Sorgenti e ricevitori. Impiego delle fibre ottiche in telefonia

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1 Argomenti relativi alle fibre ottiche. Fibre ottiche: Costituzione delle fibre Propagazione di energia ottica Sorgenti e ricevitori Impiego delle fibre ottiche in telefonia Frequenza normalizata Apertura numerica Dispersione ed attenuazione Diodi Led Diodi Laser fibreott.doc 1

2 Fibre ottiche - Introduzione. Qualcosa di completamente nuovo tra i portanti fisici è emerso con l'avvento delle fibre ottiche, che rispetto ai cavi coassiali offrono una serie veramente notevole di vantaggi: la natura completamente dielettrica del supporto rende il cavo ottico insensibile a fenomeni traumatici di natura elettrica. Ciò apre la possibilità di posare il cavo in zone precedentemente precluse ai cavi metallici convenzionali; la piccola dimensione dei cavi ottici permette tecniche di posa più agili, meno costose e capaci di ampliamenti (ad esempio posa in tritubo); la fibra stessa, come si vedrà più avanti, viene sottoutilizzata allo stato attuale della tecnologia. Sistemi operanti a bassa capacità potranno essere sostituiti con sistemi ad alta capacità sulla stessa fibra, sia impiegando terminali di linea a maggior velocità di cifra, sia trasmettendo più flussi differenziati per la lunghezza d'onda, entro la stessa fibra. L'eccezionale capacità trasmisiva della fibra estende le possibilità di ampliamento del traffico entro orizzonti ben più estesi di quelli offerti dalle linee in rame. I sistemi attuali in fibra ottica si prestano egregiamente per la trasmissione numerica, e assai meno per quella analogica. Possiamo anzi dire che l'introduzione delle fibre ottiche ha fornito il mezzo trasmissivo con bassissima attenuazione e larga banda che era indispensabile perchè potessero affermarsi i sistemi di trasmissione in PCM. La tecnica PCM infatti, pur essendo già utilizzata nei sistemi numerici in cavo, non è risultata all'inizio così vantaggiosa proprio per la mancanza di un portante fisico adeguato. Le sorgenti ottiche sono diodi LED e diodi LASER che vengono modulati con semplici metodi di controllo della corrente di polarizzazione. Tali sorgenti emettono impulsi di luce che riproducono, in termini di potenza ottica, l'andamento logico del segnale elettrico contenente l'informazione da trasmettere. Da un certo punto di vista si può affermare che tale procedimento è assimilabile ad una trasmissione in banda traslata, in cui una informazione in banda base (l'informazione numerica) modula in ampiezza una portante di natura elettromagnetica, quale è la luce. In ricezione si utilizzano dei diodi fotorivelatori. L'impatto dell'impulso luminoso produce una variazione della corrente che attraversa la giunzione; sul carico del fotorivelatore è possibile raccogliere variazioni di tensione che, opportunamente trattate dal rigeneratore, forniscono il segnale numerico ricevuto. Allo stato attuale della tecnica i sistemi ottici danno prova di grande affidabilità ed in genere offorno prestazioni che superano le aspettative del progettista. fibreott.doc 2

3 Caratteristiche di alcuni sistemi ottici. Prima di procedere al progetto vale la pena di indicare le caratteristiche di massima di alcuni sistemi ottici (v. Tab. 3.5). I primi sistemi utilizzati su base commerciale all'inizio degli anni '80 impiegavano fibre multimodo in I finestra e APD 1 come rivelatori, che in tale finestra consentono sensibilità fino a - 57 dbm. Impiegando fibre con attenuazione di 2-3 db / km, si sono realizzati sistemi a 34 Mb/s con lunghezza di tratta dell'ordine dei km. Per quanto riguarda l'impiego della II finestra, che risale alla metà degli anni 80, e il cui sfruttamento è principalmente legato a nuove tecnologie dei componenti optoelettronici, sono stati realizzati collegamenti a 34 Mb/s di lunghezza superiore a 20 km utilizzando fibre multimodo con attenuazione inferiore a 1 db/km nonchè, impiegando fibre monomodo con af < 0,5 db/km e banda di circa 10 GHz, collegamenti a 34 e 140 Mb/s, su lunghezze di km. Ricordando poi che in II finestra il sistema ottico non è più limitato dalla larghezza spettrale della sorgente, si può concludere che anche per sorgenti LED l'impiego a nm su fibre multimodali risulta interessante per sistemi economici di non rilevante lunghezza. Per quanto riguarda infine la III finestra occorre dire che la tecnologia sia delle fibre (per ottimizzare la dispersione cromatica, come già visto) sia quella dei componenti optoelettronici, è in via di consolidamento; i vantaggi risultano rilevanti soprattutto nei sistemi a grandissima capacità utilizzanti fibre monomodali, che superando in assoluto il problema della dispersione, e con perdite per attenuazione inferiori a 0,2 db/km, consentono tratte di lunghezza superiore a 80 km con frequenze di cifra di 565 Mb/s e oltre. Tab Confronto tra diversi sistemi ottici. fibra tipo utilizzo in finestra sistema (freq. di cifra) tipo di sorgente lunghezza tratta 8 Mb/s LED 10 Km 1 LASER 15 Km MULTI (850 nm) 34 Mb/s LED 4 Km MODO LASER 14 Km (graded) 34 Mb/s LED 8 Km LASER 20 Km 2 34 Mb/s LED 8 Km (1300 nm) LASER 50 Km MONO 140 Mb/s LASER 40 Km MODO 565 Mb/s LASER 40 Km Mb/s LASER 80 Km (1550 nm) 565 Mb/s LASER 80 Km 1 APD = Avalanche Photo Detector fibreott.doc 3

