LE FIBRE OTTICHE
Introduzione alle Fibre Ottiche
Cos’è una Fibra Ottica
Le fibre ottiche sono dei fili sottilissimi di materiale vetroso o plastico in grado di
trasportare particolari radiazioni con lunghezze d'onda comprese nell'infrarosso.
Luce Monocromatica e Policromatica
La luce che passa attraverso la fibra ottica può essere di due tipi: Monocromatica e
Policromatica. Monocromatica è composta idealmente da una sola lunghezza d'onda,
quindi un solo colore, però c'è da dire che è impossibile che passi una sola frequenza, infatti
passa un range di frequenze piccolissime e molto vicine. Policromatica invece passano più
frequenze, quindi più colori.
Pro e Contro
Nelle fibre ottiche abbiamo diversi pro e contro, che variano sempre visto la sua continua
evoluzione.
Pro:
Può trasportare tantissime informazioni, infatti presenta una banda dell'ordine dei
Ghz;
Presenta un'attenuazione bassissima, fino a 0,2 dB/km;
Meno ingombranti rispetto ad altri cavi;
Sono esenti da rumore esterno dovuto ai campi magnetici generati da altri cavi;
Maggior sicurezza visto che passando solo luce all'interno, non c'è pericolo di
incendio, cortocircuito o di altri malfunzionamenti;
Minore probabilità di corrosione poiché il vetro non si corrode;
Contro:
Prezzi elevati;
Alta attenuazione nella giunzione di due fibre ottiche (che fortunatamente rimase
sempre bassa);
Trasmettitori e Ricevitori
Il trasmettitore è composto da un modulatore, da un foto-emettitore e dal connettore. Il
segnale d'ingresso elettrico viene modulato ed inviato all'interno della fibra attraverso il
foto-emettitore che può essere o un diodo LED o un diodo Laser. Dopo aver attraversato
tutta la fibra, arriva al ricevitore composto da un fotodiodo ed il segnale viene riconvertito
e de-modulato.
Propagazione della Luce in Sostanze con Diversa Densità
In questa parte andremo a capire come si comprata un fascio di luce quando attraversa
sostanze con diversa densità,, noi per capire il concetto useremo l'aria ed il vetro.
Riflessione e Trasmissione
Quando un raggio di luce viene proiettato su una lastra di vetro trasparente, esso viene in
parte riflesso ed in parte attraversa il vetro cambiando però la sua direzione. Possiamo
osservare che, se il raggio luminoso passa da un mezzo meno denso (aria) ad uno più denso
(vetro), l'angolo di trasmissione θt è più piccolo dell'angolo di incidenza θi [Img 2]. Al
contrario invece, se il raggio passa da un mezzo più denso a uno meno denso, l'angolo di
trasmissione θt è più grande dell'angolo di incidenza θi [Img 3].
Da meno denso a più denso:
Da più denso a meno denso:
Leggi dell’Ottica Geometrica
Legge della Riflessione
θr= θi
Secondo la legge della Riflessione, qualunque raggio riflesso ha lo stesso angolo del raggio
incidente.
Legge della Trasmissione (o Legge di Snell):
nt senθt=ni sen θi
Da questa possiamo determinare l'angolo di trasmissione grazie ad un passaggio
matematico inverso.
Indice di Rifrazione
n=c/Vp
L'indice di rifrazione è il rapporto tra la velocità della luce e la velocità di propagazione della
luce nel mezzo considerato. Quindi possiamo dedurre che l'indice di rifrazione è tanto
maggiore, tanto maggiore è la densità del mezzo. Di solito indichiamo gli indici di rifrazione
con la lettera “n” seguita da un numero o da una lettera.
Riflessione Totale
Quando abbiamo gli indici di rifrazione nincidente > ntrasmissione, il raggio oltre ad essere riflesso,
viene trasmesso, con un angolo maggiore rispetto a quello incidente perchè la densità del
materiale diminuisce, se aumentiamo l'angolo del raggio incidente θi, ad un certo punto
arriveremo ad un angolo per la quale il raggio viene trasmesso in maniera quasi orizzontale
sfiorando la superficie di separazione. Superato quell'angolo che viene chiamato θlim, non
ci sarà più trasmissione. Quindi quando θi>θlim, avremo riflessione totale [Img 4].
