Studio delle problematiche dell interconnessione e analisi comparativa delle prestazioni delle connessioni in fibra ottica

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1 Università degli Studi di Genova Facoltà di Ingegneria TESI DI LAUREA Studio delle problematiche dell interconnessione e analisi comparativa delle prestazioni delle connessioni in fibra ottica Relatore: Chiar. mo Prof. Mirco Raffetto Correlatore: Ing. Massimo Gallesio Allievo: Luca D Angelo 15/07/2011

2 Alla Commissione di Laurea e di Diploma Alla Commissione Tirocini e Tesi Sottopongo la tesi redatta dallo studente Luca D Angelo dal titolo: Studio delle problematiche dell interconnessione e analisi comparativa delle prestazioni delle connessioni in fibra ottica. Ho esaminato, nella forma e nel contenuto, la versione finale di questo elaborato scritto,e propongo che la tesi sia valutata positivamente assegnando i corrispondenti crediti formativi. Il Relatore Accademico Prof. Mirco Raffetto 2

3 Ringraziamenti In primo luogo i miei ringraziamenti vanno senza dubbio ai miei genitori, Eligio e Silvia, insostituibile ed inesauribile fonte di consigli ed incoraggiamenti soprattutto nei momenti difficili. Poi a mia sorella Stefania, mia grande sostenitrice. Alla mia ragazza Roberta per la sua pazienza. Un ringraziamento particolare va al mio relatore Professor Mirco Raffetto, sempre costruttivo attraverso le critiche e attraverso i suoi suggerimenti. Non voglio dimenticare il mio correlatore l ingegner Gallesio Massimo, inesauribile fonte di energia e straordinario motivatore soprattutto nei momenti in cui mi vedeva in difficoltà. Un ringraziamento va a tutti i componenti lo staff di Ingegneria dei Materiali della Selex Elsag, luogo in cui ho svolto la tesi, che mi hanno accolto in maniera favolosa. 3

4 Study of the problems of the interconnections and a comparative analysis of the performances of the optical fiber connections. This thesis is a study of the interconnections problems and a comparative analysis of the optical fiber connections performances through the study of the optical fiber use in different fields. After the first part in which there is a treatment of the features of optical fiber, a brief treatment on crosstalk, on ESD discharge and on EMI noises and some definitions of some signals parameters; I start the analysis of optical fiber applications. First of all I analyze the use of optical fiber in telecommunications with the study of FTTH. After this treatment I analyze the use of optical fiber on an optical backplane. Then there is a study of the use of optical fiber in military field and a study of the use of optical fiber as sensors. In this work I also analyze a new technology called RF over FIBER; with this technology the designers are able to transmit the RF signal on an optical fiber after a modulation. I also make some measure of the insertion loss value on 3 different optical fibers and at the end I make a comparative analysis between copper and optical fiber in the interconnections. 4

5 SOMMARIO CAPITOLO 1: SISTEMI DI INTERCONNESSIONE Il Mezzo Trasmissivo (Canale) Fibra ottica Principi di funzionamento Fibre Monomodali Fibre Multimodali Spettro elettromagnetico e finestre di trasmissione Modalità e tecniche di trasmissione Caratteristiche delle fibre ottiche Attenuazione Dispersione Configurazione di base di una linea di comunicazione ottica Classificazione delle fibre nei cablaggi Tipi di connettori in fibra ottica usati comunemente nei cablaggi CAPITOLO 2: PARAMETRI E CARATTERISTICHE DEI SEGNALI E DEI DISTURBI Parametri di un segnale Larghezza di banda Rise time e Larghezza di banda Larghezza di banda e Throughput (Gbps) Insertion Loss: Return loss: Impedenza Jitter Lo skew Principali disturbi o rumori ESD - Scariche Elettrostatiche EMI - Rumori Induttivi Diafonia o Croostalk CAPITOLO 3: RAME VS FIBRE OTTICHE NELLA CONNESSIONE CAPITOLO 4: FIBER TO THE HOME Definizione di FTTX Rete di accesso attuale Tecnologie X-DSL CAPITOLO 5: BACKPLANE Definizione generale Problematiche per la realizzazione di un Optical Backplane

6 5.3 Realizzazione di un backplane ottico Vantaggi nell uso di un connettore mpx CAPITOLO 6: ARCHITETTURE CON NUOVE FIBRE OTTICHE IN APPLICAZIONI MILITARI E AEREONAUTICHE Perché le fibre ottiche : Tecnologie Ottiche Problemi comuni nelle applicazioni Militare-Aero Fibre nelle applicazioni Aero Sensori Ottici Vantaggi dei sensori in fibra ottica Sensori strutturali in Fibra Ottica Reticolo di Bragg sulla fibra (FBG) Utilizzo delle fibre ottiche e delle FBG nella trasmissione dei dati Utilizzo delle FBG come sensori di deformazioni Applicazioni dei sensori FBG Sensori di Fabry-Perot Fibre ottiche nella difesa Un altro tipo di sensore: Phased Array Radar RF OVER FIBER RF Over Fibra VS RF Over Rame CAPITOLO 7: MISURE E TEST SU CAVI IN FIBRA OTTICA Testare un cavo Principio di misurazione con LSPM Condizioni di lancio Principio di misurazione con OTDR Funzionamento di base Problematiche più comuni nella misura e nei test sulla fibra ottica Ispezione e pulizia delle superfici terminali dei connettori Misure effettuate in laboratorio CAPITOLO 8: CONCLUSIONI BIBLIOGRAFIA

7 Sommario La seguente tesi, svolta all interno del gruppo di Ingegneria dei Materiali della Selex Elsag, si propone di approfondire alcune problematiche che riguardano l impiego della fibra ottica in vari campi che vanno dall elettronica di base, alle telecomunicazioni fino ad arrivare agli utilizzi nei campi militari e aerospaziali, evidenziando soprattutto le questioni riguardanti l interconnessione. Ho tentato di evidenziare quali sono i vantaggi dell utilizzo della fibra ottica rispetto all utilizzo del vecchio rame. Nel primo capitolo si parla della struttura fisica delle fibre ottiche e di come queste usino le leggi dell ottica per la trasmissione del segnale, evidenziandone i vari aspetti caratteristici. Nel secondo capitolo ho introdotto i vari parametri che si incontreranno durante lo svolgimento della tesi e ho riportato le definizioni di alcuni parametri che caratterizzano il segnale e le definizioni dei disturbi o rumori che influenzano il segnale stesso. Nel terzo capitolo inizio le prime analisi specifiche relative all interconnessione, con considerazioni sui vantaggi e sugli svantaggi che possono derivare dall utilizzo della fibra ottica in sostituzione dei collegamenti in rame. Dal capitolo 4 inizio a parlare in termini tecnici di come la fibra viene utilizzata in alcune applicazioni specifiche del settore telecomunicazioni (FTTH). Nel capitolo 5 si approfondisce l uso delle connessioni in fibra per un backplane ottico e si analizzano le tecniche di realizzazione del backplane stesso. Nel capitolo 6 mi sono occupato della descrizione delle applicazioni della fibra ottica nel campo dove si ritiene che la fibra ottica stessa stia per prendere il sopravvento: il campo aerospaziale e militare. Il capitolo 7 invece si presenta come un analisi delle più importanti tecniche di misura per la fibra ottica. Si fa riferimento sia a tecniche utilizzabili sul campo sia a tecniche di laboratorio, con un approfondimento sulle misurazioni dell insertion loss eseguite in laboratorio. 7

8 Infine nell ultimo capitolo si tirano le somme di quello di cui ho parlato nello svolgimento di tutto l elaborato. 8

9 1 Capitolo 1: Sistemi di interconnessione Un sistema di trasmissione (o di interconnessione) è costituito da tre parti fondamentali: 1. Il lato trasmittente (o Driver) che rappresenta la sorgente dell informazione. 2. Il lato ricevente (o Receiver) che rappresenta la destinazione. 3. Il canale o mezzo trasmissivo (l Interconnessione) che consente il trasferimento dell informazione. Figura 1.1 Schema base di un sistema di interconnessione per trasmissioni digitali In pratica, in ogni sistema complesso, si possono trovare moduli collegati tra loro da un sistema di interconnessione. Grazie ai progressi delle tecnologie di integrazione, la complessità dei moduli aumenta ad una velocità superiore a quella con cui aumenta la capacità di scambiare informazioni, per cui ad oggi la velocità operativa dei sistemi è limitata dai tempi richiesti per trasferire l informazione. Da qui emerge l enorme importanza assunta dai sistemi di trasmissione in un apparato elettronico. 9

10 1.1 Il Mezzo Trasmissivo (Canale) Il mezzo trasmissivo non è altro che il mezzo lungo il quale si propagano i segnali da una località all altra, e che, quindi consente il trasferimento dell informazione. Dal mezzo trasmissivo dipendono in particolar modo sia la qualità della trasmissione sia le prestazioni dell intero sistema. I mezzi trasmissivi che vengono impiegati per trasmissioni di tipo analogico devono consentire il trasporto dei segnali mantenendo inalterate le originarie forme d onda istante per istante; quelli impiegati invece per trasmissioni di tipo numerico devono consentire il riconoscimento del valore del segnale corrispondente in certi istanti di tempo per poterlo restituire in modo corretto. Un mezzo trasmissivo è caratterizzato dai seguenti parametri: Banda passante (o banda di trasmissione) (in Hz); Attenuazione (db/km); Velocità di trasmissione (in bit/sec); Prestazioni (probabilità di errore o rapporto segnale-rumore); Rumori e interferenze; Complessità realizzativa; Costo; I mezzi trasmissivi si dividono in due grandi gruppi in base al tipo di propagazione delle onde. 1) Mezzi trasmissivi ad onde guidate (supporti fisici): in quanto esiste un collegamento fisico tra il lato trasmittente ed il lato ricevente (in pratica tutte le strutture guidanti in rame e le fibre ottiche). 2) Mezzi trasmissivi ad onde irradiate (ponti radio): in quanto non esiste una struttura concreta di collegamento tra il lato trasmittente ed il lato ricevente; in quanto l informazione viaggia sotto forma di onde tipicamente elettromagnetiche, sarebbero utilizzabili anche onde acustiche che si propagano nell aria tra due punti fissi (antenne). 10

11 Figura 1.2 Esempi di mezzi trasmissivi La scelta del mezzo trasmissivo dipende dal tipo di segnale da trasmettere e quindi dalla banda di frequenza. Nelle linee di trasmissione in cavo e wireless i segnali trasportati sono di natura elettrica; mentre nelle fibre ottiche sono di natura diversa in quanto le informazioni vengono trasmesse da sorgenti che emettono onde elettromagnetiche luminose. Tipo di canale Banda passante (Hz) Velocità di trasmissione (bit/sec) Doppino telefonico 4 x x Fibre Ottiche 10 x x Guide D onda 2 x x x x Ponti radio (2700 canali) Tabella 1.1 Caratteristiche di alcuni mezzi trasmissivi Rapporto S/N (db) 11

12 1.2 Fibra ottica Figura 1.3 Cavo composto da più fibre ottiche Le fibre ottiche sono particolari guide d onda che guidano la luce. Sono flessibili, immuni ai disturbi elettromagnetici ed alle condizioni atmosferiche estreme e poco sensibili alle variazioni di temperatura. Hanno le dimensioni di un capello e pesano veramente poco. Una singola fibra pesa circa 20 kg/km compresa la guaina che la ricopre. Nel campo delle telecomunicazioni, sono usate come canali di comunicazione privilegiati ad alta velocità, in quanto consentono velocità di trasmissione dei dati numerici dell'ordine del Gigabit/sec, decisamente superiori a quelle consentite dai cavi coassiali loro corrispondenti predecessori. Presentano altri indiscutibili vantaggi quali l insensibilità alle interferenze e alla diafonia, il basso costo, il volume ridottissimo e la bassissima attenuazione, per cui possono aversi tratte di più di 100 Km senza necessità di amplificatori. Per avere un idea, esse sono in grado, ad esempio, di trasferire telefonate contemporaneamente in una sola fibra. Sono costituite da una parte centrale detta core (nucleo), una parte esterna detta cladding (mantello) e da una guaina protettiva (jacket). Core e cladding hanno indici di rifrazione diversi per confinare la luce all interno del core. Il core presenta un diametro molto piccolo, dell ordine dei micron o delle decine dei micron, mentre il cladding ha un diametro di circa 125 µm. 12

13 Una fibra ottica viene caratterizzata in base al diametro del core e del cladding, cioè dal rapporto tra la misura del diametro del core e la misura del diametro del cladding (es. 9/125 per le fibre monomodali): Figura 1.4 Elementi costitutivi della fibra ottica Figura 1.5 Sezione di una fibra multimodale Fibre multimodali: 50/125, 62.5/125, 100/140 µm Fibre monomodali 4-10/125 µm Inoltre, ci sono un rivestimento primario polimerico o buffer ed una guaina protettiva polimerica o jacket. Il buffer ha la funzione di proteggere la fibra da agenti esterni ed irrobustirla meccanicamente. Il jacket determina un aumento del coefficiente di attenuazione. Il core e il cladding della fibra ottica possono essere realizzati in: Silice: la fibra ottica è una singola fibra di vetro; Polimeri: la fibra è costituita da una materia plastica; Le fibre plastiche sono molto più facili da maneggiare rispetto alle fragili fibre di vetro. La dimensione del core è molto più grande (1 mm) rispetto alle fibre in silice. 13

14 Le fibre ottiche hanno un attenuazione molto bassa, dell ordine di 0.16 db/km. In un sistema ottico i segnali vengono trasmessi sotto forma di fotoni; il loro comportamento non viene facilmente influenzato da campi elettromagnetici a frequenze non comprese nelle bande di lavoro della fibra. Inoltre il naturale confinamento dei fotoni esclude qualsiasi forma di crosstalk dato che la bassa perdita di flusso luminoso garantisce che i segnali ottici non interferiscano con altri provenienti da fibre poste in prossimità. Lo stesso confinamento del segnale all interno della fibra garantisce inoltre l impossibilità d intercettare il segnale dall esterno per tutta la lunghezza del collegamento, e quindi la sicurezza della comunicazione. Inoltre l incremento della banda passante e la diminuzione delle perdite di trasmissione in alta frequenza rispetto ai cavi coassiali o a quelli paralleli rappresenta un grande vantaggio Principi di funzionamento Lo studio della propagazione della luce all interno delle fibre ottiche può essere effettuato utilizzando la teoria della propagazione elettromagnetica guidata o ipotizzando la validità delle leggi che regolano l ottica geometrica (propagazione per raggi), essendo trascurabili i fenomeni di diffrazione. Per spiegare meglio il funzionamento della fibra ottica facciamo dei richiami di teoria dell ottica. La rifrazione è la deviazione subita da un onda e ha luogo quando questa passa da un mezzo fisico all altro nel quale cambia la velocità di propagazione. Ad e- sempio la rifrazione della luce è il fenomeno più osservato. In ottica la rifrazione avviene quando l onda passa da un mezzo con un certo indice di rifrazione a un altro con un diverso indice di rifrazione. Figura 1.6 Effetto della rifrazione 14

