TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA
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- Andrea Danieli
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1 TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA Storia delle comuicazioi ottiche 84 a.c.: caduta di Troia comuicata a Micee (550km di distaza) attraverso ua serie di fuochi allieati 794 d.c.: rete di Chappe collega Parigi e Lille (90 km) Propagazioe o guidata dei raggi lumiosi Trasmissioe telegrafica Codice che associa ad ogi lettera ua diversa posizioe di due bracci lumiosi 85: la rete di Chappe raggiuge ua lughezza massima di 4500km 556 stazioi dislocate ogi 0km 3000 operatori Parigi-Toloe (700km, 0 stazioi) i 0 miuti : ivezioe del laser (Schawlow e Towes) 966: possibilità di realizzare la propagazioe guidata dei raggi lumiosi grazie all ivezioe della fibra ottica (Kao e Hockham) Oggi: i sistemi DWDM permettoo di trasmettere su ua sigola coppia di fibre ottiche fio a 800Gbit/sec TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA
2 Natura della luce La luce è u isieme di ode elettromagetiche frequeza f compresa ell itervallo di visibilità per caratterizzare l oda lumiosa ormalmete più che la frequeza si utilizza la lughezza d oda λ el vuoto vale la relazioe c λ dove c è la velocità della luce el vuoto m/s Le lughezze d oda relative alla luce visibile soo comprese tra 0.4µm violetto ( Hz) 0.8µm rosso ( Hz) La poteza di u flusso lumioso è data dal flusso di fotoi che lo costituisce Ogi fotoe avrà u eergia h f co h costate di Plak TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 3 f Natura della luce L eergia elettromagetica è discreta la coversioe dell eergia ottica i elettrica avviee ei fotodiodi ogi sigolo fotoe deve possedere l eergia ecessaria per estrarre u elettroe al di sopra di ua lughezza d oda critica, idifferetemete dal umero di fotoi che colpiscoo il catodo (poteza del raggio icidete) o si avrà emissioe di elettroi al di sotto della lughezza d oda critica la poteza ottica P si coverte i correte elettrica I secodo la relazioe I q q η P m h f h f è il umero di elettroi geerati, q è la carica di u elettroe m è il umero di fotoi perveuti η è l efficieza quatica TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 4
3 Natura della luce Nei sistemi trasmissivi cosiderati l iformazioe è portata da ua poteza ottica modulata liearmete da ua correte elettrica Aspetto corpuscolare della luce: I emissioe elettroi si covertoo i fotoi I ricezioe fotoi geerao elettroi TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 5 Riflessioe e rifrazioe Aalisi della propagazioe ottica i fibra ottica geometrica: meccaismo di propagazioe guidata i ua fibra multimodale modello odulatorio: giustifica la dicretizzazioe degli agoli dei raggi lumiosi equazioi di Maxwell: propagazioe i ua fibra moomodale L aalisi di primo livello può essere effettuata sfruttado le leggi elemetari della riflessioe e rifrazioe Legge di Sell siα siα α α raggio α icidete raggio rifratto raggio riflesso TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 6 3
4 Riflessioe e rifrazioe Legge di Fresel Quado il raggio icidete è perpedicolare alla superficie di separazioe il rapporto fra la poteza del raggio icidete e quella del raggio riflesso vale P + P r il rapporto fra la poteza icidete e quella rifratta vale P P P P P + + r 4 P P r P TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 7 Riflessioe e rifrazioe Agolo limite Il raggio rifratto risulta parallelo alla superficie di separazioe Si ha siα 0 essedo siα Per α > α 0 si avrà riflessioe totale α 0 α0 α>α 0 α>α 0 TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 8 4
5 Velocità di fase Velocità di propagazioe u f c Velocità di gruppo (propagazioe degli impulsi di eergia) c u N dove N è l idice di gruppo d N λ d λ per i mezzi o dispersivi (idice di rifrazioe idipedete dalla lughezza d oda) sarà N e quidi u f u TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 9 Il caale elettro-ottico ottico I Covertitore P k I P Covertitore I k P E/O O/E Covertitore elettro-ottico circuito di pilotaggio (produce ua correte I ) sorgete (produce ua poteza ottica P proporzioale a I ) Fibra ottica guida d oda dielettrica filiforme cilidro itero (ucleo) di idice di rifrazioe cilidro estero (matello) di idice di rifrazioe < Covertitore ottico-elettrico rivelatore ottico (produce ua correte I proporzioale a P ) amplificatore TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 0 5
6 Sorgeti ottiche Esistoo 3 processi fodametali di iterazioe fra u fotoe e u elettroe assorbimeto emissioe spotaea emissioe stimolata TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA Sorgeti ottiche Diodi LED la radiazioe viee prodotta per emissioe spotaea i modo ormale al piao della giuzioe la poteza ottica sarà fuzioe crescete della correte di pilotaggio (max mw) la luce avrà scarsa moocromaticità I LED ad emissioe di spigolo permettoo di otteere elevata direttività TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 6
