LE FIBRE

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LE FIBRE
OTTICHE
Indice:
Introduzione:
- Definizione ……………………………………………………….. .Pag. 03
- Breve cenno storico ………………………………………………. Pag. 03
Vantaggi:
- Perché fibre ottiche? .…………………………………………….. Pag. 05
- Dove fibre ottiche? ………………………………………………...Pag. 06
Trasmissione ottica
- Apparato di trasmissione ………………………………………… Pag. 07
- Apparato di ricezione ……………………………………………...Pag. 08
Elementi del sistema trasmissivo
- Trasduttore in trasmissione ……………………………………… Pag. 09
LED ……………………………………………... Pag. 09
LD ………………………………………………. Pag. 10
- Fibra ottica (Canale) …………………………………………….. Pag. 11
Funzionamento ……………………………………... Pag. 11
Tipologie …………………………………………… Pag. 14
Caratteristiche delle fibre ottiche…………………… Pag. 17
- Trasduttore in ricezione (fotorivelatori) ………………………… Pag. 22
Tipologie di trasmissione:
- Analogica / Digitale ………………………………………………Pag. 23
- Pcm ……….……………………………………………………… Pag. 24
- Fdm ………………………………………………………………. Pag. 26
- Tdm ………………………………………………………………. Pag. 27
- Differenze ………………………………………………………... Pag. 29
- Wdm ……………………………………………………………… Pag. 29
- La più usata ……………………………………………………… Pag. 30
Circuiterie:
- Trasmissione ……………………………………………………... Pag. 31
- Ricezione …………………………………………………………. Pag. 32
Fabbricazione:
- Principali tecniche di fabbricazione …………………………….. Pag. 34
Fotoemettitori ………………………………. Pag. 34
Fibre ………………………………………… Pag. 35
Fotorivelatori ……………………………….. Pag. 38
Introduzione
Definizione:
Fibra ottica: filamento sottile e leggero in vetro, quarzo fuso o plastica con una larghezza di banda
che può raggiungere 3.3 GHz (3300 MHz), i segnali elettrici per essere trasmessi vengono
trasformati in impulsi luminosi e introdotti in un cavo che può contenere diversi filamenti
indipendenti. Questi segnali luminosi, che viaggiano ad una velocità prossima a quella della luce,
all'arrivo vengono riconvertiti in segnali elettrici tramite diodi fotoelettrici. Le fibre ottiche sono
classificate come guide d'onda dielettriche (ovvero isolanti), esse permettono di convogliare al loro
interno un campo elettromagnetico di frequenza sufficientemente alta (in genere in prossimità
dell'infrarosso) con perdite estremamente limitate e oltre ad offrire un'elevata larghezza di banda,
dai 10 MBit/s al Tbit/s, vengono utilizzate prevalentemente per trasmissioni a lunga distanza sia
perché non subiscono interferenze elettromagnetiche dall'esterno e sia perché la luce all'interno
della fibra subisce pochissime dispersioni e, possono essere curvate grazie alla loro flessibilità, la
luce che le attraversa seguirà la curvatura riflettendosi sulle sue pareti.
Il costo varia dai 4000 euro/km di fibra nei piccoli centri (con cavi di spessore molto più contenuto)
ai 10000 euro/km di fibra nelle città, cui sono da aggiungere i costi dello scavo per l'interramento e
le licenze comunali per aprire i cantieri (dove richieste anche se per opere di pubblica utilità).
Storia:
La storia della fibra ottica inizia ai tempi della Regina Vittoria in Inghilterra, quando il principio
della totale riflessione venne utilizzato per illuminare le fontane pubbliche. Il successivo sviluppo,
fu nella metà del XX secolo e si concentrò sulla creazione di un fascio di fibre, utilizzato per la
trasmissione d’immagini, il cui primo uso fu nel gastroscopio medico nel 1956. Lo sviluppo delle
fibre ottiche utilizzate nell’ambito delle telecomunicazioni, inizialmente tardò per l'elevata
attenuazione, la quale, nel 1965, raggiungeva ancora i 1000 dB/km. Soltanto nel 1967 fu individuata
la causa delle elevate attenuazioni nella insufficiente purezza del materiale utilizzato. Nel 1970 si
assistette ad una svolta storica: i ricercatori della Corning Glass Works riuscirono a perfezionare
una fibra ottica con attenuazione di "soli" 20 dB/km alla lunghezza d'onda di 633 nm.
