Fibra Ottica - SEGNALE OTTICO

SPETTRO OTTICO = Lo spettro ottico comprende le onde elettromagnetiche che vanno dall'infrarosso all'ultravioletto poiché il loro comportamento dello spettro è lo stesso. È lo Spettro delle onde elettromagnetiche che sottolineano la classificazione di un'onda elettromagnetica con tre parametri:

Frequenza f [Hz]: viene utilizzata nel campo delle onde radio.

Lunghezza d'Onda [m]: viene utilizzato nel campo dell'ottica.

Energia posseduta da un Fotone E [eV]: viene utilizzata quando si studiano le iterazioni della luce con la materia.

N.B.:

Frequenza e Lunghezza: = Vp / f

Energia posseduta da un fotone: E = h * f

h = 6,6256 * 10 ^ - 34 Js che è la costante di Planck 

ELETTRONVOLT = E' l'energia che un elettrone guadagna movendosi attraverso un campo elettrico di 1 V.

MACROMATICO = Detto di un segnale ottico che ha una ben precisa lunghezza d'onda e quindi un singolo colore.

POLICROMATICO = Detto di un segnale otticocce è composto da più colori e quindi da più lunghezze d'onde.

OTTICA GEOMETRICA = Descrive la propagazione della luce attraverso raggi luminosi, con i quali si visualizza la direzione di propagazione. E' un metodo valido quando la lunghezza d'onda dell'energia elettromagnetica è molto minore delle dimensioni della struttura in cui essa si propaga.

OTTICA FISICA = Descrive la propagazione della luce attraverso i Modi di Propagazione, che costituiscono le soluzioni delle equazioni di Maxwell. Questo è il metodo più completo e preciso per analizzare la propagazione della luce in una fibra ottica.

TRASMISSIONE su FIBRA OTTICA = Sono sistemi applicati nelle reti di telecomunicazioni digitali, sia a lunga distanza, sia in ambito locale.

Il segnale dato al sistema è di solito un segnale digitale ad alta velocità proveniente da un multiplatore o da un apparato dati (Router, Switch) operante ad alta velocità e dotato di interfaccia ottica. Le parti che compongono la trasmissione sono:

TRASMETTITORE OTTICO = E' l'apparato che trasforma il segnale elettrico digitale in ingresso, nel segnale ottico da inviare nella fibra ottica (da Digitale a Ottico).

È composto da un driver (Circuito di Pilotaggio) e da una sorgente ottica. Le sorgenti utilizzate sono due: Led e Diodo Laser.

CONNETTORI = E' l'apparato che consente di accoppiare le sorgenti ottiche e i ricevitori alle fibre ottiche senza eccessive perdite. (Per eccessive perdite di segnale).

FIBRA OTTICA = E' una guida d'onda dielettrica che consente di guidare i raggi ottici dal trasmettitore verso il ricevitore.

GIUNTI = E' l'apparato che se il collegamento è corto occorre giuntare con tecniche opportune gli spezzoni di fibre ottiche disponibili e che se il collegamento è lungo, occorre inserire, dei dispositivi detti rigeneratori che consentono al segnale di giungere in ricezione(Per grandi distanze).

RICEVITORE OTTICO = E' l'apparato che riceve il segnale ottico e lo converte in un segnale elettrico digitale.

È composto da un FotoDiodo che può essere Pin (Positive Intrinsic Negative) o Apd (Avalanche PhotoDiode), da un amplificatore e da circuiti di decisione che producono, impulsi elettrici.

COSTITUZIONE di una F.O. = Una fibra ottica è costituita da materiale dielettrico trasparente, di tipo vetroso o plastico. È composto da due parti concentriche, drogate in modo diverso per ottenere indici di rifrazione diversi: il CORE (nucleo), è la parte interna, avente indice di rifrazione più alta; mentre il CLADDING (mantello), è la parte più esterna, avente indice di rifrazione più basso.

A causa della fragilità del materiale è presente un rivestimento esterno realizzato con materiale plastico.

I diametri del Core e del Cladding sono molto piccoli, infatti la grandezza di una fibra ottica è minima (circa uguale ad un capello).

GUIDA D'ONDA DIELETTRICA = La struttura di una fibra ottica consente di guidare la propagazione dei raggi luminosi emessi dalla sorgente ottica, quindi la propagazione avviene per continue riflessioni, in modo simile a ciò che accade nelle guide d'onde metalliche, inoltre la fibra ottica può essere considerare una guida d'onda realizzata in materiale non conduttore.