Propagazione di un Raggio Luminoso in una Fibra Ottica
Quando abbiamo θi<θlim, avremo una riflessione pari a θi ed una trasmissione maggiore di
θi, però con questo metodo, una parte della luce viene persa a causa della trasmissione ed
il segnale in poche riflessioni comincia a disperdersi nel mantello così da non arrivare a
destinazione [Img 5]. Invece se avremo θi>θlim, avremo sempre la riflessione pari a θi,
però non avremo trasmissione, quindi il segnale nella fibra non viene perso, ma verrà
riflesso sempre [Img 6].
Struttura di una Fibra Ottica
La fibra ottica è composta da un filo di materiale vetroso o plastico di forma cilindrica con
indice di rifrazione n1 chiamato core [1], è circondato da un mantello concentrico chiamato
anche cladding [2] formato sempre da un materiale plastico/vetroso con indice di rifrazione
n2 leggermente inferiore a n1. Questi due strati sono ricoperti da un rivestimento
protettivo in plastica chiamato jacket [3] che ha il compito di evitare abrasioni e di
aumentare la resistenza della Fibra ottica ed infine il tutto è rivestito da un'ulteriore guaina
protettiva [4].
Il core ha un diametro che varia dai 4µm ai 50µm, a seconda del tipo di fibra, il mantello
invece ha un diametro di 125µm, infine il jacket di 250µm.
Parametri di una Fibra Ottica
Quando si deve creare un collegamento con le fibre ottiche, dobbiamo tener conto di alcuni
parametri importanti per far si che possa avvenire la trasmissione dei fasci luminosi
all'interno della fibra ottica. I principali sono: Apertura Numerica, Dispersione, Banda
Passante e Attenuazione.
Apertura Numerica
Quando il raggio luminoso deve passare dalla sorgente alla fibra, deve passare da una zona
intermedia che può essere composta da aria o gel. Supponiamo innanzitutto che la fibra sia
tagliata perfettamente in maniera perpendicolare, il raggio viene riflesso con un angolo θi,
quindi perdiamo già una piccola parte del segnale a causa della riflessione. Visto che stiamo
passando da una densità minore a una maggiore avremo un angolo di trasmissione θt
minore a quello θi. Una volta entrato il raggio sbatterà nella superficie di separazione tra il
core ed il cladding così da avere un nuovo angolo incidente θ'i e per potersi riflettere senza
avere la trasmissione, quindi perdita di segnale, dobbiamo avere l'angolo θ'i maggiore di
quello limite: θ'i>θlim. Per far si che questo avvenga dobbiamo avere il raggio di luce che
entra nella fibra angolo θi minore di θmax (che corrisponde al nostro θlim).
Quindi possiamo affermare che:
Se θi cresce, θt cresce pure → θ'i diminuisce → se θ'i < θlim → No propagazione
L'apertura numerica ci da l'angolo massimo “θmax” che il segnale incidente può assumere
purché esso riesca ad entrare nella fibra ottica e riesca a propagarsi ed è dato dalla
seguente formula:
NA=n0*senθm
Dispersione
Quando si invia all'interno di una fibra ottica un segnale impulsivo di una certa ampiezza e
durata è probabile che questo impulso all'uscita della fibra risulta degradato, cioè allargato,
appiattito e sovrapposto.
Dispersione Modale
Come abbiamo già visto, la luce si propaga all'interno della fibra tramite riflessioni
successive, generando vari modi di propagazione. Quando un impulso luminoso entra nella
fibra, si scompone in vari raggi ognuno dei quali segue un percorso diverso all'interno della
fibra arrivando a destinazione in tempi diversi. Questo fascio di luce risulterà leggermente
deformato e scomposto in vari impulsi, cioè degradato.
Dispersione Cromatica
E' dovuta ad altre due dispersioni: Dispersione di guida d'onda e dispersione del materiale.
La dispersione di guida d'onda è determinata dal fatto che parte del raggio luminoso si
propaga anche nel mantello e visto che la velocità della luce nel mantello è minore di quella
del nucleo, si ha un effetto di dispersione dell'impulso.
Nella dispersione del materiale dobbiamo ricordarci che la velocità di propagazione nel
mezzo e l'indice di rifrazione di quest'ultimo, dipendono dalla lunghezza d'onda e che una
sorgente monocromatica presenta sempre più frequenze, quindi i raggi che si propagano
nella stessa direzione avranno velocità diverse.
Banda Passante
La banda passante è legata alle dispersioni modali e cromatiche. Se la distanza degli impulsi
è piccola, a destinazione gli impulsi saranno accavallati e quindi non si riuscirà a distinguerli.
