Fibre ottiche

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Una fibra ottica è costituita da materiale isolante trasparente ed ha lo scopo di trasferire un'onda elettromagnetica da una sorgente luminosa (trasmettitore) ad un sensore ottico (ricevitore). Tecnicamente è una guida d'onda in cui il segnale elettromagnetico rimane confinato all'interno della fibra grazie al fenomeno della riflessione totale.

L'immagine di apertura mostra qualcosa di vagamente simile.

Nei sistemi di trasmissione dati i punti di forza della fibra ottica rispetto ad una linee di trasmissione in rame sono:

I punti di debolezza sono:

Lunghezza d'onda

Le fibre ottiche usate nei sistemi di telecomunicazione usano luce nel vicino infrarosso, tipicamente con lunghezza d'onda compresa tra 850 nm e 1 550 nm (frequenza rispettivamente di 350 THz e 190 THz, oltre tre ordini di grandezza superiore alle frequenza massime utilizzate nei sistemi di telecomunicazioni a microonde).

Nella figura seguente il punto rosso indica approssimativamente le lunghezze d'onda utilizzate in ambito di trasmissione dati con fibre ottiche. Attenzione al fatto che nel grafico seguente:

Spettro elettromagnetico

Struttura di un sistema ottico

Un sistema di trasmissione ottico è costituito da:

Su tratti molto lunghi, oltre le decine di chilometri, potrebbe essere necessario introdurre rigeneratori elettronici o amplificatori ottici per compensare le attenuazioni.

Funzionamento di una fibra ottica

Una fibra ottica è costituita da un sottile cilindro trasparente, in vetro oppure in plastica. La fibra è costituita da due strati con indice di rifrazione diverso: cladding all'esterno (n ≈ 1,45), core all'interno (n ≈ 1,48, leggermente maggiore) (nota 2):

Il diametro esterno della fibra è dell'ordine del decimo di millimetro (tipicamente 125 µm) esclusi gli eventuali rivestimenti che hanno solo compiti meccanici. Il diametro interno dipende dal tipo di fibra e può essere la metà di quello del cladding (fibre multimodali, come indicato in figura) oppure inferiore a 10 µm (fibre monomodali).

Un'onda elettromagnetica può propagarsi all'interno del core grazie alla riflessione totale a condizione che l'angolo di incidenza non sia troppo elevato.

Propagazione in una fibra ottica

Il massimo angolo ammesso tra il raggio luminoso e l'asse della fibra ottica per permettere la riflessione totale è indicato come cono di accettazione; nelle fibre ottiche per telecomunicazioni vale 10° o poco più. A volte il seno di tale angolo viene indicato con il termine di apertura numerica NA; tipicamente NA ≈ 0,2 ed ovviamente dipende dagli indici di rifrazione di cladding e core.

Dispersione

Questo termine, spesso frainteso (nota 3), indica che il tempo impiegato da un raggio luminoso per percorrere la fibra non è costante, ma è "disperso" intorno ad un valore medio. Questa differenza nel tempo di percorrenza produce una distorsione del segnale luminoso in uscita alla fibra che, se eccessiva, rende difficile distinguere 0 e 1 (ISI, Inter Symbol interference).

Immaginiamo un impulso luminoso costituito da più raggi luminosi; all'ingresso della fibra sono tutti i raggi sono contemporanei e quindi il segnale può essere descritto come rettangolare; in rosso nel disegno seguente sono mostrati quattro bit all'ingresso della fibra. I raggi luminosi percorrono la fibra con tempi diversi e quindi in uscita la forma che meglio descrive l'impulso è una curva arrotondata come mostrato nella figura seguente, in verde.

Dispersione

Nel caso sopra mostrato la dispersione è trascurabile rispetto alla durata degli impulsi in ingresso e quindi i bit in uscita sono facilmente distinguibili.

Diverso il caso seguente, causato per esempio dalla maggiore lunghezza della fibra: alcuni bit non sono identificabili come zero oppure uno.

Disersione maggiore

Dispersione modale

Questo tipo di dispersione è quantitativamente la più grande e e deriva dal fatto che i percorsi che il raggio luminoso può compiere all'interno della fibra sono più di uno, caratterizzati da una diversa lunghezza e quindi da un diverso tempo di percorrenza.

I diversi percorsi sono indicati con il termine modi, da cui il termine fibre multimodali (MMF, Multi Mode Fiber).

Per mitigare gli effetti di questo tipo di dispersione vengono oggi usate esclusivamente fibre ottiche di tipo graded index in cui l'indice di rifrazione cambia con gradualità tra core e cladding; questo permette ai raggi luminosi più inclinati rispetto all'asse (quindi lunghezza maggiore) di avere una velocità maggiore in quanto una parte significativa del percorso è fatto in un materiale con indice di rifrazione minore.

Per valutare la capacità di una fibra si usa il parametro Bm0 (banda modale per km, fornito dal costruttore e spesso indicata come Bandwidth), secondo la formula:

C = 2 · Bm0 / l

Dove:

Oggi le fibre multimodali sono usate su brevi distanze (centinaia di metri), tipicamente nelle LAN ethernet.