I progressi che seguirono furono rapidi: nel 1972 una fibra graded index raggiungeva
un'attenuazione di 4 dB/km e ai nostri giorni valori di 0.2 dB/km a 1550 nm sono raggiunti dalle
fibre monomodali.
Con la successione degli anni la cosa più ricercata è stata, il più delle volte, il miglioramento delle
tecniche con cui queste potevano essere utilizzate, come l’introduzione nel 1993 della modulazione
WDM invece che delle fibre ottiche in se. La cosa che ai nostri giorni interessa di più è la
tecnologia a valle e a monte delle fibre cioè del trasmettitore e del ricevitore che non riescono a
sfruttare a pieno la banda che offrono le fibre.
Quindi la storia delle fibre non proseguirà tanto sul loro miglioramento ma soprattutto
sull’avanzamento tecnologico dei mezzi per sfruttarle.
Evoluzione dei sistemi di telecomunicazione:
Perché fibre ottiche?
Vantaggi:
1° Bassa attenuazione (0,2 ÷ 2,4 dB/Km per fibre in silice), inferiore a quella dei cavi , coassiali e
non; essa inoltre è costante al variare della frequenza.
2° Capacità di trasmettere dati ad alta velocità, fino a 140 Mb/s.
3° Costi più bassi, in relazione alla larghezza di banda.
4° Immunità da interferenze elettromagnetiche.
5° Assenza di modulazione incrociata.
6° Peso e dimensioni inferiori rispetto hai cavi standard.
7° Sicurezza, in quanto è molto difficile l’intercettazione dell’informazione.
8° Possibilità di trasmettere un numero elevato di canali fonici su un’unica fibra.
9° Isolamento completo di trasmettitore e ricevitore.
10° Resistenza alla corrosione.
11° Immunità dai cortocircuiti e quindi possibilità di uso in ambienti particolari, come in presenza
di sostanze esplosive.
12° Resistenza agli aumenti di temperatura.
13° Miglioramento della qualità dei segnali e riduzione degli errori.
14° Possibilità di effettuare riparazioni senza disattivare trasmettitore e ricevitore
15° Larga banda di frequenza (0,4 ÷ 10 GHz*Km).
16° Lungo passo di ripetizione (fino a 130 ÷ 150 Km senza amplificazione del segnale trasmettendo
qualità di informazioni di alcuni Gbit/s).
17° Assenza di equalizzazione.
Svantaggi:
1° Difficoltà di cablaggio a causa delle dimensioni ridotte.
2° Difficoltà di riparare i guasti.
3° Sensibilità alle radiazioni nucleari.
4° Difficoltà costruttive, date le esigenze di grande purezza del materiale.
5° Tecnologie in rapida evoluzione con componenti base ancora in fase di sviluppo.
6° Connessione tra fibre ottiche.
7° Accessori costosi.
8° Problemi di standardizzazione.
9° Strumenti di prova costosissimi.
Dove fibre ottiche?
La produzione delle fibre ottiche può essere divisa in tre categorie principali: per il trasporto di
immagini, per il trasporto di luce e per il trasporto o amplificazione di radiazione.