15 L indice di rifrazione solitamente definito con n, è il rapporto tra la velocità della luce c nel vuoto e la velocità della luce (v) in un qualsiasi mezzo quindi: n = c / v Questo valore è sempre maggiore di 1. La rifrazione è regolata dalla Legge di Snell (o legge dei seni): (1.1) n 1*sinα1 = n2 *sinα 2 (1.2) α1 = angolo del raggio incidente α2 = angolo del raggio rifratto n1 = indice di rifrazione del mezzo 1 n2 = indice di rifrazione del mezzo 2 Figura 1.7 Legge di Snell L angolo di incidenza oltre il quale si ha assenza di rifrazione è: Angolo critico o limite α = arcsin n 2 L n (1.3) 1 La trasmissione della luce attraverso una fibra è basata sul fenomeno della riflessione totale interna che si presenta quando la luce incide obliquamente sull interfaccia tra due mezzi di diverso indice di rifrazione, con un angolo più grande dell angolo critico. 15

16 Figura 1.8 Riflessione totale Affinché si abbia una riflessione totale, bisogna che il raggio venga introdotto ad un estremità ottica entro un certo angolo di accettazione della fibra (ricavabile utilizzando la legge di Snell): Angolo d accettazione 2 2 n n 1 θ = (1.4) n 2 o n o = indice di rifrazione del mezzo esterno Apertura Numerica NA = sinθ = n n (1.5) Figura 1.9 Cono di accettazione, apertura numerica, massimo angolo di accettazione 16

17 Un eventuale raggio iniettato nella fibra al di fuori del cono di accettazione, come si può notare dalla figura (1.9), andrà ad incidere sulla separazione core-cladding con angolo inferiore al valore critico e quindi si perderà nel mantello a seguito della rifrazione. In base a quanto detto, possiamo suddividere la propagazione della luce all interno di una fibra ottica in: Propagazione di tipo guidato: Quando un raggio di luce nel core incontra la superficie di separazione corecladding con un angolo di incidenza maggiore o uguale di quello limite, viene totalmente riflesso nel nucleo e può quindi propagarsi senza attenuarsi per effetto della rifrazione. Propagazione di tipo irradiato: Se l angolo di incidenza è minore di quello limite; in questo caso una parte del raggio incidente viene rifratta, entrando nel cladding e quindi andando persa ai fini della trasmissione. Ad ogni successiva incidenza il raggio risulterà attenuato, fino a perdersi completamente Fibre Monomodali Le fibre monomodali hanno un diametro del core molto ridotto (circa 4-10 µm); il diametro del cladding è in genere di 125 µm. L indice di rifrazione varia bruscamente passando dal core al cladding. Il termine monomodale deriva dal fatto che il raggio all interno si propaga in un unico modo perché è costretto, dal diametro molto piccolo del core, a propagarsi quasi parallelamente all asse della fibra. Per quantificare quanto debba essere piccolo il diametro d del core al fine di ottenere una fibra monomodale, si fa uso della seguente relazione: d λ = (1.6) NA λ = lunghezza d onda della radiazione NA = apertura numerica 17

18 Figura 1.10 Fibra monomodale Vantaggi: elevato tempo di vita ( circa 20 anni ); minima dispersione; minima perdita della potenza ottica; bassa attenuazione < 0,45 db/km ampia larghezza di banda > 10 GHz/Km Svantaggi: problemi di connessione a causa del piccolissimo diametro del core (perdite per disallineamento laterale) elevata potenza ottica richiesta Fibre Multimodali Questo tipo di fibre si differenzia dalle precedenti innanzitutto per le maggiori dimensioni: il diametro del core è di 50 o 62,5 µm e quello del cladding è di µm. A seconda del profilo dell indice di rifrazione si suddividono in: 1) Step-index: profilo a gradino (poco utilizzate) 18

19 Figura 1.11 Fibre multimodali step-index 2) Graded-index: profilo graduale (utilizzate nelle reti locali). Nelle fibre step-index l indice di rifrazione è costante in tutto il core e decresce bruscamente nel cladding come per le fibre monomodali. A differenza di queste ultime, in esse si manifesta notevolmente la dispersione modale per cui non trovano applicazione nelle telecomunicazioni. Infatti, anche i raggi luminosi con stessa lunghezza d onda ed immessi nella fibra con diverso angolo d incidenza (inferiore all angolo di accettazione) si propagano con la stessa velocità all interno della fibra ma attraverso percorsi a zig-zag di diversa lunghezza. Figura 1.12 Fibre multimodali graded index 19

20 Quindi essi giungono a destinazione in tempi diversi producendo un allargamento temporale dell impulso luminoso trasmesso. Nelle fibre graded-index, l indice di rifrazione decresce gradualmente dal centro del core fino alla regione di separazione tra core e cladding. Il vantaggio delle fibre graded-index è che i raggi che si avvicinano al cladding, attraversano un mezzo che presenta un indice di rifrazione via via decrescente e posseggono una velocità più alta rispetto ai raggi che compiono un percorso più breve come, ad esempio, quelli meno inclinati rispetto all asse della fibra. In questo modo tutti i raggi dell impulso di luce giungono quasi contemporaneamente limitando, così, la dispersione modale. Il numero di modi di propagazione M per una fibra multimodale si può valutare con la seguente formula approssimata, valida se M >> 1: dove d = diametro del core; 2 π d NA M = 0.5* (1.7) λ λ = lunghezza d onda della radiazione incidente: NA = apertura numerica della fibra: Le fibre multimodali vengono utilizzate per distanze molto brevi (<10 km) a causa dei significativi vantaggi delle fibre monomodali Spettro elettromagnetico e finestre di trasmissione I sistemi ottici di telecomunicazione impiegano una portante a frequenza elevata, dell ordine dei 100 THz; per cui la larghezza di banda del segnale accoppiato in fibra (= l intervallo di frequenza in cui opera il segnale) può essere molto grande; vanno tuttavia considerati i fenomeni della dispersione e il coefficiente di attenuazione della fibra (in particolare il suo andamento in frequenza) affinché i raggi si propaghino senza perdere eccessiva potenza e non subiscano distorsioni. Nelle comunicazioni ottiche, lo spettro trasmissivo è descritto in termini di lunghezza d'onda invece che di frequenza. Si definiscono finestre di trasmissione gli intervalli di lunghezza d onda λ (nell intorno della portante ottica) entro i quali si hanno i minimi di attenuazione nel trasferimento del segnale. Per le fibre di vetro si hanno le seguenti finestre: 20

21 Figura 1.13 Finestre di trasmissione "prima finestra": 850 nm (nel campo del visibile), usata soprattutto con economici laser a diodo con luce multimodale. Permette di realizzare collegamenti di 275 m su fibre 62.5/125 e di 550 m su fibre 50/125. "seconda finestra": 1310 nm, usata con laser multimodali o monomodali. Permette di realizzare collegamenti di 5-10 km su fibre monomodali. "terza finestra": 1550 nm, usata con laser monomodali. Questa finestra permette di realizzare le distanze maggiori, compresi collegamenti di 100 km con apparati relativamente economici Modalità e tecniche di trasmissione Sulle fibre ottiche si usano due diverse modalità di trasmissione: A Led: modalità di trasmissione utilizzata per le fibre multimodali. I Led sono poco costosi. A laser: modalità di trasmissione utilizzata per le fibre monomodali. I laser sono più costosi dei Led, ma si coprono distanze maggiori con velocità di trasmissione maggiori. Per le comunicazioni di grande portata su fibra ottica si usano oggi due tecniche: TDM : bit associati a canali differenti vengono intervallati nel dominio del tempo per formare flussi di bit, ossia più segnali vengono trasmessi sulla stessa linea in sequenza temporale WDM : su una singola fibra ottica vengono trasmessi contemporaneamente una molteplicità di segnali generati da sorgenti Laser diverse, accordate su differenti 21

22 lunghezze d onda. Le trasmissioni su differenti lunghezze d onda vengono raccolte tramite un Multiplexer (MUX). In ricezione i vari canali trasmissivi vengono spillati dalla fibra tramite un De-Multiplexer (DEMUX); questo viene fatto per aumentare la capacità della fibra. Il parametro fondamentale è rappresentato dalla spaziatura λ tra i canali ottici. Le normative prevedono che la spaziatura sia un multiplo di 0.4 nm (50GHz) [26 pag 14]. λ più piccoli permettono una maggiore capacità trasmissione. Vi è però un limite tecnologico dei Mux/DeMux. Attualmente la banda di trasmissione digitale arriva a Gb/s, nei laboratori si è arrivati fino a 100 Gb/s. Considerato che per un canale telefonico occorrono 64 Kb/s, il numero di canali telefonici su una singola fibra è, rispettivamente, 156K 312K e 1.5M [26 pag.14]. La multiplazione permette di avere circa 132 canali indipendenti. Figura 1.14 Schema WDM Caratteristiche delle fibre ottiche Il segnale che viene trasportato lungo una fibra ottica può subire dei danneggiamenti, e questo principalmente per due motivazioni: 1. Dispersione: la forma d onda del segnale viene deteriorata; 2. Attenuazione: viene ridotta l ampiezza e quindi la potenza del segnale; 22

23 Figura 1.15 Effetti dell'attenuazione e della dispersione Attenuazione Il rapporto tra la potenza ottica trasmessa e quella ricevuta, dopo una lunghezza di riferimento, definisce l attenuazione della fibra stessa, che è una funzione della lunghezza d onda, del tipo di fibra, e delle eventuali sollecitazioni meccaniche che agiscono sulla fibra. Si definisce coefficiente di attenuazione: Po db = 10 Log10 (1.8) P Po = potenza ottica trasmessa P = potenza ottica ricevuta L attenuazione più bassa finora ottenuta in fibre di silice è di circa 0,2 db/km, relativamente alla lunghezza d onda di 1500 nm. Questo basso livello di attenuazione è stato ottenuto grazie ad un accurata lavorazione del vetro e della fibra. L attenuazione all interno di una fibra ottica è essenzialmente dovuta ai seguenti fattori: Assorbimento del materiale: è causato da impurità molecolari presenti all interno del nucleo della fibra che causano l assorbimento di determinate lunghezze d onda. È possibile limitarlo attraverso processi produttivi della fibra particolarmente accurati e costosi. Scattering del materiale: è causato da un processo fisico mediante il quale una particella posta sulla traiettoria di un onda elettromagnetica, assorbe energia da essa e la riemette in tutte le direzioni inoltre è causato da fluttuazioni di temperatu- 23

24 ra e composizione che interrompono i cammini di riflessione dei raggi di luce (scattering di Rayleigh); può anche sorgere nelle irregolarità dell interfaccia nucleo-mantello, che producono una trasmissione del segnale nel mantello e quindi una conseguente diminuzione di energia nel raggio riflesso. Figura 1.16 Attenuazione in funzione della lunghezza d'onda Curvature: possono causare attenuazione se raggiungono valori tali da far sì che i raggi arrivino all interfaccia core/cladding con un angolo minore rispetto all angolo critico che garantisce la riflessione interna totale; in particolar modo sono da evitare le microcurvature, come si deduce dalla figura (1.17). Figura 1.17 Macro-curvature e micro-curvature 24

25 1.2.8 Dispersione I fenomeni che determinano le dispersioni delle fibre ottiche sono: Dispersione del materiale; Dispersione modale; Dispersione di guida d'onda. Dispersione del materiale È causata dal fatto che differenti lunghezze d onda si propagano con velocità diverse all interno dello stesso mezzo materiale; di conseguenza le varie lunghezze d onda inviate simultaneamente all interno del flusso luminoso non giungeranno contemporaneamente al ricevitore ma accuseranno una dispersione temporale legata alle differenza di tempo di propagazione. Questo fenomeno può essere ridotto usando una sorgente con uno stretto spettro di emissione (laser). Dispersione modale Figura 1.18 Effetto della dispersione modale nelle fibre Ha origine dal differente cammino ottico effettuato dai modi di basso ordine rispetto ai modi di alto ordine: i modi di alto ordine, percorrendo un cammino maggiore 25

26 saranno caratterizzati da tempi di propagazione maggiori rispetto ai modi di basso ordine e quindi raggi generati simultaneamente presenteranno una dispersione temporale al ricevitore. Questo fenomeno può essere ridotto nelle fibre con indice a gradino (Step-index) diminuendo l apertura numerica NA, in modo che solo modi di basso ordine possano propagarsi. Nelle fibre a indice graduale (Graded-index), invece, esiste una compensazione intrinseca di questo effetto in quanto i modi di alto ordine viaggiano più velocemente nelle zone a basso indice di rifrazione (ove transitano più spesso) e quindi la differenza di propagazione temporale risulta notevolmente ridotta. La dispersione modale, presente esclusivamente nelle fibre multimodo, viene quantificata in ns/km. Altre cause che determinano la dispersione modale sono la superficie irregolare del cladding che provoca riflessioni anomale, la conicità del core che determina variazione della direzione del raggio riflesso e la superficie di giunzione tra due fibre che modifica la direzione del raggio. Il fenomeno della dispersione è generalmente un problema solo per comunicazioni su lunghe distanze, perciò le fibre con indice graduale, sebbene più costose rispetto a quelle con indice a gradino, vengono utilizzate insieme al laser per questo tipo di applicazioni (anche se sono di seconda scelta rispetto a SMF). Per distanze minori di 500 metri e minori bande passanti, le fibre con indice a gradino sono favorite per il loro basso costo e la maggiore facilita di accoppiamento. Nella scelta del tipo di fibra da utilizzare nelle diverse applicazioni occorre considerare il fatto che le fibre monomodali (SMF) non presentano dispersione modale, sono dotate di notevoli capacita trasmissive (bande di trasmissione di migliaia di GHz per Km di fibra), attenuano meno rispetto alle fibre con indice graduale ed i- noltre sono caratterizzate da un minor costo produttivo rispetto a queste ultime. La realizzazione di una linea di comunicazione ottica su lunga distanza, verrà pertanto implementata utilizzando fibre SM accoppiate con laser. Per caratterizzare la dispersione che si verifica utilizzando una fibra monomodale, si considera un segnale inviato in fibra attraverso impulsi e si definisce una dispersione cromatica che risulta correlata alla propagazione delle singole compo- 26