7 Diodi Laser la radiazioe viee prodotta per emissioe stimolata la poteza ottica è molto maggiore rispetto al LED (5mW) si riesce ad otteere ua elevata moocromaticità Sorgeti ottiche TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 3 Rivelatori ottici PIN (Positive-Itrisec-Negative) seza moltiplicazioe degli elettroi primari prodotti dai fotoi icideti APD (Avalache-Photo-Diode) co moltiplicazioe degli elettroi primari prodotti dai fotoi icideti Sarà i geerale I R M P co R efficieza fotoelettrica q qλ R η η hf hc e M fattore di guadago degli elettroi primari ( per i PIN, > per gli APD) TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 4 7
8 Fibre Ottiche Co riferimeto all adameto dell idice di rifrazioe e al diametro del ucleo distiguiamo 3 tipi di fibre step-idex l idice di rifrazioe vale el ucleo l idice di rifrazioe vale el matello la variazioe è a gradio il diametro del ucleo è grade rispetto alla lughezza d oda (50µm) graded-idex l idice di rifrazioe varia el ucleo co ua legge parabolica valore massimo al cetro e miimo i corrispodeza del matello Fibra moomodale diametro del ucleo molto piccolo prossimo a TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 5 Propagazioe ottica e apertura umerica La propagazioe ottica i ua fibra step-idex avviee per riflessioe totale sulla superficie di separazioe ucleo-matello 0siϑ0 siϑ si( π ϕ) cosϕ per ϕ>ϕ C si avrà riflessioe totale detro la fibra Sarà siϕ c da cui cosϑ c TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 6 0 8
9 Propagazioe ottica e apertura umerica Nel caso dell aria sarà 0 e quidi siϑ0c siϑc NA tale gradezza è l apertura umerica della fibra 0 TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 7 Poteza ottica iiettata ella fibra Suppoiamo di avere ua sorgete putiforme cetrata sull asse della fibra che emette ua poteza totale P 0 La poteza ottica P iiettata ella fibra è quella portata dai raggi coteuti el coo che ha per vertice la sorgete e per agolo piao associato ϑ0c sarà ϑ 0c arcsi ( NA) LED co emissioe uiforme el coo di accettazioe P φ P 0 φ π NA dove φ è l agolo solido del coo Laser co apertura umerica miore di quella della fibra P P0 TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 8 9
10 Atteuazioe ottica Ache elle fibre ottiche la poteza si propaga el mezzo decrescedo espoezialmete co la distaza dall origie Se α è l atteuazioe per uità di lughezza (db/km) sarà α L 0 log P P L atteuazioe ottica è dovuta a due compoeti Atteuazioe estriseca Dipedete dal processo di produzioe della fibra Atteuazioe itriseca Dipedete dalla atura fisica del materiale e quidi o elimiabile TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 9 Atteuazioe itriseca Dovuta a tre effetti idipedeti Assorbimeto elettroico (UV) i fotoi possoo essere assorbiti eccitado elettroi di legame che poi restituiscoo tale eergia sotto forma di calore dimiuisce al crescere della lughezza d oda risulta praticamete trascurabile ell itervallo di lughezza d oda utilizzato per le fibre attuali ( m) Assorbimeto per diffusioe (di Rayleigh) Dovuto a variazioi locali dell idice di rifrazioe k α 4 λ dove k è ua costate che dipede dal materiale (tipicamete 0.85 per lughezze d oda espresse i µm) Assorbimeto vibrazioale (IR) Risoaza fra la frequeza di vibrazioe degli atomi del materiale e la frequeza della luce Cresce molto rapidamete al di sopra di 550m TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 0 0
11 Atteuazioe itriseca TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA Atteuazioe estriseca Preseza di impurità all itero della fibra atomi metallici quasi totalmete elimiati Ossidrile OH Diffusioe imperfezioi localizzate micro e macro curvature Fiestre 80m, 3dB/km 330m, 0.5dB/km 550m, 0.5dB/km i corrispodeza di variazioi di lughezza d oda pari a 00m si ottiee ua larghezza di bada 8 c 30 5 f 30 MHz λ TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA
12 Dispersioe modale U impulso che percorre ua fibra step-idex si allarga i modo proporzioale alla distaza diversa lughezza dei percorsi ottici dei raggi el ucleo della fibra raggio assiale: percorso più breve tempo di percorreza t L u raggio tagete al coo di accettazioe: percorso più lugo tempo di percorreza t L u siϕ c L ϕ c L si(ϕ c ) TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 3 Dispersioe modale Allargameto dell impulso L L t t t u siϕ c u L L L NA u u ( + ) u ( + ) el caso di materiale o dispersivo ( + ) c ( + ) + L NA L NA L NA L t u c c NA TRASMISSIONE IN FIBRA OTTICA 4
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