Fibra Ottica
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Fibra Ottica

FIBRA OTTICA

 

 

Le fibre di vetro sono un materiale utilizzato per la produzione di materiali compositi ovvero materiali strutturali avanzati in cui diversi componenti sono integrati tra loro per produrre un materiale di caratteristiche meccaniche o tecniche superiori.

L’esperienza comune dice che il vetro monolitico è un materiale fragile. Se esso invece viene filato a diametri d’ordine inferiore al decimo di millimetro perde la sua caratteristica fragilità per divenire un materiale ad elevata resistenza meccanica e resilienza. La fragilità del vetro comune è dovuta al gran numero di difetti della cristallizzazione che agiscono come microfratture e zone di concentrazione degli sforzi. Al contrario la fibra di vetro non presenta tutti questi difetti, per cui raggiunge resistenze meccaniche prossime alla resistenza teorica del legame covalente.

Si distinguono vari tipi di fibre a seconda delle loro caratteristiche, che ne condizionano l’impiego.

Le fibre di vetro sono largamente utilizzate nella produzione di compositi strutturali in campo aerospaziale, nautico, automobilistico, associati a matrici diverse, ad es. poliammidiche o epossidiche, ma comunque resine sintetiche. Non vengono solitamente impiegate nella realizzazione di compositi con matrici metalliche o ceramiche per le quali, al di là del problema tecnologico dovuto all’alta temperatura in produzione, si preferisce l’impiego di fibre con prestazioni migliori, ad es. le fibre di carbonio, in relazione all’alto costo di produzione.

compositi a fibre ottiche risultano economici, tecnologicamente semplici da produrre e hanno ottime caratteristiche meccaniche a basse temperature d’esercizio.

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Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre la luce. Sono normalmente disponibili sotto forma di cavi.

Sono flessibili, immuni ai disturbi elettrici ed alle condizioni atmosferiche più estreme, e poco sensibili a variazioni di temperatura.

Hanno un diametro di 125 μm (circa le dimensioni di un capello) e pesano molto poco: una singola fibra pesa infatti circa 60 g/km, compresa la guaina che la ricopre.

Le fibre ottiche sono classificate come guide d’onda dielettriche. Esse, in altre parole, permettono di convogliare al loro interno un campo elettromagnetico di frequenza sufficientemente alta (in genere in prossimità dell’infrarosso) con perdite estremamente limitate. Vengono comunemente impiegate nelle telecomunicazioni anche su grandi distanze e nella fornitura di accessi di rete a larga banda (dai 10 Mbit/s al Tbit/s usando le più raffinate tecnologie WDM).

Il costo dei cavi in fibra ottica varia dai 4000 euro/km di fibra nei piccoli centri (con cavi di spessore molto più contenuto) ai 10000 euro/km di fibra nelle città, cui sono da aggiungere i costi dello scavo per l’interramento e le licenze comunali per aprire i cantieri (dove richieste anche se per opere di pubblica utilità). Varie municipalizzate e operatori di telecomunicazioni stanno costruendo reti proprietarie in fibra ottica con ampiezza di banda che arriva a 10 Mbit/s in accesso, indispensabili per la TV via Internet e la  videoconferenza.

Varie società sono dotate di una rete capillare e proprietaria in fibra ottica. La legge impone l’interoperabilità delle reti su doppino, non su altro mezzo trasmissivo; per cui, anche in assenza di copertura ADSL e per pubblica utilità, il privato decide autonomamente se e quando entrare nel mercato con un’offerta commerciale. Fra le società citate: la rete di Autostrade S.p.A. (che connette insegne luminose, telecamere, Telepass), la rete ENEL per uso interno di controllo della domanda e offerta d’energia sulla rete, RAIBT ITALIA, la rete GARR che collega le università italiane, vari operatori di telefonia mobile in quanto le celle-ripetitori sono collegate anche in fibra ottica, le reti di accesso wireless per il collegamento degli hotspot con la rete di trasporto.

Costituzione

 

Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso.

 

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Diagramma di fibra ottica in single mode (SM): 1.- Core 8 µm; 2.- Cladding 125 µm; 3.- Buffer 250 µm; 4.- Jacket 400 µm.

