Fibre ottiche - "Ezio Vanoni" Rieti

TESINA DI ELETTRONICA
ANDREA CAPOCCIA 5°TIEN anno 2001/2002.
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Fibre ottiche.
Generalità.
 Vantaggi.
 Schema a blocchi.
 La luce.
 Teorema della propagazione.
 Dispersione modale e cromatica.
 Larghezza di banda.
 Attenuazione.


Sorgenti luminose.
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GENERALITA’
E’ un sistema di trasmissione in cui il segnale viene trasmesso sotto
forma di luce.
La struttura in fibra ottica ipotizzata agli inizi dell’anni ”50 con
l’invenzione del LASER come efficiente sorgente luminosa,viene
realizzata negli anni “70.
Le f.o. sono sottili fili di vetro e tramite riflessione interne la luce
sotto forma di impulsi può propagarsi con piccola attenuazione su
lunghi percorsi anche curvilinei.
Il campo di lunghezza d’onda è stato prelevato tra 0,82-0,9μm
Successivamente sono stati sviluppati sistemi tra 1,3-1,55μm
La f.o. è costituita da una parte interna in materiale vetroso chiamato
CORE (NUCLEO) e da una parte più esterna detto MANTELLO
esternamente è avvolto da un materiale realizzato con indice di
rifrazione minore di quello del nucleo; più isolante.
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VANTAGGI





