Fisica fibra ottica

Introduzione

Lo sviluppo crescente di nuove applicazioni induce alla nascita nuovi bisogni altrimenti inimmaginabili.

In ambito informatico ciò porta ad una sempre maggiore richiesta di banda per l’utente finale.
Quindi è necessario un potenziamento notevole delle reti di trasmissione.
La fibra ottica sembra essere la soluzione definitiva al problema, in quanto la banda passante, è teoricamente infinita.

Ma cos'è la fibra ottica?

In prima battuta possiamo dire che è una cannetta costituita da due tubi (uno all’interno dell’altro) molto piccola.
Generalmente realizzata in materiale vetroso e in cui - per qualche strano fenomeno - la luce resta imprigionata, e pertanto può venire trasportata.
Una fibra ottica è costituita da due parti: un nucleo (detto anche core) e un mantello (cladding).

Concettualmente la fibra ottica si può immaginare come una canna dell’acqua: la luce rimane all’interno di un materiale (aria nella canna, vetro nella fibra) e non esce all’esterno del secondo materiale (plastica nella canna, cladding nella fibra).

 

Le fibre ottiche non sono un ritrovato dell’ultima ora: la loro storia è abbastanza lunga, infatti i primi esperimenti di guida della luce (tramite l’utilizzo di acqua e aria) vennero svolti nel XIX secolo.
Con gli inizi del ’900 (1910- formulazione della teoria della propagazione di un’onda elettromagnetica all’interno di una guida) sono state gettate le fondamenta teoriche di ciò che avrebbe poi portato alla fibra.
Ma ci volle quasi mezzo secolo per la comparsa delle prime applicazioni (endoscopi)!
Nessuno però pensava di usare queste scoperte (altamente inaffidabili) al fine della comunicazione. Questo perché avrebbero comportato perdite di dati, grandi attenuazioni e distorsione di segnali.
Grazie all’invenzione del laser (1962) e agli studi sui vetri a basse perdite (1966) si poté giungere a quelle che meritatamente sono chiamate fibre ottiche moderne.
Da questo momento in poi è sorta una competizione tra le principali aziende produttrici che ha portato ai livelli attuali la fibra.

 

Per comprendere il funzionamento della fibra ottica bisogna analizzare due fenomeni che intervengono nella trasmissione:rifrazione e riflessione totale.

Ogni materiale ha una proprietà intrinseca detta indice di rifrazione.
Tale indice può essere definito come il rapporto tra la velocità di propagazione della luce nel vuoto (o nell’aria c=3*108 m/s) e la velocità della luce nel mezzo considerato.
Immaginiamo un raggio di luce che colpisce una superficie di separazione fra un mezzo e l’altro. Il raggio (detto raggio incidente) si dividerà in due: una prima parte sarà riflessa e rimarrà nel primo materiale (raggio riflesso), una seconda (raggio rifratto) passerà nel secondo (con un angolo diverso).
Gli angoli formati dai raggi incidente, riflesso, rifratto con la perpendicolare al punto di incidenza, sono detti rispettivamente angolo di incidenza, angolo di riflessione e angolo di rifrazione.
Per la legge di riflessione si verifica che l’angolo di incidenza è pari all’angolo di riflessione.
Per la legge di rifrazione si può affermare che il rapporto tra il seno dell’angolo di incidenza ed il seno dell’angolo di rifrazione è costante e pari al rapporto tra gli indici di rifrazione del primo e del secondo mezzo.

Nell’immagine qui sopra si possono vedere tre situazioni possibili. L’angolo 2 è il cosiddetto angolo critico, l’ angolo cioè per il quale il raggio rifratto è radente alla superficie di separazione.
Il primo raggio incide tale superficie con un angolo inferiore all’angolo critico.
Il risultato è che la maggior parte del raggio passa nel secondo mezzo, solo una piccola parte (trascurabile) rimarrà all’interno del primo materiale.
Il secondo raggio incide la superficie di separazione con un angolo superiore a q2.In questo caso il raggio rifratto manca del tutto! Si ha perciò un fenomeno di riflessione totale, che significa riflettere totalmente l’energia. Pertanto il secondo raggio rimarrà sempre all’interno del primo mezzo.
L’angolo limite, ovviamente, varia al variare degli indici di rifrazione (q arcsen n1/n2).
Se la condizione della totale riflessione non è rispettata (q minore dell’angolo critico), accade che i raggi entranti con forte inclinazione, vengono rifratti (nel secondo mezzo) e dopo un breve percorso il raggio di luce si esaurisce completamente, a causa delle ripetute rifrazioni che indeboliscono il segnale.

