Le fibre ottiche

Le fibre ottiche

Scritta da: Ivan Zandonà

Classe: 5Ee

Scuola: ITIS G. Marconi Verona

Anno: 2006/2007 1

Indice

Introduzione

- ……………………………………….. Pag. 03

Definizione

- ……………………………………… Pag. 03

Breve cenno storico

Vantaggi

- …………………………………….. Pag. 05

Perché fibre ottiche?

- …………………………………... Pag. 06

Dove fibre ottiche?

Trasmissione ottica

- ………………………………… Pag. 07

Apparato di trasmissione

- …………………………………... Pag. 08

Apparato di ricezione

Elementi del sistema trasmissivo

- ……………………………… Pag. 09

Trasduttore in trasmissione

LED …………………………………... Pag. 09

LD ……………………………………. Pag. 10

- …………………………………….. Pag. 11

Fibra ottica (Canale)

Funzionamento …………………………………... Pag. 11

Tipologie ……………………………………… Pag. 14

Caratteristiche delle fibre ottiche…………………… Pag. 17

- ……………………………… Pag. 22

Trasduttore in ricezione (fotorivelatori)

Tipologie di trasmissione

- …………………………………Pag. 23

Analogica / Digitale

- ……………………………………… Pag. 24

PCM

- ……………………………………… Pag. 26

FDM

- ……………………………………… Pag. 27

TDM

- …………………………………... Pag. 29

Differenze

- ……………………………………… Pag. 29

WDM

- ………………………………… Pag. 30

La più usata

Circuiterie

- …………………………………... Pag. 31

Trasmissione

- ……………………………………. Pag. 32

Ricezione

Fabbricazione

- ……………………………….. Pag. 34

Principali tecniche di fabbricazione

Fotoemettitori ……………………………… Pag. 34

Fibre ………………………………………… Pag. 35

Fotorivelatori ……………………………….. Pag. 38 2

Introduzione

Definizione

Fibra ottica: filamento sottile e leggero in vetro, quarzo fuso o plastica con una larghezza di banda che può raggiungere 3.3 GHz (3300 MHz).

I segnali elettrici per essere trasmessi vengono trasformati in impulsi luminosi e introdotti in un cavo che può contenere diversi filamenti indipendenti.

Questi segnali luminosi, che viaggiano ad una velocità prossima a quella della luce, all'arrivo vengono riconvertiti in segnali elettrici tramite diodi fotoelettrici.

Le fibre ottiche oltre ad offrire un'elevata larghezza di banda, vengono utilizzate prevalentemente per trasmissioni a lunga distanza sia perché non subiscono interferenze elettromagnetiche dall'esterno e sia perché la luce all'interno della fibra subisce pochissime dispersioni.

Le fibre ottiche possono essere curvate grazie alla loro flessibilità, e la luce che le attraversa seguirà la curvatura riflettendosi sulle sue pareti.

Storia

La storia della fibra ottica inizia ai tempi della Regina Vittoria in Inghilterra, quando il principio della totale riflessione venne utilizzato per illuminare le fontane pubbliche.

Il successivo sviluppo, fu nella metà del XX secolo e si concentrò sulla creazione di un fascio di fibre, utilizzato per la trasmissione d’immagini, il cui primo uso fu nel gastroscopio medico nel 1956.

Lo sviluppo delle fibre ottiche utilizzate nell’ambito delle telecomunicazioni, inizialmente tardò per l'elevata attenuazione, la quale, nel 1965, raggiungeva ancora i 1000 dB/km.

I progressi che seguirono furono rapidi: nel 1972 una fibra raggiungeva graded index un'attenuazione di 4 dB/km e ai nostri giorni valori di 0.2 dB/km a 1550 nm sono raggiunti dalle fibre monomodali.

Con la successione degli anni la cosa più ricercata è stata, il più delle volte, il miglioramento delle tecniche con cui queste potevano essere utilizzate, come l’introduzione nel 1993 della modulazione WDM invece che delle fibre ottiche in se.

La cosa che ai nostri giorni interessa di più è la tecnologia a valle e a monte delle fibre cioè del trasmettitore e del ricevitore che al giorno d’oggi non riescono a sfruttare a pieno la banda che offrono le fibre.

Quindi la storia delle fibre non proseguirà tanto sul loro miglioramento ma soprattutto sull’avanzamento tecnologico dei mezzi per sfruttarle. 3

Evoluzione dei sistemi di telecomunicazione

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Perché fibre ottiche?

Vantaggi

• Bassa attenuazione (0,2 ÷ 2,4 dB/Km per fibre in silice), inferiore a quella dei cavi, coassiali e 1° non; essa inoltre è costante al variare della frequenza.
• Capacità di trasmettere dati ad alta velocità, fino a 140 Mb/s.
• 2° Costi più bassi, in relazione alla larghezza di banda.
• 3° Immunità da interferenze elettromagnetiche.
• 4° Assenza di modulazione incrociata.
• 5° Peso e dimensioni inferiori rispetto hai cavi standard.
• 6° Sicurezza, in quanto è molto difficile l’intercettazione dell’informazione.
• 7° Possibilità di trasmettere un numero elevato di canali fonici su un’unica fibra.
• 8° Isolamento completo di trasmettitore e ricevitore.
• 9° Resistenza alla corrosione.
• 10° Immunità dai cortocircuiti e quindi possibilità di uso in ambienti particolari, come in presenza di sostanze esplosive.
• 11° Resistenza agli aumenti di temperatura.
• 12° Miglioramento della qualità dei segnali e riduzione degli errori.
• 13° Possibilità di effettuare riparazioni senza disattivare trasmettitore e ricevitore
• 14° Larga banda di frequenza (0,4 ÷ 10 GHz*Km).
• 15° Lungo passo di ripetizione (fino a 130 ÷ 150 Km senza amplificazione del segnale trasmettendo qualità di informazioni di alcuni Gbit/s).
• 16° Assenza di equalizzazione.