 

Il core presenta un diametro molto piccolo di ~ 10 μm per le Monomodali e 50 μm per le Multimodali mentre il cladding ha un diametro di ~ 125 µm. I due strati sono realizzati con materiali con indice di rifrazione leggermente diverso, il cladding deve avere un indice di rifrazione minore (tipicamente vale 1,475) rispetto al core (vale ~ 1,5). Come ulteriore caratteristica il mantello (buffer) deve avere uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell’onda evanescente, caratteristica della luce trasmessa in modo da catturare la luce che non viene riflessa nel core. La fibra ottica funziona come una specie di specchio tubolare. La luce che entra nel core ad un certo angolo (angolo limite) si propaga mediante una serie di riflessioni alla superficie di separazione fra i due materiali del core e del cladding. All’esterno della fibra vi è una guaina protettiva polimerica detta jacket che serve a dare resistenza agli stress fisici e alla corrosione ed evitare il contatto fra la fibra e l’ambiente esterno. Diversi tipi di fibre si distinguono per diametro del core, indici di rifrazione, caratteristiche del materiale, profilo di transizione dell’indice di rifrazione e drogaggio (aggiunta di piccole quantità di altri materiali per modificare le caratteristiche ottiche). Il core e il cladding della fibra ottica possono essere realizzati in silice oppure in polimeri plastici.

 

Silice

 

La fibra ottica è una singola fibra di vetro. Le fibre vengono realizzate a partire da silice ultrapura, la quale viene ottenuta dalla reazione fra il tetracloruro di Silicio e l’Ossigeno. Nel Silicio destinato alla produzione del core viene aggiunto del Germanio (sotto forma di tetracloruro di Germanio) in modo da aumentarne l’indice di rifrazione senza variarne l’attenuazione.

Nella silice destinata al cladding invece viene aggiunto del Boro allo scopo di ridurne l’indice di rifrazione. Il principale svantaggio delle fibre ottiche realizzate in silice è la loro fragilità. A causa del diametro estremamente ridotto esse hanno anche una piccola apertura numerica (NA ≈ 0.16) e sono difficili da raccordare.

 

 

Polimeri

 

La fibra è costituita da una materia plastica. Queste fibre ottiche polimeriche sono molto più facili da maneggiare rispetto alle fragili fibre realizzate in vetro. La dimensione del core è molto più grande (1 mm) rispetto alle fibre in silice, quindi si ha un’apertura numerica più elevata e la possibilità di realizzare fibre multimodali. Tuttavia questo tipo di fibre ottiche ha un’attenuazione abbastanza elevata e una scarsa resistenza termica.

 

Funzionamento

 

Uno studio rigoroso della fisica delle fibre ottiche richiede concetti di ottica quantistica.

Usando un paragone di ottica classica, nelle fibre ottiche avviene un fenomeno di riflessione totale interna, per cui la discontinuità dell’indice di rifrazione tra i materiali del nucleo e del mantello intrappola la radiazione luminosa finché questa mantiene un angolo abbastanza radente, in pratica finché la fibra non compie curve troppo brusche.

 

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Funzionamento della fibra ottica step-index.

In figura è rappresentato come due raggi luminosi, cioè due treni di radiazione elettromagnetica, incidono sull’interfaccia tra nucleo e mantello all’interno della fibra ottica. Il fascio a incide con un angolo θa superiore all’angolo critico di riflessione totale e rimane intrappolato nel nucleo; il fascio b incide con un angolo θb inferiore all’angolo critico e viene rifratto nel mantello e quindi perso. È importante ricordare che in ottica si indica l’angolo tra la radiazione e la normale alla superficie, cioè 90°-α dove α è l’angolo, più intuitivo ma più scomodo da utilizzare, tra la radiazione e la superficie.

 

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All’interno di una fibra ottica il segnale può propagarsi in modo rettilineo oppure essere riflesso un numero molto elevato di volte. Il modo di propagazione rettilineo si dice di ordine zero.

Le fibre monomodali consentono la propagazione di luce secondo un solo modo hanno un diametro del core compreso tra 8 µm e 10 µm, quelle multimodali consentono la propagazione di più modi, e hanno un diametro del core di 50 µm o 62.5 µm. Il claddingha tipicamente un diametro di 125 µm. È possibile conoscere a priori il numero di modi possibili Nm per una radiazione di lunghezza d’onda λ che attraversa una fibra step-index di diametro d con apertura numerica NA.

 

Nm = 0.5 * image005M =image005

 

Le fibre multimodali permettono l’uso di dispositivi più economici, ma subiscono il fenomeno della dispersione intermodale, per cui i diversi modi si propagano a velocità leggermente diverse, e questo limita la distanza massima a cui il segnale può essere ricevuto correttamente.