 

 

Una caratteristica da tenere in considerazione per una fibra ottica è l’apertura numerica.
Una fibra non è in grado di ricevere tutta l’energia luminosa che incide all’estremità, ma parte di essa si disperde senza entrare.
Si definisce dunque un cono di accettazione, entro il quale il segnale luminoso passa all’intero,ed all’esterno del quale il segnale si disperde.

Nell’immagine qui sopra si può notare, evidenziato in verde, il cono di accettazione ed in rosso l’angolo di accettazione.
Mentre il primo è una figura tridimensionale, il secondo è bidimensionale.
Se il raggio luminoso è esterno al cono (con angolo >q) allora non subisce riflessione totale, ma si disperde nel mantello o nell’aria.
Il termine sen(q) prende il nome di apertura numerica (NA).L’apertura numerica permette di stabilire i limiti angolari entro i quali la propagazione della luce avviene in modo guidato.

I cavi ottici
Per proteggere e tutelare le fibre si realizzano delle strutture chiamate cavi ottici, che, oltre a garantire il grado di protezione, permettono di potenziare la capacità del mezzo, raggruppando più fibre ottiche in un unico supporto fisico. La connessione verso il cavo di trasmissione e ricezione viene realizzata tramite dispositivi detti connettori.
Prima del cablaggio, ogni singola fibra è ricoperta con un rivestimento primario di diametro compreso fra i 200 e i 250 μm. Per facilitare l’assemblaggio ed aumentare ulteriormente la resistenza meccanica si usa un rivestimento secondario. Tale rivestimento ha il compito di evitare le cosiddette microfratture (rotture interne della fibra) che possono essere causate da abrasioni meccaniche, dalle curvature o dall’umidità.
Esso normalmente è costituito da materiale plastico e può essere realizzato in due modi:

• Aderente
• Lasco

 

Nel primo caso il rivestimento è formato da due strati: quello interno, molto elastico, serve per assorbire le sollecitazioni trasversali, l’altro serve per aumentare la resistenza assiale della fibra. Questo metodo presenta vantaggi e svantaggi:tra i vantaggi possiamo annoverare una buona resistenza meccanica, dimensioni ridotte e una facile connessione. Tra gli svantaggi, dobbiamo invece tener conto della sensibilità agli sforzi dovuti alle microcurvature, l’aumento dell’attenuazione in seguito all’operazione di rivestimento e la sensibilità alle variazioni di temperatura.
Nel secondo caso la protezione è garantita da un tubetto di materiale plastico con elevata resistenza meccanica, all’ interno del quale la fibra si dispone in modo elicoidale.
Questa struttura prevede svantaggi in termini di dimensioni (i cavi diventano ingombranti), ma come vantaggi abbiamo un’ottima resistenza meccanica, una minore sensibilità alle variazioni di temperatura e l’attenuazione non aumenta dopo il rivestimento della fibra.
Un cavo in fibra ottica può contenere fino a 1152 fibre, in quanto la dimensione di ognuna è estremamente ridotta (125 micron). Ogni singola fibra può essere coperta anche da 5 rivestimenti diversi (Kevlar, silicone, nylon, ecc.).

Evoluzione
Le prime fibre erano in grado di trasportare fino a 2 Mbit/s poiché presentavano notevoli problematiche. Oggigiorno siamo in grado di trasportare fino a 10Gbit/s quindi siamo giunti ad un livello molto superiore, ma la nuova frontiera da raggiungere sono i 40 Gbit/s.

 

Tecniche trasmissive

Esistono molte tecniche che permettono di aumentare la capacità trasmissiva, la più importante delle quali è certamente la multiplazione.
Nelle fibre ottiche viene usata un nuovo genere di multiplazione: la DWDM(Dense Wavelenght Division Multiplexing): multiplazione a divisione di lunghezza d’onda.
E’ noto che il segnale luminoso è formato da diverse lunghezze d’onda. Se associamo un singolo segnale ad un insieme di lunghezze d’onda otteniamo un segnale all’uscita distorto, poiché (all’interno della fibra ottica) lunghezze d’onda diverse viaggiano a diverse velocità. Questo è il problema della dispersione di spettro.
Ma se associamo a diverse lunghezze diversi canali, possiamo trasmettere più dati. Normalmente vengono impiegate fino a mille lunghezze d’onda diverse!
Grazie a questa tecnica possiamo far compiere un balzo molto elevato alla capacità trasmissiva della fibra senza modificarla minimamente.