La visione "ingenua" che vede un numero infinito di diversi percorsi possibili è però errato quando le dimensioni del core sono paragonabili alla lunghezza d'onda della luce. Si può infatti dimostrare che il numero dei diversi modi dipende:

In particolare se il diametro del core è inferiore a 10 µm e viene utilizzata un'onda elettromagnetica con λ > 1 300 nm la dispersione modale è rigorosamente nulla in quanto esiste un solo modo di propagazione. Fibre che sfruttano queste condizioni sono dette monomodali (SMF, Single Mode Fiber).

Oggi le fibre monomodali sono usate per collegamento da pochi chilometri a molte centinaia di chilometri. Le migliori caratteristiche sono penalizzate da un costo più elevato, soprattutto durante l'installazione.

Dispersione cromatica

La dispersione cromatica è molto più piccola che la dispersione modale e quindi viene presa in considerazione solo le le fibre monomodali.

Essa deriva dal fatto che la velocità di propagazione della luce in un mezzo dipende dalla sua lunghezza d'onda, cioè dal "colore" (nota 5), da cui in nome di dispersione cromatica. Per questo è necessario usare sorgenti luminose che emettono una sola lunghezza d'onda o un piccolo intervallo di lunghezze d'onda; tipicamente per le fibre monomodali, dove questo aspetto è particolarmente sentito, vengono quindi usate sorgenti laser a banda stretta.

Per valutare la capacità di una fibra monomodale (nota 4) si usa il parametro Bc0 (banda cromatica per km); valore tipico è 100 GHz/km; formalmente è analogo a Bm0 usata per la dispersione modale anche se ovviamente Bc0 >> Bm0.

Attenuazione

La propagazione della luce all'interno della fibra è soggetta ad attenuazioni soprattutto a causa di impurità presenti nel materiale. L'attenuazione cambia con la lunghezza d'onda e tipicamente il produttore fornisce una tabella oppure un grafico che mostra l'attenuazione per un chilometro di fibra in funzione della lunghezza d'onda.

Il grafico seguente mostra come negli ultimi decenni sia diminuita l'attenuazione in una fibra ottica. In particolare la ricerca ha avuto l'obbiettivo di eliminare il picco intorno ai 1 380 nm dovuto alla presenza di ioni OH- (Water Peak).

Attenuazione di una fibra ottica

Le tre fasce evidenziate, in corrispondenza dei minimi relativi dell'attenuazione, vengono spesso indicate con il termine di prima finestra (850 nm), seconda finestra (banda O) e terza finestra (bande S, C, L). L'uso di fibre moderna ha inoltre permesso l'uso di lunghezze d'onda intorno ai 1 400 nm (banda E), creando di fatto un'unica finestra compresa tra 1,3 µm e 1,6 µm.

L'attenuazione va utilizzata in modo analogo a quella delle linee di trasmissione per valutare la potenza ottica ricevuta in funzione di quella trasmessa e della lunghezza della linea:

Pout = Pin - α · l

Oltre all'attenuazione della fibra occorre anche sommare:

Tecniche di multiplazione

Un sistema a fibra ottica può essere classificato in vari modi a seconda di come le varie lunghezze d'onda della luce sono utilizzate per trasmettere più flussi di informazione.

Simplex

Questa tecnica permette di usare una fibra ottica per trasmettere un singolo flusso informativo in un solo verso. Tipicamente è utilizzata all'interno delle reti locali sia con fibre monomodali che multimodali.

Ovviamente è necessario disporre di due fibre, una per ciascun verso di trasmissione

Wavelength Division Multiplexing (WDM)

Questa tecnica permette di trasmettere contemporaneamente più flussi informativi usando una sola fibra ottica monomodale, in modo analogo alla FDM dei sistemi radio. Si tratta di una tecnica più complessa della Simplex ed è in genere giustificata nel caso in cui, a causa della distanza, il costo della fibra sia elevato rispetto a quello degli apparati di trasmissione e ricezione.

Ogni singolo flusso è trasmesso con un diverso laser con una diversa lunghezza d'onda. In ricezione un reticolo di diffrazione permette di separare le varie lunghezze d'onda.

Tipicamente questi sistemi sono classificati come:

Nei primi due casi è ovviamente necessario disporre di due fibre, una per ciascun verso di trasmissione.

Optical Time Division Multiplexing (OTDM)

Le tecniche di multiplazione a divisione di tempo permettono di assegnare a più flussi di bit indipendenti l'uso esclusivo della fibra per un tempo limitato (time slot, normalmente di durata fissa e uguale per tutti i flussi), suddividendo la banda complessiva tra più trasmettitori.

L'immagine seguente mostra come tre comunicazioni indipendenti, della stessa durata e sincronizzate nel tempo condividono l'unica fibra di destra:

OTDM

Questa tecnica è compatibile con le tecniche di multiplazione WDM ed in particolare la BWDM; un tipico esempio sono le reti FTTH.

Note

  1. Entrambe le rappresentazioni sono ovviamente corrette
  2. Tali valori sono indicativi sia perché dipendono dalla lunghezza d'onda, sia perche non vi è un passaggio netto tra cladding e core
  3. La dispersione non indica il fatto che parte dell'energia luminosa viene "dispersa" al di fuori della fibra o sotto forma di calore...
  4. Formalmente andrebbe usato questo parametro anche per le fibre multimodali, ma la differenza nei valori lo rende spesso trascurabile (Bc0 >> Bm0)
  5. Ovviamente il termine "colore" per l'infrarosso (invisibile...) va inteso in senso figurato


Pagina creata nell'aprile 2022
Ultima modifica: 15 aprile 2022


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