Le fibre monomodali di contro hanno un prezzo molto più elevato rispetto alle multimodali, ma riescono a coprire distanze e a raggiungere velocità nettamente superiori.

Le fibre multimodali possono essere divise ulteriormente in fibre step index e graded index.

Nelle fibre step index l’indice di rifrazione è costante lungo tutta la sezione del core e cambia improvvisamente allorquando si incontra il cladding. Nelle fibre graded index l’indice di rifrazione cambia gradualmente dal core al cladding, permettendo l’uso di luce multicromatica.

 

Dispersione

 

Lavorando con fenomeni fisici ad elevatissima frequenza (le onde luminose), con le fibre ottiche sarebbero idealmente possibili velocità di trasmissione molto elevate. In pratica, però, intervengono dei fattori fisici che limitano la banda di trasmissione possibile in una fibra ottica.

Dispersione modale: fenomeno dovuto al fatto che il raggio luminoso non viaggia all’interno della fibra secondo un cammino prefissato, ma secondo un numero finito di modi (derivanti dalla legge di Snell).

Vi saranno modi attraverso i quali il raggio arriva più velocemente a destinazione, altri che invece lo fanno arrivare più tardi (il primo caso limite è il modo che percorre la fibra ottica completamente dritto; il secondo caso limite è il raggio che entra nella fibra con angolo uguale all’angolo limite di accettazione, e deve quindi eseguire un numero molto alto di riflessioni. Ovviamente, un percorso del tutto dritto è più veloce di un percorso a zig-zag).

A causa di questo, la forma del segnale originario viene dilatata nel tempo, e se la frequenza è troppo alta può arrivare a confondersi con l’impulso seguente (interferenza intersimbolica), impedendo dunque di leggere il segnale originario.

Per ovviare a questo inconveniente, si possono utilizzare fibre multimodali graded index (nelle quali l’indice di rifrazione varia con continuità del centro del core fino al cladding) o fibre monomodali.

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Dispersione cromatica: fenomeno dovuto al fatto che la luce pura che viene trasmessa si compone in realtà di fasci di luce di colore diverso, con lunghezza d’onda e velocità di attraversamento diverse.

Si ha lo stesso problema visto sopra: può capitare che il fascio luminoso di colore rosso (il più lento) si confonda con il fascio luminoso di colore violetto (il più veloce) dell’impulso seguente, rendendo impossibile la decodifica del segnale originario. Per risolvere questo problema si utilizza led monocromatici per trasmettere la luce.

 

Meccanismi di perdita in fibra ottica

 

Idealmente, le fibre ottiche sono un mezzo di trasmissione perfetto. Infatti, oltre a non risentire in nessun modo di disturbi elettromagnetici o di diafonia, se strutturate adeguatamente per garantire la riflessione totale del segnale d’ingresso teoricamente permettono di trasferire completamente la potenza in ingresso nell’uscita.

In pratica, però, intervengono dei fenomeni fisici che causano delle perdite di potenza lungo la fibra; tali perdite, solitamente valutate statisticamente in db/km, sono dovute a:

 

  • proprietà intrinseche del mezzo;
  • presenza di impurità all’interno del materiale;
  • specifiche delle guide dielettriche aperte.

 

Perdite per assorbimento

 

Il materiale di cui sono realizzate le fibre ottiche è costituito da macromolecole che interagiscono fra di loro tramite forze dette di van der Waals. Normalmente queste macromolecole possono ruotare intorno ad un asse o possono vibrare.

Durante questi movimenti queste molecole assorbono la radiazione, vibrano, e possono emetterne dell’altra. La loro condizione di risonanza si innesca per alcune particolari lunghezze d’onda.

Qualunque materiale che è trasparente ad una radiazione risulta inevitabilmente opaco ad un’altra lunghezza d’onda. Ad esempio il vetro è trasparente nel campo del visibile (≈ 400 nm ÷ 750 nm) mentre risulta opaco nel campo dell’infrarosso (≈ 750 nm ÷ 1000 nm). Quindi le fibre realizzate in vetro sono utilizzabili solo con sorgenti di luce visibile

Durante il processo di fabbricazione la fibra tende inevitabilmente ad assorbire il vapore acqueo. Nel vapore, così come nel vetro sono presenti dei gruppi OH. Ad alcune particolari frequenze le molecole OH vengono eccitate e assorbono energia elettromagnetica (lunghezza d’onda di 1 μm) causando perdite.

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Distorsioni nella fibra ottica.