27 nenti frequenziali dell impulso con velocità diverse. Questo tipo di dispersione dipende sia dalla sorgente, che non è perfettamente monocromatica, che dalla fibra, in quanto le diverse componenti frequenziali viaggiano nel vetro a velocità diverse, e ciò produce un allargamento dell impulso durante la propagazione, Considerando il ritardo di gruppo τ (tempo che impiega un impulso a propagarsi lungo 1 km di fibra), misurato in ps/km, e v velocità di gruppo, si definisce allora un coefficiente di dispersione D(λ) nel modo seguente: D ( λ) = dτ ( λ) / dλ = d(1/ v) / dλ (1.5) Il parametro D viene fornito, generalmente, in unità ps/nm Km e indica l aumento della durata di un impulso di larghezza λ dopo aver percorso 1 Km di fibra. Dispersione di guida d onda La dispersione si ha poiché il cladding ha indice di rifrazione inferiore a quello del core. Questa dispersione dipende dal profilo di indice della fibra. Le tre dispersioni precedentemente descritte determinano una limitazione della banda passante dell'intero collegamento Configurazione di base di una linea di comunicazione ottica Figura 1.19 Link di base per una comunicazione ottica Un segnale digitale viene trasferito attraverso un amplificatore ad un dispositivo Optoelettronico che genera il segnale luminoso (si usano LED per trasmissioni multimodali e LASER a semiconduttore per le monomodali) che viene accoppiato alla fibra ottica attraverso opportuni connettori; il segnale si propaga quindi all interno della fibra fino a raggiungere il rivelatore, un secondo dispositivo optoelettronico che effettua la conversione opposta rispetto a quella d ingresso, os- 27

28 sia da un segnale ottico genera un segnale elettrico (si usano di solito fotodiodi). Il segnale elettrico in uscita, dopo essere stato trattato dall amplificatore avente caratteristiche simili a quello d ingresso, è disponibile anche a distanze molto elevate dalla sorgente. Solitamente, in una linea di comunicazione ottica sono presenti interconnessioni intermedie che uniscono tra loro diversi tratti di fibra. Figura 1.20 Connessioni tra diversi tratti di linea ottica Per determinare la potenza in uscita da una linea di comunicazione ottica occorre considerare, oltre alle perdite (legate al coefficiente di attenuazione) della fibra, le perdite di accoppiamento fibra-fibra e fibra-sorgente/rivelatore. Queste perdite sono dovute alle riflessioni che si verificano presso le facce accoppiate e a piccoli disallineamenti dovuti alle tolleranze di produzione dei singoli componenti. Definiti: - Ø(T): potenza inviata dalla sorgente - Ø(R): potenza misurata dal rivelatore - T: perdite di accoppiamento sorgente-fibra - c: perdite legate all attenuazione del segnale che si propaga in fibra - n con: perdite totali dovute all inserzione degli n connettori fibra-fibra - R: perdite di accoppiamento fibra-rivelatore La perdita totale sulla linea s risulterà allora la somma di tutte queste perdite. Per garantire un alta efficienza del sistema è necessario mantenere il numero di connessioni al minimo; in alcune circostanze è conveniente usare un cavo in fibra ottica più lungo piuttosto che incorrere nelle perdite di connessione. 28

29 Classificazione delle fibre nei cablaggi La Telecommunications Industry Association (TIA), associazione statunitense per la standardizzazione dei cablaggi strutturati, ha deciso di dotare i suddetti cablaggi di uno standard per cercare di rendere più facile il confronto tra fornitori e utilizzatori. Quindi si é pensato di imporre la sigla OM alle fibre multimodali (multi - mode) e la sigla OS a quelle monomodali (single-mode). Ogni OM ha un minimo requisito di larghezza di banda (MBW). Minima banda modale MHz/Km Wavelenght Overfilled launch bandwidth Laser launch bandwidth Fiber type Core diameter 850 nm 1300 nm 850 nm OM1 62, Not specified OM Not specified OM OM Tabella 1.2 Caratterizzazione delle fibre nei cablaggi Da quanto si vede dalla tabella (1.2) precedente ci sono due diverse condizioni in cui si può misurare la larghezza di banda minima: Overfilled launch Laser launch Overfilled launch sono fatti con sorgente a led, laser launch con sorgente un laser VCSEL che supporta velocità di trasmissione 10 Gb Ethernet Base-SX 10GBase-S 40GBase-SR4 100GBase-SR10 OM1 275 m 33 m Not specified Not specified OM2 550 m 82 m Not specified Not specified OM3 Not specified 300 m 100 m 100 m OM4 Not specified 500 m 150 m 150 m Tabella 1.3 Distanza garantita a una certa velocità e per alcune applicazioni Nella tabella precedente (1.3) si vedono le varie distanze garantite per le varie tipologie di fibra, le OM4 sono ottimizzate per i 10 Gbase-s. La 10 Gigabit Ethernet o 10GbE è il più recente (al 2007) ed il più veloce degli standard Ethernet. Definisce una versione di Ethernet ad un tasso di informazione di 10 Gb/s, dieci volte 29

30 più veloce della Gigabit Ethernet. La 10GbE su fibra è descritta dallo standard IEEE La 10 GbE su doppino è stata invece rilasciata nell'emendamento IEEE 802.3an. Dove la s sta per short r per range e i valori sono le velocità Infine riporto un'altra tabella (1.4) per specificare l attenuazione massima nelle varie tipologie di fibre. 850 nm 1300 nm 1310 nm 1550 nm OM1 3.5 db/km 1.5 db/km OM2 3.5 db/km 1.5 db/km OM3 3.5 db/km 1.5 db/km OM4 2.5 db/km 0.8 db/km OS1 ISP 1.0 db/km 1.0 db/km OS1 OSP 0.5 db/km 0.5 db/km OS2 ISP 1.0 db/km 1.0 db/km OS2 OSP 0.5 db/km 0.5 db/km Tabella 1.4 Attenuazione a seconda delle finestre di trasferimento e del tipo di cavo usato A questo punto possiamo anche parlare della suddivisione delle fibre a seconda del loro rivestimento. Si possono dividere in due categorie: 1. Fibre tight 2. Fibre loose. Le Fibre Tight sono quelle che prevedono un rivestimento stretto (indoor): la fibra è fissata rigidamente al rivestimento secondario (diametro esterno 600 µm o 900 µm). Le Fibre Loose o rivestimento lasco (outdoor): la fibra ottica risiede all interno di un tubo rigido (circa 2mm di diametro) ed e immersa in una gelatina tamponante (per la protezione nei confronti dell umidità) Tipi di connettori in fibra ottica usati comunemente nei cablaggi Esistono diversi tipi di connettori per cavi in fibra ottica che differiscono per: Materiale e forma Meccanismo di aggancio, Tipo di fibra, Dimensione, forma e materiale della boccola (ferrule), Singola/doppia fibra, Perdita di inserzione (Insertion Loss), 30

31 Perdita di riflessione (Return Loss), ecc Di seguito riporto alcuni esempi di connettori per fibra ottica con relativo materiale di costruzione, forma, tipo di aggancio: SC (Subscriber Connector / Standard Connector) Plastica, quadrato, aggancio a pressione LC (Lucent Connector / Local Connector ) Plastica, quadrato, aggancio a pressione ST (Straight Tip) Metallo, tondi, con innesto a baionetta FC (Ferrule Connector) Metallo, tondi con innesto a vite MT-RJ (Mechanical Transfer Registered Jack ) Plastica, rettangolare, termina due fibre Figura 1.21 Varie tipologie di connettori ottici 31

32 2 Capitolo 2: Parametri e caratteristiche dei segnali e dei disturbi 2.1 Parametri di un segnale Per entrare meglio nelle specifiche riguardanti cavi e connettori è essenziale riprendere alcuni concetti riguardanti i segnali. Il mio scopo è di rendere più fruibile la tesi anche a persone che volessero leggerla pur non avendo grande dimestichezza con tutti i termini usati. Quindi qui di seguito faccio un rapido riassunto della terminologia usata nei prossimi capitoli Larghezza di banda Si definisce larghezza di banda la metà della misura dell intervallo (o dell unione degli intervalli) di frequenza in cui è contenuta una percentuale molto grande (esempio 99%) dell energia totale del segnale. Particolare importanza risulta avere il concetto di larghezza di banda a 3 db, che viene definita come l intervallo di frequenze positive entro il quale una funzione di trasferimento non scende di oltre 3 db rispetto al suo massimo. La larghezza di banda misurata in questo modo si chiama banda passante. Figura 2.1 Banda passante 32

33 2.1.2 Rise time e Larghezza di banda La larghezza di banda di un sistema fornisce un indicazione qualitativa del tempo di salita di un sistema nel caso di risposta al gradino. Da un punto di vista qualitativo si può affermare che maggiore é la larghezza di banda di un sistema, minore è il suo tempo di salita nella risposta temporale al gradino. Il rise time o tempo di salita é il tempo necessario al sistema per variare dal 10% al 90% del valore di regime dello stesso. Una formula spesso utilizzata dai progettisti è la seguente: Banda passante = 0.35 / t salita Esempio: rise time = 0.35 ns. La larghezza di banda è perciò: [23 pag. 10] GHz 0.35ns Larghezza di banda e Throughput (Gbps) Non esiste una relazione assoluta che lega Larghezza di banda e Throughput, ossia la velocità con cui viene trasferita l informazione (spesso misurata in Gbps). Per avere una stima del Throughput partendo dalla larghezza di banda, si può porre il Throughput uguale al doppio della frequenza; ad esempio: 1 GHz x 2 = 2 Gbps. [23 pag. 12} Attualmente questo limite può essere superato, tuttavia la regola sopra si rivela utile per un calcolo approssimato della capacità di un canale Insertion Loss: Insertion loss è la misura della perdita totale che subisce un segnale quando attraversa un componente. I maggiori fattori che contribuiscono all insertion loss sono: Reflection loss: quantità di energia del segnale persa dovuta ai mismatch nella linea di trasmissione. Coupling loss: quantità di energia del segnale persa per il crosstalk Dielectric loss: quantità di energia del segnale persa dovute al materiale dielettrico 33

34 Conductor loss: quantità di energia del segnale persa nel conduttore di segnale Radiated loss: quantità di energia del segnale persa dovuta alla radiazione Bisogna tenere a mente che questi fattori sono inerenti al disegno meccanico di un interconnessione, poco può essere fatto da un progettista per cambiare queste cose dopo che l interconnessione disegnata è stata prodotta. [23 pag. 11] Return loss: Il return loss é un parametro che riguarda il dominio della frequenza analogo alle impedenze nel dominio del tempo. Return loss é definito come la quantità di energia del segnale riflettuta all indietro verso la sorgente come il risultato dei mismatch di impedenza nel cammino della trasmissione. Come menzionato in precedenza i progettisti possono fare ben poco all interno di un connettore o di un cavo assemblato per andare a ridurre il return loss. Le uniche variabili che i progettisti possono variare per intaccare il return loss sono il sistema di impedenze, gli assegnamenti delle linee di trasmissione, la larghezza di banda e il tempo di salita del segnale trasmesso. Indicativamente, il return loss è considerato accettabile quando è inferiore a -10 db. [23 pag. 20 ] Impedenza In generale l impedenza è definita dal rapporto tra la tensione (V) presente in una sezione di una linea di trasmissione e la corrente (I) che scorre su entrambi i conduttori della linea stessa. V Z o = [Ω] (2.1) I Le quantità V e I indicate sono numeri complessi e rappresentano i fasori corrispondenti alle quantità indicate che per ipotesi variano sinusoidalmente nel tempo Jitter Si verifica quando i segnali digitali presentano leggere variazioni della posizione del fronte da un ciclo all altro. Il jitter può influire sul sincronismo dell intero sistema digitale. 34

35 Figura 2.2 Esempio di Jitter Lo skew Con questo termine si intende il ritardo che si origina sul segnale di temporizzazione a causa della topologia del sistema di distribuzione del segnale stesso. Avendo più ricevitori collegati tramite la stessa linea di interconnessione, ognuno di essi riceverà il bit inviato dalla sorgente comune dopo un differente tempo di trasmissione detto, questo valore varierà per ogni dispositivo a causa di fattori come la resistenza e la capacità equivalente che ognuno di essi mostra ai capi del trasmettitore. Definendo t x,min come tempo di trasmissione minore tra tutti i ricevitori e, dualmente, t x,max come quello maggiore, lo skew sarà esattamente la misura di come tale ritardo di trasmissione possa variare. Per definizione, infatti, lo skew sarà: t k = t x,max t x,min. [28] 2.2 Principali disturbi o rumori Una delle principali problematiche che bisogna affrontare quando si progettano dei componenti elettronici o dei cavi sia di alimentazione sia di trasporto dell informa- 35

36 zione è quello di preservare i segnali dai disturbi di qualsiasi natura, il modo per far ciò è quello di adottare delle schermature. Figura 2.3 Esempio di cavo schermato Una schermatura ha lo scopo di isolare i conduttori contenuti nei cavi per quanto possibile dalle influenze di mutua induzione causati da circuiti elettrici vicini, da campi elettromagnetici indotti o anche per evitare di trasmettere all'ambiente il campo elettrico prodotto dalla corrente nei cavi. Le prestazioni dello schermo di un cavo sono influenzate dalle seguenti caratteristiche: Il materiale che costituisce lo schermo (lo schermo di un cavo può essere costituito da un film sottile di alluminio, un foglio o substrato di mylar, una calza di rame, un foglio di metallo attorcigliato, un tubo corrugato.) il metodo di terminazione, ossia come vengono fissati i cavi ai connettori (a saldare,a pressione ecc). la geometria dell'installazione (lunghezza del cavo, altezza rispetto al piano di massa, orientamento in funzione del vettore di campo perturbante, materiale costituente il piano di massa) L efficacia dello schermo normalmente viene misurata mediante l impedenza di trasferimento che è definita, per un elementare lunghezza di cavo, come il rapporto tra la tensione misurata lungo lo schermo e la corrente che attraversa il sistema 36

