Le fibre ottiche - Quadro riassuntivo

Commento: lo studio delle fibre ottiche si inserisce all'interno del programma per la clase IV dell'Istutito Tecnico Industriale ad indirizzo Elettronico come passo conclusivo del percorso che deve guidare gli alunni alla conoscenza dei vari mezzi trasmissivi che si hanno a disposizione per costruire un sistema di comunicazione (coppie twistate, cavi coassiali e fibre ottiche).

La panoramica deve servire per far capire allo studente quali siano le carattersitche di ognuno di essi e quindi dar loro la possibilità di identificare il più adatto per una certa trasmissione.

Considerando che il numero di ore di telecomunicazioni previste alla settimana è pari a tre, prevedo di esaurire l'argomento nel corso del mese di maggio, verifiche ed interrogazioni comprese (con eventuali recuperi nella prima settimana di giugno)

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Modalità di valutazione: si prevede di utilizzare come strumenti di valutazione una verifica scritta in cui vengono proposti una serie di esercizi atti a testare se le abilità di base sono state apprese. In particolare mi riferisco a semplici esercizi di ottica relativi a riflessione e rifrazione della luce. Inoltre sono previsti alcuni esercizi atti a testare maggiormente le competeze complessive dell'alunno come ad esempio la progettazione di un cavo in fibra ottica e di un sistema tenendo conto dei parametri di progetto.

Si prevede inoltre di testare l'apprendimento degli obiettivi di conoscenza mediante un interrogazione orale.

Sorgenti ottiche

Tempi: 1 ora
Prerequisiti: conoscenza della struttura di un sistema di comunicazione su fibra ottica
Obiettivi: conoscere le sorgenti ottiche utilizzate per la realizzazione di un collegamento su fibra ottica

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Si utilizzano due tipi fondamentali di sorgenti ottiche a semicondutto¬re: con diodi a emissione di luce (LED) e con diodi laser (LD).

Sorgenti a LED
I LED per fibre ottiche sono caratterizzati da una struttura a sandwich che può essere di tipo a semplice omogiunzione o del tipo a doppia eterogiunzione. Con la configurazione a doppia eterogiunzione l'emissione luminosa avviene entro il sottile strato di arseniuro di gallio, in quanto questo ha un gap di banda (Eg = 1,43 e V) inferiore a quello dell'arseniuro di gallio e alluminio (Eg = 1,95 e V); ciò consente di raggiungere un'efficienza quantica interna (= rapporto tra il numero di combinazioni radiative e il numero di combinazioni totali) prossima all'unità. Inoltre, avendo lo strato attivo (GaAs) un indice di rifrazione maggiore a quello degli strati confinanti, la doppia eterogiunzione possiede proprietà guidanti per la radiazione, che tende a rimanere confinata nel piano della giunzione per riflessione totale.

Sorgenti a laser

Quando, in una giunzione PN polarizzata direttamente, un fotone interagisce con una coppia elettrone-lacuna che non ha ancora avuto il tempo di ricombinarsi spontaneamente, può provocare la ricombinazione con emissione, che si dice «stimo¬lata», di un altro fotone in maniera coerente cioè in fase e nella stessa dirczione del fotone incidente. Aumentando adeguatamente la probabilità di emissione stimolata si ottiene l'effetto laser; questo avviene quando la densità dei portatori minoritari è molto elevata, condizione ottenibile facendo passare nel dispositivo una elevata densità di corrente. Tutta la struttura poi deve costituire una cavità risonante, in modo da dar luogo ad amplificazione della radiazione con l'instaurarsi di un regime di oscillazioni. A tale scopo si usa una struttura a doppia eterogiunzione con geometria a striscia. Tale geometria costituisce un accorgimento per limitare l'iniezione di corrente solo in corrispondenza di una sottile sezione del dispositivo, allo scopo di ottenere una elevata densità di corrente con limitata intensità della corrente operativa (e quindi con limitata dissipazione termica).