Quando un raggio luminoso (un'onda elettromagnetica) viaggia in un mezzo avente indice di rifrazione n1, incontra la superficie di separazione con un altro mezzo avente indice di rifrazione n2, si ha il fenomeno della rifrazione.

La relazione tra angoli di incidenza 0i e di rifrazione 0r è data dalla legge di Snell:  

n2 / n1 = sen0i / sen0r    (sen0i = incidenza);(sen0r = rifrazione)

La rifrazione si trasforma in riflessione totale se si verificano le seguenti condizioni:

n2 < n1

l'angolo di incidenza supera l'angolo limite.

ANGOLO di ACCETTAZIONE = Si definisce angolo di accettazione, 0a, che costituisce il massimo angolo con cui può giungere in ingresso alla fibra un raggio affinché essa poi venga guidato.

CONO di ACCETTAZIONE = Si definisce anche un cono di accettazione, dato dall'angolo solido ottenuto dalla rotazione dell'angolo di accettazione. In conclusione, solo i raggi che entrano nella fibra con un angolo compreso nel cono di accettazione vengono guidati.

APERTURA NUMERICA = (NA Numerical Aperture) e il seno dell'angolo di accettazione che è determinabile come:

NA = sen0a = n1^2  - n2^2 sotto radice

MODI di PROPAGAZIONE = Si definiscono modi le configurazioni di campo elettromagnetico stabili che è possibile avere in una fibra ottica.

Quindi ogni Modo ha proprie caratteristiche di propagazione che dipendono da lunghezza d'onda angolo d'incidenza e indice di rifrazione del mezzo in cui l'energia si propaga.

Inoltre si può considerare un Modo come se fosse un raggio, il quale trasporta una parte dell'energia dell'impulso otticocce viene lanciato nella fibra.

CLASSIFICAZIONE della F.O. = In base al numero di modi di propagazione(percorsi dell'energia), le fibre ottiche si distinguono in due categorie:

Fibre ottiche multimodali e Fibre ottiche monomodali.

CARATTERISTICHE delle F.O. = Le caratteristiche di una fibra ottica sono:

Distorsione = nelle fibre ottiche le distorsioni sono provocate da un fenomeno noto come    Dispersione e sono suddivise in tre tipi di dispersioni: Dispersione Modale, Dispersione di Materiale, Dispersione di Materiale.

Banda Disponibile

Attenuazione

Caratteristiche Meccaniche (esempio: dimensione, peso, ingombro ecc.)

FIBRE OTTICHE MULTIMODALI = Sono le fibre ottiche che ammettono più modi di propagazione. Vengono divise in: Step e Graded index

STEP INDEX = Se l'indice di rifrazione varia in modo brusco (a gradino) nel passare del Cladding al Core.

In una fibra ottica multimodale di tipo Step index, l'energia dell'impulso ottico generato dalla sorgente luminosa si divide tra i diversi modi di propagazione, che compiono percorsi diversi. Visto che l'indice di rifrazione è costante all'interno del Core (n1 = 1,48), il tempo di propagazione è diverso da modo a modo dato che compia l'angolo d'incidenza.

Il modo assiale subisce il ritardo minore quando compie il tragitto più breve, mentre subisce il ritardo maggiore quando compie un percorso più lungo, a causa del numero maggiore di riflessioni che esso subisce.

DISTORSIONE = Fenomeno che quando viene generato, l'energia associata ai diversi modi giunge all'uscita in tempi diversi.

GRADED INDEX = Se l'indice di rifrazione varia in modo graduale all'interno del Core.

Facendo in modo che l'indice di rifrazione del Core abbia un andamento a parabola otteniamo che:

I percorsi dei modi non sono più rettilinei, ma hanno un andamento sinusoidale, inoltre si considera il Core composto da molti strati adiacenti, avente n crescente man mano che si avvicina all'asse.

I tempi di propagazione sono all'incirca uguali per tutti i modi. I modi che viaggiano vicino all'asse compiono i percorsi più brevi, ma in un mezzo avente n più grande e quindi con velocità minore, mentre i modi che viaggiano lontano dall'asse compiono percorsi più lunghi ma in un mezzo avente n minore e quindi una velocità maggiore.

Infine in una fibra ottica multimodale di tipo graded index i tempi di propagazione dei diversi modi sono all'incirca uguali.

Questi tipi di fibre trovano lavoro nelle reti locali di computer(LAN), come cavi di interconnessione, e nelle reti multiservizio.

