Introduzione alla fibre ottiche

Sommario
Caratteristiche generali
Richiami di ottica
Struttura e realizzazione tecnologica
Apertura numerica
Esercizio di chiarimento
Sommario
Caratteristiche generali
Richiami di ottica
Struttura e realizzazione tecnologica
Apertura numerica
Esercizio di chiarimento
 Sottilissimi fili di materiale vetroso o di nylon, dal diametro di alcuni micron
 Presentano un'attenuazione chilometrica di 0,2 dB
 Utilizzano come onde elettromagnetiche la luce
 In pratica sono delle guide d'onda per trasmettere le onde luminose
 Sottilissimi fili di materiale vetroso o di nylon, dal diametro di alcuni micron
 Presentano un'attenuazione chilometrica di 0,2 dB
 Utilizzano come onde elettromagnetiche la luce
 In pratica sono delle guide d'onda per trasmettere le onde luminose
Vantaggi
 peso ed ingombro ridotti;
 resistenza a situazioni ambientali difficili;
 immunità da disturbi elettromagnetici esterni;
 isolamento elettrico fra trasmettitore e ricevitore;
 installazione con i cavi di energia;
 installazione veloce nei condotti già esistenti;
 assenza di diafonia;
 bassi valori di attenuazione (0,22,4 dB/km per fibre in silice);
 costante rapporto di attenuazione e frequenza;
 larga banda di frequenza (0,410 GHz.km);
 elevato numero di canali di comunicazione su unica fibra;
 costo limitato per Mbit trasmesso;
 alta qualità di segnale;
 riduzione del numero di errori;
 lungo passo di ripetizione;
 assenza di equalizzazione
Vantaggi
 peso ed ingombro ridotti;
 resistenza a situazioni ambientali difficili;
 immunità da disturbi elettromagnetici esterni;
 isolamento elettrico fra trasmettitore e ricevitore;
 installazione con i cavi di energia;
 installazione veloce nei condotti già esistenti;
 assenza di diafonia;
 bassi valori di attenuazione (0,22,4 dB/km per fibre in silice);
 costante rapporto di attenuazione e frequenza;
 larga banda di frequenza (0,410 GHz.km);
 elevato numero di canali di comunicazione su unica fibra;
 costo limitato per Mbit trasmesso;
 alta qualità di segnale;
 riduzione del numero di errori;
 lungo passo di ripetizione;
 assenza di equalizzazione
Svantaggi
 tecnologia in rapida evoluzione;
 costosa realizzazione costruttiva;
 difficoltà di connessione tra fibre ottiche;
 accessori costosi;
 problemi di standardizzazione;
 strumenti di prova costosissimi.
Svantaggi
 tecnologia in rapida evoluzione;
 costosa realizzazione costruttiva;
 difficoltà di connessione tra fibre ottiche;
 accessori costosi;
 problemi di standardizzazione;
 strumenti di prova costosissimi.
Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro
Un raggio luminoso (raggio incidente) che colpisce la
superficie di separazione di due mezzi si divide in due parti:
- un raggio riflesso,
che continua a propagarsi nel
primo mezzo;
- un raggio rifratto,
che si propaga nel
secondo mezzo.
Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro
Un raggio luminoso (raggio incidente) che colpisce la
superficie di separazione di due mezzi si divide in due parti:
- un raggio riflesso,
che continua a propagarsi nel
primo mezzo;
- un raggio rifratto,
che si propaga nel
secondo mezzo.
Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro
Considerando la normale N alla superficie di separazione gli angoli che i raggi formano sono detti:
- angolo di incidenza (a)
- angolo di riflessione (b)
- angolo di rifrazione (g)
Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro
Considerando la normale N alla superficie di separazione gli angoli che i raggi formano sono detti:
- angolo di incidenza (a)
- angolo di riflessione (b)
- angolo di rifrazione (g)
Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro
Tra gli angoli che i raggi formano esistono le seguenti relazioni sperimentali:
legge di riflessione
b=a
legge di rifrazione (di Snell)
sena  n2  cost
seng n1
dove n1 e n2 sono gli indici
di rifrazione dei due mezzi
Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro
Tra gli angoli che i raggi formano esistono le seguenti relazioni sperimentali:
legge di riflessione
b=a
legge di rifrazione (di Snell)
sena  n2  cost
seng n1
dove n1 e n2 sono gli indici
di rifrazione dei due mezzi
Rifrazione di un raggio da un mezzo meno denso ad uno più denso
a>g
Rifrazione di un raggio da un mezzo più denso ad uno meno denso
a<g
Angolo di incidenza limite
Nella propagazione di un raggio da un mezzo più denso ad uno meno
denso esiste un valore di a per il quale l’angolo di rifrazione vale 90°
Questo angolo è detto angolo di incidenza limite alim
Quando a > alim si ha la riflessione totale del raggio incidente
Angolo di incidenza limite
Nella propagazione di un raggio da un mezzo più denso ad uno meno
denso esiste un valore di a per il quale l’angolo di rifrazione vale 90°
Questo angolo è detto angolo di incidenza limite alim
Quando a > alim si ha la riflessione totale del raggio incidente
- Il nucleo (core) - (50 80 mm)
Tre strati:
- Il mantello (cladding)
- Il rivestimento primario protettivo (buffer)
- Il nucleo (core) - (50 80 mm)
Tre strati:
- Il mantello (cladding)
- Il rivestimento primario protettivo (buffer)
Realizzazione delle fibre ottiche
Attualmente vengono usati due tipi di materiali:
Vetri a molti componenti
Silice drogata
Le tecniche di realizzazione sono molto sofisticate
Il metodo attualmente più utilizzato è il metodo della preforma
La preforma si realizza attraverso due procedimenti:
IVPO – con processo di ossidazione interna in fase di vapore
OVPO – senza il processo di ossidazione interna in fase di vapore
Realizzazione delle fibre ottiche
Attualmente vengono usati due tipi di materiali:
Vetri a molti componenti
Silice drogata
Le tecniche di realizzazione sono molto sofisticate
Il metodo attualmente più utilizzato è il metodo della preforma
La preforma si realizza attraverso due procedimenti:
IVPO – con processo di ossidazione interna in fase di vapore
OVPO – senza il processo di ossidazione interna in fase di vapore
Propagazione della luce nelle fibre ottiche
La propagazione della luce avviene nel core sfruttando il fenomeno della riflessione totale
L’indice di rifrazione del core è maggiore di quello del cladding per evitare la rifrazione sul cladding
Condizioni fondamentali per il funzionamento sono, dunque:
Indice di rifrazione core > Indice di rifrazione cladding
ncore > ncladding
Angolo di incidenza > Angolo limite
a > alim
Propagazione della luce nelle fibre ottiche
La propagazione della luce avviene nel core sfruttando il fenomeno della riflessione totale
L’indice di rifrazione del core è maggiore di quello del cladding per evitare la rifrazione sul cladding
Condizioni fondamentali per il funzionamento sono, dunque:
Indice di rifrazione core > Indice di rifrazione cladding
ncore > ncladding
Angolo di incidenza > Angolo limite
a > alim
Angolo di accettazione
Il raggio deve entrare nella fibra con un angolo ge tale che risulti a > alim
In corrispondenza di alim il raggio rifratto nella fibra forma un angolo di 90°
L’angolo ge è quindi il massimo angolo di ingresso possibile e viene chiamato
angolo di accettazione
Angolo di accettazione
Il raggio deve entrare nella fibra con un angolo ge tale che risulti a > alim
In corrispondenza di alim il raggio rifratto nella fibra forma un angolo di 90°
L’angolo ge è quindi il massimo angolo di ingresso possibile e viene chiamato
angolo di accettazione
Apertura numerica
I raggi devono entrare nella fibra all’interno del cono
Si definisce apertura numerica la quantità:
di accettazione, formato dai due angoli ge
N.A. = sen ge
L’apertura numerica permette di stabilire i limiti angolari entro i quali la propagazione della luce
avviene in modo guidato, cioè è totalmente riflessa nella fibra
Apertura numerica
I raggi devono entrare nella fibra all’interno del cono
Si definisce apertura numerica la quantità:
di accettazione, formato dai due angoli ge
N.A. = sen ge
L’apertura numerica permette di stabilire i limiti angolari entro i quali la propagazione della luce
avviene in modo guidato, cioè è totalmente riflessa nella fibra
Determinare l’apertura numerica e l’angolo di accettazione di una fibra ottica sapendo che i
valori degli indici di rifrazione sono:
ncore = 1,48
ncladding = 1,46
Determinare l’apertura numerica e l’angolo di accettazione di una fibra ottica sapendo che i
valori degli indici di rifrazione sono:
ncore = 1,48
ncladding = 1,46
Soluzione
Applicando la legge di Snell all’angolo limite si ha:
senalim ncladding