Sistema di trasmissione
In un sistema di trasmissione che sfrutta la fibra ottica, possono essere presenti numerosi componenti:

• Convertitori (trasformano il segnale elettrico in segnale ottico e viceversa)
• Switch (permettono l’ instradamento su più linee)
• Multiplexer (permettono il passaggio di più segnali su una stessa linea)
• Demultiplexer (il contrario)
• Amplificatori ottici (ristabiliscono il livello del segnale)
• Filtri (correggono il segnale)
• Compensatori (eliminano i problemi di dispersione cromatica)

 

Tutte queste funzioni sono oggi ottenute tramite l’utilizzo di componenti molto avanzati.

Un semplice sistema di trasmissione funziona generalmente in questa maniera:

Il segnale elettrico passa attraverso un convertitore ottico che lo traduce in un segnale luminoso. Un multiplexer provvede poi a trasmettere sulla stessa fibra più segnali luminosi provenienti da sorgenti diverse.
La fibra ottica provvede poi a far giungere il segnale a destinazione; a questo punto i segnali vengono divisi da un demultiplexer e, dopo una riconversione è possibile ottenere il segnale elettrico di partenza.

Un po’ di conti...
Considerando che ogni fibra può contenere fino a 1000 canali (colori o lunghezze d’onda), ciascuno con capacità di 10 Gb/sec, e ogni cavo può essere composto da 1152 fibre, otteniamo che un cavo in fibra può trasportare ben 11.5 Peta bit al secondo. Molto di più di quanto è capace di generare il più grosso supercomputer al mondo.

Realizzazione tecnologica
Per la realizzazione delle fibre ottiche, attualmente, vengono impiegati due tipi di materiali:vetri a molte componenti e silice drogata.
Naturalmente in entrambi i casi il materiale di base è la silice. Nel primo caso i vetri sono costituiti da sodio/calcio o da sodio/boro silicati. L’unico inconveniente risulta essere l’attenuazione abbastanza elevata a causa delle impurità. Si è constatato che ogni parte per milione di ciascun elemento estraneo presente, causa perdite dell’ordine di alcune decine di dB. Si è potuto aggirare tale problema realizzando delle fibre ottiche con silice drogata, in effetti, le fibre ottiche appartenenti a questa famiglia sono attualmente le più utilizzate. Le tecniche per la realizzazione delle fibre ottiche risultano molto sofisticate, esse consistono nella deposizione chimica tramite vaporizzazione. Tali tecniche vengono chiamate CVD.

Tutti i canali che trasmettono i segnali li modificano in parte, a causa di svariati problemi.
Le fibre ottiche sono immuni ai disturbi elettromagnetici, i problemi principali sono l’attenuazione e la dispersione.
L’attenuazione consiste in una riduzione del segnale in termini di ampiezza, mentre la dispersione consiste in un alterazione (allargamento) del segnale in termini di tempo.

Dispersione                                Attenuazione

Attenuazione
Le zone in cui si può verificare attenuazione sono:

• Lungo la fibra
• Nelle connessioni fra due fibre (sulle giunture ottiche)
• Nell’accoppiamento tra sorgente e fibra
• Nell’accoppiamento tra fibra e rilevatore

 

L’attenuazione è dovuta a diversi fattori, riconducibili a due famiglie: perdite dovute alla realizzazione tecnologica e perdite dovute a interconnessione tra fibre ottiche.
In entrambi i casi si possono imputare delle cause di tipo intrinseco (ineliminabili) che dipendono dalle caratteristiche delle fibre, e di tipo estrinseco (non eliminabili del tutto, ma migliorabili).

 

Perdite dovute alla realizzazione tecnologica

• Perdite intrinseche
• Diffusione
• Assorbimento

 

• Perdite estrinseche
• Irradiazione (curvature)

Perdite dovute all’interconnessione fra fibre ottiche

• Perdite intrinseche
• Differenza fra indici di rifrazione
• Differenza di NA
• Differenza fra diametri del core

 

• Perdite estrinseche
• Errori di disassamento
• Errori di separazione
• Disallineamento angolare

Analizzeremo ora tutti i tipi di perdite dovuti all’ attenuazione:

Perdite per diffusione (scattering)
E’ un effetto di sparpagliamento del raggio luminoso in tutte le direzioni a causa della disomogeneità nella struttura della fibra. Tali difetti sono dovuti alla presenza di particelle metalliche e bolle d’aria. Poiché i raggi diffusi presentano angoli diversi da quelli che garantiscono la riflessione totale, escono dal core e si disperdono nel mantello. In questo modo si hanno perdite di energia ineliminabili, poiché dipendono dal trattamento subito dal materiale durante la fase di lavorazione.

