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Fibra ottica

Quello "a fibra ottica" è un sistema di trasmissione in cui il segnale viene trasmesso sotto forma di luce.
Le fibre ottiche sono sottili fili di vetro attraverso le quali, tramite riflessione interna, la luce -sotto forma di impulsi- può propagarsi su lunghi percorsi anche curvilinei.
La fibra ottica è costituita da una parte interna in materiale vetroso chiamata nucleo (core) e da una parte più esterna detta mantello (cladding), costituita da un materiale con indice di rifrazione minore di quello del nucleo.
Il nucleo permette alla luce di passare, mentre nel mantello si disperde. Se il mantello lascia passare la luce avviene una rifrazione, nel caso contrario invece si ha una riflessione con un angolo riflesso.
Due aspetti importanti riguardanti la propagazione della luce sono dunque: la "riflessione" e la "rifrazione" della luce.

Legge della riflessione della luce

L'angolo di incidenza e l'angolo di riflessione sono uguali.
angolo di incidenza α = angolo di riflessione αi

Legge della rifrazione della luce (legge di Snell)

Un raggio incidente e un raggio rifratto giacciono nello stesso piano con la normale alla superficie di separazione.
La legge di Snell stabilisce che, nel passaggio fra due mezzi, la luce subisce un cambiamento di direzione secondo la relazione:

n1 sen (α) = n2 sen (αr)

Dove n1 e n2 sono gli indici di rifrazione dei due mezzi ottici.

Il concetto di rifrazione è collegato al concetto di velocità di propagazione della luce.
Si definisce infatti indice di rifrazione n il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce nel mezzo.

n= c/v

Si chiama angolo limite (αl), l'angolo di incidenza che corrisponde all'angolo di rifrazione di 90°.
La riflessione totale avviene quando l'angolo di incidenza è maggiore dell'angolo limite (αi > αl).

L'angolo di accettazione costituisce il massimo angolo con cui un raggio può giungere in ingresso alla fibra affinché poi esso venga "guidato". In pratica un raggio luminoso viene immesso nella fibra ottica, facendo in modo che l'angolo di incidenza fra il nucleo e il mantello sia inferiore al valore limite.

arcsen θacc= √n1^2-n2^2

Il seno dell'angolo di accettazione è chiamato apertura numerica (NA).
NA = sen θacc
NA = √n1^2-n2^2

L'apertura numerica permette di stabilire i limiti angolari, per ogni tipo di fibra, entro i quali la propagazione della luce avviene in modo guidato. In altre parole indica il numero di modi in cui la luce si può propagare attraverso la fibra.
Le fibre ottiche che rivestono interesse nel campo delle telecomunicazioni sono sostanzialmente di due tipi: fibre monomodali e fibre multimodali.

Fibre monomodali

Le fibre monomodali sono le fibre ottiche in cui si ha la propagazione di un solo modo. Una loro caratteristica è il diametro del core molto piccolo.
Le fibre ottiche monomodali presentano un profilo di indice di rifrazione a gradino (step-index): il valore dell'indice di rifrazione è costante (n1) su tutta la sezione del nucleo e diminuisce bruscamente a gradino in corrispondenza del mantello (n2). La loro realizzazione si ottiene rendendo molto prossimi gli indici del core e del cladding, con conseguente diminuzione dell'apertura numerica (NA), riducendo il diametro della fibra secondo la formula:

M=(Π*D*NA)^2

2λ^2

Fibre multimodali

Le fibre multimodali possono essere di due tipi: step-index e graded-index.
In questo tipo di fibra si hanno più modi di propagazione.

Fibre monomodali step-index

Essendo l'indice di rifrazione costante, i diversi raggi che compongono il segnale trasmesso si propagano nel nucleo con la medesima velocità. Essi compiono però percorsi differenti, giungendo a destinazione in tempi diversi: di conseguenza il segnale ricevuto risulta distorto.

Fibre monomodali graded-index

L'indice di rifrazione del nucleo non si mantiene costante su tutta la sezione, ma assume valore massimo al centro e decresce gradualmente verso le zone periferiche, fino a raggiungere il valore (n2) in corrispondenza del mantello.
A causa della variazione dell'indice di rifrazione del nucleo, accade che i raggi che percorrono un tragitto più lungo, spostandosi dal centro del cuore verso il mantello, attraversano zone con indice di rifrazione minore, e si propagano con una maggiore velocità; viceversa, i raggi che compiono percorsi più brevi, subiscono una riduzione di velocità poiché attraversano un mezzo caratterizzato da un indice di rifrazione maggiore.
Pertanto dove la velocità di propagazione è maggiore compensa i percorsi più lunghi, mentre dove la velocità di propagazione è minore viene compensata dai percorsi più brevi e quindi il tempo di propagazione tende a rimanere quasi uguale per tutti i raggi.

Attenuazione

Le fibre ottiche sono caratterizzate da una perdita della potenza trasportata: esse producono cioè un'attenuazione del segnale trasmesso.
L'attenuazione causa una progressiva diminuzione dell'ampiezza del segnale di ingresso fino a che esso diventa indistinguibile dal rumore del fondo. L'attenuazione delle fibre ottiche è dovuta a diversi fattori che causano la perdita di potenza come: l'assorbimento e la diffusione.

1. L'assorbimento è dovuto alla trasformazione (e distribuzione) in calore dell'energia raggiante che si propaga nella fibra ottica.

2. La diffusione è dovuto dalla "varietà" del materiale, provocata dal raffreddamento della fibra.

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