seng rifr
ncore
Per definizione all’angolo limite corrisponde un angolo di rifrazione di 90°
per cui:
Quindi:
cioè:
seng rifr  1
sena lim 
ncladding
ncore
 ncladding 

a lim  arcsen 

 ncore 
Nel nostro caso:
 1,46 
  80,6
1
,
48


a lim  arcsen 
g rifr  90
Soluzione
Applicando la legge di Snell all’angolo limite si ha:
senalim ncladding

seng rifr
ncore
Per definizione all’angolo limite corrisponde un angolo di rifrazione di 90°
per cui:
Quindi:
cioè:
seng rifr  1
sena lim 
ncladding
ncore
 ncladding 

a lim  arcsen 

 ncore 
Nel nostro caso:
 1,46 
  80,6
1
,
48


a lim  arcsen 
g rifr  90
Applichiamo, ora, la legge di Snell al punto A di
ingresso del raggio nella fibra, tenendo presente
che il mezzo esterno alla fibra è l’aria (naria = 1):
n
1,48
seng e  core  sen 
 sen
naria
1
Osservando che:
  90  a lim
Si ottiene:
seng e 
1,48
1,48
 sen(90  a lim ) 
 cosa lim  1,48  cos80,6  0,242
1
1
Quindi:
apertura numerica
N . A.  seng e  0,242
angolo di accettazione
g e  acrsen(0,242)  14
cono di accettazione
2g e  28
Applichiamo, ora, la legge di Snell al punto A di
ingresso del raggio nella fibra, tenendo presente
che il mezzo esterno alla fibra è l’aria (naria = 1):
n
1,48
seng e  core  sen 
 sen
naria
1
Osservando che:
  90  a lim
Si ottiene:
seng e 
1,48
1,48
 sen(90  a lim ) 
 cosa lim  1,48  cos80,6  0,242
1
1
Quindi:
apertura numerica
N . A.  seng e  0,242
angolo di accettazione
g e  acrsen(0,242)  14
cono di accettazione
2g e  28