multimodo, è evidente che il nucleo ha dimensioni molto più ridotte(dai 4 ai 10 µm), tali da permettere il passaggio di un solo segnale!

Una fibra è step-index se il core ha un indice di rifrazione costante ed esiste un brusco cambiamento fra gli indici del core e del cladding. In questa maniera i raggi rimbalzano bruscamente sulla superficie di separazione fra core e cladding.

Viceversa, è graded-index se, all’interno del nucleo, l’indice di rifrazione varia con legge parabolica (decresce movendosi verso l’esterno). I modi di propagazione seguono dunque percorsi non più rettilinei, bensì elicoidali. I raggi che si allontanano di più dall’asse della fibra seguono percorsi più lunghi, ma viaggiano più velocemente; quelli più vicini al centro, viceversa, si muovono più lentamente;in questa maniera si ottiene una compensazione che limita la dispersione modale.

 

 

VANTAGGI	SVANTAGGI
Alta qualità di segnale	Costi di installazione *
Lungo passo di ripetizione	Accessori costosi *
Assenza di equalizzazione	Connessione tra fibre ottiche
Peso ed ingombro ridotti	Problemi di standardizzazione
Resistenza alle situazioni ambientali difficili	Costosa realizzazione costruttiva *
Immunità dai disturbi elettromagnetici esterni	Strumenti di prova costosissimi *
Isolamento elettrico fra trasmettitore e ricevitore	Tecnologia in rapida evoluzione, con componenti base ancora in fase di sviluppo
Assenza di diafonia
Bassi valori di attenuazione
Costante rapporto attenuazione/frequenza
Larga banda di frequenza
Elevato numero di canali di comunicazione su un’unica fibra
Costo per Mbit trasmesso ridotto

* i costi sono però in continua diminuzione

 

Attualmente le fibre ottiche trovano impiego nei sistemi telefonici, e nelle comunicazioni in campi speciali (militare,ecc.) in cui si richiede maggior sicurezza riguardante la segretezza del messaggio,in zone in cui gli agenti atmosferici risultano corrosivi,reti locali a larga banda,reti a bordo di navi e aerei, reti nel campo medico ospedaliero, reti per controlli industriali e svariati altri campi.

 

 

La larga banda accelera il business

Tecnologie e disegno per la progettazione elettronica 2 (Portaluri – Bove)

Telecomunicazioni (A. Kostopoulos)

 

http://www.network-electronics.com/

 

 

Amplificatori ottici: dispositivi che aumentano l’ampiezza del segnale ottico (servono per ripristinare il segnale originale dopo un percorso).

Angolo di incidenza: è l’angolo con cui il raggio luminoso colpisce la superficie di separazione.

Apertura numerica: coefficiente che determina l’ampiezza del cono di accettazione.

Cladding: parte della fibra otticail cui compito è evitare la dispersione della luce verso l’esterno.

Convertitore ottico: sistema che trasforma il segnale elettrico in segnale ottico (o viceversa).

Core: nucleo della fibra ottica.

Monomodo: tipologia di fibra che ammette solo 1 percorso del raggio all’interno del nucleo.

Multiplexer:dispositivi che permettono il passaggio di più segnali su una stessa linea.

Multimodo: tipologia di fibra che permette a più raggi di viaggiare in parallelo al suo interno.

Rifrazione: fenomeno per il quale un raggio luminoso passa da un mezzo all’altro.

Riflessione totale: fenomeno per il quale un raggio luminoso rimbalza mantenendo la stessa intensità.

Scattering: fenomeno per il quale un raggio di luce viene frammentato in più raggi che seguono direzioni diverse.

 

Fonte:http://my.liuc.it/MatSup/2004/H84271/FIBRA%20OTTICA%20-%20TESTO.doc

 

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

 

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Fibre ottiche

 

Come funziona una fibra ottica

 

Un sistema di trasmissione ottico ha bisogno di tre elementi:

• la sorgente di luce
• il mezzo di trasmissione 
• il rilevatore.