37 perturbante. Nel seguito é presente un elenco dei rumori o disturbi da cui dobbiamo preservare i cavi ESD - Scariche Elettrostatiche Una scarica elettrostatica (in inglese ESD, ElectroStatic Discharge) è un improvviso scorrere di corrente elettrica all interno di un materiale normalmente isolante. Una grande differenza di potenziale attraversa l'isolante e genera un forte campo elettrico indotto all interno del conduttore. Gli schermi che si prestano meglio per preservarsi da questa tipologia di disturbi, sono quelli composti da alluminio e poliestere più una treccia di rame, ripetuti anche più volte nei casi ritenuti critici. [3 pag. 240] EMI - Rumori Induttivi Questa tipologia di disturbi sono emissioni elettromagnetiche che provengono da dispositivi o sistemi posti nelle vicinanze che interferiscono con il normale funzionamento del nostro dispositivo o sistema. La sorgente del rumore è ancora di origine esterna al cavo, ed è provocata da linee di potenza, motori, trasformatori, ecc. Il cavo d interconnessione viene a trovarsi in questo caso in un campo magnetico variabile e sullo schermo sono indotte correnti e tensioni che provocano delle distorsioni al segnale trasmesso sul cavo. [3 pag. 240] Diafonia o Croostalk La diafonia, in inglese crosstalk, è spesso un parametro critico nella scelta e progettazione di un interconnessione ad alta velocità; è un fenomeno secondo il quale un segnale che transita su un conduttore può causare un segnale indotto (rumore) su un conduttore vicino. Il fenomeno della diafonia è dovuto ad un non voluto accoppiamento capacitivo/induttivo tra due segnali adiacenti, solitamente viene misurata in db. Spesso viene data come attenuazione di diafonia e quindi come parametro di merito (quanto è attenuato il segnale indotto da un cavo nel cavo vicino). In linea di principio esistono due modi diversi per misurare la diafonia: se la misura del segnale indotto nel cavo vicino è effettuata dalla stessa parte del trasmettitore si par- 37

38 la di paradiafonia o NEXT (Near End CrossTalk), se è effettuata all'estremo opposto si parla di telediafonia o FEXT (Far End Cross-Talk). In pratica, si misura quasi sempre soltanto la paradiafonia (NEXT), indicandola con il nome generico di diafonia. Infatti, nella trasmissione su due coppie, una in trasmissione ed una in ricezione, il valore della telediafonia non interessa, in quanto all'estremità considerata dalla misura non si trova un ricevitore bensì il trasmettitore dell'altra coppia. Inoltre, per la misura del NEXT, è sufficiente un unico strumento comprendente generatore di segnale e misuratore di tensione collegato ad una sola estremità del cavo. La semplicità e rapidità delle operazioni di misura dei parametri elettrici dei cavi installati è di fondamentale importanza, ad installazione terminata, nella certificazione della qualità dei sistemi di cablaggio. Le misure di tele-diafonia e paradiafonia sono inevitabilmente affette dall'attenuazione introdotta dal cavo. È interessante notare che per quanto riguarda il NEXT, le parti di cavo più lontane dal generatore di segnale portano un contributo via via inferiore; infatti, il segnale immesso è attenuato, e il segnale indotto nella coppia vicina deve ancora essere attenuato altrettanto prima di giungere allo strumento di misura. Ne segue che, a partire da una certa distanza, i contributi diventano trascurabili. Sperimentalmente si osserva che il NEXT cresce molto al crescere della lunghezza del cavo per i primi metri, poi si stabilizza ad un valore massimo pressoché indipendente dalla lunghezza. La diafonia è un parametro particolarmente importante nei doppini, in quanto più coppie scorrono affiancate all'interno della stessa guaina. Ai fini di una corretta ricezione non interessano tanto l'attenuazione assoluta del cavo o il suo valore di diafonia, quanto la combinazione di questi due parametri. Infatti, se si considera trascurabile il rumore indotto dall'esterno, è tale combinazione che determina il rapporto segnale/rumore in ingresso al ricevitore, e quindi l'integrità del segnale. Esiste un parametro che rappresenta le due grandezze in modo combinato: l ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio), che esprime il rapporto tra il segnale attenuato presente su una coppia ed il segnale indotto dalla coppia vicina. Esso varia in funzione della frequenza e della lunghezza del cavo. La figura (2.4) (sotto) illustra il caratteristico andamento della diafonia e dell'attenuazione, 38

39 ad una certa frequenza, al variare della lunghezza di un cavo. Siccome attenuazione e diafonia sono espresse in db, cioè in termini logaritmici, il loro rapporto è ottenibile come differenza tra tali valori, e quindi nella figura l'acr è la distanza tra le curve. Quando questa distanza è troppo ridotta non è più possibile trasmettere sul cavo in modo affidabile in quanto il segnale è troppo debole rispetto al rumore e quindi possono verificarsi troppi errori di trasmissione. Figura 2.4 ACR (Attenuation to Cross talk Ratio) Le irregolarità nella geometria del cavo generano variazioni nell'impedenza caratteristica. Quando un segnale elettrico, propagandosi lungo il cavo, incontra tali discontinuità viene totalmente o parzialmente riflesso, riducendo l'energia del segnale trasmesso. La perdita per riflessione di un cavo è definita dal parametro structural return loss, o semplicemente return loss, ed è misurata in db Il crosstalk è l accoppiamento dell energia tra una linea e l altra, e può essere di due tipi: 1. Mutua capacità 2. Mutua induzione Il meccanismo dell accoppiamento è dato dalle seguenti equazioni: 39

40 di V Lm = Lm dt (2.2) dv ICm = Cm dt (2.3) La mutua induttanza induce corrente sulla linea opposta in direzione opposta al verso della corrente (Legge di Lenz). La mutua capacita induce corrente sulla linea opposta e scorre in entrambe le direzioni. Nella figura (2.5) si spiega più efficacemente le interferenze tra i due circuiti. Figura 2.5 FEXT e NEXT 40

41 3 Capitolo 3: Rame vs Fibre Ottiche nella connessione Per quasi 40 anni la comunicazione attraverso la fibra ha alternato successi e fallimenti. Le fibre ottiche permettono di trasmettere a molti km di distanza e per questo furono subito impiegate nelle trasmissioni a lungo raggio nelle reti di telecomunicazioni. Questi piccolissimi fili di vetro rimpiazzarono le matasse di fili di rame che erano soggette a crosstalk. Con l espansione di internet si pensava ad un immenso utilizzo della fibra ed ingenti investimenti vennero fatti per sviluppare questa tecnologia. Si pensava che l impiego del rame si incamminasse verso una dismissione totale, ma questo grandioso futuro per la fibra venne in qualche modo bloccato dall abilità dei progettisti di trovare i modi per aumentare la larghezza di banda dei convenzionali conduttori in rame, sia nell interfaccia I/O che nelle applicazioni PCB. I progressi nelle tecnologie di costruzione dei chip permettono di introdurre specifiche per il condizionamento del segnale, come l equalizzazione, che consente di distinguere e ricostruire il segnale anche se disturbato da rumore o distorsioni. Lo studio dell integrità del segnale ha consentito la progettazione e lo sviluppo di circuiti che consentono di arrivare a velocità di trasmissione dell ordine dei Gigabit/s. I progettisti hanno così convenuto che l utilizzo del vecchio rame permette costi ancora molto bassi e in più si minimizza il rischio legato all introduzione di nuove tecnologie. L incredibile miglioramento nella trasmissione del segnale su rame e la persistente recessione economica ha portato all accantonamento della maggior parte degli investimenti sullo sviluppo e la ricerca sulle fibre ottiche. La fibra continua a garantire larghezza di banda illimitata per i nuovi equipaggiamenti, ma non si sa effettivamente quando la fibra rimpiazzerà totalmente l uso del rame; se si chiede ai tecnici, i più entusiasti dicono due anni, altri più scettici rispondono mai. 41

42 In questo momento il rame rimane la tecnologia primaria per qualsiasi uso, da quello commerciale a quello militare. Il rame rimarrà per anni ancora la primaria fonte utilizzata, ma il progresso nelle tecnologie e i costi della produzione dei componenti sta iniziando a far riconsiderare l utilizzo della fibra. Figura 3.1 Attenuazione in base alla frequenza di lavoro Con l aumento del range delle velocità di trasferimento dei dati fino ai Gigabit/s, si incorre nel pericolo di dover ingrandire schede e appesantire i cavi di connessione. La soluzione é stata trovata dividendo le schede in unità più piccole, inoltre minimizzare il peso e la grandezza dei cavi risulta essere una grande sfida per avere alte velocità. Un altro problema è il crosstalk, con l aumentare delle velocità il crosstalk tra cavi paralleli è aumentato. Il crosstalk distorce il segnale e rende difficoltosa o impossibile la ricezione. I progettisti possono: 1) Aumentare la distanza tra i conduttori 2) Aggiungere strutture di schermatura, consumando spazio aggiungendo componenti quindi aumentando i costi 42

43 3) Aggiungere caratteristiche di condizionamento del segnale sulla PCB che però aumentano i costi e potenzialmente non garantiscono interscambiabilità tra i vari produttori. Altri problemi con i cavi in rame sono la suscettibilità a disturbi elettromagnetici e- sterni, la latenza, l isolamento, la sicurezza. Le connessioni in fibra non sono perfette ma forniscono larghezza di banda illimitata, possono propagare segnali a velocità altissime per molti km senza essere soggette a disturbi elettromagnetici e elettrostatici infine hanno un peso nettamente inferiore rispetto ai classici cavi in rame. Uno dei motivi che ha rallentato l adozione della fibra é stato il costo aggiuntivo dei componenti per convertire il segnale ottico in segnale elettrico (transceiver ottici) alla fine della trasmissione, inoltre come è già stato asserito, la crisi degli ultimi anni ha scoraggiato investimenti in nuove tecnologie,. Per anni i produttori di fibra ottica e connettori ottici sono stati occupati a soddisfare tutte le richieste provenienti dal mercato e in aggiunta ai tradizionali connettori LC, FC, SC, ST, MT-RJ e MPO i fornitori di connettori hanno introdotto nuovi connettori in fibra con caratteristiche adatte a incontrare le richieste di un vasto range di applicazioni. Figura 3.2 Esempi di connettori in fibra ottica In questa direzione vanno alcuni nuovi connettori sigillati ermeticamente contro la polvere e l umidità e che utilizzano la tecnologia expanded-beam che é intrinsecamente meno sensibile alla contaminazione sull interfaccia e rende meno critico l allineamento delle ferule. [1] 43

44 La tecnologia expanded-beam prevede l utilizzo di lenti che espandono il fascio di luce in modo da rendere l allineamento tra le fibre più facile Molti di questi connettori sono usati nelle comunicazioni militari e in equipaggiamenti medici. Lo stato della tecnologia per quanto riguarda l assemblaggio dei cavi in grandi server, nello storage e in installazioni di rete con lunghezza maggiore di 10 metri consente molto spesso la realizzazione in fibra. Le connessioni tra i 3 e i 5 metri sono fatte sia in fibra sia in rame e questo è il campo dove avviene la maggior sfida tra produttori di connessioni in rame e produttori di connessioni in fibra. [1] La scelta tra queste due tecnologie viene fatta a seconda della larghezza di banda voluta, i cavi con lunghezze minori ai 3 metri sono tipicamente rame, i cavi duplex (cavi doppi con connettori su entrambi i lati) o simplex (cavo singolo) LC, FC, SC, ST usati nelle telecomunicazioni e nei trasferimenti dati sono un eccezione. In alcune applicazioni gli sviluppatori hanno la possibilità di usare sia interconnessioni in rame che quelle in fibra. L introduzione dei cavi ottici attivi, cavi al cui interno avviene la trasformazione da segnale ottico a segnale elettrico, ha permesso di interfacciarsi direttamente con le interfaccia standard in rame. Il campo dove in questo momento vengono fatti ingenti investimenti è lo sviluppo di nuove tecnologie nella costruzione dei chip che prevedano l utilizzo della fibra come sistema di comunicazione e di trasporto del segnale. L INTEL ha dimostrato che il suo LIGHTPEAK optical I/O, che è un interfaccia per connettere apparati periferici a un computer attraverso un bus di espansione, in teoria molto vicino a un USB, con una banda iniziale di 10 Gb/s, potrebbe essere portato a larghezze di banda molto superiori usando tecnologie in fibra. [1]. Figura 3.3 Light-peak chip 44

45 IBM, Intel, Luxtera e altri stanno facendo significativi progressi nello sviluppo di queste tecnologie dette silicon-photonics. [1] Il tentativo sarebbe quello di integrare tutti gli elementi necessari per la comunicazione ottica del chip sul microprocessore. Il risultato dovrebbe essere quello di accoppiare segnali ottici I/O ad alta velocità direttamente a una fibra con bassa attenuazione o a una guida dielettrica integrata nel PCB. Il materiale e i processi per raggiungere connessioni che possano trasmettere a velocità dell ordine dei terabit sono il focus di molti sforzi di laboratori R&D. Inizialmente si pensava che queste applicazioni dovessero essere usate nelle applicazioni di super-computing, ma ora si ritiene che possano migrare velocemente verso le applicazioni nelle reti. Non ci sono dubbi che il rame rimarrà ancora per anni il primo materiale utilizzato ma si inizia a intravedere come l evolversi delle tecnologie in fibra ormai assuma sempre maggiore importanza non solo nelle reti esterne ma anche nelle connessioni interne. Riassumendo: I conduttori in rame continueranno a essere quelli più usati per molti anni,ma si inizia a intravedere il momento in cui le soluzioni in fibra saranno quelle preferite. I costi di cavi in rame ad alte velocità continuano a salire quelli in fibra iniziano a diminuire; La fibra offre immunità a EMI, ESD e crosstalk, con minori dimensioni e peso I nuovi connettori in fibra semplificano il processo di terminazione e sono adattabili a qualsiasi tipo di ambiente. Le ricerche silicon-photonics potrebbero aprire le porte a contatti ottici diretti tra chip. eliminando il collo di bottiglia dovuto alla conversione elettro ottica. 45

46 4 Capitolo 4: FIBER TO THE HOME 4.1 Definizione di FTTX FTTX (Fiber to the.) é un termine che copre un grande numero di possibilità per le reti in fibra ottica. FTTH (Fiber to the home) risulta probabilmente il termine più utilizzato dalla maggior parte delle persone, viene anche usato FTTB (fiber to the building).termini meno utilizzati sono FTTN (fiber to the nodes) o FTTC (fiber to the curb). [2] Figura 4.1 Riassunto delle attuali architetture FTTX Adesso la fibra parte da un estremità che di solito appartiene ai servizi di providing e arriva nelle vicinanze delle nostre abitazioni, uffici o piccoli esercizi commerciali. A questo punto viene smistata e indirizzata verso i luoghi prima citati. Nelle nostre città la maggior parte dello scheletro della struttura tende a essere realizzato con cavi coassiali che rappresentano ancora la tecnologia più utilizzata. Il segnale viene portato ad alcune cabine dette nodes (FTTN) dove deve essere convertito da segnale ottico a segnale elettrico per essere trasportato sui cavi di 46