Banda passante di una fibra ottica

Tempi: 1 ora
Prerequisiti: conoscenza delle fibre ottiche e delle varie tipologie di dispersione
Obiettivi: conoscere il concetto di interferenza intersimbolica e di banda passante di una fibra

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Un sistema trasmissivo è indispensabile che il segnale giunga a destinazione senza alterazioni. Nel caso specifico di un collegamento in f.o. si è visto che sia la dispersione modale provoca un allargamento del dominio del tempo del segnale elettrico presente all’ uscita del convertitore. Se attraverso il convertitore elettrico/ottico si invia nella fibra due impulsi di breve durata molto vicini nel tempo, si otterranno in ricezione due segnali con una forma d' onda di tipo gaussiano a causa della distorsione subita.

Avvicinando nel tempo i due impulsi si provoca in ricezione una interferenza, detta intersimbolica, che fino ad un certo limite permette ancora il corretto riconoscimento degli impulsi. Per tale ragione è indispensabile che tra i due impulsi elettrici di partenza intercorra un determinato tempo T, con conseguente limitazione in frequenza dell’intero sistema. La definizionne della Banda passante totale della fibra, che dipende dall’effetto congiunto dei due fenomeni di dispersione modale e cromatica, permette di stabilire la massima frequenza trasmissibile in linea.

Degradazione del segnale in una fibra ottica

Tempi: 1 ora
Prerequisiti: conoscenza della struttura della fibra ottica e dei differenti modi di propagazione della luce
Obiettivi: conoscere i differenti effetti indesiderati che si manifestano su un impulso ottico durante la sua propagazione

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Ora è necessario spiegare quali sono i meccanismi di attenuazione del segnale in una fibra e le cause che ne provocano la distorsione durante la propagazione.
L’ attenuazione del segnale (espressa in decibel) è uno degli aspetti più importanti di una fibra ottica, poichè determina essenzialmente la massima distanza tra trasmettitore e ricevitore senza l’ impiego di dispositivi intermedi di rigenerazione del segnale. Poichè i rigeneratori sono apparati costosi come costruzione, installazione e manutenzione, le caratteristiche di attennuazione della f.o. hanno una grande influenza sul costo dell’ intero sistema trasmissivo. Della stessa importanza sono le caratteristiche della fibra agli effetti della distorsione del segnale.
La trasmissione del segnale su f.o. avviene con la propagazione di impulsi luminosi, generati da un dispositivo fotoemettitore che trasforma gli impulsi elettrici al suo ingresso in impulsi ottici; analogamente inn ricezione un dispositivo fotorivelatore converte gli impulsi ottici in impulsi elettrici. Il meccanismo di distorsione del segnale, limita la capacità di trasmissione del segnale. Tre sono i fenomeni che provocano la deformazione del segnale durante la sua propagazione nella fibra :

• La dispersione di materiale
• La dispersione di guida d'onda
• La dispersione modale

La dispersione modale

In una f. multimodo si possono propagare più modi, ognunno con diverse velocità.L’ energia luminosa inviata nella fibra è ripartita fra i modi che si propagano nel nucleo. Si consideri una fibra del tipo a gradino d’ indice se si supponga che in essa si propaghino, con percorsi diversi, tre raggi luminosi. Poichè l’ indice di rifrazione è costante in tutto il nucleo, i 3 raggi hanno la stessa velocità, quindi il raggio 1 percorre meno spazio, arriva prima del raggio 2, che a sua volta precede il raggio 3.L’ insieme dei ritardi tra i raggi che compongono il segnale determina in ricezione una distorsione del segnale all’ uscita del convertitore ottico-elettrico, questo fenomeno è detto dispersione modale.

Alla dispersione modale concorrono altre due cause :

• Imperfezioni della fibra ,in particolare il mantello , che provoca una variazione nella direzione del raggio

I giunti per la connession delle tratte di fibre

Tali cause provocano un mescolamento, detto mescolamento dei modi.

