Università “Mediterranea” di Reggio Calabria - Facoltà di Ingegneria
Corso di
DISPOSITIVI E SISTEMI PER LE
COMUNICAZIONI IN FIBRA OTTICA
Prof. Ing. Riccardo Carotenuto
Anno Accademico 2007/2008
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SOMMARIO
• Obiettivi del Corso
• Introduzione
• Prospettiva storica
• Reti Ottiche
• Propagazione della luce nelle fibre ottiche
• Cenni di tecnologia sulla fabbricazione delle fibre ottiche
• Dispositivi emettitori di luce
• Dispositivi rilevatori di luce
• Analisi e Progetto di collegamenti ottici
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OBIETTIVI DEL CORSO
Obiettivi del Corso:
• Fornire gli elementi essenziali alla comprensione dei fenomeni
fisici e delle tecnologie alla base dei moderni sistemi di
comunicazione su fibra ottica.
• Fornire le nozioni tecniche per la progettazione di
collegamenti ottici tipo punto-punto.
Conoscenze richieste:
• Fisica ed Elettronica.
Testi di riferimento:
• L.D. Green, Fiber Optic Communications, CRC Press
• S.M. Sze, Fisica dei dispositivi a semiconduttore, Hoepli
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INTRODUZIONE: IL SISTEMA
Il Sistema di comunicazione basato su fibra ottica
• Sorgenti di luce
• La fibra ottica
• Rilevatori di luce
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INTRODUZIONE: STRUTTURA DEL SISTEMA
Il Sistema di comunicazione basato su fibra ottica
Il Trasmettitore Ottico: Il trasmettitore converte un segnale elettrico analogico o digitale in un corrispondente
segnale ottico. La sorgente del segnale ottico può essere un diodo a emissione di luce.
Il cavo a Fibra Ottica: Il cavo consiste di uno o più fibre di vetro che agiscono come una guida d’onda per il
segnale ottico. Il cavo è costruito in maniera simile ad un cavo elettrico, con speciali strati di protezione per le
fibre al suo interno. Per lunghezze superiori a qualche chilometro le fibre vengono giuntate con speciali giunti
ottici.
Il Ricevitore Ottico: Il ricevitore converte il segnale ottico nuovamente in una replica del segnale elettrico
originale di ingresso. Il rivelatore del segnale ottico è un fotodiodo PIN o ad effetto valanga
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INTRODUZIONE: IL TRASMETTITORE OTTICO
Il Trasmettitore Ottico converte il segnale elettrico di ingresso in luce modulata adatta
alla trasmissione su una fibra ottica.
A seconda della natura del segnale di ingresso, la luce può essere accesa o spenta
oppure la sua intensità variata tra due livelli predeterminati.
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INTRODUZIONE: SORGENTI DI LUCE
Le due sorgenti ottiche più comuni sono il LED ed il Diodo Laser. In un sistema a fibra ottica,
questi dispositivi sono incapsulati in un package che permette di posizionare la fibra molto vicino
alla regione di emissione della luce, in modo da iniettare o “lanciare” nella fibra quanta più luce
possibile. In particolare, l’accoppiamento può includere una piccola lente in grado di concentrare
nella fibra la maggior quantità di luce possibile, oppure la fibra è “saldata” (pigtailed) direttamente
sulla superficie di emissione.
I LED hanno una superficie di emissione relativamente estesa, ma non sono sorgenti di luce
potenti quanto i diodi laser. D’altra parte sono utilizzati per collegamenti brevi perché molto più
economici dei LD, abbastanza lineari in termini di funzione di trasferimento corrente di ingressointensità di luce in uscita, e sono stabili al variare della temperatura operativa.
I LD, hanno una superficie di emissione della luce relativamente piccola, e possono iniettare in
fibra molta più potenza dei LED, sono lineari in termine di luce in uscita-corrente in ingresso, ma
non sono stabili rispetto alle variazioni di temperatura e richiedono un circuito di controllo che li
stabilizzi. Il costo superiore li rende utilizzabili solo per lunghe tratte.
