in lavorazione. Fibre Ottiche 1

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1 Fibre Ottiche 1 in lavorazione.

2 Caratteristiche generali Sono sottilissimi fili di materiale vetroso (silice) o di nylon, dal diametro di alcuni micron, che trasmettono segnali luminosi su lunghe distanze. 2

3 Caratteristiche generali Presentano un'attenuazione chilometrica molto bassa, che può arrivare oggi a meno di 0,2 db/km. Utilizzano come onde elettromagnetiche la luce. In pratica sono delle guide d'onda per trasmettere le onde luminose. 3

4 Vantaggi peso ed ingombro minori rispetto al rame; resistenza a situazioni ambientali difficili; immunità da disturbi elettromagnetici esterni; isolamento elettrico fra trasmettitore e ricevitore; installazione con i cavi di energia; assenza di diafonia; bassi valori di attenuazione (0,2 2,4 db/km per fibre in silice); sicurezza: impossibilità di spiare una linea senza interromperla; elevato numero di canali di comunicazione su unica fibra; lungo passo di ripetizione; larga banda di frequenza (0,4 10 GHz. km); 4

5 Svantaggi tecnologia in rapida evoluzione; costosa realizzazione costruttiva; difficoltà di connessione tra fibre ottiche; accessori costosi; problemi di standardizzazione; strumenti di prova costosissimi. monodirezionalità 5

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7 Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro Un raggio luminoso (raggio incidente) che colpisce la superficie di separazione di due mezzi si divide in due parti: - un raggio riflesso, che continua a propagarsi nel primo mezzo; - un raggio rifratto, che si propaga nel secondo mezzo. 7

8 Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro Considerando la normale N alla superficie di separazione gli angoli che i raggi formano sono detti: - angolo di incidenza (α) - angolo di riflessione (β) - angolo di rifrazione (γ) 8

9 Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro Tra gli angoli che i raggi formano esistono le seguenti relazioni sperimentali: legge di riflessione β = α legge di rifrazione (di Snell) senα = n sen γ n 2 1 =cost dove n 1 e n 2 sono gli indici di rifrazione dei due mezzi In questo esempio è n2 > n1 9

10 Rifrazione di un raggio tra due mezzi con diversa densità n1 n2 n1 > n2 α < γ 10

11 Angolo di incidenza limite Nella propagazione di un raggio da un mezzo più denso ad uno meno denso esiste un valore di α per il quale l angolo di rifrazione vale 90 Questo angolo è detto angolo di incidenza limite α lim (oppure angolo critico). Quando α > α lim si ha la riflessione totale del raggio incidente. 11

12 Struttura di una fibra ottica - il nucleo (core) - (10 80 um) Tre strati: - il mantello (cladding) - il rivestimento primario protettivo (buffer) Nucleo Mantello Rivestimento protettivo 12

13 Realizzazione delle fibre ottiche Attualmente vengono usati due tipi di materiali: Silice drogata Vetri a molti componenti Le tecniche di realizzazione sono molto sofisticate. Il metodo attualmente più utilizzato è il metodo della preforma La preforma si realizza attraverso due procedimenti: IVPO Inside Vapour Phase Oxidation - che consiste nella deposizione all interno di un supporto; OVPO Outside Vapour Phase Oxidation - che consiste nella deposizione all esterno di un supporto 13

14 Realizzazione delle fibre ottiche La preforma è un prodotto di lavorazione intermedio, che possiede tuttavia le caratteristiche ottiche definitive richieste ( cioè nucleo e mantello hanno gli indici di rifrazione finali). Attraverso il processo di filatura, poi, si riduce gradualmente il diametro della fibra portandolo a quello definitivo, senza alterare le caratteristiche ottiche della fibra. 14

15 Realizzazione delle fibre ottiche Schema di principio di un impianto relativo al processo IVPO. Per la preforma viene utilizzato un tubo in vetro di silice in rotazione, che ha la funzione di supporto. I reagenti sono: SiCl 4 + GeCl 4 + O 2 + POCl

16 Realizzazione delle fibre ottiche Schema dell impianto per la filatura e la prima protezione della fibra. 16

17 Propagazione della luce nelle fibre ottiche La propagazione della luce avviene nel core sfruttando il fenomeno della RIFLESSIONE TOTALE. L indice di rifrazione del core è maggiore di quello del cladding per evitare la rifrazione sul cladding. Condizioni fondamentali per il funzionamento sono, dunque: Indice di rifrazione core > Indice di rifrazione cladding n core > n cladding Angolo di incidenza > Angolo limite α > α lim 17

