fibra ottica

Introduzione alle fibre ottiche
Struttura delle fibre ottiche
Una fibra ottica è sostanzialmente un
cilindro (solitamente in vetro) con una parte
centrale, detta “core”, con un indice di
rifrazione superiore alla parte esterna, detta
“cladding”.
Core n1
Cladding n2
Dimensioni tipiche
Le tipiche fibre in vetro ad alte prestazioni per lunga
distanza hanno le seguenti dimensioni
tipiche:
fibre multimodali
-diametro cladding: 125 μm
- diametro core: 65 μm
fibre monomodali
- diametro cladding: 125 μm
- diametro core: 9 μm
Perché il vetro?
Le fibre sono in vetro a causa della sua bassissima
attenuazione alle frequenze ottiche.
Il vetro utilizzato, deve però
essere estremamente puro:
dopanti utilizzati per innalzare
l’indice di rifrazione nel core:
TiO2, GeO2, P2O5, Al2O3
Lo spettro elettromagnetico ottico
UV
Visibile
Infrarosso
Prima Finestra (830nm) @1,2dB/Km
10
Terza Finestra (1550nm) @
0.2dB/Km
0.1
1
Rayleigh scattering
Assorbimento Infrarosso
Assorbimento UV
0.01
Attenuazione (dB/Km)
Seconda Finestra (1310nm) @ 0.4dB/Km
200
400
600
800
1000
1200
1400
Lunghezza d’onda (nm)
1600
1800
Perdite nelle fibre ottiche (1/2)
L’attenuazione del vetro ha un limite teorico a
1550 nm di 0.18 dB/km
Gran parte delle fibre commerciali hanno
un’attenuazione di 0.2 –0.22 dB/km a 1550 nm
Le migliori fibre attuali (pure-silica core fibers)
riescono a scendere a 0.18 dB/km.
Perdite nelle fibre ottiche (2/2)
L’attenuazione del vetro ha un limite teorico a
1550 nm di 0.18 dB/km
Gran parte delle fibre commerciali hanno
un’attenuazione di 0.2 –0.22 dB/km a 1550 nm
Le migliori fibre attuali (pure-silica core fibers)
riescono a scendere a 0.18 dB/km.
Perdite nelle fibre ottiche (2/2)
A 1300 nm l’attenuazione tipica è attorno a
0.4-0.5 dB/km.
A 850 nm l’attenuazione tipica è dell’ordine di
2-3 dB/Km.
Inoltre ogni connettore o giunto a fusione lungo
una fibra introduce una attenuazione concentrata
dell’ordine di 0.1-0.5 dB.
Fibre ottiche “step-index”
Fibre “step index” (1/2)
Le fibre più comuni sono di tipo “step index”,
caratterizzate da un salto netto di indice di
rifrazione dal core al cladding.
Fibre “step index” (2/2)
Un parametro importante per le fibre step-index
(oltre al diametro del core) è la differenza
relativa di indice di rifrazione, definita come:
n1 − n2
Δ=
n1
Per una fibra in vetro, i valori tipici sono:
0.01…0.001
n1=1.5
Principi di funzionamento delle fibre (1/2)
Per ottenere elevate prestazioni, durante la
propagazione in fibra, la luce deve rimanere
confinata (o “guidata”) nel core, senza diffondersi
verso l’esterno.
Il confinamento della luce è possibile grazie al
fenomeno della riflessione totale, che si verifica
sotto opportune condizioni di:
Angolo di lancio (deve essere sufficientemente
parallelo all’asse della fibra);
Valore di D.
Principi di funzionamento delle fibre (2/2)
ϑ0
Raggio
guidato
Raggio
non
guidato
Core n1
Cladding n2
Aria n0
Principi di funzionamento delle fibre (2/2)
I raggi che entrano
nella fibra entro un
angolo θ0,max
detto “acceptance
angle” risultano
guidati.
Questo angolo è dato
dalla formula:
⎛ n2 − n2 ⎞
ϑ0,max = arcsin ⎜ 1 2 ⎟
⎜ n0 ⎟
⎝
⎠
⎛ 2n1Δ ⎞
≅ arcsin ⎜
⎟
n
⎝ 0 ⎠
ϑ0
Raggio
guidato
Raggio
non
guidato
Core n1
Cladding n2
Aria n0
Accoppiamento fibra sorgente (1/2)
Una sorgente ottica deve emettere raggi entro
l’acceptance angle di una fibra affinché
l’accoppiamento fibra-sorgente sia efficiente.
17°
Accoppiamento fibra sorgente (2/2)
Esempio numerico:
Se Δ=0.02 e n1=1.5 (valore tipico per fibre multimodali),
risulta θ0,max=17°
Accoppiamento fibra-fibra (1/2)
Per l’accoppiamento tra due fibre, è altrettanto
importante l’allineamento dei due assi.
La precisione deve essere migliore del diametro
del core.
Accoppiamento fibra-fibra (2/2)
Per fibre singolo modo, l’allineamento deve
avere una precisione dell’ordine di pochi μm
Errore di allineamento inferiore
(di molto) al diametro del core
Connettori per fibre
I connettori per fibre ottiche
singolo modo devono avere
precisioni meccaniche
dell’ordine di 1 μm.
Questo comporta elevati costi
per connettore.
Le perdite per connettore sono
comunque tipicamente
superiori a 0.1 dB.
L’accoppiamento tra due fibre
può anche essere fatto con
giunti a fusione, ottenendo
perdite inferiori a 0.1 dB.