 

Perdite per diffrazione (Rayleigh scattering)

 

Le perdite di segnale per diffrazione sono causate da:

 

  • anisotropia di polarizzabilità;
  • fluttuazioni di densità del mezzo;
  • piccole (≈ 0.1*λ) irregolarità del mezzo.

 

Queste imperfezioni causano una lieve diffrazione del segnale. Ciò non è legato ad una perdita di energia ma ad una perdita di potenza. Nel vetro questa perdita è pari a: α ≈ 0.7 λ − 4 [dB/km]. Le perdite di segnale per effetto della diffrazione possono essere stimate secondo una forma della legge di Rayleigh:

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dove C è il Fattore di Cabannes, che implementa nella formula un fattore dovuto all’anisotropia delle molecole. Ad es. vale 1.1 per il Polimetil metacrilato oppure 2.7 per il Polistirene, λ0 la lunghezza d’onda nel vuoto, n l’indice di rifrazione del core, k la costante di BoltzmannTg la Temperatura di transizione vetrosa e β il coefficiente di comprimibilità isoterma del core.

Un basso indice di rifrazione e una bassa compressibilità riducono la possibilità che il raggio venga diffratto a causa di variazioni nella densità del mezzo.

Tuttavia nel caso di fibre ottiche polimeriche, la compressibilità del materiale è direttamente legata al volume molecolare. I polimeri densamente cross-linked hanno bassa comprimibilità ma hanno un alto indice di rifrazione. Polimeri costituiti da molecole con un grande volume molecolare possiedono un’elevata compressibilità ma un indice di rifrazione basso.

 

Perdite specifiche delle guide dielettriche

 

Oltre alle perdite dovute al mezzo, esistono altre tipologie di perdita in una guida dielettrica. Queste non sono dovute al tipo di luce utilizzata ma sono legate alle deformazioni e alle discontinuità presenti nella guida; per avere effetti rilevanti è necessario che la periodicità delle perturbazioni sia tale da generare una interferenza costruttiva.

 

  • Curvatura della guida dielettrica

 

Ha un duplice effetto sul segnale ottico:

 

  • deformazione della distribuzione di campo elettromagnetico;
  • eccitazione di componenti dello spettro indesiderati.

 

La curvatura genera un accoppiamento tra il modo guidato e i modi radiativi dello spettro. Nel caso in cui il raggio di curvatura sia abbastanza grande, si può ipotizzare che la distribuzione di campo del modo guidato subisca una lieve e ininfluente deformazione. Quindi la perdita è legata all’angolo di curvatura della guida.

 

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Curvatura della guida dielettrica.

 

  • Corrugazioni della guida dielettrica

 

Durante la lavorazione della guida si possono creare delle corrugazioni lungo le pareti esterne. Esse possono essere periodiche e quindi danno luogo ad una perdita di potenza che viene irradiata esternamente. Anche in questo caso si ha un accoppiamento tra modo guidato e modi radiativi.

 

  • Imperfezioni nella fabbricazione

 

La perdita di segnale può essere dovuta anche a imperfezioni nella fabbricazione della fibra: particelle di polvere, microvuoti e fessurazioni. Queste imperfezioni, se hanno dimensione paragonabile alla lunghezza d’onda interferiscono producendo fenomeni di diffrazione, assorbimento, etc..

 

Uso delle fibre ottiche nelle Telecomunicazioni

 

Se negli anni ’70 le fibre ottiche erano usate come oggetto decorativo per la produzione di lampade, oggi sono un componente essenziale nell’industria delle telecomunicazioni, ancora in corso di evoluzione tecnologica. I principali vantaggi delle fibre rispetto ai cavi in rame nelle telecomunicazioni sono:

 

  • bassa attenuazione, che rende possibile la trasmissione su lunga distanza senza ripetitori;
  • grande capacità di trasporto di informazioni;
  • immunità da interferenze elettromagnetiche, inclusi gli impulsi elettromagnetici nucleari (ma possono essere danneggiate da radiazioni alfa e beta);
  • alta resistenza elettrica, quindi è possibile usare fibre vicino ad equipaggiamenti ad alto potenziale, o tra siti a potenziale diverso;
  • peso e ingombro modesto;
  • bassa potenza contenuta nei segnali;
  • assenza di diafonia;
  • ottima resistenza alle condizioni climatiche avverse;
  • bassi valori di BER (Bit Error Ratio è il rapporto tra i bit non ricevuti correttamente e i bit trasmessi)

 

Un cavo di fibra ottica, in quanto contiene più fibre ottiche, è solitamente molto più piccolo e leggero di un filo o cavo coassiale con simili capacità di canale. È più facile da maneggiare e da installare. Il cavo in fibra ottica è ideale per le comunicazioni sicure in quanto è molto difficile da intercettare e altrettanto facile da monitorare.