47 rame. Questo rappresenta il classico collo di bottiglia, cioè il segnale in fibra viaggia a velocità elevate e quando arriva a questi nodi non può mantenere queste velocità per evidenti limiti fisici e tecnici dei cavi in rame. Alcuni fornitori di servizi in fibra stanno cercando di rimpiazzare i vecchi cavi coassiali con la fibra ottica. La FTTH sarebbe la soluzione ideale che fornirebbe incredibile larghezza di banda e velocità elevate ai vari utenti. Nella figura (4.2) si vede come potrebbe essere raffigurato tutto il sistema FTTX con le possibili soluzioni di interconnessione. Figura 4.2 Architettura FTTX Le connessioni FTTH possono essere dirette o condivise: 1. direct fiber singola fibra che corre da un estremità all altra (Migliori performance) [2] 2. shared fiber da un capo fino a un nodo dove poi vengono splittate ai vari utilizzatori (sistema più utilizzato). Il segnale viene multiplexato e criptato per riuscire a dare maggiore sicurezza ad ogni utente. [2] Inoltre le FTTH possono essere: Active: realizzazione con Active Optical Cable in cui la conversione ottico - elettrica avviene all interno del connettore. [2] 47

48 Passive: realizzate con l utilizzo di splitter (componenti capaci di dividere il segnale ottico in diversi segnali ottici) che dividono il segnale attraverso splitter e non applicano nessuna conversione. Inoltre il segnale splittato viene protetto da criptaggio. Alcuni splitter sono capaci di suddividere il segnale ottico in 64 parti. [2] I problemi maggiori per arrivare alla completa installazione dell architettura FTTH si incontrano soprattutto nelle aree metropolitane dove il cablaggio di edifici esistenti e datati risulta difficoltoso. Ingenti investimenti dovranno essere effettuati per riuscire a cablare le zone rurali visti gli alti costi di installazione per ogni singolo utente. I luoghi dove il cablaggio risulta essere difficoltoso vengono definiti Brownfield a differenza dei luoghi, dove il cablaggio risulta più semplice, che vengono definiti Greenfield. Le maggiori difficoltà vengono trovate nel passaggio dei cavi nei vecchi tubi già completamente usati dalle trecciole in rame che costituivano la rete telefonica. [20] Quindi le criticità legate al contesto Brownfield sono molteplici: spazi ridotti, congestione delle scatole di derivazione e dei tubi, condivisione degli spazi con altri servizi, percorsi tortuosi, massima varietà delle situazioni impiantistiche. Dal punto di vista tecnico è stato ottimizzato l uso di alcuni tipi di fibra ottica che corrispondono a degli standard specifici ( ITU-T International Telecommunications Union G.652 e G.657). [20] Le fibre monomodali G.652D hanno un attenuazione max a 1550 nm compresa tra 0.2 e 0.3 db, ottimali per l accesso. Le fibre tradizionali monomodali hanno un alta perdita nella banda tra 1360 e 1469 perché assorbono ioni OH - durante la produzione (in un processo chiamato assorbimento d acqua ). [20] A 1383 nm abbiamo il water peak che sarebbe il punto di massima attenuazione nello spettro (come si vede dalla figura (4.3) successiva). La perdita può anche continuare a crescere dopo l installazione del cavo. L alta attenuazione rende la trasmissione in questa regione spettrale impraticabile per le fibre monomodali tradizionali. Le fibre monomodali classiche stanno diventando velocemente parte del passato, l uso delle nuove fibre G.652D sta ora diventando un trend globale. Nuove tecni- 48

49 che di produzione usate per le fibre G.652D hanno permesso di oltrepassare il problema causato dal water peak attraverso processi che riducano drasticamente la presenza delle impurità e di quegli ioni OH - che portavano elevata attenuazione. Questo processo di riduzione delle impurità ha permesso di aprire tutto lo spettro per la trasmissione attraverso fibre ottiche da 1260 a 1625 nm a differenza delle classiche tre finestre di trasmissione (viste nel capitolo 1). La differenza di prestazione tra le fibre LWP (low water peak) e ZWP (Zero water peak) si possono vedere nella figura (4.4). Queste differenze influiscono non solo sulla perdita a 1383 nm (water peak), ma influiscono anche sulle performances dell intero spettro. Quindi utilizzando le ZWP si ha un significativo aumento delle prestazioni nella trasmissione dei dati. Figura 4.3 Attenuazione in una fibra monomodale classica 49

50 Figura 4.4 Attenuazione nelle fibre ZWP e LWP Le fibre G.657A hanno un attenuazione max a 1550 nm uguale a 0.75 db/giro con 10 mm di raggio di curvatura, ottimali per l edificio. Le fibre G.657 hanno introdotto un nuovo parametro tecnico che é quello del bend insentive, Questo parametro risulta importantissimo per le applicazioni FTTH. Le fibre bend-insentive sono non sensibili alle piccole curvature che sono sempre state un grande problema per la trasmissione su fibra ottica. Il modo di costruire queste fibre ha portato ad avere valori di attenuazione molto bassi dovute alle curvature. In figura (4.5) vediamo un esempio di una fibra bend insensitive, forse tra le migliori in commercio. Figura 4.5 Attenuazione nelle bend insensitive fiber 50

51 La compatibilità trasmissiva e di interconnessione tra le due fibre in questione é il motivo per cui sono state scelte. 4.2 Rete di accesso attuale La volontà di andare verso soluzioni FTTH viene data dalla sempre maggiore richiesta da parte degli utenti di larghezza di banda per usufruire di tutti i possibili servizi che internet può fornire. La larghezza di banda attualmente viene ristretta per l architettura fisica delle nostre reti. L attuale rete di accesso in Italia è basata quasi esclusivamente sullo schema mostrato in Figura (4.6) (sotto), che rappresenta la rete di Telecom Italia nel La rete di accesso è composta da Stadi di Linea (SL) che sono connessi attraverso la rete di giunzione (backhaul) ai 628 Stadi di Gruppo Urbano (SGU). Negli stadi di Linea sono presenti i permutatori metallici (o Main Distribution Frame, MDF) che consentono la connessione fisica dei doppini in rame verso gli utenti finali. La rete di accesso in rame si divide nelle due seguenti parti principali. La rete primaria, che connette i permutatori presenti in centrale agli armadi stradali (cabinet), che a loro volta contengono terminazioni di cavi più piccole (Subloop Distribution Frame, SDF). Attualmente gli armadi stradali sono circa La lunghezza della rete primaria varia dai 200 metri ai 3000 metri e solitamente è composta da cavi di grande capacità pressurizzati e installati in tubazioni sotterranee. La rete secondaria, che connette gli armadi stradali (e quindi gli SDF) ai distributori (box) posti in prossimità degli edifici con una lunghezza che varia dai 100 ai 700 metri. Nella maggioranza dei casi, questa parte di rete è installata in trincea con i cavi direttamente interrati. I distributori sono costituiti da vari tipi di contenitori per la terminazione dei cavi (Distribution Frame, DF) a cui fanno capo alcune decine di doppini in rame. I DF possono essere interni agli edifici (circa 1,5 milioni) oppure esterni (circa 3,9 milioni). Nel caso di grandi edifici, il distributore interno ha una capacità di alcune decine di doppini ed è chiamato armadietto di distribuzione. 51

52 Il collegamento interno all edificio connette gli armadietti di distribuzione con le borchie degli utenti finali. In totale, la rete di accesso in rame italiana è composta di circa 530 mila km di cavo per un totale di 110 milioni di km di doppini. La rete i- taliana è relativamente corta. Questo consente una migliore utilizzazione della rete attuale per i segnali a banda larga di tipo XDSL. [29] Figura 4.6 Attuale rete di distribuzione dei servizi di telefonia o internet Tecnologie X-DSL Genericamente le tecnologie X-DSL sono state concepite per utilizzare il mezzo fisico impiegato per la normale telefonia; tale mezzo originariamente era stato progettato per essere impiegato per trasmettere il segnale vocale (300 Hz 3.4 KHz). Dsl è l acronimo di Digital Subscriber Loop; questa tecnologia si suddivide in 4 grandi categorie: ADSL HDSL SDSL VDSL ADSL è l acronimo di Asymmetric Digital Subscriber Loop; la sua asimmetria è dovuta al fatto che era stata inizialmente pensata per la distribuzione di Video on 52

53 Demand, quindi il traffico ad elevato bit-rate doveva scorrere da chi eroga il servizio verso l utente finale. La forte asimmetria era quindi dovuta alla grande quantità di dati in ricezione rispetto ai dati trasmessi dall utente finale inoltre è dovuta anche alla convivenza tra infrastruttura dati e sottosistema POTS, acronimo di Plain Old Telephone Service (termine inglese che tradotto letteralmente in italiano significa "il normale, vecchio servizio telefonico). I due sistemi operano sullo stesso mezzo fisico in rame e sono separati opportunamente mediante un apparato chiamato service splitter. [26] HDSL è l acronimo di High-speed DSL, a differenza di ADSL, HDSL è bidirezionale simmetrica e prevede l utilizzazione da 1 a 3 doppini. [26] SDSL è una tecnologia più recente. Il significato dell acronimo può essere ambiguo e viene tradotto nei seguenti modi: Symmetric DSL Single-pair DSL (in realtà SHDSL) È molto simile alla tecnologia HDSL e permette di ottenere maggiore flessibilità e utilizza una singola coppia di mezzi fisici. [26] Figura 4.7 Adsl lato utente VDSL è l acronimo di Very High-speed DSL, rappresenta l evoluzione dell ADSL ed utilizza più banda. Le sempre maggiori velocità sono raggiungibili grazie allo 53

54 sviluppo delle tecnologie di DSP (Digital Signal Processing) ed al miglioramento della struttura dell ultimo miglio della rete. Progressivamente la lunghezza dell interconnessione in rame si sta riducendo poiché l infrastruttura in fibra sta avvicinandosi agli utenti terminali. VDSL si basa su un architettura del tipo Fiber to the Cabinet. [26] 54

55 5 Capitolo 5: BACKPLANE 5.1 Definizione generale Figura 5.1 Backplane Un backplane é la parte posteriore dell apparato (come si può vedere nella figura (5.1), sopra), e una scheda passiva costituita solamente da circuito stampato e connettori; tuttavia il suo ruolo e fondamentale per il corretto funzionamento dell apparato poiché in esso transitano tutti i segnali (sia di alimentazione che di informazione) da e verso tutte le schede di apparato. Un backplane connette diversi connettori in parallelo, affinché ogni pin di ogni connettore sia legato allo stesso pin di un altro connettore in modo da formare un computer bus. Viene usato come spina dorsale per collegare tra di loro diverse PCB (Printed Circuit Board) per costituire un computer system. I primi personal computer integravano un backplane interno per future espansioni, ora invece il backplane risulta essere un entità separata. La differenza tra una 55

56 scheda madre e un backplane é la mancanza di elementi di processing e elementi di storage sul secondo. Il motivo della grande espansione dei backplane è la loro grande affidabilità. Prima per connettere vari sistemi venivano usati i cavi ma il continuo inserimento o rimozione delle schede portava a dover flettere o attorcigliare questi cavi e si poteva arrivare a malfunzionamenti dei sistemi. Un sistema di backplane non soffre di questa problematica, la sua longevità è dovuta solo al numero di mating cycles del connettore usato (= numero di connessioni disconnessioni consentite dal connettore). I backplane sono cresciuti in complessità. All inizio tutti i connettori erano collegati a un bus comune ora si è arrivati a due diverse tipologie di backplane: Backplane passivi Backplane attivi Un backplane passivo è composto da una scheda su cui non sono presenti altri circuiti ad eccezione dei connettori, dei buffer e poco altro. Tutta la circuiteria che si trova su una normale motherboard è integrata nella scheda di espansione (spesso chiamata single-board computer o SBC) che viene montata sulla scheda backplane tramite gli appositi slot. La scheda di espansione, nei sistemi backplane passivi, può essere considerata come una normale motherboard. E' possibile aggiornare l'intero sistema sostituendo una o più schede. La tipologia passiva è molto utilizzata nei sistemi industriali dove viene montata in appositi rack. Un backplane attivo è un sistema costituito da una scheda dotata di controllori di bus e altri componenti in più rispetto ad un sistema passivo. La maggior parte dei backplane attivi contiene tutta la circuiteria che si può trovare su una normale motherboard ad eccezione del processor complex. Il processor complex è rappresentato da una scheda che monta la CPU e altri componenti relativi ad esso come ad es. la cache, il controllore di clock ecc. 5.2 Problematiche per la realizzazione di un Optical Backplane Per arrivare alla realizzazione di un optical backplane si è passati da una configurazione ibrida che prevede la coesistenza di rame e fibra ottica sulle PCB. 56

57 In un sistema convenzionale, un backplane e una daughter-card sono posizionate in una configurazione ortogonale. Se il backplane è un PCB ottico passivo, allora gli apparati di trasmissione e ricezione dovranno supportare e mantenere sulla daughtercard una struttura di comunicazione dati di tipo ottico. Figura 5.2 Idea di un backplane ibrido ottico-elettrico Per accontentare la sempre crescente domanda di velocità nello sviluppo dei circuiti integrati, di densità delle piste di comunicazioni elettriche e di interconnessioni, ci si aspetta che nel prossimo futuro si raggiunga uno stato in cui i costi di una connessione in rame supereranno i costi della connessione ottica. L implementazione di queste strutture dovrebbe essere applicata ai backplane passivi in sistemi con grandissima larghezza di banda dove i famigerati colli di bottiglia riguardanti la velocità di trasmissione del flusso dei dati potrebbero e- mergere. Le sfide che devono affrontare i progettisti sono molteplici tra queste emergono le necessità di: Soddisfare le richieste di grande larghezza di banda e bassa latenza nelle interconnessioni. Offrire un sistema flessibile e scalabile Offrire una soluzione low cost e realizzabile. 57

