Concetti Chiave
- La fibra ottica è un sistema di trasmissione che utilizza sottili fili di vetro per propagare la luce sotto forma di impulsi su lunghi percorsi.
- È composta da un nucleo in materiale vetroso e un mantello con indice di rifrazione inferiore, che consente la riflessione e la rifrazione della luce.
- L'angolo limite e l'angolo di accettazione sono fondamentali per determinare come la luce entra e si propaga nella fibra ottica.
- Le fibre ottiche possono essere monomodali o multimodali, distinguendosi per il numero di modi di propagazione e le caratteristiche dell'indice di rifrazione.
- L'attenuazione nella fibra ottica è causata da fattori come l'assorbimento del segnale e la diffusione del materiale, riducendo l'ampiezza del segnale nel tempo.
Quello "a fibra ottica" è un sistema di trasmissione in cui il segnale viene trasmesso sotto forma di 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.
Struttura e funzionamento della fibra
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.
Riflessione e rifrazione della luce
Due aspetti importanti riguardanti la propagazione della luce sono dunque: la "riflessione" e la "rifrazione" 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:
Dove n1 e n2 sono gli indici di rifrazione dei due mezzi ottici.
Il concetto di rifrazione è collegato al concetto di Si definisce infatti indice di rifrazione n il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce nel mezzo.
Concetti di angolo limite e accettazione
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.
Apertura numerica e propagazione
Il seno dell'angolo di accettazione è chiamato apertura numerica (NA).
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.
Tipi di fibre ottiche
Le fibre ottiche che rivestono interesse nel campo delle telecomunicazioni sono sostanzialmente di due tipi: Le 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:
Le In questo tipo di fibra si hanno più modi di propagazione.
Propagazione e distorsione del segnale
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.
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.
Perdita di potenza nelle fibre
Le fibre ottiche sono caratterizzate da una perdita della potenza trasportata: esse producono cioè un'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'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
- Cos'è la fibra ottica e come funziona?
- Qual è la differenza tra riflessione e rifrazione nella fibra ottica?
- Cosa si intende per angolo limite e angolo di accettazione?
- Quali sono i tipi di fibre ottiche e come si differenziano?
- Quali sono le cause dell'attenuazione nelle fibre ottiche?
La fibra ottica è un sistema di trasmissione che utilizza sottili fili di vetro per propagare la luce sotto forma di impulsi. È composta da un nucleo che consente il passaggio della luce e da un mantello che riflette la luce, permettendo la trasmissione su lunghi percorsi anche curvilinei.
La riflessione avviene quando la luce non riesce a passare nel mantello e si riflette all'interno del nucleo, mentre la rifrazione si verifica quando la luce passa attraverso il mantello. L'angolo di incidenza e l'angolo di riflessione sono uguali, come stabilito dalla legge di Snell.
L'angolo limite è l'angolo di incidenza che corrisponde a un angolo di rifrazione di 90°. L'angolo di accettazione è il massimo angolo con cui un raggio può entrare nella fibra affinché venga guidato correttamente.
Le fibre ottiche si dividono principalmente in monomodali e multimodali. Le monomodali hanno un profilo di indice di rifrazione costante e permettono un'unica modalità di propagazione, mentre le multimodali presentano più modi di propagazione, causando potenzialmente distorsioni nel segnale.
L'attenuazione nelle fibre ottiche è causata da fattori come l'assorbimento, che trasforma l'energia in calore, e la diffusione, dovuta alla variabilità del materiale della fibra. Questi fattori portano a una progressiva diminuzione dell'ampiezza del segnale trasmesso.
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