INTRODUZIONE: PERDITE IN FIBRA OTTICA

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Ilario Modesto Rota
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1 INTRODUZIONE: PERDITE IN FIBRA OTTICA Il nucleo (o core ) di una fibra ottica è costituito da vetro ad elevatissima purezza, dal momento che la luce deve attraversare migliaia di metri di vetro del nucleo. Per apprezzare il grado di purezza di questo vetro, consideriamo il vetro di una comune finestra. Il vetro è apparentemente totalmente trasparente, solo perché la luce deve passare attraverso pochi millimetri. Se si considerano i bordi del vetro, per esempio dopo una rottura della finestra, essi appaiono verdi e quasi opachi. Infatti, in questo caso si vede la luce che propagandosi lungo il piano del vetro, viene assorbita dal vetro per qualche decina di centimetri. Praticamente nulla passerebbe attraverso qualche chilometro di questo tipo di vetro. Fibre ottiche comuni presentano perdite da 4 a 6 db per km (perdite dal 60% al 75% per km) alla lunghezza d onda di 850 nm. Alla lunghezza d onda di 1300 nm, le perdite calano da 3 a 4 db per km (perdite dal 50% al 60% per km). Fibre di elevata qualità hanno perdite di circa 3 db (50%) per km a 850nm e 1 db (20%) per km a 1300nm. Perdite di 0.5 db (10%) per km a 1550 nm sono normali. Queste perdite sono in principalmente dovute a scattering (o diffusione) e assorbimento della luce da parte di impurità presenti nel vetro. Un altra causa di perdite in fibra è l eccessiva curvatura, che permette a parte della luce di lasciare l interno della fibra. Minore il raggio di curvatura, maggiore la perdita. -11-

Il vetro è apparentemente totalmente trasparente, solo perché la luce deve passare attraverso pochi millimetri.

2 INTRODUZIONE: DISPERSIONE TEMPORALE I fattori di attenuazione citati sono indipendenti dalla larghezza di banda. In altre parole, le stesse perdite intervengono sia che il segnale sia modulato a 10 Hz che a 100 MHz. Le fibre ottiche presentano una limitazione di banda intrinseca che è misurata in MHz/km. Un raggio di luce che entra nella fibra con un piccolo angolo (M1) percorre un cammino più corto nella fibra di un raggio che vi entra con angolo maggiore, per esempio vicino all angolo di accettazione massimo (M2). Come risultato, raggi di luce differenti (o modi ) raggiungono l altra estremità della fibra in tempi diversi, anche se la sorgente, LED o LD, è la stessa. Questo produce un allargamento della durata di un impulso e un incertezza riguardo al momento in cui l impulso parte e termina all uscita della fibra ottica. Ciò limita la massima frequenza di modulazione che può essere trasmessa. In breve, minore il numero di modi (o cammini differenti), maggiore la banda della fibra. -12-

Un raggio di luce che entra nella fibra con un piccolo angolo (M1) percorre un cammino più corto nella fibra di un raggio che vi entra con angolo maggiore, per esempio vicino all angolo di

3 INTRODUZIONE: MODI E LARGHEZZA DI BANDA Per ridurre il numero di modi, si diminuisce quanto più possibile la sezione del core. Con un core di 8-10 micron si ottiene una fibra detta single-mode (monomodale) che presenta la maggiore larghezza di banda, facendo propagare solo pochi modi. Fibre con nuclei di diametro maggiore, da 50 a 62.5 micron, consentono la propagazione di molti modi e sono dette fibre "multimode" (multimodali). Tipiche larghezze di banda vanno da pochi MHz/km per fibre con nuclei dal diametro molto elevato, a centinaia di MHz/km per fibre standard multimodali, fino a migliaia di MHz/km per fibre monomodali. La banda decresce proporzionalmente alla lunghezza della fibra. Per esempio, una fibra con banda di 500 MHz su una distanza di 1 km avrà banda di 250 MHz su 2 km e 100 MHz su 5 km. -13-

Fibre con nuclei di diametro maggiore, da 50 a 62.5 micron, consentono la propagazione di molti modi e sono dette fibre "multimode" (multimodali).

4 INTRODUZIONE: STRUTTURA DEI CAVI PER FIBRA OTTICA I cavi a fibra ottica sono prodotti in diverse dimensioni e forme. La struttura è funzione dell applicazione specifica. Tipicamente, la fibra ottica è rivestita da strati di protezione, allo scopo di proteggerla durante i vari passi della produzione fino al prodotto finale. Infine è inclusa in un tubo di PVC lasco che consente alla fibra di essere piegata per essere posta in opera dentro condotti e seguendo angoli del percorso. Intorno al primo tubo di PVC, è posto uno strato di fibra di Kevlar, che assorbe gli sforzi di trazione. Un rivestimento esterno di PVC sigilla il cavo e impedisce all umidità di penetrare. Una costruzione di questo genere è particolarmente adatta al collegamento tra fabbricati diversi, dove non è richiesta una particolare robustezza. Cavi più robusti includono per esempio rivestimenti corazzati anti-roditore. Sono inoltre disponibili cavi multifibra. -14-

Infine è inclusa in un tubo di PVC lasco che consente alla fibra di essere piegata per essere posta in opera dentro condotti e seguendo angoli del percorso.

5 INTRODUZIONE: TIPOLOGIA DEI CAVI -15-

6 INTRODUZIONE: ALTRI TIPI DI FIBRA Due tipi di fibra, con nucleo molto largo in vetro o completamente in materiale plastico, non vengono normalmente usate per trasmissione dati. Le fibre in vetro con nucleo esteso vengono usate per applicazioni con laser di potenza e/o endoscopia, tipicamente nel campo della chirurgia laser. Le fibre in plastica sono impiegate in collegamenti molto brevi, per esempio tra strumenti di laboratorio differenti, per la relativa economicità. Altri usi della luce guidata : Illuminatori per microscopi e fotografia Illuminatori per applicazioni odontoiatriche Chirurgia endoscopica (visori e illuminatori) Strumentazione nell automobile (aghi degli indicatori a lancette, indicazioni sul cruscotto) -16-

Le fibre in plastica sono impiegate in collegamenti molto brevi, per esempio tra strumenti di laboratorio differenti, per la relativa economicità.

7 INTRODUZIONE:CONNETTORI E GIUNTI OTTICI I Connettori ottici connettono le fibre ottiche ad apparecchiature o ad altre fibre ottiche. Questi connettori sono simili per funzione e apparenza esteriore alle loro controparti elettriche, ma in realtà sono dispositivi di alta precisione meccanica. Il connettore centra la fibra in asse con la sorgente di luce o un altra fibra con tolleranze dell ordine del micron (per un diametro di 50 micron). La presenza di un interfaccia vetro/aria produce perdite di segnale notevoli intorno ad 1 db (20%). -17-

8 INTRODUZIONE:CONNETTORI E GIUNTI OTTICI I Giunti ottici permettono di ridurre notevolmente queste perdite: I due giunti più comuni sono quello meccanico e quello a fusione con perdite da 0.15 db (3%) a 0.1 db (2%). In un giunto meccanico, le due estremità di due fibre sono pulite e private del rivestimento. Vengono appoggiate l una all altra e allineate accuratamente utilizzando un dispositivo meccanico. Un gel è interposto tra le due facce per ridurre la riflessione di interfaccia e contenere al minimo le perdite. Le fibre vengono mantenute unite per compressione e frizione da un meccanismo di blocco che mantiene l allineamento. -18-

Vengono appoggiate l una all altra e allineate accuratamente utilizzando un dispositivo meccanico.

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