Tipologie di fibre ottiche


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Definizioni

Le fibre MULTIMODALI con nuclei di dimensioni da 62,5/125µm o 50/125µm vengono normalmente impiegate per applicazioni di comunicazione dati LAN in edifici o tra siti su distanze ridotte, tipicamente fino a 2 km.

La seconda edizione della norma ISO 11801 ridefinisce le tipologie di fibra ottica multimodale individuando 4 gradi: OM1, OM2, OM3, OM4.

Le fibre MONOMODALI con nuclei di dimensioni più ridotte (9/125um) vengono generalmente impiegate per applicazioni su medie / lunghe distanze tra i 0,5 e 40Km.

La seconda edizione della norma ISO 11801 stabilisce la tipologia di fibra ottica monomodale o SingleMode con la definizione di OS1 G652.

Che cos'è la Fibra ottica?

Si tratta di un cavetto non conduttore di elettricità e insensibile ai campi elettro-magnetici, con il nucleo in materiale vetroso di piccolissimo diametro (nanometri). A differenza del rame, ha la caratteristica di poter trasportare per lunghissime distanze e senza perdite di qualità, un'enorme quantità di dati.

Un solo, sottilissimo cavo in fibra, può trasportare contemporaneamente, televisione, satellite, dati e immagini di telecamere per la videosorveglianza a qualsiasi distanza e ad un grandissimo numero di utilizzatori.

Possiamo quindi, con un unico cavetto ottico singolo oppure multiplo, distribuire simultaneamente, in un edificio o in un gruppo di edifici, i segnali provenienti dall'antenna TV, dal Satellite, da Internet, e da qualunque fonte digitale, compresa l'automazione e il telecontrollo di apparecchiature elettriche ed elettroniche.

OM1, OM2, OM3, OM4

Nuova definizione delle fibra multimodali (secondo ISO 11801) OM1 sono le vecchie fibre 62,5/125, ritenute obsolete dagli inizi anni 2000, OM2 sono le attuali fibre 50/125 standard, OM3 sono le fibre 50/125 di alta qualità adatte alle trasmissioni con Laser VCSEL che possono trasportare il 10Gb Ethernet e fino a 300 metri.

Le OM4 sono fibre multimodali di altissima qualità idonee a trasportare il 40Gbit Ethernet.

Caratteristiche di una fibra ottica

Un singolo filamento di fibra ottica è formato da due sezioni concentriche realizzate con materiali trasparenti estremamente puri e di diametro diverso.

Queste due sezioni possono essere realizzate sia in vetro sia in polimeri plastici: la prima tipologia può presentare diametri anche molto piccoli, ma è molto fragile, suscettibile al piegamento e quindi difficile da gestire; la seconda tipologia, invece, ha maggiori proprietà elastiche legate, però, a un diametro maggiore. La sezione cilindrica più interna, detta anche core (“nucleo”, in inglese), ha una grandezza variabile tra gli 8-10 e i 50 nanometri in base alla tipologia di fibra utilizzata (monomodale, la più sottile, o multimodale, la più spessa) mentre quello più esterno, detto cladding (“rivestimento”, in inglese), ha un diametro fisso di 125 nanometri e un indice di rifrazione minore rispetto al core.

Tipologie di fibre ottiche

Tipologie di fibre ottiche

Ad avvolgere questi due componenti troviamo due ulteriori strati concentrici: il primo, più interno, è detto buffer (“cuscinetto”, in inglese) mentre il secondo, più esterno, è denominato jacket (“rivestimento”, in inglese), sono realizzati solitamente in polimeri di plastica e servono a rendere il cavo di fibra ottica resistente agli stress fisici e alla corrosione.

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’interno, ed all’esterno del quale il segnale si disperde.

Tipologie di fibre ottiche

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 (laser o LED) 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.

La fibra ottica funziona come una specie di specchio tubolare. Sfruttando la differenza di indice di rifrazione della luce tra il core e il cladding (tipicamente 1,5 nel nucleo contro 1,475 nel rivestimento), l’onda luminosa che entra nel core con un certo angolo, detto angolo limite, viene totalmente riflessa verso l’interno della fibra quando raggiunge la superficie di separazione tra il nucleo ed il rivestimento.

All’interno della fibra, la luce può propagarsi in modo rettilineo (monomodale) oppure tramite un numero molto elevato di riflessioni (multimodale) e quindi di rimbalzi tra una parte e l’altra della superficie di separazione tra le due sezioni concentriche.

In parole più semplici è come avere uno specchio e avvolgerlo su se stesso, fino a che non si ottiene un tubo. La luce si propaga all’interno di questo tubo rimbalzando da un estremo all’altro della superficie come se fosse intrappolata al suo interno. Questo permette di far viaggiare l’impulso luminoso su distanze lunghissime, senza interferenze e senza che l’impulso stesso si disperda all’esterno.

Al momento esistono due differenti tipologie di fibra ottica: la fibra monomodale e la fibra multimodale. In quest’ultima il segnale luminoso si propaga in diversi modi, seguendo cioè diverse traiettorie, il che permette una maggiore “portata”, ovvero una maggiore potenza di segnale trasportato, rispetto alla sua controparte monomodale.