In questo disegno è rappresentato il fenomeno di scattering

Perdite per assorbimento
L’assorbimento è un fenomeno dovuto alla presenza di particolari ioni nei materiali della fibra. Nonostante il sofisticato trattamento delle fibre, infatti, permangono sempre delle piccole quantità di sostanze che manifestano maggior assorbimento a particolari lunghezze d’onda. Perciò è stato stabilito che i sistemi ottici operino su tre intervalli di lunghezza d’onda, detti finestre, all’interno dei quali il fenomeno di assorbimento risulta limitato.

Finestra	Lunghezza d’onda	Impiego
Prima	800-900nm	Collegamenti urbani senza ripetitori
Seconda	1250-1350nm	Sistemi a banda larga,collegamenti fino a 100Km senza ripetitori
Terza	1500-1550nm	Sistemi attuali e in fase di sviluppo

Perdite per curvature
Le fibre ottiche sono spesso sottoposte a sollecitazioni meccaniche di tipo direzionale.
Queste però, provocano una dispersione del raggio incidente, poiché l’angolo di incidenza viene modificato, facendo superare (almeno a qualche percorso di raggi) l’angolo critico, e facendo disperdere, così, il segnale. Per ridurre queste perdite si usano dei rivestimenti secondari di tipo lasco.

Dispersione dovuta alla curvatura di una fibra ottica:

Differenza fra gli indici di rifrazione
La differenza fra gli indici di rifrazione di due fibre giuntate insieme determina delle perdite,perché il raggio luminoso passando da un mezzo ad un altro viene trasmesso solo in parte. La perdita è la stessa in entrambe le direzioni, e l’attenuazione è trascurabile, quando gli indici di rifrazione del core sono uguali.

Differenza fra aperture numeriche
Questa differenza comporta delle perdite solo quando la prima fibra ha NA maggiore della seconda (relativa al lato destinazione), poiché alcuni dei raggi in ingresso alla seconda possono venire dispersi.

Differenza fra diametri del core
Anche in questo caso la perdita viene solo se il diametro della fibra destinazione è più piccola, poiché le perdite sono dovute al fatto che alcuni raggi rimbalzano indietro. Nel caso opposto, invece, non si hanno perdite, perché questo fenomeno non avviene.

Perdite per errori di disassamento o disallineamento assiale
Tali perdite sono dovute alla non perfetta coincidenza degli assi del core o dei cavi ottici delle due fibre che si devono connettere.

Perdite per errori di separazione o accostamento
Nel tentativo di connettere due fibre ottiche,a volte, si verifica un imperfetto contatto tra di esse. In altre parole esse sono affacciate,ma non a contatto, per cui esiste un terzo mezzo in cui passa il segnale luminoso, prima di entrare nella seconda fibra.

Perdite per errore di disallineamento angolare
Si verificano nel caso in cui gli assi delle due fibre da connettere formano un certo angolo.

Dispersione
La dispersione causa invece una riduzione della banda e i segnali in uscita hanno tempi di salita e discesa maggiori.
La dispersione può essere di due tipi: modale e cromatica (o di spettro).
Si consideri un’ impulso luminoso di breve durata che si propaga in una fibra ottica. I percorsi di propagazione, seguiti dai raggi di luce sono diversi, e pertanto anche i tempi impiegati. E’ ovvio, che alcuni raggi, percorrendo meno spazio (angoli di incidenza minori), giungano all’altra estremità della fibra prima di altri. Tale fenomeno di ritardo temporale viene chiamato dispersione modale. La conseguenza di questo fenomeno è la degradazione della forma dell’impulso, cioè rende l’impulso di origine deformato (allargato e appiattito).
Poiché il massimo ritardo dipende dalla lunghezza della fibra, risulta che la deformazione è direttamente proporzionale a questa.
Per diminuire questo tipo di dispersione vengono utilizzate fibre graded-index oppure fibre monomodo.
La dispersione di spettro invece è dovuta al fatto che lunghezze d’onda diverse viaggiano a velocità diverse nella fibra (l’indice di rifrazione varia al variare della lunghezza d’onda).
Per limitare questo problema si utilizzano sorgenti luminose come laser che possiedono banda emissiva molto ridotta.

