Concetti Chiave
- La fibra ottica trasmette segnali come impulsi di luce attraverso sottili fili di vetro, sfruttando riflessione e rifrazione.
- La riflessione totale si verifica quando l'angolo di incidenza supera l'angolo limite, permettendo la guida della luce lungo la fibra.
- Esistono due tipi principali di fibre ottiche: monomodali e multimodali, ciascuna con caratteristiche uniche di propagazione della luce.
- Le fibre monomodali hanno un nucleo con un indice di rifrazione costante, mentre le multimodali possono avere indici step-index o graded-index.
- L'attenuazione nelle fibre ottiche è causata da assorbimento e diffusione, riducendo progressivamente la potenza del segnale.
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
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:
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.
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.
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:
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.
Domande da interrogazione
- Che cos'è un sistema di trasmissione a fibra ottica?
- Quali sono i due aspetti importanti della propagazione della luce nelle fibre ottiche?
- Qual è la differenza tra fibre monomodali e multimodali?
- Cosa causa l'attenuazione nelle fibre ottiche?
- Come si definisce l'apertura numerica (NA) di una fibra ottica?
È un sistema in cui il segnale viene trasmesso sotto forma di luce attraverso sottili fili di vetro, permettendo la propagazione della luce su lunghi percorsi anche curvilinei.
I due aspetti importanti sono la "riflessione" e la "rifrazione" della luce, che determinano come la luce si propaga all'interno della fibra.
Le fibre monomodali permettono la propagazione di un solo modo con un diametro del core molto piccolo, mentre le fibre multimodali permettono la propagazione di più modi e possono essere di tipo step-index o graded-index.
L'attenuazione è causata da fattori come l'assorbimento, che trasforma l'energia in calore, e la diffusione, dovuta alla varietà del materiale della fibra.
L'apertura numerica è il seno dell'angolo di accettazione e indica i limiti angolari entro i quali la propagazione della luce avviene in modo guidato, determinando il numero di modi di propagazione della luce attraverso la fibra.
Accedi a tutti gli appunti
Tutor AI: studia meglio e in meno tempo
