Le Fibre Ottiche

Tutto cio che si può sapere sulle fibre
ottiche in una presentazione Power
point
Ciao io mi kiamo daniele ho 18
anni e sono qui per aiutarvi a
farvi capire con la
collaborazione del mio amico
Antonio
tutto quello che c’e da sapere sui
cavi a fibra ottica perciò
accomodatevi su una bella sedia
con popcorn e cocacola e buona
presentazione
è una guida d’onda
dielettrica cilindrica, formata
da un core e da un cladding
l’interfaccia tra core e cladding realizza uno
specchio perfetto in grado di confinare i raggi
all’interno del core.
Dimensioni tipiche:
diametro core da 9 a 65.5µm
diametro cladding 125µm
n1= 1.461
n2= 1.460
∆n=0.001÷0.01
Materiale: core in Silica (SiO2)
cladding Silica
drogata
Cladding
n
2
n
1>
n
2
n
1
Core
Quindi le fibre ottiche sono filamenti di materiale
vetroso, realizzati in modo da poter condurre la
luce.Sono normalmente disponibili sotto forma di cavi.
Le fibre ottiche sono classificate come guide d'onda
dielettriche. Esse, in altre parole, permettono di
convogliare al loro interno un campo
elettromagnetico di frequenza sufficientemente alta
(in genere in prossimità dell'infrarosso) con perdite
estremamente limitate. Vengono comunemente
impiegate nelle telecomunicazioni su grandi distanze
e nella fornitura di accessi di rete a larga banda (dai
10 MBit/s al Tbit/s usando le più raffinate tecnologie
WDM).
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). Varie municipalizzate e
l'operatore tlc Fastweb stanno costruendo reti
proprietarie in fibra ottica con ampiezza di banda che
arriva a 10 megabit/sec in accesso, indispensabili per
la tv via internet e la videoconferena.
Le fibre ottiche sono composte da due strati concentrici di
materiale vetroso estremamente puro: un nucleo cilindrico
centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso.
I due strati sono realizzati con materiali con indice di
rifrazione leggermente diverso, il cladding deve avere un
rifrazione minore rispetto al core. Come ulteriore
caratteristica il mantello deve avere uno spessore maggiore
della lunghezza di smorzamento dell’ onda evanescente
caratteristica della luce trasmessa.
Se le condizioni vengono rispettate gran parte della potenza
è mantenuta all'interno del core.
Diversi tipi di fibre si distinguono per diametro del core, indici
di rifrazione, caratteristiche del materiale, profilo di
transizione dell'indice di rifrazione, drogaggio (aggiunta di
piccole quantità di altri materiali per modificare le
caratteristiche ottiche).
Uno studio rigoroso della fisica delle fibre ottiche
richiede concetti di ottica quantistica.
Usando un paragone di ottica classica, la discontinuità
nell'indice di riflessione genera un fenomeno di
riflessione totale, per cui tutta la potenza che la
colpisce con un angolo di incidenza sufficientemente
alto viene riflessa.
Le fibre ottiche si basano sul fenomeno di riflessione
totale interna, la discontinuità dell'indice di rifrazione
tra i materiali del nucleo e del mantello intrappola la
radiazione luminosa finché questa mantiene un angolo
abbastanza radente, in pratica finché la fibra non
compie curve troppo brusche
In figura è rappresentato come due raggi luminosi, cioè due treni di radiazione
elettromagnetica, incidono sull'interfaccia tra nucleo e mantello all'interno della fibra
ottica. Il fascio a incide con un angolo θa superiore all'angolo critico di riflessione
totale e rimane intrappolato nel nucleo; il fascio b incide con un angolo θb inferiore
all'angolo critico e viene rifratto nel mantello e quindi perso. È importante ricordare
che in ottica si indica l'angolo tra la radiazione e la normale alla superficie, cioè 90°-α
dove α è l'angolo, più intuitivo ma più scomodo da utilizzare, tra la radiazione e la
superficie.
All'interno di una fibra ottica il segnale può propagarsi secondo uno o più modi di
propagazione. Le fibre monomodali consentono la propagazione di luce secondo un
solo modo hanno un diametro del core compreso tra 8 µm e 10 µm, quelle
multimodali consentono la propagazione di più modi, e hanno un diametro del core
di 50 µm o 62.5 µm. Il cladding ha tipicamente un diametro di 125 µm.