La dispersione di guida d'onda

Questo fenomeno è dovuto alla struttura geometrica delle fibra. Si verifica infatti che la potenza ottica trasportata dal modo fondamentale si propaga per una parte consistente anche nel mantello.Poichè l’ indice di rifrazione del mantello è minore di quello del nucleo, la luce viaggia a diverse velocità nei due mezzi. La dispersione di guida quindi dipende molto dal profilo d’ indice delle fibre, che può essere opportunamente scelto per ottenere determinate caratteristiche.

La dispersione del materiale

Un materiale di indice di rifrazione n viene chiamato dispersivo se la velocità di fase di un’ onda piana che viaggia in esso varia inn modo non liniare con la lunghezza d’ onda; conseguentemente, un impulso di luce si allargherà mentre si propaga nel mezzo.Per comprendere meglio questo fenomeno della dispersione del materiale si può fare riferimento al classico esperimento di Netwon. Egli osservo che un fascio di luce solare, dopo aver attraversato unn prisma di vetro, viene scomposto in una serie di colori. Ciò significa che le componenti di diversa lunghezza d’ onda che costituiscono il fascio di luce bianca subiscono una rifrazione diversa e quindi che il mezzo ha un indice di rifrazione n che è funzione della lunghezza d’onda .Poichè n è definito come rapporto c/v, si può concludere che la diversità degli indici di rifrazione sta ad indicare che i raggi di λ diversa si propagano nel mezzo con velocità v diverse.
In conclusione i segnali luminosi di diversa lunghezza d’ onda si propagano nel mezzo con velocità diverse corrispondenti ad indici di rifrazione diversi.
Di conseguenza, se si immette nella fibra una luce composta di diverse lunghezze d’ onda, i raggi giungono all’estremità in tempi diversi.La deformazione dell’ impulso che si propaga nelle f.o. è dovuta al fatto che la sorgente emette impulsi che contengono una determinata distribuzione di lunghezze d’ onda intorno a quella centrale di emissione; nella fibra ogni lunghezza d’onda viaggia con velocità diversa, causando un allargamento temporale del segnale. Nel seguente grafico è riportato il segnale temporale.

Modi di propagazione e classificazione delle fibre ottiche

Tempi: 2 ora
Prerequisiti: conoscenza delle leggi dell'ottica
Obiettivi: Conoscere i vari metodi con cui si può propagare la luce in una fibra ottica

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La trasmissione dell’ informazione su fibra ottica avviene con la propagazione dell’ energia luminosa immessa nella fibra e confinata nel suo nucleo.La trattazionne rigorosa della propagazione dell’ energia luminosa nella fibra ottica si esprime con un insieme di equazioni differenzialidel campo elettromagnetico (EM), che tengono conto della geometria della fibra; le soluzioni di dette equazioni sono i modi di propagazione del campo EM.
E’ possibile dare una rappresentazione semplice ed intuitiva dei modi di propagazione, rappresentando l’ energia luminosa come un insieme di raggi. I raggi che entrano nel nucleo con angoli compresi entro l’ apertura numerica N.A. sono in grado di propagarsi senza dispersione nel mantello;per questo vengono chiamati raggi guidatori.Questi percorrono il nucleo secondo cammini diversi. E’ possibile calcolare il numero di modi (M) con la formula :

M --> Numero di modi di propagazione

d --> Diametro del nucleo

N.A. --> Apertura Numerica

λ --> lunghezza d'onda

Tenendo conto di quanto sopra esposto possiamo, per semplicità, continuare a considerare un modo come se fosse un raggio, il quale trasporta parte dell'energia dell'impulso ottico che viene lanciato nella fibra.