Quindi la banda passante è quel range di frequenze dove il segnale riesce a passare senza
subire una dispersione ed è dato dalla seguente formula:
Attenuazione
L'attenuazione è la perdita di potenza che subisce un segnale nel percorrere una fibra
ottica.
Attenuazione per Diffusione
Questa attenuazione è data dalle micro-disomogeneità presenti all'interno della fibra che
fanno disperdere il segnale nel mantello determinando una perdita di potenza.
Attenuazione per Assorbimento
Avviene quando parte della luce viene assorbita da molecole della sostanza e si trasforma in
calore. L'assorbimento è causato dalla presenza di ioni ossidrili.
Attenuazione per Irradiazione
Avviene a causa delle micro-curvature della fibra, infatti i raggi incidenti cambiano
angolazione e si disperdono nel mantello provocando una perdita di potenza.
Attenuazione nelle Giunture
E' determinata dalla differenza di apertura numerica tra i due tratti di fibra, dalla differenza
di diametro del core e da una probabile differenza di indici di rifrazione del core.
Tipi di Fibre Ottiche
Esistono diversi tipi di fibre, in base al modo di propagazione e all'indice di rifrazione del
core.
Fibre Monomodali e Multimodali
Le fibre monomodali si propagano in un solo modo, cioè non ci stanno più raggi al suo
interno. Il core ha il diametro dai 4 µm ai 10 µm, ed il mantello è di 125 µm. L'apertura
numerica è piccola quindi l'emettitore deve essere un diodo laser e il prodotto bandadistanza è maggiore ai 10 Ghz ed ha un'attenuazione di 0,5 dB/km.
La fibra multimodale invece ha più angoli di propagazione, cioè entrano più raggi luminosi.
Il core ha il diametro dai 50 µm fino ai 100 µm. A differenza del monomodale, ha
un'apertura numerica elevata quindi può usare un diodo led come emettitore, però ha
un'attenuazione di 100 dB/km.
Fibre Step Index e Graded Index
Questi tipi di fibre vengono determinate dal loro indice di rifrazione.
La Step Index ha un indice costante per tutta la lunghezza della fibra, la Graded Index
invece, come dice la parola stessa, è graduata, cioè l'indice di rifrazione diminuisce
gradualmete dal centro del core fino alla superficie di separazione e rimane costante nel
cladding.
Fibre Monomodali Step Index
Questo tipo di fibra viene usato maggiormente per lunghe distanze o per avere un'ottima
qualità in fattore di trasmissione, questo perchè essendo monomodale ha un solo modo di
propagazione all'interno della fibra,quindi non presenta dispersione modale. Ha una
bassissima attenuazione 0,5dB/Km, e una larghezza di banda maggiore ai 10 Ghz/Km.
L'unico svantaggio si ha quando si devono unire due fibre, infatti a causa del core troppo
piccolo, si ha difficoltà nell'eseguire le giunture.
Data la sua elevata efficienza, ha un prezzo alto rispetto le alte tipologie.
Fibre Multimodali Step Index
Questo tipo di fibra ottica viene usato per brevissime distanze, perchè avendo più modi di
propagazione, e avendo un solo indice di rifrazione nel core, avrà un'alta dispersione
modale, quindi i raggi luminosi arriveranno a destinazione in tempi diversi ed il segnale
risulterà molto degradato. Questi tipi di fibre non vengono quasi mai usati.
Fibre Multimodali Graded Index
Questo tipo di fibra è migliore della precedente, questo perchè avendo un core graduato fa
ridurre nettamente la dispersione modale. I vari raggi di luce arriveranno quasi tutti nello
stesso istante, anche quei raggi che percorrono una distanza maggiore rispetto a quelli
centrali, questo avviene perchè passando maggiormente in un indice di rifrazione minore,
hanno una velocità maggiore rispetto agli altri che passando per quello centrale che lo ha
più elevato, vanno a una velocità minore.
Fibre Ottiche a specchio
Tipo di fibra ottica in fase di sviluppo e sperimentazione, in gradi di trasportare voce e dati
fino a 400 Gigabit al secondo. E' formato da 8 paia di fasci di luce a specchio in grado di
trasmettere sulla distanza di 12,800 Km. La tecnica consiste nel decodificare i dati su due
fasci identici e speculari. La distorsione che risulta essere speculare è praticamente nulla.