18 Angolo di accettazione Il raggio deve entrare nella fibra con un angolo γ e tale che risulti α > α lim In corrispondenza di α lim il raggio rifratto nella fibra forma un angolo di 90 L angolo γ e è quindi il massimo angolo di ingresso possibile e viene chiamato angolo di accettazione. 18

19 Apertura numerica I raggi devono entrare nella fibra all interno del cono di accettazione, formato dai due angoli γ e Si definisce apertura numerica la quantità: NA = sen γ e L apertura numerica permette di stabilire i limiti angolari entro i quali la propagazione della luce avviene in modo guidato, cioè è totalmente riflessa nella fibra. 2 E anche NA := n 1 n

20 Esercizio. Determinare l apertura numerica e l angolo di accettazione di una fibra ottica sapendo che i valori degli indici di rifrazione sono: n core = 1,48 n cladding = 1,46 20

21 Soluzione Applicando la legge di Snell all angolo limite si ha: senα senγ lim rifr = n cladding n core Per definizione all angolo limite corrisponde un angolo di rifrazione di 90 per cui: senγ rifr = 1 γ rifr = 90 Quindi: cioè: α sen α = lim lim n cladding n core n = arcsen n cladding core Nel nostro caso: α lim 1, 46 = arcsen = 80, 6 1, 48 21

22 Applichiamo, ora, la legge di Snell al punto A di ingresso del raggio nella fibra, tenendo presente che il mezzo esterno alla fibra è l aria (n aria = 1): senγ e = n n core aria senϕ = 1,48 1 senϕ Osservando che: ϕ = 90 α lim Si ottiene: Quindi: senγ e 1, 48 1, 48 = sen lim lim cos 1 1 ( 90 α ) = cosα = 1, 48 80, 6 = 0, 242 apertura numerica N. A. senγ = 0, 242 = e angolo di accettazione γ e = acrsen( 0, 242) = 14 cono di accettazione 2γ e = 28 22

23 Dispersione La dispersione è il fenomeno per cui si verifica una dilatazione (nel tempo) della durata di un impulso che si propaga nella fibra. L entità di tale allargamento conduce ad un limite minimo nella distanza tra due impulsi, superato il quale essi diventerebbero non distinguibili dando luogo ad un fenomeno denominato Interferenza Intersimbolica (ISI). 23

24 Dispersione Si hanno fondamentalmente due tipi di dispersione: dispersione modale dispersione cromatica. La dispersione cromatica, a sua volta, deriva da due componenti: dispersione del materiale dispersione di guida d onda. 24

25 Dispersione Modale Solo i raggi che entrano nel nucleo con angoli compresi nella apertura numerica possono propagarsi in esso senza disperdersi nel mantello. Essi sono chiamati raggi guidati, poiché corrispondono ai MODI DI PROPAGAZIONE guidati del campo E.M. I raggi guidati percorrono la fibra procedendo in linea retta lungo l asse della fibra oppure a zig-zag. L energia luminosa inviata nella fibra è ripartita fra i modi che si propagano nel nucleo. 25

26 Modi di propagazione Il numero dei modi M in una fibra del tipo step-index, è dato dalla seguente relazione matematica: M π 2 d 2 NA 2 2 λ 2 Dove: d = diametro del nucleo NA = apertura numerica λ = lunghezza d onda 26

27 Dispersione Modale 27

28 Dispersione Modale La dispersione modale dipende dalla lunghezza della fibra: più questa è lunga, tanto più distorto arriva il segnale. 28

29 Dispersione Modale La dispersione modale dipende anche dall apertura numerica della fibra, NA: maggiore è l angolo γ, più numerosi sono i raggi che entrano in fibra propagandosi secondo percorsi diversi. 29

30 Dispersione Modale In realtà, la quantità di dispersione modale dipende dalla differenza t tra il tempo (massimo ) impiegato dal raggio che segue il percorso più lungo e quello (minimo) impiegato dal raggio che segue il percorso più breve. Tale tempo è dato dalla relazione: t L c n 1 n n 1 n 2 2 ( ) e dipende, oltre che dalla lunghezza L della fibra, anche dal rapporto tra i due indici n1 ed n2 (c è la velocità dell luce nel vuoto). 30

31 Dispersione Modale Se si considera una lunghezza unitaria L = 1km la precedente relazione fornisce il cosiddetto allargamento modale unitario: t m n 1 n n 1 n 2 2 ( ) [ns/km] Per eliminare la dispersione modale è necessario azzerare l allargamento t, ma ciò si può ottenere solo se n1 = n2. Questo però non è possibile, poiché, dovendo la luce propagarsi per riflessione, dovrà necessariamente essere n1 > n2 31