Convenzionalmente in un sistema di questo tipo un impulso di luce indica il bit 1 e l'assenza di luce indica un bit 0; quindi in modo digitale. L’impulso luminoso è emanato da una sorgente luminosa collegata ad un mezzo di trasmissione che è la fibra ottica. Il rilevatore invece genera un impulso elettrico quando la luce cade su di esso. Attaccando una sorgente di luce ad un’estremità di una fibra ottica e un rilevatore all'altra si ottiene un sistema di trasmissione dati unidirezionali che accetta un segnale elettrico, lo converte e lo trasmette mediante impulsi luminosi e poi lo riconverte all'uscita in un segnale elettrico all'estremità ricevente. Questo sistema di trasmissione perderebbe luce e sarebbe praticamente inutile tranne che per un interessante principio fisico. La luce della sorgente illumina il nucleo. Parte di questa luce si propaga parallelamente all'asse del nucleo mentre la parte restante entra con una certa inclinazione e, alla fine, incide sulla superficie di separazione tra nucleo e mantello. La luce che colpisce questa superficie con un grande angolo di incidenza viene riflessa totalmente nel nucleo. Questa riflessione totale avviene ripetutamente e quindi i raggi luminosi restano localizzati entro la fibra

La riflessione totale è conseguenza del fatto che la luce, come tutte le altre onde, si propaga a velocità diverse nei diversi materiali. La velocità di propagazione della luce in un materiale dipende dal suo indice di rifrazione assoluto, ossia dal rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce nel materiale in questione: n=c/nu, dove "c" è appunto la velocità della luce nel vuoto e "nu" la velocità della luce nel materiale considerato.

Quando, infatti, un raggio di luce passa da un mezzo all'altro, per esempio dall'aria all'acqua il raggio viene rifratto (curvato) al confine aria \acqua:
La quantità di rifrazione dipende dalle proprietà dei due mezzi (in particolare dai loro indici di rifrazione). Per angoli di incidenza sopra un certo valore critico, la luce viene riflessa di nuovo quindi si riesce ad intrappolare un raggio di luce.Grazie a questo principio, un raggio di luce incidente al di sopra o la di sotto dell'angolo cosiddetto

critico rimane intrappolato all'interno della fibra ottica e si può propagare virtualmente per chilometri senza alcuna perdita:

La trasmissione a distanza di segnali tramite fibre ottiche sfrutta il concetto della riflessione luminosa. La trasmissione consiste di “impulsi di luce sì” e “impulsi di luce no” che rappresentano gli uni e gli zeri della trasmissione numerica

 

  

 

Il principio di funzionamento della fibra ottica sta nel fatto che il segnale luminoso, una volta immesso nella fibra assialmente, vi rimane intrappolato se l'angolo con il quale il raggio è immesso in fibra è inferiore ad un valore  detto angolo d’accettazione che garantisce che all'interno vi sarà riflessione totale e mai rifrazione.

 

 

Fonte: http://www.itiscorni.it/pagine/studenti/ComunicazioneVC_LST/immagini-fisica/COME%20FUNZIONA.doc

 

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

 

Le Fibre ottiche:

 

L'invenzione delle fibre ottiche è da inquadrarsi nel periodo intorno agli anni '70 a seguito di un'intensa ricerca scientifica che si svolse in particolare negli USA e nell'URSS contemporaneamente, anche se separatamente, e spesso in concorrenza per motivi politici e militari.
Vengono inventati in quello stesso periodo e negli anni precedenti, oltre alle fibre ottiche, tutta una serie di dispositivi optoelettronici di interesse sia industriale che politico e, sopratutto, militare come il laser, i fotomoltiplicatori, i fotodiodi, ecc.
Le fibre ottiche sono dei sottilissimi fili di vetro, talora di plastica, ma comunque molto trasparenti alla luce, a sezione cilindrica, flessibili, con uno svariatissimo campo di applicazioni nei settori della medicina, dell'astronomia, delle telecomunicazioni, perfino dell'arredamento.
In medicina, ad esempio, sono usate per l'artroscopia che consente di vedere su di un monitor, all'interno delle articolazioni ossee senza effettuare alcuna operazione chirurgica, per esaminare il funzionamento  del cuore nel suo interno senza aprirlo, cosa impensabile in altri tempi.
Nel campo delle telecomunicazioni,  sono usate come canali di comunicazione privilegiati ad alta velocità, in quanto consentono velocità di trasmissione dei dati numerici, dell'ordine del Gigabit/sec, molto maggiori di quelle dei cavi coassiali loro corrispondenti predecessori, oltre ad innumerevoli ed indiscutibili vantaggi quali la insensibilità alle interferenze e alla diafonia, il basso costo, il volume ridottissimo e la bassissima attenuazione, per cui possono aversi tratte di più di  100Km senza necessità di amplificatori.
Quelle usate in telecomunicazioni vengono attraversate, da un’estremità fino all’altra, da impulsi luminosi, nel campo dell’infrarosso, e quindi invisibili all’occhio umano.
Le prestazioni delle fibre ottiche sono di gran lunga superiori a quelle dei cavi coassiali che le hanno precedute nello stesso impiego fino a venti anni fa, infatti sono in grado, ad esempio, di trasferire 12.000 telefonate contemporaneamente in una sola fibra.

