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:
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, 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:
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.
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.
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.
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.
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.
Questo tipo di dispersione è quantitativamente la più grande 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 errata quando le dimensioni del core sono paragonabili alla lunghezza d'onda della luce. Si può infatti dimostrare che il numero M dei diversi modi è (nota 10):
M ≈ ( π · d / λ · NA )2 / 4
In una tipica fibra multimodale (λ = 850 nm; d = 50 µm; NA = 0,2) M ≈ 340, cioè esistono diverse centinaia di percorsi a zig-zag che il raggio luminoso può percorrere, tutti di lunghezza diversa.
Se il diametro del core è inferiore a 8-10 µm e viene utilizzata un'onda elettromagnetica con λ > 1 300 nm (nota 10) 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.
La dispersione cromatica è molto più piccola che la dispersione modale e quindi è importante prenderla in considerazione solo quando si usano 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; soprattutto 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.
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 λ.
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 a λ = 1 380 nm dovuto alla presenza di ioni OH- (Water Peak).
Le tre fasce evidenziate, in corrispondenza dei minimi relativi dell'attenuazione, vengono spesso indicate con il termine di finestra (window):
L'uso di fibre moderne permette inoltre l'uso di lunghezze d'onda intorno ai 1 400 nm (banda E), malgrado una maggiore attenuazione, 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:
Anche per le fibre ottiche vale, ovviamente, il teorema di Shannon-Hartley sulla capacità di canale (C).
Verifichiamo quanto vale C per una fibra lunga 1 km.
Come è possibile leggere nel grafico sopra riportato, la prima finestra si estende indicativamente tra le lunghezze d'onda di 800 nm e 900 nm, cioè per frequenza da 333 THz a 375 THz (nota 7). La banda è quindi di circa B = 375 - 333 = 42 THz.
Il rumore termico è circa N = -38 dBm.
Normalmente in trasmissione sono utilizzati diodi laser con potenza di 0 dBm (1mW); sempre nel grafico sopra riportato leggiamo che l'attenuazione di 1 km di fibra vale circa 3 dB a cui possiamo aggiungere ulteriori 2 dB per le attenuazioni dei connettori.
Il rapporto segnale/rumore è quindi di circa SNR = -5 + 38 = 33 dB.
La capacità di canale è quindi di circa C = 35 · 42 / 3 = 455 Tbit/s.
Le migliori tecnologie attuali (2026) raggiungono una velocità reale di 40 Gbit/s. Tale valore è enormemente più piccolo della capacità di canale qui calcolata! La ragione principale risiede soprattutto dal fatto che è troppo complesso per queste frequenze gestire la dispersione modale.
Come è possibile leggere nel grafico sopra riportato, la seconda finestra si estende indicativamente tra le lunghezze d'onda di 1250 nm e 1350 nm, cioè per frequenza da 222 THz a 240 THz (nota 7). La banda è quindi di circa B = 18 THz.
Il rumore termico è circa N = -41 dBm.
Normalmente in trasmissione sono utilizzati diodi laser con potenza di 0 dBm (1mW); sempre nel grafico sopra riportato leggiamo che l'attenuazione di 1 km di fibra vale circa 0.5 dB a cui possiamo aggiungere ulteriori 2 dB per le attenuazioni dei connettori.
Il rapporto segnale/rumore è quindi di circa SNR = -2.5 + 41 = 39 dB.
La capacità di canale è quindi di circa C = 39 · 18 / 3 = 230 Tbit/s.
Le migliori tecnologie attuali (2026) raggiungono una velocità reale di 400 Gbit/s. Tale valore è nettamente più piccolo della capacità di canale qui calcolata anche se con prestazioni un ordine di grandezza migliore rispetto all'uso della prima finestra malgrado il dimezzamento della banda disponibile.
Come è possibile leggere nel grafico sopra riportato, la terza finestra si estende indicativamente tra le lunghezze d'onda di 1450 nm e 1650 nm, cioè per frequenza da 180 THz a 210 THz (nota 7). La banda è quindi di circa B = 25 THz.
Ripercorrendo i calcoli dei due precedenti paragrafi si ottiene una capacità di canale di C = 310 Tbit/s.
Le migliori tecnologie attuali (2026) raggiungono a stento una velocità di qualche decina di Tbit/s. Tali velocità, sebbene ancora lontane dal massimo teorico, richiedono tecniche di modulazione estremamente complesse e quindi oggi decisamente costose:
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.
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
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.
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:
Questa tecnica è compatibile con le tecniche di multiplazione WDM ed in particolare la BWDM; un tipico esempio sono le reti FTTH.
Lo raggiungimento della capacità di canale secondo Shannon con le fibre ottiche è oggi un obbiettivo ancora abbastanza lontano.
Ulteriori aumenti di prestazioni sono oggetto di ricerca migliorando le caratteristiche delle fibre ottiche:
Nel 2025 è stato dimostrato dal NICT (National Institute of Information and Communications Technology) il funzionamento di una fibra multicore (MCF) sperimentale ad oltre 1 000 Tbit/s su una distanza di oltre 1 000 km (nota 8).
Pagina creata nell'aprile 2022
Ultima modifica: 6 marzo 2026
Appunti scolastici - Versione 0.1032 - Maggio 2025
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