Tipologie di fibre ottiche

Tipologie di fibre ottiche

La contropartita è che questa tipologia di fibra è soggetta al fenomeno della dispersione intermodale, ovvero all’effetto per cui un singolo impulso luminoso si sfalsa nel tempo, disperdendosi, a causa del fatto che ogni traiettoria (modo di propagazione) che la luce percorre al suo interno può avere lunghezze diverse, e quindi tempi di percorrenza diversi. I tempi di percorrenza dei vari fasci luminosi saranno quindi differenti e il trasporto dei dati potrebbe subire sfasamenti temporali anche sensibili, ovvero importanti.

La fibra monomodale, invece, permette la diffusione del segnale luminoso su distanze più lunghe, perché la propagazione può avvenire solamente in un unico modo, ad esempio in linea retta. In questo modo il fascio di luce arriverà a destinazione più in fretta perché la dispersione intermodale sarà praticamente nulla.

Ciò, però, comporta un aumento dei costi dovuti a differenti tecnologie di produzione e differenti tecniche di trasmissione dei dati.

Queste caratteristiche rendono la fibra ottica il mezzo di trasporto ideale nel campo delle telecomunicazioni.

Mentre in un cavo di rame (quello del normale doppino telefonico) i dati vengono trasmessi dagli elettroni in modo caotico e dispersivo, in un cavo di fibra ottica il trasporto delle informazioni è affidato a un singolo fascio luminoso che non subisce alcuna interferenza dal mondo esterno.

Una connessione basata sulla fibra ottica non conosce quindi degradazione apprezzabile del segnale sulle lunghe distanze (la velocità della connessione non diminuisce all’aumentare della distanza dalla centralina telefonica) ed è in grado di sfruttare uno spettro di bande di frequenza (ovvero un intervallo di lunghezze d’onda e di frequenza delle radiazioni elettromagnetiche definito da un valore superiore e uno inferiore) molto più ampio, permettendo di raggiungere velocità molto più elevate.

Punti di forza della Fibra Ottica

I punti di forza della fibra ottica sono:

  • Impermeabilità a ogni disturbo esterno di tipo elettromagnetico.
  • Enorme disponibilità di banda su ogni singola fibra.
  • Necessità di rigenerare e amplificare solo a intervalli molto grandi. A differenza del cavo coassiale si può aumentare il numero dei canali senza dover aumentare il numero di ripetitori sulla linea.
  • Costo della fibra molto ridotto rispetto al costo totale del cavo e della sua posa, il che porta a progettare le arterie senza lesinare sul numero delle fibre.

Il doppino di rame non è peraltro morto ma sopravvive nel cosiddetto ultimo miglio, il tratto di rete che collega la centrale con l'utente finale.

Installare la fibra ottica in questo ultimo tratto è molto costoso e finora ha prevalso l'idea che il gioco non valga la candela nelle aree già cablate con il rame. Migliori prospettive si hanno a partire delle aree di nuova urbanizzazione.

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 (Si). 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 (Chemical Vapor Deposition).

Problematiche

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.

Tipologie di fibre ottiche

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 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:

Tipologie di fibre ottiche

Tipologie di fibre ottiche - 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.

Tipologie di fibre ottiche

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:

Tipologie di fibre ottiche

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.

Tipologie di fibre ottiche

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.

Nelle fibre ottiche l'apertura numerica indica il numero di modi in cui la luce si può propagare attraverso la fibra. Esso è anche strettamente legato all'ampiezza del cono di accettazione per avere riflessione totale in fibra.

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.

Tipologie di fibre ottiche

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.

Tipologie di fibre ottiche

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.

Tipologie di fibre ottiche

Perdite per errore di disallineamento angolare

Si verificano nel caso in cui gli assi delle due fibre da connettere formano un certo angolo.

Tipologie di fibre ottiche

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.
Tipi di fibre 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:

Tipologie di fibre ottiche

Tipologie di fibre ottiche

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

Tipologie di fibre ottiche

Tipologie di fibre ottiche - Monomodale

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!

Tipologie di fibre ottiche

Tipologie di fibre ottiche

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 (core), 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.

Fibre singolo modo - Serie G.657

Questo tipo di fibre ottiche sono fibre monomodali, insensibili alla piegatura, per cui adatte a configurazioni FTTH - Fiber-to-the-home.

Le caratteristiche principali di queste fibre sono:

  • riduzione della sensibilità alla piegatura rispettivamente di 10 e 100 volte – rispetto alla fibra ottica singolo modo G.652.
  • idoneità a operazioni speciali più rigorose e all'avanguardia.

Utilizzi

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.

1 thought on “Tipologie di fibre ottiche”

  1. Le fibre ottiche al giorno d’oggi sono il futuro delle telecomunicazioni, sebbene come tecnologia esista da parecchi anni. Le fibre ottiche porteranno all’integrazione di più sistemi di telecomunicazione su un singolo mezzo trasmissivo, più resistente e immune alle onde elettromagnetiche. Per approfondire un poco come funzionano le fibre ottiche consultate liberamente il seguente articolo su HeelpBook:

    HeelpBook.net – Tipologie di fibre ottiche -http://heelpbook.altervista.org/2014/tipologie-di-fibre-ottiche/ #fibra #tecnologia #telecommunication #heelpbook @heelpbook

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