Esistono anche dei sensori a fibra che vengono utilizzati per monitorare variabili ambientali come
pressione e temperatura. Oltre alle fibre in silice, per alcuni impieghi vengono utilizzate anche le
fibre plastiche (in polistirene,polimetile,nylon). Queste hanno si un’attenuazione molto alta, ma per
piccole distanze ciò non rappresenta un problema, mentre prevalgono altri tipi di vantaggi come una
maggior flessibilità. I principali settori di applicazione delle fibre ottiche sono:
• Medicina: nel campo della diagnostica per trasporto di immagini:
endoscopie,artroscopie...;per effettuare interventi chirurgici per trasporto di luce;
per effettuare interventi chirurgici per trasporto di radiazione: laser-bisturi,
scioglimento placche delle arterie;
• Industria: per effettuare operazioni di taglio,saldatura,foratura…con trasporto di
radiazione;
• Fotonica: Amplificazione radiazione (Amplificatori ottici a fibra attiva), trasporto
radiazione ed impieghi particolari (calcolatore ottico)
• Ricerca: Astronomia…
• Telecomunicazioni: trasporto radiazione.
Tra questi settori il più importante è senz’altro quello delle telecomunicazioni.
Trasmissione Ottica
Qui sopra viene illustrato una tipologia base di sistema di trasmissione e ricezione di segnale ottico.
Si nota che in questo caso il sistema adotta trasmettitori e ricevitori di tipo elettrico, di conseguenza
è necessario provvedere alla trasformazione (trasduzione) del segnale elettrico in segnale ottico in
trasmissione, per poter impiegare la fibra, ed alla trasformazione inversa in ricezione.
Il trasduttore in trasmissione è una sorgente di luce che converte il segnale di tipo informativo in
segnale di tipo luminoso. Tali dispositivi possono essere dei diodi LED o ad emissione di luce
oppure dei diodi LD o diodi laser a semiconduttore. Il trasduttore in ricezione converte il segnale
luminoso in segnale elettrico. Tali dispositivi prendono il nome di fotorivelatori o fotodiodi e
possono essere diodi APD o diodi a valanga oppure dei diodi PIN.
Apparato di trasmissione:
Schema a blocchi di un apparato di trasmissione di fibra ottica
Facciamo ora una breve descrizione dei Blocchi:
• Interfaccia elettrica
Attraverso tale interfaccia giunge il segnale elettrico da convertire in segnale ottico .
• Circuiti di condizionamento del segnale
Pongono il segnale elettrico nella forma richiesta per poter pilotare la sorgente ottica;.
• Circuiti di pilotaggio della sorgente ottica
variano a seconda delle applicazioni e del tipo di componenti utilizzati. Molto spesso questi
circuiti devono consentire la modulazione diretta, di tipo on-off (presenza-assenza di luce),
dell'energia luminosa emessa dalla sorgente da parte di un segnale codificato in binario.
Viene utilizzato anche per il diodo laser ove la corrente,di pilotaggio deve superare un valore
di soglia perché si possa avere l'effetto laser, poiché deve essere polarizzato a un certo livello
di corrente per poter operare.
• Trasduttori ottici
Come trasduttori ottici si impiegano LED o diodi laser (LD).
• Circuiti di stabilizzazione della potenza emessa
Sono necessari per fornire in uscita una potenza costante col passare del tempo e limitare gli
effetti dell'invecchiamento.
• Interfaccia ottica
Attraverso tale intertaccia il segnale viene iniettato nella f.o.
Apparato di ricezione:
Schema a blocchi di un apparato in ricezione di fibra ottica
Facciamo ora una breve descrizione dei Blocchi:
• Fotorivelatore
Converte il segnale ottico in segnale elettrico; può essere un fotodiodo PIN o
APD.
• Amplificatore
Controlla il guadagno
• Circuito di decisione
Per fornire in uscita un segnale elettrico o digitale desiderato
Analizziamo ora i blocchi principali del sistema ottico:
- Trasduttore in trasmissione (LED, LD)
- Fibra ottica (Canale)
- Trasduttore in ricezione (fotorivelatori)
Trasduttori ottici in
trasmissione
Il segnale che si propaga in una fibra ottica è di tipo luminoso. Il segnale in questione è
originariamente di tipo elettrico costituito da un impulso di tensione, pertanto è necessario
convertire l’impulso elettrico in impulso luminoso.