58 Negli ultimi anni si è verificato un trend nel mercato delle telecomunicazioni e datasystem di rapida crescita della richiesta di larghezza di banda con particolare crescita nei sistemi I/O. Questo è dovuto alla domanda sempre crescente da parte dei consumatori di una maggiore velocità nel trasferimento dei dati. Per andare incontro a questa richiesta i progettisti si sono concentrati sullo sviluppo delle interconnessioni ottiche per i backplane i quali attualmente sono ancora nella maggior parte costruite in rame. Una soluzione a questo problema delle velocità potrebbe apparire quella di aumentare la stessa nei vari collegamenti punto a punto, ma ci sono problemi enormi nello spingere la velocità del collegamento su rame attraverso una configurazione standard sopra i 5 Gbps. [23 pag. 4] Inoltre ci sono effetti ambientali aggiuntivi come la temperatura e l umidità che i progettisti devono fronteggiare così come le variazioni nella costruzione delle PCB e dei connettori per cercare di soddisfare queste richieste di maggiore velocità nel trasferimento dati. Questo induce gli stessi progettisti a usare tecniche e materiali più costosi, ad esempio anche con transceiver che incorporano nei loro circuiti di pilotaggio strumenti di pre-enfasi del segnale. Inoltre gli effetti dell insertion loss, del crosstalk e dello jitter possono degradare il segnale in modo che il funzionamento a velocità superiori a 5 Gbps non sia praticabile. Ci sarebbe un chiaro vantaggio nell aumentare la velocità di collegamento seriale in contrasto con l aumento del numero di interconnessioni; tuttavia altri metodi nella comunicazione dei dati devono essere presi in considerazione. L opzione più importante sarebbe quella di usare interconnessioni ottiche ma questo presenta una serie di problemi. Passiamo all'esame di ciascuno di questi aspetti in modo sintetico. Il primo problema concerne lo sviluppo di una PCB mista tra rame e fibra ottica. Ci sono un certo numero di aziende che offrono la costruzione di PCB ottici che incorporano guide d'onda polimeriche multimodali parallele ad alta densità. I metodi utilizzati per la fabbricazione di questi PCB sono compatibili con le tecniche di costruzione attuali, che se combinate con un insieme di regole di progettazione, permette alle guide dielettriche di essere utilizzate dai progettisti delle PCB come se fossero realizzate in rame. 58

59 Le guide dielettriche possono essere costruite sia per essere posizionate sullo strato superficiale di un circuito stampato sia incorporate all'interno degli strati interni della FR-4 (il classico materiale isolante di colore verde presente sulle schede all interno degli apparati), Ci sono diversi polimeri oggi disponibili con caratteristiche adatte alle applicazioni di backplane, come la resilienza ad alte temperature necessarie per i processi di saldatura, come la bassa perdita alle lunghezze d'onda ottiche convenzionali e di buona immunità al degrado a lungo termine. L idea è quella di trasmettere sulle fibre o sulle guide d onda polimeriche i segnali più veloci sul rame invece l idea è di trasportare segnali di potenza e segnali più lenti. Il secondo problema riguarda il requisito che i connettori ottici devono essere inseribili in un modo simile ai connettori in rame. Il problema principale con le interconnessioni ottiche riguarda l'allineamento del connettore con la guida dielettrica. Le strutture di queste guide sono generalmente dell'ordine di 70 micron per la sezione trasversale su un passo di 250 micron, quindi diventa fondamentale disporre di un affidabile, ripetibile e a basso costo metodo di allineamento del connettore. Nel caso che l allineamento non sia ottimizzato ci possiamo ritrovare in una delle condizioni che si vedono nella figura (5.3) che possono portare parecchie perdite che aumentano il valore dell insertion loss. Figura 5.3 Tipi di disallineamento e relative perdite per disassamento, per accostamento per disallineamento angolare Il terzo problema è relativo alla necessità di disporre di connettori ottici in grado di operare entro i parametri di temperatura, di vibrazione e di affidabilità necessarie per le piattaforme che attualmente utilizzano rame. Il quarto problema dipende dal fatto che i backplane in rame esistenti sono elementi passivi e di conseguenza per ora qualsiasi backplane ottico dovrebbe essere un elemento passivo. 59

60 L'ultimo problema é forse il più importante. Per essere conveniente una soluzione ottica dovrebbe essere in grado di eguagliare i prezzi delle interconnessione in rame o di offrire un miglioramento delle prestazioni apprezzabile. Un modello che mette in relazione i costi e la banda viene mostrato nella figura (5.4) (sotto) ed è stata compilata sulla base del compromesso tra costo del rame e tecnologie in fibra sia su PCB sia sull interconnessione. Anche se ci sono molti modelli di questo tipo, sembra che il punto di crossover sia probabilmente tra le velocità di 6.25 e 8,5 Gbps [23 pag. 6]. La cifra di $ 1 per Gbps è spesso citata come un prezzo necessario [23 pag. 6]. Figura 5.4 Costi contro larghezza di banda 60

61 5.3 Realizzazione di un backplane ottico La Tyco Electronics, azienda multinazionale leader nel campo delle interconnessioni, ha realizzato un backplane ottico, in figura (5.5) (sotto) lo schema di questo sistema. Su ogni PCB viene integrata una lamina sulla quale vengono posizionati i core delle guide dielettriche. Queste guide vengono posizionate all interno della scheda per essere protette dallo stress dovuto al calore. A questo punto è stato creato un ponte di accoppiamento flessibile al di fuori del piano della PCB, detto FLEXTAILS, che serve per creare un accoppiamento tra le guide presenti sia sulla daughtercard che sul backplane. La lamina viene portata fuori facendola passare da una cavità presente sulla PCB. Questa soluzione serve per evitare l utilizzo di lenti per deviare il raggio di luce dalla guida dielettrica verso il connettore. Figura 5.5 Rappresentazione del FlexTail e della lamina presente sul PCB Al fine di realizzare una connessione pluggabile questi FlexTails vengono terminati con una ferula MT modificata e infine assemblata all interno del connettore standard Lightray MPX della Tyco Electronics. 61

62 Figura 5.6 Light Ray MPX con sistema Blind mate Se utilizzato in un sistema di backplane, il connettore Lightray MPX offre le stesse opportunità nell assemblaggio di quelle di un connettore elettrico. Disegnato per le applicazioni backplane, il connettore combina una piccola dimensione con la caratteristica di essere blindmate [10]. Una connessione blindmate permette al connettore di allinearsi in modo molto semplice nel caso in cui la connessione risulta essere difficoltosa perché il punto di connessione si trova in un luogo poco raggiungibile (ad esempio in fondo ad un cassetto). La funzionalità blindmate permette di evitare problemi nell allineamento dei core della fibra. Dopo le spiegazioni sulle caratteristiche del connettore ritorno all effettiva connessione nella realizzazione della Tyco Electronics. [9] Sulla superficie della daughterboard viene montato il MPX housing usando delle viti e viene usato per far sí che il connettore sia posizionato in modo parallelo alla scheda. Dalla parte del backplane un adattatore standard MPX è bloccato su un front panel e guida il connettore dal suo FLEXTAIL in modo perpendicolare alla scheda e al front panel 62

63 Figura 5.7 MPX housing Figura 5.8 Configurazione della connessione daughtercard backplane Una richiesta rilevante per le connessioni scheda daughterboard è quella di essere blindmate con una tolleranza di disallineamento di + 2 mm. Questo requisito é soddisfatto dall uso dei connettori LIGHTRAY MPX [9]. Al fine di raggiungere una connessione perfetta si usa la caratteristica fondamentale di questi tipi di connettori che è il blindmating. La connessione senza disallineamento attraverso questa caratteristica si raggiunge con tre step: 1. Un allineamento di tipo grossolano è realizzato attraverso le guide di scorrimento meccanico montate sul backplane e guidano la daughterboard in modo che l housing MPX si accoppi con l adapter MPX del backplane. 2. L allineamento ( 0,3 mm) è realizzato attraverso la tecnologia del housing e dell adattatore MPX i quali allineano gli opposti connettori MPX con i 63

64 FLEXTAILS in modo che i pin e i rispettivi buchi delle ferule MT siano capaci di accoppiarsi. 3. L ultimo e più preciso allineamento ( + 3 µm ) é raggiunto attraverso l allineamento dei pin MT con le ferule MT multimodali opposte. Durante l allineamento, un contatto a molla garantisce l accoppiamento di testa delle ferule e dei FLEXTAILS integrati. 5.4 Vantaggi nell uso di un connettore mpx Il sistema mpx può essere usato sia per le fibre monomodali che per quelle multimodali. Visto che i transceivers (componenti che effettuano la conversione elettro-ottica) non devono essere allocati sul bordo della scheda per le I/O, i progettisti hanno una grande flessibilità nello sviluppare le daughtercard. Il sistema può essere usato con qualsiasi tipo di interfaccia: SC, FC, ST-Style, MT- RJ e altri. IL sistema può essere facilmente aggiornato. Un LIGHTRAY MPX a 4- fibre sulla daughtercard può essere abbinato ad un connettore a 12 fibre LIGHTRAY MPX nel backplane. Questo permette il facile aggiornamento delle daughtercard a un maggiore numero di fibre senza dover sostituire il cablaggio e- sistente sul backplane. Il sistema può essere aggiornato semplicemente aggiungendo o sostituendo le schede [11]. Gli aspetti critici per quel che riguarda la componentistica optoelettronica sono: Consumo di potenza Canali data rate Numeri di canali per ogni modulo Dimensione Densità delle porte ottiche Potenza dei trasmettitori di output Sensibilità del ricevitore Realizzabilità Costo. 64

65 6 Capitolo 6: Architetture con nuove fibre ottiche in applicazioni militari e aereonautiche 6.1 Perché le fibre ottiche : Tecnologie Ottiche La crescita dell uso della fibra ottica ha avuto un grande sviluppo dalla fine degli anni settanta in poi, dalla loro creazione nel 1978 a oggi gli utilizzi sono stati molteplici. Ma i campi in cui si è avuto il maggiore utilizzo sono stati le telecomunicazioni e l uso nel campo militare e avionico. L utilizzo nel campo delle telecomunicazioni si riferisce soprattutto all uso per le dorsali di comunicazione (FTTH), quello riguardante il campo militare riguarda le comunicazioni tattiche e l uso per connettori infine nell avionica si sta cercando di introdurre la fibra ottica per tutto quello che riguarda la sensoristica e infine il trasporto dei segnali RF su fibra ottica. Figura 6.1 Sviluppo e utilizzo della fibra in vari campi 65

66 6.2 Problemi comuni nelle applicazioni Militare-Aero I progettisti devono confrontarsi continuamente con molte problematiche che possiamo suddividere in 2 grandi campi: le caratteristiche prestazionali di un apparato e quelle operative: 1) Attributi Prestazionali: Ampia larghezza di banda: visto il grande flusso di informazioni che si devono gestire ci serve uno spettro molto più ampio per le comunicazioni. Osservabilità (esempio aereo Stealth): minimizzare osservabilità; l uso della fibra che sia plastica o ottica ha sicuramente un impatto minore sui radar rispetto al rame. Immunità EMI e Immunità alle Directed Energy Weapon ( DEW). Una Directed Energy Weapon emette energia in una direzione prestabilita e trasferisce energia su un obiettivo per un desiderato effetto, gli effetti possono essere letali e non letali. Inoltre servono a disturbare le comunicazioni nemiche. L energia può essere di differenti tipi: 1. Radiazioni elettromagnetiche: laser o Maser (acronimo di Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), ovvero amplificazione di microonde tramite emissione stimolata di radiazioni. Un maser è simile a un laser, ma opera nella regione delle microonde dello spettro elettromagnetico. 2. Calore. 3. Suono Potenza: incremento dell uso dell elettronica quindi serve più potenza, maggiore utilizzo di componenti elettronici implica un maggiore utilizzo di potenza. Calore: Deve essere correttamente dissipato il calore prodotto dai componenti elettronici. Peso: un peso maggiore comporta maggiori costi e quindi l utilizzo della fibra è molto più conveniente per la sua leggerezza rispetto al rame. 66

67 2) Attributi Operativi: Sicurezza: Prevenire esplosioni causate da scintille o da colpi Manutenibilità: Ridurre manodopera per operare e manutenere gli apparati Affidabilità 6.3 Fibre nelle applicazioni Aero Fibre per aeromobili: Le applicazioni per aeromobili in questi ultimi anni ci hanno portato verso l utilizzo di sensoristica sempre più sofisticata quindi il passaggio a fibra ottica diventerà sempre più massiccio. Le nuove soluzioni usate sui velivoli più recenti ormai stanno raggiungendo gradi di sviluppo molto elevati. L introduzione di nuovi standard, ARINC ( Aeronautical Radio Incorporated), SAE (SAE International é l organizzazione leader per quanto riguarda standard tecnici per l industria aerospaziale e ha pubblicato più di 6000 documenti), ha portato quindi ad una spinta importantissima verso lo sviluppo di queste nuove soluzioni. Si prevede un forte aumento dell utilizzo della fibra nei prossimi anni, per ora limitato utilizzo ma per i link punto punto possibilità di sostituire il rame esistente; il prossimo passo sarà quello di un architettura completamente ottica. Sensori su aeromobili La sensoristica esistente è più che altro di tipo elettrico: Ali, Piano di coda e controllo superficie Serbatoio carburanti Fusoliera, Sistemi comuni Atterraggio Motori, Generatori, APU ( unità di potenza ausiliaria) Navigazione, Altitudine, Velocità Sistemi di monitoraggio delle armi 67

68 La tecnologia di tutti questi sensori prima implementata solo con il rame sta subendo una migrazione verso la fibra ottica. 6.4 Sensori Ottici In un sensore in fibra ottica il misurando influenza il modo in cui la luce si propaga lungo la fibra e le variazioni subite dal fascio, a loro volta, vengono utilizzate per modificare un segnale elettrico in un ricevitore. Una sorgente ottica genera un fascio di luce costante, che viene immesso in una fibra ottica e trasmesso fino al punto in cui la grandezza che deve essere misurata interviene per modulare una o più proprietà della radiazione ottica. Questa può uscire dalla guida ed essere modulata da un dispositivo separato dalla fibra, prima di essere rilanciata in un altra o nella stessa fibra: si parla in questo caso di sensore estrinseco. In altri casi, la luce può continuare ad essere guidata sempre nella stessa fibra, lungo la quale interviene la modulazione legata al misurando, e si parla allora di sensore intrinseco. L uscita è ricevuta da un sistema di rilevazione, che la converte in un segnale elettrico. Nei sensori intrinsechi parametri meccanici come la pressione o la temperatura interagiscono direttamente con la luce nella fibra causandone la modulazione delle proprietà ottiche (ad esempio, spettro di trasmissione, coefficiente di trasmissione della potenza, indice di rifrazione). Al contrario, nei sensori estrinsechi la fibra assume, sostanzialmente, il ruolo di mezzo di trasporto del segnale di stimolo e del segnale di misura da e verso un elemento sensibile realizzato su un altro supporto fisico. I sensori in fibra sono dunque costituiti da una sorgente luminosa, un tratto di fibra, un elemento sensibile, un fotorilevatore, un eventuale demodulatore, un sistema di elaborazione del segnale e l elettronica necessaria. La sorgente può essere un diodo emettitore di luce (LED) o un diodo laser (LD). Il LED emette un fascio di luce a bassa coerenza, di notevole ampiezza spettrale; è di semplice impiego e basso costo, ma è utilizzabile tipicamente solo nei sensori nei quali il misurando altera l intensità della potenza guidata in fibra. 68