 

RICHIAMI DI OTTICA

Per comprendere come un segnale luminoso possa venire trasmesso attraverso una fibra ottica è necessario ricordare alcune essenziali nozioni di Fisica sulla propagazione della luce ed,  in particolare, le leggi di Snell.
La luce si propaga nel vuoto alla velocità costante di:
 c = 3 x 108 m/sec
In qualunque altro mezzo trasparente, la velocità della luce è sempre di poco inferiore a questo valore.
Nell'acqua  è di circa:
v = 2,25 x 108 m/sec
nel vetro, invece, è di circa:
v = 2 x 108 m/sec
La parola "circa" è dovuta al fatto che questa velocità varia, anche se di poco, al variare dei componenti chimici costitutivi del vetro che, come è noto, è un miscuglio amorfo di silice(SiO2 = biossido di silicio)e di altri additivi.
Si definisce indice di rifrazione n  il rapporto fra la velocità della luce nel vuoto c e la velocità della luce v in un altro mezzo.

Esistono quindi tanti indici di rifrazione n quanti sono i mezzi trasparenti.
Un raggio luminoso, che si propaga in un mezzo trasparente, ad esempio il vetro, con indice di rifrazione n1 ed incontra un altro mezzo pure trasparente, con indice di rifrazione n2diverso, ad esempio minore, come l'aria, viene in parte riflesso ed in parte rifratto come indicato in figura.

 

La prima legge di Snell riguarda la riflessione e dice che il raggio incidente ed il raggio riflesso formano lo stesso angolo con la normale cioè, in formula, con riferimento alla figura di sopra:

La seconda legge di Snell invece riguarda il fenomeno della rifrazione e lega gli angoli incidente e riflesso con gli indici di rifrazione, secondo la formula:

Si deduce, come conseguenza che, al crescere dell'angolo di incidenza, anche l'angolo di rifrazione cresce, ma più rapidamente, fino a che, quando il primo raggiunge il valore detto angolo limite, il secondo raggiunge il valore di 90°, non dando più luogo a rifrazione.
su questo principio si basa il funzionamento delle fibre ottiche
Un raggio luminoso, dunque, viene immesso ad un estremo della fibra ottica, facendo in modo che l'angolo di incidenza fra il core ed il cladding sia superiore al valore limite,  pertanto non vi sarà mai rifrazione, ma solo riflessione ed il segnale si propaga per riflessioni successive sino all'altro estremo.

Anche l'angolo di accettazione può essere espresso in funzione degli indici di rifrazione del core e del cladding.   Applicando la 2° legge di Snell alla immissione del raggio luminoso dall'aria, con indice n0 = 1, al core con indice n1 si ha:

ovvero:

Ma poiché è: 

ed anche:                                                                         n0=1
si ricava, semplificando:    

ovvero:

Nel caso pratico dell'esempio di sopra si ottiene:

 

STRUTTURA DELLE FIBRE OTTICHE

Sono costituite da una parte centrale detta core(nucleo) ed una parte esterna detta cladding(mantello) realizzate in silice(SiO2), che è il costituente principale del comune vetro, e da una guaina protettiva in PVC come indicato in figura.

 

Le fibre ottiche sono dunque usate per effettuare collegamenti numerici e trasmettere informazioni tramite impulsi luminosi con una piccolissima attenuazione, oggi soltanto circa di 0,16 dB/Km.
Questi impulsi vengono immessi nella fibra ottica ad una estremità e, attraverso riflessioni successive, arrivano all'altra estremità come indicato nella figura seguente.