A tale scopo vengono utilizzati opporti LED o LD aventi caratteristiche ottiche e geometriche
idonee. Analizziamo ora i due tipi di trasduttori ottici:
LED
Il principio di funzionamento del diodo LED, costituito da una semplice giunzione PN, si basa sul
fenomeno dell’emissione spontanea. Infatti gli elettroni di valenza, applicando alla giunzione una
polarizzazione diretta , acquistano l’energia per passare nella banda di conduzione e dare così il via
al processo di emissione spontanea della luce, ove l’atomo eccitato, dopo più o meno lungo, ritorna
spontaneamente nel suo stato iniziale emettendo energia luminosa.
Immagine in sezione di un led collegato ad
una fibra.
LASER
Il funzionamento del diodo LASER si basa sul fenomeno dell’emissione stimolata. Affinché sia
possibile l’emissione stimolata occorre portare il semiconduttore in una condizione di non equilibrio
( eccitazione ), in modo tale che la banda di conduzione risulti più ricca di elettroni di quella di
valenza. Ciò viene realizzato con l’applicazione di una polarizzazione diretta alla giunzione PN.
In queste condizioni, poiché nella banda di valenza rimangono pochi elettroni, solo un numero
estremamente ridotto di fotoni incidenti possono essere assorbiti da questi ultimi, mentre la maggior
parte provoca l’emissione stimolata della luce.
LED o LD
Il LED emette nella f.o. molta meno potenza di un LD ma è più lineare. Per le trasmissioni digitali
la linearità non ha molta importanza e quindi si può utilizzare un LD, mentre se si volesse effettuare
una modulazione analogica il LED risulta più adatto di un LD. Un'altra caratteristica dell’LD è uno
spettro di emissione molto più ristretta di un LED. Un LD consente perciò di ridurre i problemi di
dispersione cromatica e quindi permette di realizzare tratte più lunghe di collegamenti su f.o.
monomodale senza rigenerazione.
Schema di confronto tra LED e LD dove della figura a) viene raffigurata la potenza in uscita in funzione della
corrente di pilotaggio; e nella figura b) vengono posti a confronto gli spettri di emissione.
In questa tabella sono messi a confronto alcuni parametri caratteristici dei LED e LD
La Fibra
Costituzione
Le fibre ottiche sono costituite da due strati concentrici di materiale vetroso estremamente puro o di
quarzo trasparenti alla radiazione della luce visibile ed alle radiazioni infrarosse. La struttura delle
fibre ottiche è composta fondamentalmente
da tre starti:
- Il nucleo o core
- Il mantello o cladding
- Il rivestimento primario protettivo o buffer
La luce si propaga nel core della fibra, con sezione circolare di un diametro compreso tra 50 ÷ 80
μm. Il compito del cladding è quello di evitare la dispersione della luce verso l’esterno ed esso
presenta uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell'onda evanescente,
caratteristica della luce trasmessa.
. La sua sezione è sempre circolare come quella del nucleo e misura 125 μm.
Struttura di una fibra ottica
L’indice di rifrazione del core (n1) è leggermente superiore a quello del cladding (n2) di circa 1 ÷ 10
per mille.
Il rivestimento primario è di materiale plastico ed ha il compito di proteggere la fibra da abrasioni o
scalfitture meccaniche. Il suo diametro è di 250 μm. A volte a causa di fattori atmosferici è
necessario l’impiego di ulteriori rivestimenti protettivi.
Struttura in sezione di una fibra ottica.
Funzionamento
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.
Nelle Figure sovrastanti viene mostrata la propagazione di un raggio luminoso in una fibra ottica:
- Nella figura a) viene mostrata una riflessione totale (Assenza di rifrazione) in questo caso il raggio
di luminoso ha un ‘angolo di incidenza (γm) minore o uguale all’angolo limite per cui il raggio
viene pienamente riflesso senza parziale dispersione della sua potenza nel cladding.