69 Figura 6.2 LED (Light Emitting Diode) Il diodo laser presenta invece un elevata coerenza, ampiezza spettrale limitata e un elevata potenza ottica in uscita, tutti requisiti indispensabili nei sensori interferometrici, o nei sensori in cui l informazione sul misurando è legata alla lunghezza d onda o alla fase della radiazione; è, tuttavia, sensibile alla luce riflessa ed alle variazioni della temperatura. Figura 6.3 Diodo Laser I rilevatori ottici più utilizzati per le applicazioni in fibra sono realizzati in tecnologia a semiconduttore, funzionano attraverso la conversione dei fotoni in portatori elettronici, il cui flusso è, poi, misurato come corrente elettrica. Tra i rilevatori di questo tipo, i fotodiodi a semiconduttore (PD) e i fotodiodi avalanche (APD) sono i rivelatori più adatti all utilizzo nei sensori a fibra ottica. 69

70 In optoelettronica un fotodiodo è un particolare tipo di diodo fotorilevatore che funziona come sensore ottico sfruttando l'effetto fotoelettrico, in grado cioè di riconoscere una determinata lunghezza d'onda dell'onda elettromagnetica incidente (assorbimento del fotone) e di trasformare questo evento in un segnale elettrico di corrente applicando ai suoi estremi un opportuno potenziale elettrico. Esso è dunque un trasduttore da un segnale ottico ad un segnale elettrico. La modulazione può essere effettuata con tecniche analogiche o digitali: quelle analogiche riguardano la modulazione di intensità, di fase ottica, di polarizzazione, di colore; quelle digitali sono invece utilizzate ad esempio nella modulazione di frequenza. Se si utilizza la modulazione di fase o di frequenza, lo strumento prende spesso il nome di sensore interferometrico, perché il rilevatore è realizzato con tecniche interferometriche, che prevedono una rilevazione coerente, un progetto più complesso e costoso, ma anche migliori sensibilità e risoluzione rispetto ai sensori che sfruttano la modulazione di intensità e la rilevazione incoerente. L unità di elaborazione del segnale può avere la funzione di correggere gli effetti deterministici introdotti sulla misura dalla modulazione e di interfacciare il sensore con la rimanente elettronica del sistema che si sta monitorando, ma può servire anche ad aumentare la sensibilità e la selettività dello strumento Vantaggi dei sensori in fibra ottica I potenziali vantaggi dei sensori a fibra ottica derivano principalmente dal fatto che il segnale modulato può essere trasmesso da e verso un dispositivo di misura, senza la necessità di collegamenti elettrici, con tutta una serie di vantaggi. Poiché un segnale ottico in fibra si propaga in modo indipendente da eventuali campi elettromagnetici, a radiofrequenza o a microonde, i sensori in fibra presentano, in primo luogo, un elevata immunità alle interferenze elettromagnetiche, e non costituiscono sorgenti di interferenze elettromagnetiche. Sono perciò, la soluzione che dà i migliori risultati sia per misurazioni da effettuare in ambienti ostili dal punto di vista dell inquinamento elettromagnetico (ad esempio, in prossimità di sorgenti di campi di elevata intensità), sia per misurazioni per le quali non sono tollerabili emissioni elettromagnetiche da parte del sistema di misura (ad esempio, proprio nelle misure di campi elettromagnetici.) 70

71 Con l utilizzo delle fibre, l informazione è affidata alla propagazione di una radiazione attraverso un supporto dielettrico. Pertanto, il supporto in fibra garantisce l isolamento elettrico tra il misurando ed i dispositivi optoelettronici per la generazione della potenza e per la misurazione. L isolamento elettrico risulta, poi, notevolmente importante quando le misurazioni devono essere condotte in materiali nei quali non si devono introdurre correnti elettriche, come, ad esempio, in liquidi infiammabili o esplosivi. Come è noto, è l elevata banda passante ottenibile con le fibre ottiche l aspetto che ha reso quasi insostituibile questo supporto nel settore delle telecomunicazioni. Il numero sempre crescente di applicazioni e di installazioni in questo settore ha consentito alla fibra di essere anche economicamente vantaggiosa rispetto ad altri supporti, grazie ad una continua riduzione sia dei costi di produzione che di vendita. Tuttavia, l elevata banda passante apre interessanti scenari anche per applicazioni nel settore della sensoristica, poiché è possibile trasmettere su un unica fibra le informazioni di misura raccolte da più elementi sensibili localizzati in punti diversi della fibra (sensori multipunto) oppure distribuite lungo tutta la fibra (sensori distribuiti). In questi casi, è necessario in qualche modo separare le informazioni provenienti da elementi sensibili diversi, ad esempio distinguendole in base alla lunghezza d onda della radiazione (multiplazione in frequenza DWM) oppure in base al ritardo dei tempi di arrivo dovuti alla diversa distanza (timedivision multiplexing). In tutti questi casi, anche le sorgenti ottiche devono essere gestite opportunamente, ad esempio per sollecitare separatamente i diversi elementi sensibili: si parla, perciò, di tecniche di interrogazione. Infine, è possibile far coesistere sullo stesso supporto sia informazioni di misura che informazioni di qualunque altro tipo. Per queste ragioni, alcuni tipi di sensore in fibra ottica si prestano ad applicazioni in cui si richiede il monitoraggio, in più punti o distribuito, di grandi strutture quali edifici, ponti, ma anche reti stradali o ferroviarie. Rispetto ai tradizionali supporti, come ad esempio i conduttori in rame, la fibra ottica presenta alcuni altri importanti vantaggi legati alla natura dei materiali. La fibra ha una maggiore passività chimica, dato che non è esposta ai fenomeni di corrosione tipici a differenza dei metalli, con delle ricadute positive sulla manutenzione di installazioni in fibra ottica. Il vetro ha un peso specifico inferiore al rame (2.6 * 71

72 10 3 kg/m 3 contro 8.9 * 10 3 kg/m 3 del rame) e la differenza diventa notevole se si confronta il peso specifico con la banda passante del supporto. Questo motivo rende la fibra particolarmente adatta sia in quei casi in cui é necessario monitorare diverse grandezze ed è anche fondamentale il contenimento del peso dell intera rete di sensori. L esempio più importante, da questo punto di vista, è quello dei velivoli, nei quali il peso di ogni più piccolo componente deve essere attentamente considerato fin dalla fase di progetto, mentre il numero di grandezze fisiche da misurare e, a volte, da controllare, è notevole. Progetti recenti tendono a realizzare in fibra ottica sia tutta la rete di monitoraggio dei sensori localizzati su tutto il velivolo, ma anche la rete di connessioni che porta i segnali di controllo dai comandi di volo o dai calcolatori di bordo ai vari attuatori, ad esempio, delle superfici aerodinamiche che controllano l assetto del velivolo. E per questo motivo che, nell ambito della letteratura scientifica sui sensori in fibra ottica, alcune interessanti proposte sono state studiate proprio da centri di ricerca del settore aerospaziale. Esempi: Integrità delle strutture; Velocità; Livello serbatoio carburante. 6.5 Sensori strutturali in Fibra Ottica I sensori a fibra ottica sono uno strumento diagnostico di monitoraggio strutturale che offre una miglior risoluzione, flessibilità d'impiego e minore intrusività rispetto agli strumenti tradizionali: queste caratteristiche si traducono in misure e, quindi, in valutazioni tecniche più accurate, minori tempi e minori costi d'indagine, minore impatto sulla struttura analizzata. I sensori a fibra ottica possono essere usati come trasduttori di deformazione: a seconda di come il sensore viene applicato alla struttura e della banda in cui viene acquisito il segnale, tali sensori agiscono da estensimetro, vibrometro o inclinometro. 72

73 Nella funzione di estensimetro si confrontano con i distanziometri meccanici: questi strumenti sono basati sulla misura, effettuata con un'asta in materiale metallico a basso coefficiente di dilatazione termica, della distanza tra due piastrine circolari di riscontro, dotate di un foro micrometrico al centro. Questo strumento è solitamente impiegato per controllare il movimento di una fessura: le due piastrine di riscontro vengono fissate ai due lati della lesione a una distanza sufficientemente grande (circa 15 cm per lato) per evitare che la lesione aggiri le piastrine. Il sensore a fibra ottica FBG, per svolgere l'analoga funzione, deve essere fissato a cavallo della fessura mediante due punti di vincolo che trasmettono al sensore gli spostamenti relativi delle pareti ai lati della fessura. Adesso questi nuovi sensori vengono utilizzati in strutture per aeromobili. Le attuali strutture dei velivoli ormai utilizzano materiali compositi, principalmente resine epossidiche rinforzate con fibre di carbonio. L uso di questi materiali stanno riprendendo quota dopo un periodo di delusione seguito all'entusiasmo iniziale. Negli ultimi anni per rilevare eventuali guasti o malfunzionamenti o deformazioni sulle strutture costruite con questi nuovi materiali compositi si è introdotto l uso delle Fibre FBG o dei sensori di Fabry-Perot. Sono entrambe tecnologie ottiche. Le fibre FBG contengono al loro interno un reticolo di Bragg e vengono definite Fiber Bragg Grating. Le fibre FBG possono essere inserite sia sulla struttura sia internamente alla struttura. I Sensori di Fabry-Perot sono degli interferometri costituiti da una cavità delimitata da due superfici parzialmente riflettenti piane ad alto coefficiente di riflessione Reticolo di Bragg sulla fibra (FBG) Nella parte più interna della fibra, nel core, viene realizzata una variazione periodica e piccolissima dell indice di rifrazione. La tecnologia per realizzare questa variazione è in principio molto semplice. Basta esporre il core della fibra ad una figura di interferenza realizzata con luce laser ultravioletta per un tempo opportuno. Un processo di fissaggio è richiesto per rendere stabile fino a temperature di qualche centinaio di gradi centigradi. Il periodo di questa variazione è circa 0.5 micron. La lunghezza della zona trattata è solitamente di 1 cm e quindi risulta costituita da circa cambiamenti di indice di rifrazione. Abbiamo così di fatto rea- 73

74 lizzato un reticolo di Bragg la cui proprietà sarà quella di riflettere una lunghezza d onda specifica, chiamata lunghezza d onda di Bragg λ B. Questa lunghezza d onda è legata al passo del reticolo Λ B dalla semplice relazione: λ B = 2n*Λ B (6.1) dove n è legato all indice di rifrazione del core. Quando il segnale viaggia nella fibra, arrivato nella zona del reticolo di Bragg, può, a seconda della sua frequenza, essere trasmesso, essere riflesso all indietro o uscire dalla fibra. Le FBG dunque possono agire come filtri e selezionare una particolare frequenza presente sul segnale ed estrarla (riflessione indietro) dalle altre. Questa caratteristica delle FBG simile a un filtro che estrae una specifica frequenza da un segnale a banda larga è utilizzata nella trasmissione di dati sia nelle telecomunicazioni che in Internet. Figura 6.4 Funzionamento delle fibre FBG 74

75 6.5.2 Utilizzo delle fibre ottiche e delle FBG nella trasmissione dei dati Le FBG con la loro capacità di estrarre da un segnale a larga banda una specifica frequenza sono un completamento essenziale per la trasmissione dei dati. Immaginiamo di inviare lungo una fibra un segnale in banda larga composto cioè di molte frequenze. Quando il segnale arriva al reticolo, questo agisce come un filtro riflettendo indietro una particolare frequenza (la lunghezza d onda di Bragg λ B ) mentre il resto del segnale transita fino al prossimo reticolo. In questo modo i vari reticoli filtrano e riflettono indietro specifiche frequenze all interno del pacchetto di frequenze che costituiscono il segnale. Il pacchetto di frequenze corrisponde all insieme di conversazioni che viaggiano su la linea telefonica, o di dati che viaggiano nella rete Internet, e i reticoli sono gli opportuni selettori che estraggono una specifica conversazione (una specifica frequenza) smistandola così al destinatario (utente telefonico o nodo internet) dove un opportuno trasduttore opto-elettrico tradurrà il segnale ottico in segnale elettrico per la trattazione finale fino al nostro telefono o nostro computer Utilizzo delle FBG come sensori di deformazioni Una fibra di Bragg può essere utilizzata come sensore (sensore FBG) per misurare le deformazioni e conseguentemente gli stress delle strutture dove essa è incollata o inserita. Se la parte della fibra con il reticolo è incollata o inserita in una struttura, la deformazione della stessa comporterà una deformazione del reticolo e, quindi, un cambiamento della lunghezza d onda riflessa. Inviando un segnale a banda larga si possono monitorare le deformazioni osservando il segnale riflesso. Molti sono i vantaggi dei sensori FBG sui misuratori di deformazioni convenzionali come gli estensimetri: immunità da interferenze elettromagnetiche, possibilità di inserire più sensori FBG sulla stessa fibra, naturale inerzia del vetro (quarzo) di cui sono fatte le fibre, presenza di solo rumore quantico. 75