All’interno della fibra ottica, dunque, il segnale viene trasmesso per riflessione.
Possiamo, però, fare alcune suddivisioni fra diversi tipi di fibre.
Esistono fibre di tre tipi:

• multimodo graded index;
• multimodo step index;
• monomodo step index.

 

Una fibra si dice multimodale, se i segnali luminosi al suo interno possono seguire diversi percorsi:

Viceversa di dice monomodale, se il segnale luminoso può seguire un solo tragitto:

Rispetto ad una fibra multimodo, è evidente che il nucleo ha dimensioni molto più ridotte(dai 4 ai 10 µm), tali da permettere il passaggio di un solo segnale!

Una fibra è step-index se il core ha un indice di rifrazione costante ed esiste un brusco cambiamento fra gli indici del core e del cladding. In questa maniera i raggi rimbalzano bruscamente sulla superficie di separazione fra core e cladding.

Viceversa, è graded-index se, all’interno del nucleo, l’indice di rifrazione varia con legge parabolica (decresce movendosi verso l’esterno). I modi di propagazione seguono dunque percorsi non più rettilinei, bensì elicoidali. I raggi che si allontanano di più dall’asse della fibra seguono percorsi più lunghi, ma viaggiano più velocemente; quelli più vicini al centro, viceversa, si muovono più lentamente;in questa maniera si ottiene una compensazione che limita la dispersione modale.

 

 

VANTAGGI	SVANTAGGI
Alta qualità di segnale	Costi di installazione *
Lungo passo di ripetizione	Accessori costosi *
Assenza di equalizzazione	Connessione tra fibre ottiche
Peso ed ingombro ridotti	Problemi di standardizzazione
Resistenza alle situazioni ambientali difficili	Costosa realizzazione costruttiva *
Immunità dai disturbi elettromagnetici esterni	Strumenti di prova costosissimi *
Isolamento elettrico fra trasmettitore e ricevitore	Tecnologia in rapida evoluzione, con componenti base ancora in fase di sviluppo
Assenza di diafonia
Bassi valori di attenuazione
Costante rapporto attenuazione/frequenza
Larga banda di frequenza
Elevato numero di canali di comunicazione su un’unica fibra
Costo per Mbit trasmesso ridotto

* i costi sono però in continua diminuzione

 

Attualmente le fibre ottiche trovano impiego nei sistemi telefonici, e nelle comunicazioni in campi speciali (militare,ecc.) in cui si richiede maggior sicurezza riguardante la segretezza del messaggio,in zone in cui gli agenti atmosferici risultano corrosivi,reti locali a larga banda,reti a bordo di navi e aerei, reti nel campo medico ospedaliero, reti per controlli industriali e svariati altri campi.

 

 

La larga banda accelera il business

Tecnologie e disegno per la progettazione elettronica 2 (Portaluri – Bove)

Telecomunicazioni (A. Kostopoulos)

 

http://www.network-electronics.com/

 

 

Amplificatori ottici: dispositivi che aumentano l’ampiezza del segnale ottico (servono per ripristinare il segnale originale dopo un percorso).

Angolo di incidenza: è l’angolo con cui il raggio luminoso colpisce la superficie di separazione.

Apertura numerica: coefficiente che determina l’ampiezza del cono di accettazione.

Cladding: parte della fibra otticail cui compito è evitare la dispersione della luce verso l’esterno.

Convertitore ottico: sistema che trasforma il segnale elettrico in segnale ottico (o viceversa).

Core: nucleo della fibra ottica.

Monomodo: tipologia di fibra che ammette solo 1 percorso del raggio all’interno del nucleo.

Multiplexer:dispositivi che permettono il passaggio di più segnali su una stessa linea.

Multimodo: tipologia di fibra che permette a più raggi di viaggiare in parallelo al suo interno.

Rifrazione: fenomeno per il quale un raggio luminoso passa da un mezzo all’altro.

Riflessione totale: fenomeno per il quale un raggio luminoso rimbalza mantenendo la stessa intensità.

Scattering: fenomeno per il quale un raggio di luce viene frammentato in più raggi che seguono direzioni diverse.