4 Parametri di progetto. L'obiettivo primario nel progetto di un sistema ottico consiste nel calcolo della potenza ottica disponibile all'uscita di una linea di determinata lunghezza, e nella verifica dei margini di sistema rispetto alla soglia di sensibilità del ricevitore. Da un diverso punto di vista, il progetto può mirare a calcolare la massima lunghezza del sistema ottico sulla base delle caratteristiche optoelettroniche degli apparati terminali e delle caratteristiche trasmissive della fibra prescelta. Soprattutto in questo secondo caso occorre considerare che la massima lunghezza può essere limitata da restrizioni della banda passante, più che dall'attenuazione. Per calcolare la lunghezza massima di una tratta, nota la potenza P T del trasmettitore e la sensibilità S del ricevitore, occorre valutare l'attenuazione massima ammissibile, che è data dall'equazione: dove: P T S = P Rmin M α L = P T - S - M potenza ottica del trasmettitore; sensibilità del ricevitore, cioè il livello minimo di potenza che consente di lavorare con un tasso di errore accettabile; margine del sistema, cioè un parametro di progetto assunto tra i 3 ed i 10 db sufficiente a compensare gli aumenti di attenuazione dovuti all'invecchiamento dei componenti, alle variazioni di temperatura, alle future riparazioni del cavo. La sensibilità S dipende dal tipo di ricevitore (diodo PIN o diodo APD), dalla frequenza di cifra, dal tasso di errore accettabile. Indicativamente, assumendo Te < 10-9 la sensibilità di un diodo APD varia da - 70 a - 40 dbm per frequenze di cifra che vanno da 1 a 1000 Mb/s. Utilizzando ad esempio un diodo a valanga ed assumendo f = 140 Mb/s, risulta una sensibilità del ricevitore S = PRmin = - 48 dbm. Assumendo poi P T = 0 dbm come potenza ottica del trasmettitore e M = 5 db come margine del sistema si avrà: α L = = 43 db che deve corrispondere all'attenuazione massima della linea. fibreott.doc 4

5 L'attenuazione totale della linea α L è la somma di diversi contributi, quali ad esempio: dove: α f α t α g α c M L N α L = α f. L + α t. N + α g. L + α c. L + M attenuazione chilometrica della fibra; attenuazione media dei connettori con cui gli estremi della fibra vengono terminati in trasmissione e ricezione (e in eventuali punti di sezionamento) attenuazione media dei giunti tra le pezzature della fibra, valutabile a meno di un decimo di db/km; margine del cavo, valutabile in 0,3 db/km; tiene conto di possibili interruzioni delle fibre e successive operazioni di giunzione, nel corso della vita dell'impianto. (2 db per sistema a LASER e 4 db per sistemi a LED) margine dell'apparecchiatura che tiene conto delle differenze degli apparati dai dati di targa e in una certa misura anche dell'invecchiamento dell'impianto. lunghezza del percorso in km; numero complessivo di connettori presenti da un apparato terminale all'altro. Valori indicativi di α f : I FIN, multimodo step-index α f = 5 db / Km II FIN, multimodo graded-index α f = 1 db / Km III FIN, monomodo step-indexα f = 0,5 db / Km supponendo i giunti a distanza di 2 Km. si ha: N = ( L / 2 ) - 1 fibreott.doc 5

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