Corso di DISPOSITIVI E SISTEMI PER LE COMUNICAZIONI IN FIBRA OTTICA

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Domenico Rossetti
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1 Università Mediterranea di Reggio Calabria - Facoltà di Ingegneria Corso di DISPOSITIVI E SISTEMI PER LE COMUNICAZIONI IN FIBRA OTTICA Prof. Ing. Riccardo Carotenuto Anno Accademico 2007/

2 SOMMARIO Obiettivi del Corso Introduzione Prospettiva storica Reti Ottiche Propagazione della luce nelle fibre ottiche Cenni di tecnologia sulla fabbricazione delle fibre ottiche Dispositivi emettitori di luce Dispositivi rilevatori di luce Analisi e Progetto di collegamenti ottici -2-

sulla fabbricazione delle fibre ottiche Dispositivi emettitori di luce

3 OBIETTIVI DEL CORSO Obiettivi del Corso: Fornire gli elementi essenziali alla comprensione dei fenomeni fisici e delle tecnologie alla base dei moderni sistemi di comunicazione su fibra ottica. Fornire le nozioni tecniche per la progettazione di collegamenti ottici tipo punto-punto. Conoscenze richieste: Fisica ed Elettronica. Testi di riferimento: L.D. Green, Fiber Optic Communications, CRC Press S.M. Sze, Fisica dei dispositivi a semiconduttore, Hoepli -3-

Fornire le nozioni tecniche per la progettazione di collegamenti ottici tipo punto-punto.

4 INTRODUZIONE: IL SISTEMA Il Sistema di comunicazione basato su fibra ottica Sorgenti di luce La fibra ottica Rilevatori di luce -4-

5 INTRODUZIONE: STRUTTURA DEL SISTEMA Il Sistema di comunicazione basato su fibra ottica Il Trasmettitore Ottico: Il trasmettitore converte un segnale elettrico analogico o digitale in un corrispondente segnale ottico. La sorgente del segnale ottico può essere un diodo a emissione di luce. Il cavo a Fibra Ottica: Il cavo consiste di uno o più fibre di vetro che agiscono come una guida d onda per il segnale ottico. Il cavo è costruito in maniera simile ad un cavo elettrico, con speciali strati di protezione per le fibre al suo interno. Per lunghezze superiori a qualche chilometro le fibre vengono giuntate con speciali giunti ottici. Il Ricevitore Ottico: Il ricevitore converte il segnale ottico nuovamente in una replica del segnale elettrico originale di ingresso. Il rivelatore del segnale ottico è un fotodiodo PIN o ad effetto valanga -5-

Il cavo a Fibra Ottica: Il cavo consiste di uno o più fibre di vetro che agiscono come una guida d onda per il segnale ottico.

6 INTRODUZIONE: IL TRASMETTITORE OTTICO Il Trasmettitore Ottico converte il segnale elettrico di ingresso in luce modulata adatta alla trasmissione su una fibra ottica. A seconda della natura del segnale di ingresso, la luce può essere accesa o spenta oppure la sua intensità variata tra due livelli predeterminati. -6-

7 INTRODUZIONE: SORGENTI DI LUCE Le due sorgenti ottiche più comuni sono il LED ed il Diodo Laser. In un sistema a fibra ottica, questi dispositivi sono incapsulati in un package che permette di posizionare la fibra molto vicino alla regione di emissione della luce, in modo da iniettare o lanciare nella fibra quanta più luce possibile. In particolare, l accoppiamento può includere una piccola lente in grado di concentrare nella fibra la maggior quantità di luce possibile, oppure la fibra è saldata (pigtailed) direttamente sulla superficie di emissione. I LED hanno una superficie di emissione relativamente estesa, ma non sono sorgenti di luce potenti quanto i diodi laser. D altra parte sono utilizzati per collegamenti brevi perché molto più economici dei LD, abbastanza lineari in termini di funzione di trasferimento corrente di ingressointensità di luce in uscita, e sono stabili al variare della temperatura operativa. I LD, hanno una superficie di emissione della luce relativamente piccola, e possono iniettare in fibra molta più potenza dei LED, sono lineari in termine di luce in uscita-corrente in ingresso, ma non sono stabili rispetto alle variazioni di temperatura e richiedono un circuito di controllo che li stabilizzi. Il costo superiore li rende utilizzabili solo per lunghe tratte. LED e LD operano nella porzione infrarossa dello spettro elettromagnetico e la loro luce non è visibile per l occhio umano. Le lunghezze d onda a cui operano sono scelte per minimizzare le perdite nelle fibre ottiche e sfruttare pienamente le caratteristiche di rivelazione dei fotodiodi. Le più comuni lunghezze d onda sono attualmente 850 nanometri, 1300 nanometri, and 1550 nanometri. LED e LD sono disponibili in tutte e tre queste lunghezze d onda. -7-