- Nella figura b) viene mostrata una riflessione parziale ( Presenza di rifrazione) in questo altro caso
il raggio luminoso ha un angolo di incidenza (γm) è maggiore dell’angolo limite questo causa una
parziale riflessione del raggio ove una parte della sua energia va dispersa nel cladding a causa di
una rifrazione e il rimanente viene riflessa nel core.
Apertura numerica
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 >θ) allora non subisce riflessione totale, ma si
disperde nel mantello o nell’aria.
ende 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.
Tipi di fibre
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 step index;
• multimodo graded index;
• monomodo step index.
Multimodo:
Una fibra si dice multimodale, se i segnali luminosi al suo interno possono seguire diversi percorsi:
Le fibre Multimodo si possono distinguere in:
STEP INDEX
Nelle fibre step-index l’indice di rifrazione è costante in tutto il core e decresce bruscamente nel
cladding. Nelle fibre step-index si manifesta un fenomeno chiamato la dispersione modale (che
verrà illustrato in seguito) 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 al cono 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.
GRADED INDEX
Nelle fibre graded-index, l’indice di rifrazione decresce gradualmente dal centro del core fino alla
regione di separazione tra core e cladding. Il vantaggio delle fibre graded-index 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.
Le fibre multimodali vengono utilizzate per distanze molto brevi (<10 km) a causa dei significativi
vantaggi delle fibre monomodali.
Monomodo:
Una fibra si dice monomodale, se il segnale luminoso può seguire un solo tragitto:
-
MONOMODALI
Le fibre monomodali hanno un andamento della luce costante nel core, il cui diametro è molto
ridotto (circa 4-10 μm), e decresce bruscamente con un gradino (step) nel cladding dove ancora
rimane costante. Il diametro del cladding è in genere di 125 μm. 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. Le fibre monomodali sono
ampiamente utilizzate nelle telecomunicazioni per l’elevato tempo di vita, minima perdita di
potenza ottica, assenza di dispersione modale (essendo la trasmissione monomodale).
Caratteristiche delle fibre ottiche
Le perdite causate dalle fibre ottiche si possono classificare in quelle che deformano
il segnale d’ingresso che quindi determinano dispersione e in quelle che ne riducono
la potenza che cioè ne determinano l’attenuazione.
Attenuazioni:
L’attenuazione di una fibra ottica si può definire come il rapporto tra la potenza ottica trasmessa e
quella ricevuta, dopo una lunghezza di fibra di riferimento.
Le perdite per attenuazione possono essere raggruppate in due categorie:
-perdite dovute alla realizzazione tecnologica;
-perdite dovute all’interconnessione tra fibre ottiche;
In entrambi i casi possiamo fare un’ulteriore classificazione sulla base delle cause di
attenuazione e distinguere quindi le cause di tipo intrinseco (non eliminabili) che
dipendono dalle caratteristiche delle fibre e di tipo estrinseco (non eliminabili, ma
migliorabili)che sono invece da ricondursi alla presenza di impurezze e possono
essere ridotte migliorando il processo produttivo. Questa classificazione è riportata nella
tabella in figura:
Analizziamo ora le varie tipologie sopra indicate:
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. La migliore finestra ai giorni nostri cioè
quella ove l’attenuazione è minore è quella con lunghezza d’onda di 1550 nm.
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 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.
Dispersioni:
Per quanto riguarda la dispersione, i fenomeni che determinano le dispersioni delle
fibre ottiche sono:
a) dispersione modale;
b) dispersione cromatica.
Dispersione modale
Prendiamo in esempio 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.
In questa figura viene illustrata come delle onde luminose con modi di propagazione diversi possano far variare
il segnale trasmesso.
Dispersione cromatica
Questo fenomeno è causato perché i segnali luminosi di diversa lunghezza d’onda (diverso colore)
si propagano nel mezzo con velocità diverse corrispondenze ad indici di rifrazione. Se si immette
nella fibra una luce composta di diverse lunghezze d’onda, i raggi giungeranno all’estremità in
tempi diversi: per esempio il raggio rosso arriverà in ritardo rispetto l’azzurro e quello violetto.