Esistono diversi tipi di fibre ottiche, ma la tendennza è stata di minimizzare il numero di fibre esistenti richiesti per le reti pubbliche, allo scopo di ridurre i costi di produzione.Oggi le fibre ottiche di interesse per le telecomunicazioni si distinguono in due grannfi categorie :

• Fibre ottiche monomodali
• Fibre ottiche multimodali

Queste fibre differiscono per il diametro del nucleo.

Fibre ottiche multimodali
Sono fibre ottiche che ammettono più modi di propagazione, e quindi dei diversi percorsi che l'energia elettromagnetica può compiere. A causa delle alte perdite di potenza e della ridotta quantità di dati trasmissibili, attualmente l’uso delle fibre multimodo è alquanto limitato e presentano un utilizzo nelle conessioni e nelle giunzioni a basso costo.Si possono suddividere nei seguenti due gruppi :

Fibre ottiche di tipo step index

In questo tipo di fibra l’ indice di rifrazione rimane costante in tutti il nucleo, per poi decrescere bruscamente con un gradino (step) nel mantello

Nella fibra i raggi che hanno la stessa lunghezza d’ onda si propagano nel nucleo con percorsi diversi, è evidente che i raggi arrivano a destinazione in tempi diversi a seconda del percorso effettuato; si determina quindi una forte dispersione del segnale luminoso dovuta alla molteplicità dei modi di propagazione, con conseguente distorsione dell’ impulso in uscita della fibra.

Il vantaggio della graded-index è dato dal fatto che i raggi relativi ai percorsi più lunghi viaggiano in un mezzo ad indice di rifrazione minore, quindi a velocità più alta, mentre i raggi che fanno i percorsi più brevi viaggiano in un mezzo con indice di rifrazione maggiore e quindi più lentamente.

Fibre ottiche di tipo graded index

In queste l’ indice di rifrazione del nucleo non è costante ma descresce gradualmente dal centro della sezione del nucleo fino ai confini di separazione tra nucleo mantello

Nella fibra graded-index i raggi si propagano in maniera quasi elicoidale a causa di questa particolare variazione dell’ indice di rifrazione.

Fibre ottiche monomodali
Le fibre ottiche monomodali sono caratterizzate da un diametro del nucleo molto piccolo (intorno ai 8micon). Così, riducendo tale diametro ed aumentando la lunghezza d'onda a cui si opera, si diminuisce il numero di modi di propagazione, fino ad arrivare al punto in cui si ha un solo modo di propagazione.

Si è visto che in una fibra otiica l' energia luminosa si può propagare un certo numero M di modi ; la caratteristica delle fibre monomodo è che la propagazione avviene con un solo modo, detto fondamentale.Perchè la fibra lavori in condizioni di monomodalità è necessario che i suoi parametri e la lunghezza d’ onda della luce immessa in fibra siano tali che gli altri modi non si possano propagare. I modi di propagazione dell' energia elettromagnetica nella fibra, che avvengono secondo regimi ben determinati, vengono denominati con la sigla Lpnl, dove 2n esprime il numero dei massimi dell' intensità luminosa che si riscontrano in un giro completo intorno all’ asse della fibra. Nella figura sottostante sono illustrate i le caratteristiche di alcuni modi, LP01 è il modo fondamentale, LP11 è il modo immediatamente superiore e così via.

Le fibre ottiche come giude d'onda dielettriche

Tempi: 1 ora
Prerequisiti: conoscenza della struttura di una fibra ottica; conoscenze delle leggi di Snell dell'ottica
Obiettivi: capire come avviene la propagazione della luce in una fibra ottica

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La struttura di una fibra ottica consente di guidare la propagazione dei raggi luminosi emessi dalla sorgente ottica, grazie al fenomeno della riflessione totale che si può avere alla superficie di sepoarazione core-cladding. La propagazione avviene quindi per continue riflessioni in modo analogo a quanto accade nelle giude d'onda metalliche. A tutti gli effetti, quindi, una fibra ottica si può considerare una giuda d'onda, realizzata però in materiale non metallico.




ciò si verifica se il loro angolo di incidenza è superiore all' angolo limite.Il parametro apertura numerica (N.A.) è un indice della capacità della fibra di accettare il segnale ottico in ingresso; esso permette di definire per ogni tipo di fibra l’ angolo λm, corrispondente all’ angolo limite αlim, entro il quale i raggi luminosi immessi nella fibra sono internamente accettati come utili.