32 Dispersione Modale Per eliminare il fenomeno della dispersione modale si può interdire la propagazione a tutti i modi tranne uno. Si realizza in tal modo una fibra monomodale il cui diametro risulterà molto ridotto, dell ordine della lunghezza d onda della luce. Il calcolo del diametro del nucleo si effettua mediante la formula: d 0.54 n 1 λ c λ c è la lunghezza d onda di taglio (al di sopra di essa si ha propagazione monomodale) è lo scarto relativo tra gli indici del nucleo e del mantello, che in percentuale è dato da: 2 2 n 1 n 2 % n 1 32

33 Dispersione cromatica Come la dispersione modale, la dispersione cromatica è un fenomeno che limita la velocità di trasmissione dei segnali. Può essere di due tipi. Dispersione di guida d onda La dispersione di guida d onda interessa prevalentemente le fibre monomodali e si verifica quando una parte del modo fondamentale si propaga anche nel mantello ( a causa del piccolo diametro del nucleo). Essendo l indice di rifrazione n 2 del mantello minore di quello del nucleo, la luce si propagherà nei due mezzi con velocità diverse, con conseguente effetto dispersivo degli impulsi luminosi. 33

34 Dispersione cromatica Dispersione del materiale Causa della dispersione del materiale è la dipendenza dell indice di rifrazione dalla lunghezza d onda della luce, cioè dal suo colore, in modo inversamente proporzionale ad essa. Ciò significa che per la luce rossa, che ha una grande lunghezza d'onda, si ha un indice di rifrazione relativamente basso, mentre per la luce violetta, che ha una lunghezza d'onda più corta, si ha un indice di rifrazione maggiore. 34

35 Dispersione cromatica Conseguenza di ciò è che la velocità di propagazione della luce nella fibra, è funzione della lunghezza d onda, cioè del colore. Pertanto, se si immette nella fibra luce composta di diverse lunghezza d onda, i raggi giungeranno all altra estremità in tempi diversi. Quindi si verificherà un allargamento temporale t c0 degli impulsi di luce, che dipende dalla larghezza λ dello spettro della sorgente ottica. t c0 µ λ [ps / km] dove µ è il coefficiente di dispersione cromatica. 35

36 Larghezza di banda Nelle fibre ottiche la larghezza di banda B dipende dalle dispersioni modale e cromatica secondo le relazioni B 1 B m B c 2 B 0.44 t B m è la banda dovuta alla dispersione modale B c è la banda dovuta alla dispersione cromatica t è l allargamento temporale (modale + cromatico ) 36

37 Larghezza di banda Nelle fibre MM la banda dipende principalmente da quella modale, cioè: B = B m Nelle fibre SM la banda dipende principalmente da quella cromatica, cioè: B = B c La banda modale dipende, oltre che dal tipo di fibra, dalla lunghezza del collegamento secondo la relazione: B m B mo L γ B m0 è la banda modale unitaria (per MHz km) L è la lunghezza della fibra (in km) γ è il fattore di concatenazione dei modi (deriva da imperfezioni della fibra e dalle giunzioni e vale tipicamente 0.85). 37

38 Larghezza di banda La banda cromatica dipende principalmente dai dispositivi optoelettronici utilizzati per generare il segnale luminoso applicato alla fibra. La banda cromatica è data dalla seguente relazione: B c µ λ L λ è la larghezza spettrale della sorgente di luce è la lunghezza della fibra L µ è il coefficiente di dispersione cromatica 38

39 Larghezza di banda La figura seguente mostra il grafico che rappresenta l andamento dei coefficienti di dispersione del materiale, di guida d onda e quello totale, dovuto alla loro somma. 39

40 Larghezza di banda - Esercizio Un sistema di trasmissione in F.O. utilizza come sorgente un diodo laser caratterizzato da una larghezza spettrale di emissione pari a λ = 3 nm e una F.O. monomodale, caratterizzata da un coefficiente di dispersione cromatica µ = 20 [psec / nm Km]. Sapendo che la lunghezza del collegamento è L = 50 Km, calcolare la banda per unità di lunghezza e la banda effettivamente utile. 40

41 Larghezza di banda - Esercizio Data una F.O. multimodale STEP INDEX con indice di rifrazione n1 = 1.48 ed n2 = 1.46, calcolare l allargamento dell impulso prodotto dalla dispersione modale, la banda per Km e la banda utile se la lunghezza della fibra L è di 10 Km. 41