8 INTRODUZIONE: SCHEMI DI MODULAZIONE LED e LD possono essere modulati in due modi: on e off, oppure linearmente da un opportuno circuito che si occupa di convertire il segnale elettrico di ingresso in corrente di base del transistore pilota. La velocità globale è determinata dal circuito di pilotaggio e dalla velocità inerente dei LED o LD. Tipicamente, possono essere raggiunte velocità di molte centinaia di megahertz con i LED e migliaia di megahertz con i LD. L amplificatore operazionale consente la modulazione lineare di LED o LD; lo schema consente anche di fornire un bias DC facilmente. Per i LD si è omesso il circuito di stabilizzazione in temperatura, non necessario per i LED. -8-

Tipicamente, possono essere raggiunte velocità di molte centinaia di megahertz con i LED e migliaia di megahertz con i LD.

9 INTRODUZIONE: METODI DI MODULAZIONE La modulazione digitale on/off di LED e LD può assumere diverse forme. La più semplice è luce-on per rappresentare l 1 logico e luce-off per rappresentare lo 0 logico. Due altre forme comuni sono la pulse width modulation (PWM) e la pulse rate modulation (PRM). PWM: in un flusso continuo di impulsi una lunghezza d impulso significa 1 e un altra rappresenta 0. PRM: gli impulsi sono tutti della stessa lunghezza ma la frequenza d impulso cambia per differenziare 1 e 0. Anche la modulazione analogica può assumere diverse forme. La più semplice è la modulazione d intensità, dove la luminosità del LED è variata in maniera direttamente proporzionale al segnale trasmesso. -9-

Due altre forme comuni sono la pulse width modulation (PWM) e la pulse rate modulation (PRM).

10 INTRODUZIONE: FIBRA OTTICA Una volta che il trasmettitore ha convertito il segnale elettrico di ingresso in un opportuna forma di luce modulata, la luce deve essere iniettata (o lanciata ) nella fibra. Ci sono due metodi per accoppiare superficie di emissione e fibra: Il primo è attraverso saldatura diretta (pigtailing). L altro è posizionare l estremità della fibra il più vicino possibile alla superficie di emissione della luce. In questo caso, la quantità di luce che riesce a entrare nella fibra è funzione di quattro fattori principali: Intensità: L intensità di un LED o di un LD è una funzione del design ed è usualmente specificata come potenza totale in uscita ad una data corrente di pilotaggio. A parità di altri fattori, maggiore è la potenza luminosa, maggiore è la potenza che si riesce a iniettare nella fibra. Area: La quantità di luce lanciata in una fibra è funzione dell area della superficie di emissione rapportata all area della fibra in grado di accettarla. Minore è questo rapporto, maggiore è la luce che entra nella fibra. Angolo di Accettazione (Acceptance Angle): L angolo di accettazione è il doppio del massimo angolo che un raggio di luce può formare con l asse della fibra per potere entrare in essa.questo angolo è espresso in termini di Apertura Numerica. L apertura Numerica (NA) è il seno di metà dell angolo di accettazione di una fibra. Tipici valori per NA vanno da 0.1 a 0.4 che corrispondono ad angoli da circa a gradi. Perdite: Ci sono sempre delle perdite all ingresso e all uscita di una fibra ottica, dovuta al disadattamento di impedenza ottica tra i mezzi, alla non perfetta planarità delle superfici di ingresso e uscita. -10-

L altro è posizionare l estremità della fibra il più vicino possibile alla superficie di emissione della luce.

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