Le fibre multimodali permettono l'uso di dispositivi più economici, ma subiscono il
fenomeno della dispersione intermodale, per cui i diversi modi si propagano a
velocità leggermente diverse, e questo limita la distanza massima a cui il segnale
può essere ricevuto correttamente.
Le fibre monomodali di contro hanno un prezzo molto più elevato rispetto alle
multimodali, ma riescono a coprire distanze e a raggiungere velocità nettamente
superiori.
Se negli anni '70 le fibre ottiche erano usate come oggetto decorativo per la
produzione di lampade, oggi sono un componente essenziale nell'industria delle
telecomunicazioni, ancora in corso di evoluzione tecnologica.
I principali vantaggi delle fibre rispetto ai cavi in rame nelle telecomunicazioni sono:
bassa attenuazione, che rende possibile la trasmissione su lunga distanza senza
ripetitori;
grande capacità di trasporto di informazioni;
immunità da interferenze elettromagnetiche, inclusi gli impulsi elettromagnetici
nucleari (ma possono essere danneggiate da radiazioni alfa e beta);
alta resistenza elettrica, quindi è possibile usare fibre vicino ad equipaggiamenti
ad alto potenziale, o tra siti a potenziale diverso;
peso e ingombro modesto;
bassa potenza contenuta nei segnali;
assenza di diafonia;
ottima resistenza alle condizioni climatiche avverse.
Un campo promettente di applicazione è quello della televisione. Quando una città
come Milano è sostanzialmente cablata, si può aprire una interessante alternativa al
digitale terrestre e al satellitare, i quali consentono di ammortizzare l'alto costo della
posa dei cavi a fibra ottica
Nelle comunicazioni ottiche, lo spettro trasmissivo è descritto in
termini di lunghezza d'onda invece che di frequenza. Combinando i
diversi fenomeni di attenuazione, rifrazione, dispersione, vi sono
tre "finestre" particolarmente adatte all'uso nelle telecomunicazioni,
con prestazioni e costi crescenti.
"prima finestra": 850 nm (nel campo del visibile), usata soprattutto
con economici laser a diodo con luce multimodale. Permette di
realizzare collegamenti di 275 m su fibre 62.5/125 e di 550 m su fibre
50/125.
"seconda finestra": 1310 nm, usata con laser multimodali o
monomodali. Permette di realizzare collegamenti di 5-10 km su fibre
monomodali.
"terza finestra": 1550 nm, usata con laser monomodali. Questa
finestra permette di realizzare le distanze maggiori, compresi
collegamenti di 100 km con apparati relativamente economici.
Una buona fibra monomodale ha una attenuazione dell'ordine degli
0.2-0.25 dB/km.
Due tratti di fibra ottica dello stesso tipo possono essere giuntati
mediante fusione, ottenendo un ottimo accoppiamento del core.
Questa operazione è effettuata in modo semiautomatico
mediante apparecchiature che allineano automaticamente i core
e controllano la fusione. Una giunzione ben eseguita comporta
una attenuazione di circa 0,1 dB.
Nell'uso pratico, un collegamento bidirezionale (ad esempio
IEEE 802.3) viene realizzato utilizzando una coppia di fibre, una
per ciascuna direzione. Le fibre ottiche sono collegate agli
apparati di telecomunicazione mediante connettori che allineano
meccanicamente il core della fibra con il laser e con il ricevitore.
Un connettore comporta una attenuazione di circa 0,5 dB, ed è
molto sensibile alla polvere, per cui connettori e cavi inutilizzati
vengono normalmente coperti per evitare infiltrazioni. Esistono
diversi tipi di connettori, ad esempio SC, LC (in plastica,
quadrati), ST (in metallo, tondi, con innesto a baionetta), FC (In
metallo, tondi con innesto a vite), MTRJ (Di forma simile all'SC,
ma leggermente piu' larghi e schiacciati).
I cavi in fibra vengono normalmente installati all'interno di
impianti di cablaggio strutturato, attestandoli su pannelli di
permutazione. Un collegamento comporta quindi l'uso di almeno
due cavi di permuta (da ciascun apparato connesso al pannello
di permutazione), e quindi di 4 connettori.