Nella fibra ogni lunghezza d’onda viaggia con velocità diverse e quindi causano un allargamento
temporale dell’impulso originario.
In questa figura è rappresentato il ritardo temporale dei raggi con diverse lunghezze d’onda.
Fabbricazione dei componenti
Vediamo una breve descrizione della fabbricazione dei vari componenti:
- Fotoemettitori
- Fibre
- Fonorivelatori
Fotoemettitori
La costruzione di LED e di LD è simile visto che tutti e due sfruttano una giunzione PN.
LED
I LED possono essere realizzati secondo due strutture: l’omugiunzione e la doppia eterogiunzione.
Il LED a omugiunzione presenta una struttura molto semplice, essendo costituito da una giunzione
PN realizzata in un semiconduttore uniforme drogato, la quale viene polarizzata direttamente in
modo da innescare il processo di emissione spontanea.
La struttura a eterogiunzione invece è realizzata interponendo tra gli strati P ed N uno strato P o N
con diverso indice di rifrazione che costituisce la zona attiva si ha un notevole miglioramento
dell’efficienza quantica, infatti a causa del diverso indice di rifrazione, si forma un condotto ottico
capace di guidare i fotoni emessi consentendo di raggiungere un’efficienza quantica prossima al
100%.
Schema in sezione di un diodo LED
LD
La struttura del laser viene realizzata mediante incisione di una sottile striscia su una maschera di
SiO2, oltre a costituire un condotto ottico capace di guidare i fotoni emessi, consente di limitare la
corrente su un’area molto piccola.
La cavità è ottenuta con un taglio della struttura perpendicolare alla direzione della striscia, così
facendo infatti la differenza dell’indice di rifrazione del semiconduttore e il mezzo esterno
determina una discontinuità che equivale ad uno specchio che permette l’innescare dell’effetto
laser.
Schema in sezione di un diodo LD
Fibra
I passaggi per la costruzione delle fibre ottiche sono principalmente due:
- Costruzione
- Filatura
Costruzione:
Le fibre ottiche per le telecomunicazioni vengono prodotte mediante tecniche basate sulla
deposizione chimica in fase di vapore, le quali permettono di sintetizzare il materiale vetroso con
un elevato grado di purezza.
Nell’ambito di queste tecniche si sono sviluppati vari processi tecnologici che possono essere
suddivisi in due categorie:
- IVPO ( basato sulla deposizione interna)
- OVPO ( basato sulla deposizione esterna)
IVPO
Per la realizzazione della preforma viene utilizzato un tubo di vetro di silice in rotazione avente
funzione di supporto all’interno del quale viene fatta fluire la miscela dei vapori reagenti che si
depongono sulle pareti. Il tubo viene poi riscaldato con un bruciatore che in seguito viene spostato
da una estremità all’altra per ottenere il riscaldamento completo della preforma. Nei vapori
reagenti, si innesca una reazione di sintesi ossidativi la quale produce delle particelle che vanno a
depositarsi sulle pareti della struttura di supporto. Queste si vetrificano durante la fase di ritorno del
riscaldatore verso la sua posizione iniziale.
Schema della costruzione di una fibra con tecnica OVPO
OVPO
Anche in questo caso il tubo viene fatto ruotare intorno al proprio asse ed e’ riscaldato tramite un
riscaldamento che si sposta da un’estremità all’altra e viceversa. La deposizione avviene in
entrambi i sensi di traslazione del sistema, in quanto i reagenti vengono inviati verso il tubo di
supporto, in direzione normale al suo asse, direttamente attraverso il riscaldatore.
Con l’operazione di consolidamento, eseguita riscaldando la preforma in forno, il dispositivo poroso
viene trasformato in un vetro omogeneo e limpido.
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