 

Il principio di funzionamento della fibra ottica sta nel fatto che il segnale luminoso, una volta immesso nella fibra assialmente, vi rimane intrappolato se l'angolo con il quale il raggio è immesso in fibra è inferiore ad un valore  detto angolo di accettazione che garantisce che all'interno vi sarà riflessione totale e mai rifrazione.

SCHEMA A BLOCCHI DI UNA TRASMISSIONE TELEFONICA IN FIBRA OTTICA

 

Come si può vedere dallo schema di sopra, estremamente semplificato di un collegamento telefonico che utilizza le fibre ottiche, le onde sonore vengono catturate dal microfono che è un trasduttore acustico/elettrico e le converte in corrente elettrica che attraversa il doppino telefonico, cioè il filo di rame che costituisce il nostro collegamento elettrico con la centrale telefonica urbana più vicina.
Lì, il segnale elettrico, dopo opportuna codifica, viene convertito in segnale luminoso da un laser o da un led e viene immesso in fibra ottica attraversando centinaia di chilometri fino a destinazione dove, nella nuova centrale telefonica viene riconvertito in corrente elettrica, decodificato, e inviato attraverso il doppino telefonico fino a casa del secondo utente dove il ricevitore telefonico, l'altoparlante del disegno, nuovo trasduttore elettro/acustico, la ritrasforma il suono udibile dal destinatario. 
cavi coassiali ed i fili elettrici per la trasmissione delle informazioni ad alta velocità.
Esistono però dei limiti che le fibre ottiche hanno e che devono essere affrontati e risolti:
- Attenuazione
- Dispersione modale
    - Dispersione cromatica

 

ATTENUAZIONE

Inizialmente per la trasmissione in fibra si usava la luce visibile, anche perché veniva più semplice lavorare con raggi visibili piuttosto che con raggi invisibili, ma successivamente, nel tentativo continuo della tecnica di migliorare le prestazioni dei sistemi di telecomunicazioni, si effettuarono  esperimenti con raggi ultravioletti ed infrarossi, e si  osservò che l'attenuazione degli infrarossi era minore di quella della luce visibile all'interno delle fibre ottiche.
Si passò così all'utilizzo degli infrarossi in prima, poi in seconda, ed infine in terza finestra, secondo quanto indicato schematicamente in figura, aumentando la lunghezza d'onda [lambda] della luce usata e riducendo l'attenuazione del segnale, raggiungendo così distanze maggiori.

 

 

DISPERSIONE CROMATICA

La velocità della luce nello spazio vuoto è una costante universale, ma nel vetro varia, sia pure di poco, al variare della frequenza, come scoprì Newton con l'esperimento del prisma di vetro che disperde la luce nei suoi vari colori.

 

 

La luce bianca contiene, invero, i sette colori dell'iride, corrispondenti a frequenze diverse, che vengono separate da un prisma di vetro, perché, attraversando il vetro, vengono rallentate in modo diverso e quindi deviate in modo diverso.
Tutto ciò perché, quindi, la velocità della luce all'interno del vetro è leggermente diversa al variare della frequenza.
Anche l'impulso luminoso immesso nella fibra ottica è formato, in genere, da una banda di frequenza, che pertanto è soggetta a sia pur piccole differenze di velocità nell'attraversare il vetro della fibra.
Arrivando a destinazione queste diverse frequenze si separano, come già avviene per la dispersione modale costituendo un altro limite alla massima portata della fibra ottica.

Il problema si risolve, sia pure parzialmente, con l'uso del LASER invece che del LED, come generatore luminoso, perché il diodo LASER ha, come si vede dal disegno accanto, uno spettro di frequenze molto più stretto di quello del LED, e determina, quindi, una dispersione cromatica  inferiore e di conseguenza comporta una portata della fibra molto maggiore.

DISPERSIONE MODALE
Anche la dispersione modale è un problema che determina un limite alla massima velocità di trasmissione delle informazioni nella fibra ottica.
Per spiegarne il motivo ricordiamo che la luce nell'attraversare la fibra ottica si propaga per riflessioni successive e pertanto da luogo a vari modi di propagazione all'interno della fibra, ai quali, però corrispondono differenti lunghezze di tragitti, come indicato schematicamente in figura.