La luce può essere trasportata in appositi canali, o condotti ottici,
utilizzando sottili fili o fibre fatte di vetro oppure di materiale plastico. Le
distanze coperte da questi condotti non sono molto lunghe, ma scienza e
tecnologia ci hanno abituati alle rapide evoluzioni ed è lecito attendersi che,
tra qualche anno, sarà possibile realizzare progetti che rivoluzioneranno il
nostro modo di abitare, come quello, da tempo perseguito dai lighting
designers , di portare la luce del sole e del cielo in tutti gli ambienti
sotterranei, rendendoli così molto più vivibili. Ma già ai nostri giorni le
applicazioni delle fibre ottiche sono molteplici, in particolare nei luoghi
dedicati allo spettacolo ed all'intrattenimento pubblico. I principali vantaggi
offerti da questi sistemi di illuminazione derivano proprio dalla prerogativa
del trasporto della luce. Nei condotti ottici corrono solo le radiazioni
luminose, non c'è corrente elettrica e neppure calore. Utilizzando cavi di
modeste dimensioni è possibile portare considerevoli quantità di luce anche
all'interno di microspazi ed in luoghi che sarebbe difficoltoso, se non
impossibile, illuminare con gli apparecchi tradizionali, per esempio in mezzo
all'acqua, oppure tra materiali facilmente infiammabili o alterabili da parte
dell'energia termica. La luce prodotto dalla lampada è incanalata in molti
cavi. Il principio fisico di base è il fenomeno della rifrazione: in pratica
quando un raggio luminoso attraversa la superficie di separazione fra due
materiali con diverso indice di rifrazione subisce una rifrazione ed una
parziale riflessione; se l’angolo di incidenza del raggio sulla superficie
supera un valore detto angolo limite il raggio viene riflesso totalmente.
È lo stesso fenomeno che potete osservare quando guardate un laghetto di
montagna, se siete distanti vedete sulla superficie la riflessione del cielo o
delle montagne circostanti, se vi avvicinate e superate l’angolo limite riuscite
a vedere il fondo. Le fibre ottiche sono quindi costituite da un filo di vetro o
plastica trasparente circondato da un altro vetro o plastica con indice di
rifrazione poco diverso dal primo, il tutto protetto da una guaina esterna
piuttosto robusta che ha la funzione di sopportare gli stress meccanici a cui
è sottoposto il cavo durante l’uso. Un raggio luminoso che entra nella fibra
entro un certo angolo caratteristico della fibra viene fatto rimbalzare per
riflessione totale lungo tutta la lunghezza del cavo e così facendo arriva alla
estremità opposta della fibra da dove esce. In pratica il segnale luminoso
percorre a zig zag tutta la fibra. In questo modo è possibile utilizzare un
gran numero di punti luminosi circolari, con diametri nell'ordine dei
millimetri (il più piccolo ha un diametro di un solo millimetro), adatti per
creare svariate composizioni, ad esempio cieli stellati (con la riproduzione
della volta celeste e delle sue costellazioni), figure animate, lettere e parole,
marchi e logotipi. Un altro aspetto assai interessante è quello che in poche
parole si potrebbe definire la gestione creativa della luce: è possibile infatti
regolarla in quantità, colorarla e renderla dinamica (variazione nel tempo dei
colori) agendo alla fonte, all'interno dell'illuminatore (il generatore di luce
del sistema), col risultato che i punti luminosi creano effetti di notevole
impatto scenografico. Nei sistemi a fibre ottiche l'illuminatore è il cuore del
sistema.
Esistono diversi tipi di fibre ottiche, ma la
tendenza è stata di minimizzare il numero
di fibre esistenti richiesti per le reti
pubbliche, allo scopo di ridurre i costi di
produzione.Oggi le fibre ottiche di
interesse per le telecomunicazioni si
distinguono in due grannfi categorie
Le fibre monomodali con profilo d’indice a gradino presentano un profilo costante
nel core, il cui diametro è molto ridotto (circa 4-10 m) , e decresce bruscamente
con un gradino (step) nel mantello dove ancora rimane costante. Il diametro del
cladding è in genere di 125 m. 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*/NA
con  lunghezza d’onda della radiazione utilizzata ed NA apertura numerica.
Nella figura si mostra una fibra monomodale insieme al profilo dell’indice di
rifrazione .
Questo tipo di fibre si differenzia dalle precedenti innanzitutto per le
maggiori dimensioni: il diametro del core è di 50 m e quello del cladding è
di 125-150 m. 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.