E’ da notare che N.A. è una quantità adimensionale che è possibile calcolare nel seguente modo:

I raggi invece che entrano nella fibra con un angolo di incidenza vengono rigratti nel mantello, con conseguente dispersione dell’ energia luminosa.

L'ottica geometrica

Tempi: 2 ora
Prerequisiti: conoscenza delle funzioni seno e coseno; conoscenza del significato di indice di rifrazione di un mezzo trasmissivo
Obiettivi: compredere il significato dei fenomeni di riflessione e rifrazione di un raggio ottico che passa da un mezzo ad un altro

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Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo all'altro

Un raggio luminoso (raggio incidente) che colpisce la superficie di separazione di due mezzi si divide in due parti:

• un raggio riflesso, che continua a propagarsi nel primo mezzo


• un raggio rifratto, che si propaga nel secondo mezzo

Le leggi ottiche che governano questo fenomeno, note come Leggi di Snell, consentono di determinare l'angolo β che il raggio riflesso (angolo di riflessione) e l'angolo γ che il raggio rifratto (angolo di rifrazione) formano con la normale alla superficie di separazione dei due mezzi.

In particolare, quindi:

• Legge di riflessione

• Legge di rifrazione
  

Dove n1 e n2 sono gli indici di rifrazione dei due mezzi. In particolare, possono venire a determinarsi due diverse situazioni:

• se n1 minore n2 ---> allora il raggio rifratto tende sempre ad avvicinarsi alla normale


• se n1 maggiore n2 ---> allora il raggio rifratto tende sempre ad allontanarsi dalla normale. In questo caso esiste un valore di α per il quale l'angolo di rifrazione vale 90 gradi. Questo angolo è detto angolo di incidenza limite al di sopra del quale la rifrazione si trasforma in riflessione totale.

La propagazione di un raggio luminoso in un a fibra ottica sfrutta proprio il fenomeno della riflessione totale mediante il quale la luce resta imprigionata all'interno del nucleo e si propaga per continue riflessioni.

La struttura di una fibra ottica

Tempi: 1/2 ora
Prerequisiti: nessuno
Obiettivi: conoscere come è costituita una fibra ottica

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Una fibra ottica è costituita da materiale dielettrico trasparente, tipicamente di tipo vetroso (boissido di silicio) o plastico. E' composta 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 elevato, mentre il cladding (mantello) è la parte esterna, avente indice di rifrazione più basso.

A causa della fragilità del materiale vi è poi un rivestimento esterno realizzato con materiale plastico. I diametri del core e del cladding sono molto piccoli, dell'ordine, rispettivamente delle decine e del centinaio di micrometri. Di conseguenza l'ingombro di una fibra ottica è minimo (pari all'incirca a quello di un capello).

Sistema di trasmissione su fibra ottica

Tempi: 1 ore
Prerequisiti: conoscenza di base dei dispositivi multiplexer, demultiplexer e dei dispositivi di rete
Obiettivi: saper costruire lo schema a blocchi di un sistema di trasmissione su fibra ottica, spiegando la funzione dei singoli componenti

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I sistemi di trasmissione su fibra ottica sono impiegati nelle reti di telecomunicazioni digitali, sia a lunga distanza che in ambito locale. Un sistema di trasmissione digitale su fibra ottica trasferisce un segnale digitale ad alta velocità da un punto ad un altro tramite un segnale ottico, opportunamente modulato, guidato da una fibra ottica.