Un impulso luminoso, pertanto, immesso in fibra, si scompone in vari raggi ognuno dei quali segue un percorso diverso all'interno della fibra,  giungendo a destinazione in tempi leggermente diversi, leggermente deformato, a breve distanza, e scomposto in vari impulsi più piccoli a grande distanza.

E' evidente dunque che, superata una certa distanza, il segnale luminoso, in fibra, si va degradando sempre più fino a divenire irriconoscibile.
Per risolvere questo problema si sono inventate le fibre monomodo, di sezione molto più  piccola delle multimodo, che consentono il passaggio degli impulsi luminosi seguendo solo un tragitto.

Le fibre monomodo, quindi, non hanno il difetto della dispersione modale, consentendo di aumentare la portata, però hanno il difetto di una sezione molto minore che comporta il trasporto di una potenza luminosa altrettanto minore che limita un ulteriore aumento della portata.
Un'altra soluzione alternativa alla dispersione modale è costituita dalle fibre multimodo del tipo graded - index, invece che step - index.
Infatti le comuni e più antiche fibre multimodo erano costituita da un core con indice di rifrazione costante ovunque e di un cladding con indice di rifrazione costante ma inferiore a quello del core.
Il core con indice di rifrazione costante determina, come si è visto, il fenomeno della dispersione modale, ma se si sagoma l'indice di rifrazione all'interno del core in modo che i raggi che scelgono un percorso più lungo lo facciano in una zona ad indice di rifrazione minore e quindi risultino più veloci, mentre quelli che scelgono un percorso minore lo facciano in una zona con indice di rifrazione maggiore e vengono quindi risultino più o fortemente riducendo la dispersione modale.
lenti, si otterrà, come conseguenza, che tutti arriveranno contemporaneamente, o quasi, eliminando,
D'altronde, essendo grande la sezione della fibra, continua ad essere garantita una potenza ottica sufficiente con conseguente grande portata chilometrica.

 

Definiamo ora una semplice grandezza che avremo modo di utilizzare molto spesso: l’apertura numerica. Essa è definita come:

NA = (n22 - n12)1/2

Il suo valore varia in genere tra 0,1 e 0,3.
Vi sono vari tipi di fibre ottiche ma la tendenza è quella di minimizzare il numero allo scopo di facilitare l’installazione e la manutenzione e di ridurre i costi di produzione. Esse si possono classificare in:
a) monomodali;
b) multimodali.

1.3 Fibre monomodali
Le fibre monomodali con profilo d’indice a gradino presentano un profilo costante nel core, il cui diametro è molto ridotto (circa 4-10 mm), e decresce bruscamente con un gradino (step) nel mantello dove ancora rimane costante. Il diametro del cladding è in genere di 125 mm. Il termine “monomodale” deriva dal fatto che il raggio all’interno si propaga in un unico modo perché è costretto, dal diametro molto piccolo del core, a propagarsi quasi parallelamente all’asse della fibra.
Per quantificare quanto debba essere piccolo il diametro d del core al fine di ottenere una fibra monomodale, si fa uso della seguente relazione:  

d@0.76*l/NA

con l lunghezza d’onda della radiazione utilizzata ed NA apertura numerica.
Nella figura si mostra una fibra monomodale insieme al profilo dell’indice di rifrazione.

Figura 1.6

Le fibre monomodali sono ampiamente utilizzate nelle telecomunicazioni per l’elevato tempo di vita (20 anni), minima perdita di potenza ottica, assenza di dispersione modale (essendo la trasmissione monomodale).
I vantaggi di questo tipo di fibra sono quindi:

• elevato tempo di vita;
• assenza di dispersione;
• minima perdita della potenza ottica;
• bassa attenuazione;
• ampia larghezza di banda;

Gli svantaggi si limitano fondamentalmente a due punti:

• problemi di connessione a causa del piccolissimo diametro del core (perdite per disallineamento laterale, paragrafo 3.4);
• elevata potenza ottica richiesta.

