Le fibre ottiche

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Categoria:Elettronica

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Testo

Fibre ottiche
Le fibre ottiche sono classificate come guide d'onda dielettriche (ovvero isolanti). 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 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 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 l'operatore tlc Fastweb stanno costruendo reti proprietarie in fibra ottica con ampiezza di banda che arriva a 10 megabit/sec in accesso, indispensabili per la tv via internet e la videoconferenza.
Varie società sono dotate di una retecapillare 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 auostradale, ENEL per uso interno di controllo della domanda e offerta d'energia sulla rete, vari operatori di telefonia mobile in quanto le celle-ripetitori sono collegate in fibra ottica, teoricamente utilizzabile anche come appoggio a una rete wireless quando verrano commercializzate.
Costituzione
Le fibre ottiche sono composte da due strati concentrici di materiale vetroso estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso. I due strati sono realizzati con materiali con indice di rifrazione leggermente diverso, il cladding deve avere un indice di rifrazione minore rispetto al core. Come ulteriore caratteristica il mantello deve avere uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell'onda evanescente, caratteristica della luce trasmessa.
Se le condizioni vengono rispettate gran parte della potenza è mantenuta all'interno del core.
Diversi tipi di fibre si distinguono per diametro del core, indici di rifrazione, caratteristiche del materiale, profilo di transizione dell'indice di rifrazione, drogaggio (aggiunta di piccole quantità di altri materiali per modificare le caratteristiche ottiche).
Funzionamento
Riflessione totale interna (a) e rifrazione esterna (b) per due fasci luminosi in una fibra ottica.
Le fibre ottiche si basano sul fenomeno di riflessione totale, 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.
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.
All'interno di una fibra ottica il segnale può propagarsi secondo uno o più modi di propagazione. 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 cladding ha tipicamente un diametro di 125 µm.
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.
Uso delle fibre ottiche nelle telecomunicazioni
Cavo composto da più fibre ottiche
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.
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 attenuazione, rifrazione, dispersione, 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.
Una buona fibra monomodale ha una attenuazione dell'ordine degli 0.2-0.25 dB/km.
Giunzioni e connettorizzazioni
Connettori di tipo ST (a sinistra) e SC ( a destra)
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 core e controllano la fusione. Una giunzione ben eseguita comporta una attenuazione di circa 0,1 dB.
Nell'uso pratico, un collegamento bidirezionale (ad esempio 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 esempio SC, LC (in plastica, quadrati) e ST (in metallo, tondi, con innesto a baionetta).
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.
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.
Se il collegamento è già realizzato, è possibile misurare la sua attenuazione. L'esame tipicamente utilizzato è chiamato OTDR, (Optical Time Domain Reflectometry, in italiano riflettometria ottica nel dominio del tempo).
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 esempio, il link loss di un collegamento di 20km, con fibra da 0.24 dB/km, 6 giunzioni lungo il collegamento, connettori solo alle estremità è stimabile in:
20 km * 0.24 dB/km + 6 * 0.1 dB + 4 * 0.5 dB = 4.8 dB + 0.6 dB + 2 dB = 7.6 dB
aggiungendo 4 dB di margine di sicurezza, gli apparati dovranno avere un power budget minimo di 11.6 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 migliaia di canali in frequenza, arrivando a capacità massime dell'ordine del Tbit/s.
Storia
La storia della fibra ottica inizia ai tempi del Vittoriano quando il principio della totale riflessione interna venne utilizzato per illuminare le fonti delle fontane pubbliche. Il successivo sviluppo, nella metà del XX secolo, si concentrò sullo sviluppo di un fascio di fibre volto alla trasmissione di immagini il cui primo impiego fu il gastroscopio medico. Il primo gastroscopio a fibra ottica semi-flessibile fu brevettato da Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters, and Lawrence E. Curtiss nel 1956. Nel processo di sviluppo del gastroscopio, Curtiss produsse fisicamente la prima fibra ottica. Presto si susseguirono una varietà di altre applicazioni per la trasmissione di immagini.
Nel 1965, Charles K. Kao' e George A. Hockham del British Post Office furono i primi a riconoscere che l'attenuazione delle fibre contemporanee era causata dalle impurità, che potevano essere rimosse, piuttosto che lo scattering.
Dimostrarono che le fibre ottiche possono essere un mezzo pratico per la comunicazione, nel caso l'attenuazione sia ridotta al di sotto dei 20 dB per kilometro (Hecht, 1999, p. 114). In questa misura, la prima fibra ottica per le comunicazioni fu inventata nel 1970 dai ricercatori Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter Schultz, e Frank Zimar impiegati presso l'American glass maker Corning Glass Works. Costruirono una fibra con 17 dB di attenuazione ottica per kilometro drogando il silicio del vetro con il titanio.
L'amplificatore ottico erbio-dopato, che ridusse il costo per i sistemi a fibra ottica per le lunghe distanze eliminando il bisogno dei ripetitori ottico-elettronico-ottico, fu inventato da David Payne dell'Università di Southampton, nel 1987.
Il primo cavo telefonico translatlantico ad usare la fibra ottica fu il TAT-8, che iniziò ad operare nel 1988.
Nel 1991, il campo emergente dei led a cristalli fotonici condusse allo sviluppo delle fibre a cristalli fotonici (Science (2003), vol 299, page 358).
La prima fibra a cristalli fotonici venne venduta a partire dal 1996. Esse possono essere progettate per trasportare un maggiore quantitativo di energia rispetto alle fibre convenzionali, e la loro lunghezza d'onda dipendente dalle proprietà può essere manipolata per migliorare le loro prestazioni in certe applicazioni.
Negli ultimi vent'anni i progressi relativi allo sviluppo della fibra ottica sono stati enormi. Al momento il collo di bottiglia che non sfrutta appieno la larghezza di banda che permette la fibra ottica, rimane la traduzione dal segnale elettrico al segnale luminoso, ed è proprio questo il punto chiave sul quale si stà cercando di lavorare nell'industria della fibra ottica.

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