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.