Il vero limite dell’utilizzo della Fibra ottica risiede comunque nell’alto costo del prodotto e dei cablaggi connessi.

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Finestre di trasmissione in una fibra ottica al Silicio.

 

Finestre di Trasmissione

 

Nelle comunicazioni ottiche, lo spettro trasmissivo è descritto in termini di lunghezza d’onda invece che di frequenza. Combinando i diversi fenomeni di attenuazionerifrazionedispersione, vi sono tre “finestre” particolarmente adatte all’uso nelle telecomunicazioni, con prestazioni e costi crescenti.

 

  • prima finestra“: 850 nm (nel campo del visibile), usata soprattutto con economici laser a diodo con luce multimodale. Permette di realizzare collegamenti di 275 m su fibre 62.5/125 e di 550 m su fibre 50/125;
  • seconda finestra“: 1310 nm, usata con laser multimodali o monomodali. Permette di realizzare collegamenti di 5–10 km su fibre monomodali;
  • terza finestra“: 1550 nm, usata con laser monomodali. Questa finestra permette di realizzare le distanze maggiori, compresi collegamenti di 100 km con apparati relativamente economici. Sfruttando questa lunghezza d’onda, una buona fibra monomodale raggiunge una attenuazione dell’ordine degli 0,2-0,25 dB/km.

 

Le lunghezze d’onda intorno a 1250 nm e 1450 nm presentano picchi di assorbimento a causa dell’interazione tra la luce e i gruppi OH delle molecole della fibra. Tuttavia, esistono materiali che permettono di eliminare il secondo picco, unendo di fatto le ultime 2 finestre.

 

Giunzioni e connettorizzazioni

 

Due tratti di fibra ottica dello stesso tipo possono essere giuntati mediante fusione, ottenendo un ottimo accoppiamento del core. Questa operazione è effettuata in modo semiautomatico mediante apparecchiature che allineano automaticamente i cladding o addirittura i core e controllano la fusione. Una giunzione correttamente eseguita comporta un’attenuazione < 0,05 dB.

Nell’uso pratico, un collegamento bidirezionale (ad es. IEEE 802.3) viene realizzato utilizzando una coppia di fibre, una per ciascuna direzione.

Le fibre ottiche sono collegate agli apparati di telecomunicazione mediante connettori che allineano meccanicamente il core della fibra con il laser e con il ricevitore. Un connettore comporta una attenuazione di circa 0,5 dB, ed è molto sensibile alla polvere, per cui connettori e cavi inutilizzati vengono normalmente coperti per evitare infiltrazioni. Esistono diversi tipi di connettori, ad es. SC, LC (in plastica, quadrati), ST (in metallo, tondi, con innesto a baionetta), FC (In metallo, tondi con innesto a vite), MTRJ (di forma simile all’SC, ma leggermente più larghi e schiacciati).

I cavi in fibra vengono normalmente installati all’interno di impianti di cablaggio strutturato, attestandoli su pannelli di permutazione. Un collegamento comporta quindi l’uso di almeno due cavi di permuta (da ciascun apparato connesso al pannello di permutazione), e quindi di 4 connettori.

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Connettori di tipo ST (sx) e SC (dx)

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Connettori di tipo MTRJ (sx) e LC (dx).

 

Bilancio di potenza (power budget)

 

Per i collegamenti di lunga distanza, i trasduttori sono specificati in termini di potenza del trasmettitore e sensibilità del ricevitore. La differenza tra le due costituisce il power budget, ovvero la massima potenza che può essere dissipata dal collegamento.

Per valutare se una certa tecnologia trasmissiva funzionerà su un certo collegamento, è necessario misurare o stimare la perdita complessiva del collegamento, o link loss. Questo deve essere inferiore al power budget. Normalmente si lascia un margine di 3-6 dB, per garantirsi contro peggioramenti del collegamento (dovuti a invecchiamento o a interventi di manutenzione) o degli apparati trasmissivi (dovuti tra l’altro a sporcizia). Questa valutazione deve essere effettuata alla lunghezza d’onda utilizzata dagli apparati prescelti.