76 6.5.4 Applicazioni dei sensori FBG Lo sviluppo dei sensori FBG come sensori di deformazioni ha avviato moltissime applicazioni. La loro peculiarità di poter rispondere ad alcune modifiche dell ambiente in cui sono inseriti, quali temperature, trazione, compressione, impatto con onde acustiche ed altre ancora, ha determinato il loro progressivo proliferare nel settore dei materiali intelligenti, cioè dei materiali che sono in grado, di sentire l ambiente circostante e di reagire ad esso come avviene nel sistema nervoso degli esseri viventi. I sensori FBG si prestano a riportare nelle strutture e nei materiali di vario tipo questo concetto di sistema nervoso. Possono essere facilmente inseriti all interno di resine rinforzate con fibre di vetro o di carbonio (sono i così detti materiali compositi polimerici), possono anche essere inseriti nel calcestruzzo o in materiali metallici, data la loro natura dielettrica (sono fatti di vetro), possono anche essere incollati sui materiali nello stesso modo degli estensimetri convenzionali. Molte applicazioni, anche se ancora da considerarsi sperimentali, riguardano l ingegneria civile: ponti autostradali e ferroviari possono essere strumentati con una serie di sensori FBG allo scopo di monitorare lo stato di integrità strutturale degli stessi, in analogia a quanto fa il nostro sistema nervoso che fornisce segnali di dolore ogni qualvolta ci sia qualche patologia o rottura. Altre applicazioni di monitoraggio strutturale sono in corso di sperimentazione in parti di aeromobili. In Giappone vengono sviluppati progetti per equipaggiare con sensori FBG le parti rinforzate delle aperture nella fusoliera dove andranno disposte le porte di ingresso. In Italia la nostra industria aerospaziale in particolare l Alenia Aeronautica ha in progetto di sperimentare in volo i sensori su un aeromobile da trasporto. Oltre a queste applicazioni più immediate, ne esistono altre meno prevedibili. 76

77 6.5.5 Sensori di Fabry-Perot Figura 6.5 Interferometro di Fabry Perot Gli interferometri di Fabry-Perot costituiscono una categoria che suscita interesse nella sensoristica grazie alla struttura relativamente semplice dell elemento sensibile, al fatto che non si richiede l impiego di fibre particolari ed alla buona risoluzione che si riesce ad ottenere. L'interferometro è uno strumento che permette di studiare gli effetti di composizione delle onde (in particolare elettromagnetiche). Esso mette in evidenza le figure risultanti da questi effetti tramite l'ausilio di particolari percorsi per la luce monocromatica. Il principio di funzionamento dell interferometro di Fabry-Perot è semplice. Un fascio di luce prodotto da una sorgente ottica incide su un elemento, detto etalon, costituito da due superfici semiriflettenti a distanza d l una dall altra. In uscita dall etalon si presentano, dunque, più raggi caratterizzati da diversi cammini ottici. La radiazione in uscita, se raccolta su uno schermo, dà luogo a figure di interferenza. La condizione per la quale si ottiene il massimo è: 2d * cos (α) = m * λ (6.2) dove α è l angolo formato dal raggio incidente rispetto alla normale alle superfici dell etalon, m è un intero e λ è la lunghezza d onda della radiazione luminosa incidente. 77

78 Se una variazione di una grandezza ambientale (che costituirà il misurando) produce una variazione della distanza d o dell angolo α, se ne può determinare l entità attraverso una misura di potenza a valle dell etalon. Il sistema di misurazione è basato sull'uso degli interferometri di Fabry-Perot come trasduttori di temperature. I trasduttori sono dispositivi che trasformano una grandezza fisica in una grandezza di un altro tipo, generalmente elettrica per poterla misurare o per poterla confrontare con una grandezza della stessa natura. In genere un sistema di misura è costituito da un primo trasduttore d ingresso che trasforma la grandezza che si vuole misurare in una grandezza d altro tipo generalmente elettrica. Successivamente è presente un secondo blocco modificatore che amplifica o varia una qualche caratteristica del segnale di uscita del primo trasduttore affinché esso costituisca l ingresso di un secondo trasduttore che lo converta in modo da avere un segnale facilmente leggibile. Applicazioni tipiche di tali sistemi sono il controllo della temperatura dei motori di velivoli avanzati, di motopropulsori convenzionali e nucleari, e di altri sistemi in cui le condizioni operative potrebbero essere troppo severe per i sensori di temperatura elettronici (termocoppie, termistori e dispositivi bimetallici). Rispetto ai sensori di temperatura di tipo elettronico, questi ed altri sensori di temperatura in fibra ottica non presentano alcun rischio di autoaccensione e non danno problemi di compatibilità elettromagnetica. Nella figura (6.6) riporto un interrogatore in fibra che serve per trovare gli eventuali malfunzionamenti o problemi i strutturali presenti sull aereo. 78

79 Figura 6.6 Interrogatore (multisensore) in fibra 6.6 Fibre ottiche nella difesa Ormai l uso delle fibre ottiche è diventato di enorme interesse anche nel campo militare. Gli eserciti di tutto il mondo le usano in una varietà di campi dall aereonautico, al navale al terrestre. Le fibre ottiche per le applicazioni militari sono prodotti altamente tecnologici con requisiti e specifiche di progetto molto vari. I maggiori utilizzi della fibra possono essere raggruppati nelle seguenti categorie: Dorsali di comunicazione tattiche; Sistemi remoti e sensori; Link a lunga distanza (punto punto); Connettori per ambienti difficili (harsh enviroment connector); Un altro tipo di sensore: Phased Array Radar Nella teoria delle onde un antenna a scansione di fase è un gruppo di antenne nelle quali le relative fasi dei rispettivi segnali che alimentano le antenne sono variate in modo che le effettive radiazioni dell array di antenne siano rinforzate in una 79

80 direzione desiderata e soppresse in una direzione indesiderata. Possono essere divisi in due categorie: PESA; AESA; In un PESA (passive electronically scanned array) la rete di alimentazione delle microonde nella parte posteriore delle antenne è alimentata da una singola sorgente RF, mandando le proprie onde in moduli che shiftano la fase e a turno alimentano i numerosi elementi emettitori. Un AESA (active electronically scanned array) invece ha una sorgente individuale RF per ognuno dei molti elementi di trasmissione o ricezione. Questo fa in modo che se molti moduli non funzionano correttamente il radar continua a funzionare lo stesso. I Phased array radar sono usati come sensori, prendendo questo termine in modo molto più ampio, permettono di tenere sotto controllo la superficie dell acqua e di tracciarla o controllare e tracciare l aria (trovare aerei e missili). Un Phased array radar può essere usato per puntare una fissata radiazione o per controllare rapidamente in altezza e sull azimuth, visto che il raggio del radar è sterzato in modo elettronico si può mantenere una buona qualità di fuoco su diversi obiettivi mentre si controllano diversi missili in volo. Nella figura (6.8) riporto un esempio di come funziona un modulo di trasmissione e ricezione in un Phased array radar. Da notare è come tutte le connessioni siano ancora eseguite con connessioni coassiali RF su rame. Vengono usati i connettori chiamati Quick RF disconnect. Queste connessioni hanno la caratteristica di avere un metodo di disconnessione veloce (quick). Tutti i prodotti Quick Disconnect hanno una linea rossa che funziona da indicatore. Questo serve per evidenziare ai tecnici che la connessione è eseguita nel modo corretto e risulta sicura. 80

81 Figura 6.7 Connettore quick disconnect unmated e mated Figura 6.8 Modulo di trasmissione e ricezione di un phased array radar Oltre alla connessione risulta interessante l uso della FFT per digitalizzare il sistema. Rispetto a quello che vedremo in seguito questo sembra essere di più facile realizzazione, ma il problema inizia ad essere l elevata quantità di informazioni che bisogna gestire. Vista la grande quantità di dati che sono implicati adesso è iniziata la migrazione verso una nuova tecnologia detta RF su fibra. 81

82 6.7 RF OVER FIBER Negli ultimi anni l uso delle fibre ottiche al posto del più convenzionale cavo coassiale è diventato praticabile in molte applicazioni grazie agli sviluppi nelle tecnologie analogiche in fibre ottiche. I progettisti di sistemi RF hanno familiarità con le problematiche sui cavi coassiali cioè le perdite RF crescono con la frequenza e la lunghezza. I cavi coassiali hanno limitazioni nella lunghezza nel senso che possono essere usati attraverso un amplificazione addizionale. Lunghe estensioni di cavi coassiali, come quelle utilizzate in tunnel o in apparati edificio a edificio, raggiungono rapidamente costi proibitivi specialmente se vengono usati in amplificatori RF. I cavi in fibra ottica hanno perdite molto piccole se comparati ai cavi coassiali. Con l uso di cavi in fibra per trasportare i segnali RF distanze di 10 miglia o più diventano praticabili., i progettisti hanno un nuovo modo per risolvere le difficoltà riguardanti la distribuzione dei segnali RF. Questo nuovo modo viene definito RF OVER FIBER. RF OVER FIBER è la capacità di trasmettere su fibra segnali RF: la luce è modulata da un segnale radio che viene trasmesso su fibra, per poi venire demodulato dal lato del ricevitore. Figura 6.9 Esempio di come funziona RF su fibra 82

83 I classici componenti di un sistema RF su Fibra sono: Cavo in fibra (inclusi i connettori associati) Trasmettitori in Fibra Ricevitori in Fibra La modulazione del laser da parte della RF si può dividere in due grandi campi: modulazione diretta modulazione esterna La modulazione diretta varia direttamente il bias di un diodo laser a semiconduttore ed è la soluzione meno costosa. Figura 6.10 Modulazione diretta Come si vede dalla figura (6.10) in ingresso abbiamo un segnale RF che viene amplificato, poi arriva a un diodo laser che effettua la conversione da segnale elettrico a segnale ottico attraverso la modulazione dei due diversi segnali, a questo punto può avvenire la trasmissione su fibra e sul ricevitore avremo un fotodiodo che effettuerà la conversione da segnale ottico a segnale RF infine un altro amplificatore e cosi arriviamo al segnale RF in uscita. La modulazione esterna invece prevede che la modulazione della luce avvenga in un modulatore elettro-ottico in niobato di litio ma questa soluzione risulta essere molto costosa. Figura 6.11 Modulazione esterna 83

84 Come si vede dalla figura (6.11 sopra) la modulazione avviene, dopo che il segnale RF é stato amplificato e dopo aver incontrato il laser proveniente dal diodo, in un modulatore elettro-ottico, che a questo punto prepara il segnale per l effettiva trasmissione sulla fibra. Al capo opposto della fibra ci sarà un fotodiodo che effettua la conversione della luce in segnale rf, infine un amplificatore e cosi otterremo il segnale rf in uscita. Nella figura (6.12) vediamo un esempio di un modulo trasmissione e ricezione che usa la fibra. Il funzionamento ricalca quello visto in precedenza in ricezione. Si ha un antenna che raccoglie il segnale in alta frequenza lo trasmette a un convertitore che lo trasforma in un segnale ottico a questo punto può avvenire la trasmissione sulla fibra. Dopo la trasmissione sulla fibra verrà effettuata la digitalizzazione del segnale in entrata attraverso la FFT ( Fast Fourier Transform). Poi verranno trasmessi una grande quantità di dati a grandi velocità, verranno processati e verranno raffigurati nel display. In trasmissione invece i dati verranno elaborati poi mandati indietro e sincronizzati, poi convertiti in segnale ottici e trasmessi sulla fibra a questo punto dovranno essere riconvertiti in segnale RF e poi trasmessi in alta frequenza. Figura 6.12 Modulo di trasmissione con tecnologia RF over Fiber 84

85 6.8 RF Over Fibra VS RF Over Rame La tendenza a portare i segnali RF su fibra ormai è diventata molto diffusa, di seguito sono riportati i vantaggi e gli svantaggi nell uso dei cavi in fibra ottica per il trasporto di segnali RF(ricalcano tutti i vantaggi visti in precedenza per l utilizzo della fibra ottica nelle altre applicazioni). Il confronto in questo caso è stato fatto utilizzando dei dati presi dai cataloghi della Huber & Suhner sui cavi in rame per RF [5] e i cavi in fibra ottica [6]. Vantaggi: I cavi in fibre ottiche hanno un attenuazione molto più bassa; L attenuazione di fibra misura la quantità della perdita di segnale; ed è analoga alla resistenza nei cavi di rame. L attenuazione viene misurata in decibel di perdita per chilometro (db/km). Perdite di attenuazione tipiche per la fibra singlemode sono minori ai 0,5 db/km a nm e 0,4 db/km a nm, mentre per la fibra multimode sono 3,0 db/km a 850 nm e 1,5 db/km a nm. Per i cavi in rame vista la grande differenza nelle costruzioni l attenuazione non è univoca ma si parla di un minimo di 0.8 db/100 m a una frequenza di lavoro di 5 MHz a un massimo di 32.2 db/100 m a una frequenza di lavoro di 4000 MHz, per arrivare poi ad un attenuazione di circa 140 db per km. Quindi valori ben più alti per le applicazioni RF su cavo coassiale. Con l aumento delle distanze da percorrere e la richiesta di larghezza di banda più alta, il passaggio alla RF over fibra sembra essere ormai veramente alle porte. L attenuazione nei cavi in rame cambia a seconda della frequenza di lavoro in cui operiamo. Immuni agli EMI; La completa immunità dei cavi in fibra ottica risulta essere fondamentale nel campo delle trasmissioni di RF su fibra. Alcuni cavi in rame per Rf arrivano ad avere buoni risultati sull'immunità EMI cioè > 85 db a 1 GHz di frequenza di lavoro e viene realizzata mediante una doppia schermatura. 85

86 Figura 6.13 Attenuazione di varie tipologie di cavi a doppia schermatura a seconda della frequenza di lavoro Diversi segnali RF possono essere trasmessi a differenti lunghezze d onda sulla fibra senza interferenze; WDM: su una singola fibra ottica vengono trasmessi contemporaneamente una molteplicità di segnali generati da sorgenti Laser diverse, accordate su differenti lunghezze d onda. Le trasmissioni su differenti lunghezze d onda vengono raccolte tramite un Multiplexer (MUX) Cavi in fibra ottica sono più piccoli e più leggeri; Per quanto riguarda il peso per i cavi in rame si parte dai 110 kg/km per un cavo low loss single screen (singolo schermo) da 75 Ω e si arriva a un massimo di 405 kg/km per un cavo double screen (doppio schermo) da 50 Ω. Per i cavi ottici si va da un minimo di 6,5 kg/km per cavi monofibra a un massimo di 96 Kg/km per cavi multifibra con 60 fibre. La media del peso dei cavi in fibra ottica usati nella trasmissione dati è di circa 25 Kg/km, quindi nettamente inferiore rispetto a quelli dei cavi in rame. Per quanto riguarda le dimensioni del diametro si va da un minimo di 2 mm di diametro a un massimo di 11 mm per cavi in fibra ottica con 60 fibre. Per i cavi in rame invece si va da un minimo di 2,55 mm per cavi low loss single screen da 75 Ω e si arriva a un massimo di 15 mm per un cavo double screen da 50 Ω. 86

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