Fibre ottiche

FIBRE OTTICHE

INDICE

1. SPETTRO OTTICO .......................................................................................................................... 2

2. LA FIBRA OTTICA ........................................................................................................................... 6

3. Dispersioni .................................................................................................................................. 10

4. BANDA ........................................................................................................................................ 13

5. ATTENUAZIONI ........................................................................................................................... 16

6. Dimensionamento di un sistema di trasmissione su fibra ottica ............................................... 21

1. SPETTRO OTTICO

Il segnale inviato su fibra ottica è un segnale ottico la cui lunghezza d’onda ricade nel campo

dell’infrarosso. Per poter spiegare i fenomeni a cui è soggetto un segnale ottico, la fisica considera

la luce come un’energia avente duplice natura:

 È costituita da onde elettromagnetiche aventi frequenza elevatissima e quindi lunghezza

d’onda molto piccola; ricade nel campo dell’infrarosso e dell’ultravioletto. Essa viene

considerata quando se ne studia la propagazione (fenomeni di riflessione, rifrazione,

diffrazione... ).

 È composta da ‘quanti’ (particelle) di energia elettromagnetica, detti fotoni; un fotone è la

quantità di energia che può essere scambiata quando un segnale ottico interagisce con un

elettrone.

Per la classificazione di un’onda e.m. che rientra nello spettro ottico, oltre alla frequenza, è

possibile utilizzare uno dei parametri seguenti:

 Lunghezza d’onda, λ (m): viene utilizzata quando si considera un segnale ottico come onda

e.m.

 Energia posseduta da un fotone, E (eV): viene utilizzata quando si studiano le interazioni

della luce con la materia.

Dal punto di vista della carica elettrica un atomo è costituito, secondo il modello di Bohr, da un

nucleo contenente cariche positive e da un certo numero di elettroni, i quali si dispongono su orbite

diverse a seconda dell’energia che posseggono. Infatti man mano che aumenta la loro energia, gli

elettroni si dispongono su orbite sempre più lontane dal nucleo. L’elettrone posto sull’orbita più

esterna è quello che possiede l’energia maggiore tra quelli vincolati all’atomo.

Tra una banda di energia e un’altra c’è un salto di energia (energy gap): quando un elettrone passa

da un livello di energia al livello superiore esso assorbe una certa quantità di energia, mentre

quando un elettrone passa da un livello di energia al livello sottostante esso libera una certa

quantità di energia. Alcuni tipi di materiali semiconduttori liberano energia sotto forma di fotoni, la

cui lunghezza d’onda è determinabile nel seguente modo:

ℎ∙

=

Dove:

 −34

ℎ = 6,626069 ∙ 10 : costante di Planck

 : energia posseduta dal fotone, pari al salto di energia tra i livelli iniziale e finale

 : velocità della luce nel vuoto

Per alcuni semiconduttori (come l’arseniuro di gallio) accade che:

 Quando un elettrone passa dalla banda di conduzione a quella di valenza libera un fotone e

si ha un’emissione di luce di una certa lunghezza d’onda

 Quando un elettrone assorbe un fotone passa dalla banda di valenza a quella di conduzione

(diventa un elettrone libero)

Scegliendo gli opportuni materiali e droganti si può ottenere una sorgente ottica con una

determinata λ. Le fibre ottiche operano con segnali ottici aventi lunghezza d’onda all’incirca

compresa fra 800 nm e 1600 nm (infrarosso).

La lunghezza d’onda definisce il colore di un segnale ottico il quale viene definito:

 Monocromatico se ha una lunghezza d’onda

 Policromatico se è composto da più lunghezze d’onda

Si può studiare la propagazione della luce con due metodi descrittivi:

 Ottica geometrica: descrive la propagazione della luce tramite raggi luminosi. È un metodo

approssimativo che risulta valido se la λ ha dimensioni molto inferiori all’ambiente in cui si

propaga. Viene utilizzato per descrivere facilmente i fenomeni di riflessione e rifrazione.

 Ottica fisica: descrive la propagazione tramite la teoria dei modi di propagazione, è più

completo e preciso ma anche più complesso. Per analizzare la propagazione di un segnale

ottico in una F.O. esso può essere considerato come un raggio che segue un certo

percorso.Struttura di un sistema di trasmissione su F.O.:

Un sistema di trasmissione digitale su F.O. di tipo punto-punto trasferisce un segnale digitale ad

alta velocità tramite un segnale ottico.

Il formato digitale rende più semplice la conversione elettrico-ottica in quanto si deve trasformare

un impulso elettrico in un impulso ottico.