Su collegamenti già realizzati è possibile misurare l’attenuazione del segnale tramite strumenti denominati power meter. L’esame analitico degli eventi intercorrenti su un determinato tratto di fibra richiede invece uno strumento denominato OTDR, (Optical Time Domain Reflectometry, in italiano riflettometria ottica nel dominio del tempo), che consente di visualizzare entro un grafico cartesiano l’andamento di un segnale entro il tratto di fibra considerato.

Se il collegamento deve essere ancora realizzato, la sua attenuazione è stimabile usando i valori di targa delle fibre e valori prudenziali per giunzioni e connettori.

Ad es., il link loss di un collegamento di 20 km, con fibra da 0.24 dB/km, 5 giunzioni lungo il collegamento, connettori solo alle estremità è stimabile in:

 

20 km 0.24 dB/km + 5 0.1 dB + 4  0.5 dB = 4.8 dB + 0.5 dB + 2 dB = 7.3 dB

 

aggiungendo 4 dB di margine di sicurezza, gli apparati dovranno avere un power budget minimo di 11.3 dB.

 

Prestazioni

 

Gli apparati commercialmente disponibili arrivano a velocità di trasmissione di 40 Gbit/s. Utilizzando tecnologie WDM (→) è possibile trasmettere su una singola coppia di fibre fino ad alcune centinaia di canali in frequenza, arrivando a capacità massime dell’ordine del Tbit/s.

Attraverso lo studio particolari onde elettromagnetiche autorinforzanti, i solitoni, si sfruttano delle caratteristiche non lineari della fibra per compensare tra loro l’effetto Kerr e la dispersione cromatica. Con la trasmissione solitonica e l’uso di amplificatori ottici si possono coprire distanze anche dell’ordine delle decine di migliaia di km senza uso di ripetitori.

 

Trasmettitori

 

I trasmettitori più comunemente usati sono dispositivi a semiconduttore come i light-emitting diode (LED) ed i Laser. La differenza tra LED e Laser sta nel fatto che i LED producono luce incoerente, mentre i laser producono luce coerente. Per l’utilizzo nell’ambito delle telecomunicazioni, i trasmettitori ottici a semiconduttore devono essere progettati per essere compatti, efficienti ed affidabili ed al contempo lavorare nell’intervallo di lunghezze d’onda ottimali ed essere modulati ad altissima frequenza.

Nella sua forma più semplice, un LED è una giunzione p-n polarizzata in diretta, che emette luce attraverso emissione spontanea, un fenomeno noto come elettroluminescenza. La luce trasmessa è incoerente e caratterizzata da una larghezza spettrale abbastanza elevata, nell’ordine dei 30-60 nm. Inoltre la trasmissione di luce tramite LED è molto inefficiente, dato che solo circa l’1% della potenza in ingresso, o circa 100 µW, viene convertita in potenza lanciata che si accoppia in fibra. Tuttavia, a causa della loro struttura molto semplice, i LED son molto utili per applicazioni a basso costo.

I LED per comunicazioni sono comunemente fatti di arseniuro di gallio fosfato (GaAsP) o arseniuro di gallio (GaAs). Poiché i LED in GaAsP operano a lunghezze d’onda superiori a quelle dei LED in GaAs (1.3 µm, contro 0,81-0,87 µm), il loro spettro è più ampio di circa un fattore 1,7. La elevata larghezza spettrale dei LED causa una maggiore dispersione in fibra, che limita considerevolmente il loro prodotto distanza-bitrate (un comune parametro di efficienza per sistemi di trasmissione). I LED sono utili essenzialmente per applicazioni LAN con bitrate nell’ordine dei 10-100 Mb/s e distanze di trasmissione dell’ordine dei pochi chilometri. Sono stati anche sviluppati LED che utilizzano diverse quantum well per emettere luce a diverse lunghezze d’onda su uno spettro più ampio e sono attualmente utilizzati per reti in area local WDM.

Un laser a semiconduttore emette luce attraverso emissione stimolata, invece di usare l’emissione spontanea; questo comporta una maggiore potenza di uscita (~ 100 mW), oltre a numerosi altri vantaggi legati alla natura coerente della luce. L’uscita di un Laser è relativamente direzionale, il che consente un’elevata efficienza di accoppiamento (~ 50%) in fibre a singolo modo. La limitata larghezza spettrale consente inoltre di trasmettere a bitrate più elevati, dato che riduce gli effetti della dispersione cromatica. Inoltre i laser a semiconduttore possono essere modulati direttamente ad elevata frequenza grazie ad un ridotto tempo di ricombinazione.