FIBRA OTTICA MONOMODALE = Sono le fibre ottiche in cui si ha la propagazione di un solo modo. Sono caratterizzate dall'avere un Core di diametro molto piccolo.

Il numero di modi dipende da:

Diametro d del Core;

Lunghezza d'onda alla quale si opera;

Indici di rifrazione del Core e del Cladding.

Per cui riducendo il diametro del Core e aumentando la lunghezza d'onda, diminuisce il numero dei modi fino al punto di arrivare ad avere un solo modo di propagazione.

Ciò è possibile dimostrarlo con V < 2,405.

Per ottenere questa dimostrazione il diametro del Core deve essere pari all'incirca a 8 um.questo crea problemi di realizzazione e di posa delle fibre ottiche monomodali, ma consente di avere dispersione modale e di avere bande trasmissive elevatissime.

Queste fibre ottiche sono impiegate nei collegamenti a lunga distanza e più in generale, in cui sono richieste elevate capacità trasmissive.

DISPERSIONE CROMATICA = E' dovuta al fatto che un impulso ottico non è mai monocromatico perfetto. Quindi l'impulso ottico creato da una sorgente è costituito da qualche numero di lunghezze d'onde. Cioè le sorgenti ottiche hanno un loro spettro di emissione, che è più largo per il Led e più stretto per il Laser.

Ciò provoca dispersione di Materiale e di Guida.

DISPERSIONE di MATERIALE = L'indice di rifrazione di uno stesso materiale varia con la lunghezza d'onda, varia anche la velocità di propagazione e quindi, a parità di percorso, varia il tempo di propagazione.

Quindi in una fibra ottica monomodale vi è una certa dispersione causata dalle diverse lunghezze d'onda , che viaggiano a velocità diverse dato che il valore di n dipende dalla lunghezza d'onda.

DISPERSIONE di GUIDA = E' causato dal fatto che in una fibra ottica monomodale l'energia non è del tutto confinata nel Core, ma una sua parte viaggia nel Cladding. Siccome si hanno indici di rifrazioni diversi una lunghezza d'onda dovrebbe viaggiare nello stesso istante a due velocità diverse, ma questo non è possibile.

Quindi si ha una velocità che dipende dalla lunghezza d'onda e ciò causa una dispersione.

INTERFERENZA INTERSIMBOLICA = (ISI, InterSymbol Interference), quando gli impulsi trasmessi tendono a interferire tra loro sempre più man mano che aumenta la distanza percorsa.

BANDA - DISTANZA = Viene definita come l'intervallo di frequenza di segnale comprese tra 0 e la frequenza alla quale la potenza ottica si dimezza cioè diminuisce di 3dB rispetto al valore che assume quando il segnale ha f = 0.

La banda effettivamente disponibile, diminuisce sempre più man mano che aumenta la lunghezza del collegamento. Infatti si ha:

All'aumentare dalla distanza aumenta la dispersione;

Se aumenta la dispersione si deve limitare la frequenza di trasmissione (bit rate) a un valore che rende l'ISI accettabile e quindi diminuisce la banda utile.

BANDA PER UNITA' di LUNGHEZZA = Bo, espressa in [MHz * Km]. In genere, la banda per Km, Bo, dipende dalla dispersione secondo una relazione del tipo Bo = K / t [MHz * Km] dove K è un'opportuna costante e t è la dispersione complessiva.

ATTENUAZIONE INTRINSECA = L'attenuazione intrinseca di una fibra ottica dipende da due fenomeni:

Perdite per assorbimento, causate da dissipazioni termica;

Perdite per scattering (diffusione), causate dalla diffusione dell'energia in più direzioni.

PER ASSORBIMENTO = Tipi di perdite causate dal fatto che, vi sono dei fenomeni di risonanza reticolare del materiale che costituiscono la fibra e che provocano un riscaldamento del materiale di cui è costituita la fibra ottica. Si ha quindi un assorbimento di energia elettromagnetica e una sua trasformazione in calore. Oltre all'assorbimento del materiale con cui è stata creata la fibra,che riguarda le regioni dell'infrarosso e dell'ultravioletto, una causa importante di attenuazione è data dalla presenza di impurità , dato che la presenza di certi elementi anche in piccole quantità, fa aumentare l'attenuazione.

PER SCATTERING = Se una fibra ottica non è costituita al cento per cento da materiale omogeneo e vi sono fluttuazioni dell'indice di rifrazione variazioni di densità, presenza di impurità di piccole regioni aventi dimensioni comparabili con la lunghezza d'onda della luce, si hauna diffusione (Scattering) del fascio luminoso immesso nella fibra.