Il segnale fornito al sistema è in generale un segnale proveniente da un multiplatore o da un apparato di rete (router) operante ad elevata velocità e dotato di interfaccia ottica. Il segnale digitale può derivare dalla multiplazione di segnali dati veri e propri e/o segnali analogici (audio/video) digitalizzati mediante opportuni CODEC.

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

• Trasmettitore ottico: è l'apparato che trasforma il segnale elettrico digitale in ingresso nel segnale ottico da invare nella fibra; è composto da un driver(circuito di pilotaggio) e da un sorgente ottica (led o laser)
• Connettori: consentono di accoppiare le sorgenti ottiche e i ricevitori alla fibra ottica senza eccessive perdite
• Fibra ottica: è essenzialmente una guida d'onda dielettrica che consente di guidare i raggi ottici dal trasmettitore al ricevitore
• Giunti: se il collegamento non è su brevi distanze (ad esempio superiori al km), occorre giuntare gli spezzoni di fibra. Inoltre, su tragitti lunghi è necessario inserire, a distanze regolari, dei dispositivi detti rigeneratori che consentano al segnale di giungere in ricezione con una qualità accettabile
• Ricevitore ottico: riceve il segnale ottico e lo converte in un segnale elettrico digitale. E' tipicamente composto da un fotodiodo, da un amplificatore e da circuiti di decisione che producono impulsi elettrici aventi l'ampiezza e la forma voluta
  
  

Le caratteristiche della luce

Tempi: 2 ore
Prerequisiti: conoscenza della natura delle onde elettromagnetiche e dei parametri che le caratterizzano
Obiettivi: definire qualitativamente la natura della luce e definire lo spettro ottico

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Natura di un segnale ottico

Un segnale inviato su una fibra ottica è, come dice il nome, un segnale ottico. Per spiegare tutti i fenomeni a cui è soggetto un segnale ottico, la fisica considera la luce come un'energia avente una duplice natura:

• la luce è costituita da onde elettromagnetiche, simili alle onde radio, aventi frequenza elevatissima. Essa viene considerata un questo modo quando se ne studia la propagazione e tutti i fenomeni ad essa correlati.
  

• la luce è composta da quanti(particelle) di energia elettromagnetica detti fotoni. Essa viene considerata in questo modo quando interagisce con la materia e ci permette di spiegare l'emissione luminosa in un diodo led o il passaggio di corrente in un fotorilevatore quando è colpito dalla luce

Lo spettro ottico

La luce è composta da onde elettromagnetiche la frequenza delle quali varia a seconda del colore. All'interno dell'intero spettro elettromagnetico è quindi possibile individuare la porzione relativa alla luce che prende il nome di spettro ottico. Si definisce luce l'energia elettromagnetica avente frequenza compresa nello spettro ottico e non solamente la luce visibile. Quest'ultima, infatti, occupa solo una piccola parte della regione dello spettro ottico che si estende da circa 400 a 800 nm. A causa della relazione che esiste fra colore e lunghezza d'onda, un segnale ottico viene detto monocromatico quando ha una ben precisa lunghezza d'onda e policromatico quando è composto da più colori e quindi più lunghezze d'onda.

La classificazione di un'onda elettromagnetica viene effettuata un uno dei tre seguenti possibili modi:

• frequenza, f[Hz]: utilizzata normalmente nel campo delle onde radio


• lunghezza d'onda, λ[m]: utilizzata normalmente nel campo dell'ottica


• energia posseduta dal fotone, E[eV]: utilizzata quando si studiano le interferenze della luce con la materia

Questi tre parametri sono modi differenti fra di loro per valutare la stessa cosa e quindi è possibile passare da uno all'altro in modo semplice. Infatti la frequenza e la lunghezza d'onda sono legate dalla seguente relazione:

λ=Vp/f

dove Vp è la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche. Il legame fra l'energia posseduta da un fotone E e la frequenza f è invece la seguente:

E=h·f

dove h è la costante di Planck. Sostituendo la prima relazione nella seconda è facilmente determinabile il legame fra λ ed E.