T13 FIBRE OTTICHE. T13.1 Elencare i principali vantaggi delle fibre ottiche come mezzo trasmissivo, in confronto con le linee di trasmissione in rame.

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1 T13 FIBRE OTTICHE T13.1 Elencare i principali vantaggi delle fibre ottiche come mezzo trasmissivo, in confronto con le linee di trasmissione in rame. T13. Perché le fibre ottiche possono essere considerate come guide d onda dielettriche? T13.3 Valutare l apertura numerica di una fibra ottica avente un angolo di accettazione di 11,4... T13.4 La relazione (3.5): NA = n 1 n vale anche per l apertura numerica delle fibre ottiche a profilo d indice graduale? [SI].. [NO] T13.5 Calcolare l apertura numerica e l angolo di accettazione di una fibra ottica avente n 1 = 1,48 (indice di rifrazione del nucleo) e % = 1 % (scarto percentuale fra gli indici di rifrazione del nucleo e del mantello)....

2 T13.6 Perché nelle specifiche relative alle fibre ottiche monomodali si considera il diametro modale (MFD, Mode Field Diameter), anziché il diametro geometrico del nucleo? T13.7 Le fibre monomodali vengono impiegate anche in prima finestra ottica? [SI] [NO] T13.8 Quanto vale l allargamento temporale degli impulsi dovuto alla dispersione, in una fibra MM-SI (multimodale a salto d indice) 50/15 (cioè con diametro del core e del cladding rispettivamente di 50 µm e 15 µm) lunga 3 km e avente indici di rifrazione n 1 = 1,5 e n = 1,485? T13.9 Una linea su fibra ottica lunga 6 km è formata da pezzature con giunto a fusione che introduce un attenuazione concentrata di 0, db. Come deve essere il coefficiente di attenuazione della fibra impiegata, se l attenuazione complessiva non deve superare i 3 db? T13.10 Una linea su fibra ottica MM, caratterizzata da una banda unitaria di 1500 MHz km, è realizzata giuntando 3 pezzature di fibra da 5 km ciascuna. Quale tra i seguenti valori potrebbe esprimere la sua larghezza di banda? [a] 1000 MHz.. [b] 10 MHz [c] 90 MHz

3 T13.11 Qual è la potenzialità minima prevista per i cavi ottici destinati ai collegamenti terrestri a lunga distanza? [a] 1. [b]. [c] 4. T13.1 Indicare se le seguenti affermazioni relative alle fibre ottiche sono Vere o False: a) I sistemi di trasmissione su fibra ottica sono generalmente sistemi di tipo numeriico. b) In una fibra ottica, i raggi incidenti all ingresso con una inclinazione superiore all angolo di accettazione non vengono trasmessi in fibra perché subiscono riflessione totale sulla superficie di separazione aria-nucleo. c) Le fibre ottiche monomodali sono sempre a salto d indice.. d) Nelle fibre MM i raggi guidati si propagano nel nucleo seguendo tutti un determinato percorso, dipendente dal diametro del nucleo.. e) L apertura numerica delle fibre ottiche si misura normalmente in µm o in nm..

4 f) Nelle fibre ottiche a profilo d indice graduale, il valore dell indice di rifrazione del nucleo è massimo al centro della fibra.. g) La dispersione cromatica si manifesta solo nelle fibre multimodali.. h) L apertura numerica di una fibra ottica è tanto più elevata quanto maggiore è l indice di rifrazione del core rispetto a quello del cladding. i) Nella trasmissione numerica su fibra ottica, l allargamento temporale degli impulsi ottici, dovuto ai fenomeni di dispersione, può dar luogo a interferenza intersimbolica (ISI, InterSymbol Interference).. T13.13 Esplicitare i seguenti acronimi relativi ai vari tipi di fibre ottiche per telecomunicazioni: MM.. SM SI GI DS. DF. PS

5 T13.14 Esplicitare i seguenti acronimi relativi ai dispositivi fotoemettitori e fotorivelatori. LED.. LD LASER. PIN APD.. NEP.. Risposte: T1.1 Bassa attenuazione chilometrica. - Ampia banda disponibile. - Assenza di fenomeni di diafonia. - Sicurezza da fulminazioni. - Insensibilità alle variazioni di temperatura. - Ingombro e peso ridotti. - Materia prima povera. T1. Perché l energia e.m. ottica viene guidata lungo la fibra grazie a successive riflessioni sulla superficie di separazione fra nucleo e mantello, in modo analogo a quanto avviene per l energia e.m. a microonde nelle guide d onda metalliche. T13.3 Stante il piccolo valore dell angolo di accettazione, l apertura numerica delle fibre ottiche per telecomunicazioni coincide praticamente con il valore in radianti del loro angolo di accettazione. Assumendo 1 rad = 57, si ha quindi: NA = 11,4 / 57 = 0, T [SI] Per n 1 va assunto il valore massimo che l indice di rifrazione assume al centro della sezione trasversale della fibra ottica. T In base alla (3.5) e alla definizione (3.9) dello scarto degli indici, si ha: NA = n1 n = n1 ( n1 n ) / n1 = n1 = 1,48 0,0 = 0,1 L angolo di accettazione è di circa 0,1 radianti. Ovvero: ϕ M = (0,1 57) = 1