LED e LD operano nella porzione infrarossa dello spettro elettromagnetico e la loro luce non è
visibile per l’occhio umano. Le lunghezze d’onda a cui operano sono scelte per minimizzare le
perdite nelle fibre ottiche e sfruttare pienamente le caratteristiche di rivelazione dei fotodiodi.
Le più comuni lunghezze d’onda sono attualmente 850 nanometri, 1300 nanometri, and 1550
nanometri. LED e LD sono disponibili in tutte e tre queste lunghezze d’onda.
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INTRODUZIONE: SCHEMI DI MODULAZIONE
LED e LD possono essere modulati in due modi: on e off, oppure linearmente da un opportuno
circuito che si occupa di convertire il segnale elettrico di ingresso in corrente di base del
transistore pilota.
La velocità globale è determinata dal circuito di pilotaggio e dalla velocità inerente dei LED o LD.
Tipicamente, possono essere raggiunte velocità di molte centinaia di megahertz con i LED e
migliaia di megahertz con i LD.
L’amplificatore operazionale consente la modulazione lineare di LED o LD; lo schema consente
anche di fornire un bias DC facilmente. Per i LD si è omesso il circuito di stabilizzazione in
temperatura, non necessario per i LED.
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INTRODUZIONE: METODI DI MODULAZIONE
La modulazione digitale on/off di LED e LD può assumere diverse forme. La più semplice è
luce-on per rappresentare l’ ”1” logico e luce-off per rappresentare lo “0” logico.
Due altre forme comuni sono la pulse width modulation (PWM) e la pulse rate modulation
(PRM).
PWM: in un flusso continuo di impulsi una lunghezza d’impulso significa “1” e un’altra
rappresenta “0”.
PRM: gli impulsi sono tutti della stessa lunghezza ma la frequenza d’impulso cambia per
differenziare “1” e “0”.
Anche la modulazione analogica può assumere diverse forme. La più semplice è la
modulazione d’intensità, dove la luminosità del LED è variata in maniera direttamente
proporzionale al segnale trasmesso.
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INTRODUZIONE: FIBRA OTTICA
Una volta che il trasmettitore ha convertito il segnale elettrico di ingresso in un opportuna forma di luce
modulata, la luce deve essere iniettata (o “lanciata”) nella fibra.
Ci sono due metodi per accoppiare superficie di emissione e fibra: Il primo è attraverso saldatura diretta
(pigtailing). L’altro è posizionare l’estremità della fibra il più vicino possibile alla superficie di emissione della
luce. In questo caso, la quantità di luce che riesce a entrare nella fibra è funzione di quattro fattori principali:
Intensità: L’intensità di un LED o di un LD è una funzione del design ed è usualmente specificata come
potenza totale in uscita ad una data corrente di pilotaggio. A parità di altri fattori, maggiore è la potenza
luminosa, maggiore è la potenza che si riesce a iniettare nella fibra.
Area: La quantità di luce “lanciata” in una fibra è funzione dell’area della superficie di emissione rapportata
all’area della fibra in grado di accettarla. Minore è questo rapporto, maggiore è la luce che entra nella fibra.
Angolo di Accettazione (Acceptance Angle): L’angolo di accettazione è il doppio del massimo angolo che
un raggio di luce può formare con l’asse della fibra per potere entrare in essa.Questo angolo è espresso in
termini di Apertura Numerica. L’apertura Numerica (NA) è il seno di metà dell’angolo di accettazione di una
fibra. Tipici valori per NA vanno da 0.1 a 0.4 che corrispondono ad angoli da circa 11.47 a 47.15 gradi.
Perdite: Ci sono sempre delle perdite all’ingresso e all’uscita di una fibra ottica, dovuta al disadattamento di
impedenza ottica tra i mezzi, alla non perfetta planarità delle superfici di ingresso e uscita.
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