I diodi Laser in alcuni casi sono modulati direttamente, ossia la modulazione viene impressa direttamente sulla corrente di alimentazione del dispositivo.

Per bitrate e distanze elevati, tuttavia, la sorgente di Laser viene lasciata operare in continua e la luce è modulata da un dispositivo esterno, come un modulatore ad elettroassorbimento o un modulatore elettro-ottico. La modulazione esterna estende la distanza raggiungibile dal collegamento eliminando il chirp, che aumenta la larghezza di riga dei Laser modulati direttamente e quindi aumenta la dispersione cromatica in fibra.

 

Amplificatori

 

La distanza di trasmissione di un sistema di comunicazione in fibra ottica è stata tradizionalmente limitata primariamente dall’attenuazione e secondariamente dalla distorsione. La soluzione fu quella di utilizzare ripetitori elettro-ottici. Questi ripetitori convertivano il segnale ottico in elettrico ed usavano un trasmettitore ottico per inoltrare il segnale con maggiore potenza. A causa della loro complessità il costo di questi ripetitori, specialmente con i WDM moderni e per il fatto che dovevano essere installati ogni circa 20 km, erano molto costosi.

Un approccio alternativo è quello di usare amplificatori ottici, che amplifichino direttamente il segnale senza la necessità di convertirlo in elettrico. Questi amplificatori sono ottenuti drogando una parte di fibra con minerali delle terre rare ed utilizzando un laser come pompa ad una lunghezza d’onda inferiore a quella usata per le comunicazioni (980 o 1350 nm). Oggi gli amplificatori hanno sostanzialmente rimpiazzato i ripetitori negli impianti di recente installazione.

 

Ricevitori

 

Il componente principale di un ricevitore ottico è il fotorivelatore che converte al luce in elettricità attraverso l’effetto fotoelettrico. Il fotorivelatore è tipicamente un fotodiodo a semiconduttore, come ad esempio un fotodiodo p-n, un fotodiodo p-i-n o un fotodiodo a valanga. Grazie alla semplicità di integrazione, sono usati anche i fotorivelatori MSN (metallo-semiconduttore-metallo), specialmente nei rigeneratori e nei multiplexer per WDM. Il convertitore elettro-ottico è tipicamente accoppiato con un amplificatore a trasimpedenza ed un amplificatore limitante allo scopo di produrre un segnale digitale nel dominio elettrico a partire dal segnale ottico in ingresso, che può risultare attenuato e distorto dopo l’attraversamento del canale. Prima che i dati vengano inoltrati, è possibile che nei ricevitori venga implementato anche il recupero del clock dai dati mediante un PLL (phase-locked loopcircuito elettrico che permette di creare un segnale la cui fase ha una relazione fissa con quella di un segnale di riferimento) o via software.

 

Wavelength-Division Multiplexing (WDM)

 

Il Wavelength-Division Multiplexing (WDM) è la tecnica di trasmettere su più lunghezze d’onda allo scopo di inviare più canali su una singola fibra. Questo richiede un multiplexer in lunghezza d’onda nel trasmettitore ed un demultiplexer al ricevitore. Per tale scopo sono comunemente usati gli AWG (Arrayed Waveguide Grating). Utilizzando le tecnologie WDM oggi disponibili commercialmente, la banda della fibra può essere suddivisa in anche 100 o 200 canali al fine di ottenere un bitrate combinato nell’ordine del terabit al secondo.

 

Prodotto Bitrate-Distanza

 

Poiché l’effetto della dispersione cresce all’aumentare della lunghezza della fibra, un sistema di trasmissione è spesso caratterizzato dal suo prodotto Bitrate-Distanza, espresso come MHz×km.. Questo parametro è utilizzato perché esiste un trade off tra la distanza percorsa e il bitrate supportato. Ad es. una comune fibra multimodo con prodotto bitrate-distanza di 500 MHz×km può trasportare un segnale a 500 MHz per 1 km o un segnale a 1GHz per 0.5 km.