Costo ridotto,grazie all’impiego di materia prima.
Maggiore larghezza di banda.
Bassissimi valori di attenuazione che consentono di
realizzare collegamenti a grande distanza.
L’immunità da interferenze elettromagnetiche e la
sicurezza da fulminazione.
L’insensibilità alle variazioni di temperatura.
L’ingombro e il peso ridotto e la conseguenza facilità di
istallazione dei cavi.
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Schema a blocchi
INGRESSO
TESTO
CODIFICATORE
FIBRA
OTTI.
----
ACCOPPIAT.
FIBRA/RIVEL.
FOTORIVELAT.
(ADP o PIN)
SORGENTE
LUMINOSA
ACCOPIAMENTO
SORG./FIBRA
FIBRA OTTICA
------
USCITA
INFORMAZ.
AMPLIFICATORE
DECODIFICATORE
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LA LUCE.
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luce La si propaga nel vuoto con una velocità di 3 · 10m/s, in un mezzo
di materiale dielettrico subisce diminuzione ed è u= c/n, dove n>1
rappresenta L’INDICE DI RIFRAZIONE del mezzo.
La relazione che lega c con la lunghezza d’onda e la frequenza è c=λ ·
f.
La luce è costituita da onde elettromagnetiche che il nostro occhio è
in grado di osservare con diverso colore, quando la loro lunghezza
d’onda è compresa all’incirca fra 0,38µm (violetto) e 0,78µm (rosso).
In campo tecnico, tuttavia, il termine «luce» è adottato per una gamma
più estesa di lunghezza d’onda, comprendente le radiazioni
ultraviolette, lo spettro visibile e le radiazioni infrarosse (fig.1)
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Teorema Della PROPAGAZIONE
Per far si che la propagazione della luce all’interno di una fibra ottica
sia di tipo guidato, bisogna che si verifichi il fenomeno della
RIFRAZIONE TOTALE, si verifica quando la luce che si propaga in un
mezzo incontra la superficie di separazione da un altro mezzo avente
indice di rifrazione minore.
Quando un raggio di luce incide sulla superficie di separazione di due
mezzi con un angolo φi, una parte del raggio viene riflessa con un
angolo φr uguale a quello di incidenza, mentre la rimanente parte
viene rifratta, cioè trasmessa nel secondo mezzo con un angolo φt
dipendente dal rapporto tra gli indici di rifrazione.
LEGGE DI SNELL:
sen φt=n1/n2 · sen φi.
Se il secondo mezzo è meno rifrangente del primo, esiste un valore
dell’angolo di incidenza φl detto ANGOLO LIMITE, per il quale si ha:
Sen φl= n2/n1.
Quando l’angolo del raggio incidente (φi) è uguale all’angolo limite (φl)
e costui è di 90° si ha la RIFRAZIONE TOTALE. (FIG. 2)
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Ci sono vari tipi di propagazione della luce all’interno di una fibra
ottica, quella di TIPO GUIDATO e di TIPO IRRADIATO.
Si dice di tipo guidato quando un raggio di luce nel core che incontra la
superficie di separazione corecladding con un angolo di incidenza
maggiore o uguale di quello limite, viene totalmente riflesso nel nucleo
e può quindi propagarsi senza attenuarsi per effetto della rifrazione; un
tale raggio si dice perciò di tipo guidato.
Se invece l’angolo d’incidenza è minore di quello limite, una parte del
raggio incidente viene rifratta, entrando nel cladding e quindi andando
o persa ai fini della trasmissione.
Ad ogni successiva incidenza il raggio risulterà attenuato, fino a
perdersi completamente; in tal caso il raggio si dice di tipo irradiato.
Il numero dei modi di propagazione ammessi dipende dalla lunghezza
d’onda della radiazioni trasmessa, dal diametro del core e della
cosiddetta APERTURA NUMERICA della fibra.
Quest’ ultima grandezza caratterizza la fibra nei riguardi
dell’accoppiamento con la sorgente luminosa, essendo definita dalla
relazione:
NA= no · sen φM
In cui no è l’ indice di rifrazione dell’ ambiente esterno alla faccia
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d’entrata della fibra e φM è L’ANGOLO DI ACCETTAZIONE della fibra,
cioè il massimo angolo entro il quale i raggi incidenti all’ingresso
devono essere compresi affinché possano essere di tipo guidato (figura
3).
Applicando la legge di Snell alla faccia d’ ingresso della fibra, si ha:
NA=√n1 - n2
FIG. 2
FIG. 3
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Dispersione modale e cromatica.
Si possono verificare due tipi di dispersione, di tipo MODALE o
CROMATICA.
La dispersione cromatica è causata dalla variazione dell’ indice di
rifrazione in funzione della frequenza.
Tale fenomeno porta infatti ad una diversa velocità di propagazione
delle componenti spettrali che costituiscono il segnale ottico e quindi,
nell’ ambito di uno stesso modo, a conseguenze analoghe, anche se di
entità molto inferiori, a quelle rispetto alla dispersione modale.
Il relativo allargamento temporale unitario, Δtco, dipendente, oltre che
dalla fibra, dalla LARGHEZZA SPETTRALE Δλ della sorgente del
segnale ottico, secondo la relazione:
Δtco= μ · Δλ
La dispersione modale si divide in MULTIMODALE e MONOMODALI.
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La scelta dei valori degli indici di rifrazione n1, n2 relativi
rispettivamente al core e al clading di una fibra ottica, è fatta per
l’esigenza di ottenere un sufficiente valore dell’ apertura numerica e la
necessità di evitare che la fibra induca distorsioni eccessive sui
segnali trasmessi.
In una FIBRA MULTIMODALE l’ energia immessa ad un certo istante
sulla faccia d’entrata non impiega tutta lo stesso tempo a raggiungere
la faccia d’ uscita.
Infatti la frazione di energia che si propaga lungo l’ asse della fibra di
lunghezza L, impiega il tempo minimo:
tmin=L/u= L · n1/c
Mentre quella che si propaga per successive riflessioni totali secondo
il raggio più inclinato impiega il tempo massimo:
tmax= n1/c·sen φL .
FIBRA MULTIMONOMODALE: Con più modi guidati di propagazione.
FIBRA MONOMODALE: Con un solo modo guidato di propagazione.
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Larghezza di banda.
L’argomento temporale Δt degli impulsi causata dai fenomeni di
dispersione comporta un limite nella massima velocità di trasmissione
e tanto maggiore è l’ allargamento tanto viene a limitarsi la larghezza
di banda B=0,44 Δt.
Gli effetti delle dispersioni incide sulla banda complessiva e abbiamo:
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2m+1/B2C
B=1/√1/B
Per le fibre monomodali la limitazione di banda è dovuta alla
dispersione modale.
Nelle fibre a singolo modo la banda complessiva dipende dalla
dispersione cromatica.
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Attenuazione.
L’ attenuazione è quel fenomeno che riduce l’ ampiezza di un segnale
che si propaga in qualsiasi mezzo.
Nelle fibre ottiche si hanno se pur minimi e non sempre
contemporaneamente presenti valori di attenuazioni e sono:
ASSORBIMENTO: Energia elettromagnetica assorbita dalle impurità
presenti nel materiale di costruzione.
DIFFUSIONE (SCATERING): La radiazione si diffonde in tutte le direzioni
per effetto delle discontinuità microscopiche (variazioni di diametro,
forma di un nucleo, micro curvature, disassamento ecc….)
Ci sono vari tipi di attenuazioni:
ATTENUAZIONE DI GIUNSIONE.
ATTENUAZIONE DISOLINIAMENTO.
ATTENUAZIONE PER ACCOPPIAMENTO (tra fibra e sorgente e fibra e
rivelatore.
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Sorgenti ottiche.
SORGENTI A LAD (diodo emettitore di luce).
SORGENTI A LASER (effetto ad ammissione stimolante).
FOTO RIVELATORI.
I PIN e APD.