1.4 Fibre multimodali
Questo tipo di fibre si differenzia dalle precedenti innanzitutto per le maggiori dimensioni: il diametro del core è di 50 mm e quello del cladding è di 125-150 mm. Inoltre il profilo dell’indice di rifrazione può essere:
1) a gradino (step-index);
2) graduale (graded-index).
Nelle fibre a gradino l’indice di rifrazione è costante in tutto il core e decresce bruscamente nel cladding come peraltro si è già visto nel caso delle fibre monomodali. A differenza di queste ultime, in esse si manifesta notevolmente la dispersione modale per cui non trovano applicazione nelle telecomunicazioni. Infatti, anche i raggi luminosi con stessa lunghezza d’onda ed immessi nella fibra con diverso angolo d’incidenza (inferiore all’angolo di accettazione) si propagano con la stessa velocità all’interno della fibra ma attraverso percorsi a zig-zag di diversa lunghezza. Quindi essi giungono a destinazione in tempi diversi producendo un allargamento temporale dell’impulso luminoso trasmesso.
Nelle fibre con profilo graduale, l’indice di rifrazione decresce gradualmente dal centro del core fino alla regione di separazione tra core e cladding.

Figura 1.7

 

Il vantaggio delle fibre ad indice graduale è che i raggi che si avvicinano al cladding, attraversano un mezzo che presenta un indice di rifrazione via via decrescente e posseggono una velocità più alta rispetto ai raggi che compiono un percorso più breve come, ad esempio, quelli orizzontali all’asse della fibra. In questo modo tutti i raggi dell’impulso di luce giungono quasi contemporaneamente limitando, così, la dispersione modale.
Il numero di modi di propagazione M per una fibra multimodale si può valutare con la seguente formula approssimata, valida se M >> 1:

@0.5*(p*d*NA/l)2

dove d è il diametro del core, l è la lunghezza d’onda della radiazione utilizzata e NA è l’apertura numerica della fibra.
Le fibre multimodo vengono utilizzate per distanze molto brevi (<10 km) a causa dei significativi vantaggi delle fibre monomodo.

 

1.7 Confronto tra fibre monomodali e multimodali
Le fibre ottiche monomodali sono guide d’onda in grado di propagare una sola configurazione di campo: il modo fondamentale HE11 o LP01. Il loro vantaggio più evidente, rispetto alle multimodali, è quindi l’assenza della dispersione modale. Questo può portare a enormi capacità di trasmissione, con bande trasmissibili di diverse migliaia di GHz. Anche per ciò che riguarda l’attenuazione, le fibre monomodo si mostrano migliori di quelle multimodo; infatti, essendo richiesta una minore apertura numerica e un nucleo più piccolo, occorre un drogaggio minore degli strati interni, durante la fabbricazione. Questo significa in generale che si hanno minori perdite, non solo perché il drogante può introdurre ulteriori attenuazioni, ma anche perché il mezzo trasmissivo risulta nel suo insieme più uniforme, riducendo così il fenomeno della diffusione (dovuta a disomogeneità su piccolissima scala).
Un ulteriore vantaggio, soprattutto sotto l’aspetto della progettazione del sistema, deriva dal fatto che tutti i parametri di trasmissione sono univocamente determinati. Non c’è, come nel caso delle fibre multimodo, un’incertezza derivante dalle differenti condizioni di eccitazione dei vari modi, o dai fenomeni di conversione di modo che possono mutare l’andamento della distorsione dell’impulso in funzione della lunghezza di fibra in maniera non sempre prevedibile. Per le fibre monomodo tale andamento è sempre lineare.
A tutti questi vantaggi va aggiunto quello non indifferente di un costo potenzialmente più basso, perché la fabbricazione è più rapida e non richiede un controllo accurato sul profilo di indice di rifrazione, come nel caso delle fibre multimodo.
Vi sono però anche degli inconvenienti, dovuti per lo più alle ridotte dimensioni del nucleo della fibra (diametro di 4-10 mm) ed alla piccola differenza di indice di rifrazione tra nucleo e mantello. Infatti ciò comporta maggiori problemi nella realizzazione di giunti e connettori tra fibre. Lo sviluppo di macchine automatiche ha praticamente risolto il problema: sono attualmente realizzabili giunti e connettori che assicurano allineamenti con precisione inferiori al micron, soddisfacendo così le stringenti tolleranze per questo tipo di fibra.

 

fonte:http://wpollow.altervista.org/download/elettronica/fibre%20ottiche.doc

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

 

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