Le parti che compongono un sistema di trasmissione su fibra ottica sono le seguenti:

 Trasmettitore ottico: trasforma il segnale elettrico digitale fornito dalla sorgente nel

segnale ottico da inviare nella F.O.; è composto da un driver (circuito di pilotaggio) e da una

sorgente ottica (diodo led o diodo laser)

 Connettori: accoppiano il trasmettitore ottico e la F.O. senza eccessive perdite

 Fibra ottica: è una guida d’onda dielettrica che consente di guidare impulsi ottici dal

trasmettitore verso il ricevitore

 Giunti: utilizzati quando il collegamento è su grandi distanze e occorre giuntare con

tecniche opportune gli spezzoni di F.O.

 Ricevitore ottico: riceve il segnale ottico e lo converte in un segnale elettrico digitale. È

composto da un fotodiodo (PIN o APD), da un amplificatore e dai circuiti di decisione che

producono impulsi elettrici aventi l’ampiezza e la forma voluta.

I collegamenti bidirezionali impiegano due fibre ottiche, una per trasmettere e una per ricevere, si

chiama in questo caso transceiver l’apparato che funge da ricetrasmettitore.

Nei collegamenti a lunga distanza (long haul) può essere necessario inserire degli appositi apparati

per evitare che l’attenuazione diventi eccessiva:

 Rigeneratori: effettua una conversione ottica-elettrico degli impulsi, decide se

corrispondono agli 1 o agli 0 e ne effettua la conversione elettrico-ottica inviando il segnale

sulla successiva tratta di F.O.

 Amplificatori ottici: per superare i limiti imposti dai rigeneratori (trasparenza del sistema e

velocità di trasmissione) essi consentono invece di compensare l’attenuazione di una fibra

ottica direttamente a livello di segnale ottico

2. LA FIBRA OTTICA

È una guida d’onda di materiale dielettrico trasparente in grado di trasmettere un’onda e.m. la cui

lunghezza d’onda ricade nello spettro ottico (tipicamente infrarosso).

È realizzata con materiali dielettrici trasparenti (biossido di silicio) di tipo vetroso o plastico ed è

composta da due parti concentriche aventi indici di rifrazione diversi

È formata da:

 Core (nucleo): è la parte interna con indice di rifrazione più elevato (n = 1,48)

 Cladding (mantello): circonda il core e confina il segnale ottico dentro al core (n = 1,46)

 Coating: riveste il tutto e ha una funzione protettiva

Vantaggi delle fibre ottiche:

 Attenuazione molto bassa: si possono così realizzare collegamenti lunghi decine di km senza

dover introdurre rigeneratori

 Grande banda disponibile: visto che la F.O. trasmette un segnale ottico che è dato da

un’onda e.m. a frequenza elevatissima intorno alla quale si ha una banda grandissima che

consente di trasportare grandi quantità di informazioni

 Immunità ai disturbi elettromagnetici: visto che le F.O. sono realizzate con materiale

dielettrico non sono soggette ad accoppiamenti e.m. che introducono rumore sul segnale.

Quindi la qualità ottenibile con questo tipo di collegamento è molto elevata. Il BER (Bit Error

-9

Rate) tollerato per un collegamento in F.O. è dell’ordine di 10 mentre in un cavo di rame è

-6

10 . Ciò consente una migliore qualità del segnale e una minore necessità nel ricorrere alle

tecniche di rilevazione e correzione degli errori. Si aumenta cosi la velocità di trasmissione

 Dimensioni e peso molto contenuti

 Materia prima ampiamente disponibile e a basso costo: solitamente biossido di silicio (SiO ).

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Vanno eseguiti però con cura i processi di purificazione

Campi di impiego delle F.O. nelle telecomunicazioni:

 Sistemi di telecomunicazioni a grande distanza (long haul)

 LAN ad altissima velocità

 MAN e sistemi di accesso a banda larga a internet:

- FTTH (Fiber To The Home): fino a casa

- FTTB (Fiber To The Building): fino a un edificio

- FTTC (Fiber To The Curb): fino al marciapiede, restando su luogo pubblico

- FTTD (Fiber To The Desktop): fino alle scrivanie dove sono posti i pc

 Apparati non destinati alle telecomunicazioni

La fibra ottica come guida d’onda dielettrica

Bisogna considerare un impulso ottico come composto da un certo numero di raggi ottici.

La struttura di una fibra ottica consente di guidare la propagazione dei raggi emessi dalla sorgente

ottica grazie alla riflessione totale che si può avere sulla superficie di separazione (tra cor