6 T13.6 Perché l energia ottica che si propaga lungo una fibra, non è confinata interamente nel nucleo, ma invade in parte anche il mantello, con una profondità di penetrazione che, nel caso delle fibre SM, non è trascurabile rispetto al diametro del nucleo, dato il piccolissimo valore di quest ultimo (<10 µm). Di tale fenomeno (indicato come dispersione di guida) si tiene conto considerando per il diametro del nucleo un valore leggermente superiore a quello geometrico. T [NO] Nelle fibre monomodali normalizzate, la lunghezza d onda di taglio λ c (= lunghezza d onda minima a cui si verifica la propagazione unimodale) è compresa fra 1100 nm e 130 nm, a seconda del tipo di fibra monomodale (v. tab. 3.4); pertanto alle lunghezze d onda di prima finestra ( nm) tali fibre si comporterebbero come multimodali, dal punto di vista della propagazione. T Applicando la (3.6) si ottiene: 3 Ln1 ( n1 n) ,5(1,5 1,485) t m = = = 1, 5 ns 8 c n ,485 T13.9 Dalla relazione: si ricava: α[db/km] x 6 km + 0, db 3 db α (3 0,) / 6 = 0,46 db/km T [b] Il valore indicato in A, ottenuto dividendo per la lunghezza della linea la larghezza di banda unitaria, sarebbe quello giusto se non esistesse il fenomeno della concatenazione dei modi, che tende a equalizzare le lunghezze di percorso sull intera linea (perché, per effetto dello scattering, in corrispondenza di ciascun giunto i modi di propagazione della pezzatura precedente vengono convertiti, nella pezzatura seguente, in altri modi caratterizzati da differenti percorsi). Il risultato di tale equalizzazione è una riduzione della dispersione modale complessiva, con conseguente ampliamento della banda passante della linea. T [c] A meno di non ricorrere a tecniche di trasmissione a divisione di lunghezza d onda (WDM, Wavelenght Division Multiplexing), le fibre ottiche vengono impiegate in coppia (una per ogni senso di trasmissione). Tuttavia, nei sistemi multicanali di grande capacità, quali sono i sistemi realizzabili su linee a fibre ottiche, non conviene utilizzare un cavo a due sole fibre ottiche, ma è necessario prevedere una seconda coppia di riserva, per assicurare in ogni caso la continuità di servizio. In pratica le potenzialità previste per i cavi ottici a posa terrestre sono di almeno 10 fibre per cavo. T13.1 a) Con la tecnica numerica la conversione elettro-ottica dei segnali risulta semplificata, poiché si tratta di convertire gli impulsi elettrici in corrispondenti impulsi ottici ON- OFF (acceso-spento), mentre con la tecnica analogica occorre modulare in modo continuo l intensità del segnale emesso dalla sorgente ottica. b) Non può esserci riflessione totale sulla superficie d ingresso della fibra, perché l indice di rifrazione del secondo mezzo (nucleo) è superiore a quello del mezzo di provenienza (aria). In realtà i raggi incidenti con ϕ > ϕ M non vengono trasmessi perché, entrando nel nucleo della fibra ottica, giungono sulla superficie di separazione core-cladding con un angolo di incidenza minore dell angolo limite e quindi non procedono per riflessione totale, ma subiscono rifrazione penetrando nel mantello.

7 c) Nonostante il piccolissimo valore del diametro del nucleo, anche nelle fibre SM si può intervenire in sede costruttiva sulla forma del profilo d indice di rifrazione, per condizionare il fenomeno della diffusione cromatica, come ad es. nelle fibre SM-DS, con diffusione minima in terza finestra (dove è minima anche l attenuazione), e nelle fibre SM-DF con bassa diffusione in un ampio intervallo di lunghezze d onda (1,9 1,6 µm). d) Nelle fibre MM i raggi guidati possono propagarsi secondo diverse traiettorie, corrispondenti ai diversi modi di propagazione guidata. Il numero dei modi dipende dal diametro del nucleo, oltre che dall apertura numerica della fibra e dalla lunghezza d onda del segnale ottico. e) L apertura numerica (NA, Numerical Aperture) è data dal seno dell angolo di accettazione della fibra, e quindi è un parametro adimensionale. f) L indice di rifrazione del core decresce in modo graduale dal centro alla periferia, con andamento solitamente di tipo parabolico. g) La dispersione cromatica, al contrario di quella modale, è presente anche nelle fibre SM, non essendo legata alle differenze di percorso nella fibra, ma alle variazioni dell indice di rifrazione con la frequenza. Alla dispersione cromatica propriamente detta (chiamata anche dispersione del materiale), la cui entità dipende dalla larghezza spettrale della sorgente ottica, si affianca la dispersione di guida i cui effetti sono particolarmente pesanti nelle fibre SM, dato il piccolissimo valore del diametro geometrico del loro nucleo. h) In pratica, però, è necessario adottare per i due indici di rifrazione dei valori poco diversi fra loro (fibre ottiche debolmente guidanti), per ridurre il numero dei modi di propagazione. i) Per mantenere l ISI entro limiti accettabili (cioè per evitare che nella propagazione gli impulsi consecutivi possano sovrapporsi fino a provocare il riconoscimento errato dei bit), è necessario che tra l emissione di due impulsi ottici consecutivi intercorra un intervallo di tempo minimo, il cui valore condiziona la massima frequenza di trasmissione e quindi limita la larghezza di banda della fibra ottica. T MM = Multi Mode SM = Single Mode SI = Step Index GI = Graded Index DS = Dispersion Shifted DF = Dispersion Flatened PS = Pure Silica T LED = Light Emitting Diode LD = LASER Diode LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation PIN = Positive Intrinsic Negative APD = Avalanche Photo-Diode NEP = Noise Equivalent Power