Svantaggi

• Difficoltà di cablaggio a causa delle dimensioni ridotte.
• 1° Difficoltà di riparare i guasti.
• 2° Sensibilità alle radiazioni nucleari.
• 3° Difficoltà costruttive, date le esigenze di grande purezza del materiale.
• 4° Tecnologie in rapida evoluzione con componenti base ancora in fase di sviluppo.
• 5° Connessione tra fibre ottiche.
• 6° Accessori costosi.
• 7° Problemi di standardizzazione.
• 8° Strumenti di prova costosissimi.
• 9° 5

Dove fibre ottiche?

La produzione delle fibre ottiche può essere divisa in tre categorie principali: per il trasporto di immagini, per il trasporto di luce e per il trasporto o amplificazione di radiazione.

Esistono anche dei sensori a fibra che vengono utilizzati per monitorare variabili ambientali come pressione e temperatura.

Oltre alle fibre in silice, per alcuni impieghi vengono utilizzate anche le fibre plastiche (in polistirene, polimetile, nylon).

Queste hanno sì un'attenuazione molto alta, ma per piccole distanze ciò non rappresenta un problema, mentre prevalgono altri tipi di vantaggi come una maggior flessibilità.

I principali settori di applicazione delle fibre ottiche sono:

• Medicina: nel campo della diagnostica per trasporto di immagini: endoscopie, artroscopie...; per effettuare interventi chirurgici per trasporto di luce; per effettuare interventi chirurgici per trasporto di radiazione: laser-bisturi, scioglimento placche delle arterie;
• Industria: per effettuare operazioni di taglio, saldatura, foratura… con trasporto di radiazione;
• Fotonica: amplificazione radiazione (amplificatori ottici a fibra attiva), trasporto radiazione ed impieghi particolari (calcolatore ottico)
• Ricerca: Astronomia…
• Telecomunicazioni: trasporto radiazione.

Tra questi settori il più importante è senz’altro quello delle telecomunicazioni. 6

Trasmissione ottica

Qui sopra viene illustrato una tipologia base di sistema di trasmissione e ricezione di segnale ottico.

Si nota che in questo caso il sistema adotta trasmettitori e ricevitori di tipo elettrico, di conseguenza è necessario provvedere alla trasformazione (trasduzione) del segnale elettrico in segnale ottico in trasmissione, per poter impiegare la fibra, ed alla trasformazione inversa in ricezione.

Il trasduttore in trasmissione è una sorgente di luce che converte il segnale di tipo informativo in segnale di tipo luminoso.

Tali dispositivi possono essere dei diodi LED o ad emissione di luce oppure dei diodi LD o diodi laser a semiconduttore.

Il trasduttore in ricezione converte il segnale luminoso in segnale elettrico.

Tali dispositivi prendono il nome di fotorivelatori o fotodiodi e possono essere diodi APD o diodi a valanga oppure dei diodi PIN.

Apparato di trasmissione

Schema a blocchi di un apparato di trasmissione di fibra ottica

Facciamo ora una breve descrizione dei blocchi:

• Interfaccia elettrica

Attraverso tale interfaccia giunge il segnale elettrico da convertire in segnale ottico.

• Circuiti di condizionamento del segnale

Pongono il segnale elettrico nella forma richiesta per poter pilotare la sorgente ottica.

• Circuiti di pilotaggio della sorgente ottica

Variano a seconda delle applicazioni e del tipo di componenti utilizzati.

Molto spesso questi circuiti devono consentire la modulazione diretta, di tipo on-off (presenza-assenza di luce), dell'energia luminosa emessa dalla sorgente da parte di un segnale codificato in binario.

Viene utilizzato anche per il diodo laser ove la corrente di pilotaggio deve superare un valore di soglia perché si possa avere l'effetto laser, poiché deve essere polarizzato a un certo livello di corrente per poter operare.

• Trasduttori ottici

Come trasduttori ottici si impiegano LED o diodi laser (LD).

• Circuiti di stabilizzazione della potenza emessa

Sono necessari per fornire in uscita una potenza costante col passare del tempo e limitare gli effetti dell'invecchiamento.

• Interfaccia ottica

Attraverso tale interfaccia il segnale viene iniettato nella f.o.

Apparato di ricezione

Schema a blocchi di un apparato in ricezione di fibra ottica

Facciamo ora una breve descrizione dei blocchi:

• Fotorivelatore

Converte il segnale ottico in segnale elettrico; può essere un fotodiodo PIN o APD.

• Amplificatore

Controlla il guadagno

• Circuito di decisione

Per fornire in uscita un segnale elettrico o digitale desiderato

Analizziamo ora i blocchi principali del sistema ottico:

• Trasduttore in trasmissione (LED, LD)
• Fibra ottica (Canale)
• Trasduttore in ricezione (fotorivelatori) 8

Trasduttori ottici in trasmissione

Il segnale che si propaga in una fibra ottica è di tipo luminoso.

Il segnale in questione è originariamente di tipo elettrico costituito da un impulso di tensione, pertanto è necessario convertire l’impulso elettrico in impulso luminoso.

A tale scopo vengono utilizzati opportuni LED o LD aventi caratteristiche ottiche e geometriche idonee.

Analizziamo ora i due tipi di trasduttori ottici:

LED

Il principio di funzionamento del diodo LED, costituito da una semplice giunzione PN, si basa sul fenomeno dell’emissione spontanea.