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
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
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
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.
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