42 Larghezza di banda 42

43 Tipi di Fibre Attualmente sono utilizzati, per motivi di costi e di standardizzazione, due soli tipi di fibre: multimodali monomodali Il materiale di base utilizzato è la silice (SiO 2 ), che presenta una bassa attenuazione con λ compreso tra 0.7µm e 1.7µm. Gli indici di rifrazione richiesti sono ottenuti aggiungendo alla silice delle sostanze droganti, la cui percentuale può arrivare anche al 15% nelle fibre multimodali. In particolare il fluoro serve a diminuire l indice, mentre il germanio ne produce l aumento. 43

44 Fibre multimodali In una fibra ottica MULTIMODO si possono propagare più modi, ognuno con diversa velocità di gruppo Vg, corrispondente ad una determinata lunghezza d onda. L insieme dei ritardi tra i raggi che compongono il segnale luminoso determina in ricezione una distorsione del segnale elettrico all uscita del convertitore ottico. Hanno diametro del nucleo intorno ai 50 µm, diametro del mantello di 125µm e salto dell indice di rifrazione tra nucleo e mantello intorno all 8%. 44

45 Fibre multimodali Le fibre multimodali presentano consistenti perdite di potenza e ridotta quantità di dati trasmissibili. Pertanto il loro uso è limitato a sistemi a basso costo. Possono essere di due tipi: step index: l indice di rifrazione è costante nel nucleo per poi passare bruscamente (STEP) ad un valore inferiore nel mantello. graded index: l indice di rifrazione del nucleo non è costante ma decresce gradualmente (GRADED) dal centro del nucleo verso il mantello. 45

46 Fibre multimodali step index Nelle fibre step index i raggi che hanno la stessa lunghezza d onda, hanno la medesima velocità; tuttavia, propagandosi secondo percorsi diversi, giungono a destinazione in tempi diversi, dando luogo a dispersione e quindi distorsione. Questo tipo di fibra non è utilizzato in Telecomunicazioni 46

47 Fibre multimodali step index 47

48 Fibre multimodali step index 48

49 Fibre multimodali graded index Nelle fibre graded index l indice di rifrazione del nucleo non è costante, ma decresce gradualmente dal centro della sezione del nucleo verso la periferia. In questo tipo di fibre le componenti di un impulso di luce, pur provenendo da percorsi diversi, arrivano quasi contemporaneamente al ricevitore, generando un impulso poco distorto. 49

50 Fibre multimodali graded index 50

51 Fibre multimodali graded index 51

52 Fibre monomodali Sono ampiamente utilizzate come mezzo trasmissivo nelle comunicazioni ottiche per Telecomunicazioni, poiché presentano molti vantaggi: minima perdita di potenza ottica tempo di vita molto elevato ( circa 20 anni) assenza di distorsione modale grande quantità d informazione trasportata. 52

53 Fibre monomodali Nelle fibre monomodali, chiamate anche single-mode o SM, vi è un unico modo di propagazione e la propagazione si può pensare, in modo semplificato, come un raggio assiale. Affinchè ciò possa verificarsi è necessario che il diametro del nucleo non sia superiore a circa 10 µm. Un nucleo tanto sottile pone però il problema dell efficienza di iniezione. Infatti, la potenza che una fibra può assorbire dipende anche dal suo raggio, secondo la relazione (approssimata): P π r 2 NA 2 53

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59 Caratteristiche dei trasmettitori e ricevitori optoelettronici per fibre ottiche Parametro Responsività (rapporto tra la corrente generata per unità di potenza incidente) Tempo di salita degli impulsi di corrente Frequenza massima di lavoro Diodo PIN 0.6 m A/m W < 1 nsec 1 GHz Diodo APD 100 m A/m W 2 nsec 100 MHz Sensibilità (minima potenza ottica rivelabile) Tensione di alimentazione 0.1 m W V 0.01 m W

60 Caratteristiche dei trasmettitori e ricevitori optoelettronici per fibre ottiche Parametro Potenza luminosa immessa in fibra a parità di corrente di lavoro Larghezza spettrale a metà altezza Frequenza massima di lavoro Tempo di salita degli impulsi luminosi Velocità di modulazione degli impulsi Radianza (potenza ottica emessa per unità diangolo solido dall'unità di superficie della sorgente) LED m W λ= 30 nm per λ=0.8 µm λ=100 nm per λ= 1.3 µm 100 MHz nsec 10 Mbit/sec (W/cm 2 )sr LASER 5-20 mw λ= 2 nm per λ=0.8 µm λ=10 nm per λ= 1.3 µm 5 GHz < 1 nsec 300 Mbit/sec 1000 (W/cm 2 )sr Vita media (ore di lavoro) Costo 10 7 basso 10 6 Alto 60