 

Limitazioni

 

Attraverso una combinazione di tecniche avanzate per la gestione della dispersione, del WDM e degli amplificatori ottici, le fibre ottiche moderne sono in grado di trasportare decine di informazione a decine di terabit al secondo su lunghezze di migliaia di chilometri. Ad oggi la ricerca sta cercando di ridurre l’impatto dei maggiori fattori che limitano le comunicazioni in fibra; i fattori su cui si sta concentrando la ricerca sono:

 

 

In particolare l’attenuazione delle fibre attuali si attesta intorno agli 0,2 dB/Km. Questo valore è molto inferiore a quello che garantisce qualunque mezzo utilizzato nelle trasmissioni elettriche; tuttavia l’attenuazione delle fibre in uso non può essere ulteriormente ridotta a causa di fenomeni fisici non eliminabili, primo tra tutti lo Scattering di Rayleigh. Per questo motivo è oggi in fase di sviluppo una nuova categoria di fibre, dette fibre a cristallo fotonico che si spera possano consentire attenuazione nell’ordine di 0,1 dB/km.

 

Confronto con le trasmissioni elettriche

 

La scelta fra trasmissioni ottiche ed elettriche (o”in rame”) per un determinato tipo di sistema si basa su diversi compromessi. La fibra ottica è in generale scelta per sistemi a banda superiore o per distanze superiori a quelle che possono garantire i sistemi elettrici. I maggiori vantaggi della fibra sono le sue perdite eccezionalmente limitate, che consentono lunghe distanze tra amplificatori, e la sua intrinseca capacità di trasportare grandi quantità di informazione. Infatti per rimpiazzare una sola fibra sarebbero necessari migliaia di fili in rame. Un altro vantaggio della fibra è che più fibre possono correre fianco a fianco per migliaia di km senza incorrere in fenomeni di crosstalk apprezzabili, a differenza di numerosi tipi di linee di trasmissione.

Nelle applicazioni su breve distanze e che richiedano banda limitata, spesso le comunicazioni sono preferibili a causa di:

 

  • Minori costi per i materiali quando si desiderano quantità non molto elevate;
  • Costo minore di trasmettitori e ricevitori;
  • Facilità di giuntazione;
  • Capacità di trasportare l’alimentazione elettrica insieme ai segnali.

 

Grazie a questi vantaggi, le comunicazioni ottiche non sono molto diffuse in applicazioni a breve e brevissima distanza (LAN, trasmissioni da chip a chip), anche se è stato dimostrato che i sistemi ottici scalano anche su queste dimensioni.

In alcune situazioni, la fibra può anche essere usata su brevi distanze e dove sia richiesta poca banda; infatti la fibra presenta numerosi vantaggi tra cui:

 

  • Immunità alle interferenze elettromagnetiche;
  • Alta resistenza elettrica che la rende sicura da usare vicino a strumenti ad alto voltaggio o tra aree in cui il riferimento di terra è diverso;
  • Non produzione di scintille, caratteristica importante in ambienti infiammabili o ricchi di gas esplosivi;
  • Maggiore leggerezza, utile, ad es., negli aeroplani;
  • Assenza di radiazione elettromagnetica e quasi impossibilità d’intercettare il segnale senza distruggerlo, importante in ambienti ad alta riservatezza;
  • Cavi molto più piccoli e quindi adatti a spazi ridotti.

 

Funi aeree

 

Da più di 15 anni FATZER ha esperienza di costruzione di funi portanti che contengono nel nucleo cavi a fibre ottiche ed addirittura anche cavi a bassa tensione (INTEGRA).

image013

Strutturazioni FATZER.

 

BRUGG costruisce anche funi telefoniche, Ø 7÷24 mm, con tecnologie molto sofisticate (funi telefoniche TS10mm). Infatti le fibre ottiche sono protette entro un tubicino di acciaio inox che non può essere schiacciato e che viene preformato come i fili di acciaio che lo proteggono: eventuali dilatazioni termiche o altro non influenzano questo tubicino che si comporta come una molla.

 

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Strutturazione Brugg.

 

I (i tubicini sottili in acciaio inox saldati a laser contengono fino a 24 fibre/cadauno annegate nel gel e la tensione della fune non può schiacciare i tubicini perché i fili in acciaio circostanti li proteggono come fossero una gabbia).

 

Funi interrate

 

Merita l’attenzione anche il cavo con fibre ottiche denominato “SUBMARINE“. La sua particolarità è che è simile ad una fune telefonica con una ulteriore protezione di guaine che lo rende impermeabile. Questo cavo molto robusto e pesante può essere immesso direttamente (semplicemente infilato) nei tubi fognari senza alcun aggrappaggio ed è quindi inoltre possibile la posa senza necessità di scavi perché utilizza la rete fognaria esistente.

 

 

 

 

0 Commenti disabilitati 8896 16 settembre, 2013 ALTAPEDIA, Fibra Ottica settembre 16, 2013

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