LE FIBRE OTTICHE. Indice generale

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1 Indice generale LE FIBRE OTTICHE... Sistema di trasmissione con fibre ottiche... Apparato Trasmissivo... Apparato Ricevitore... Trasduttori Ottici in Trasmissione (LED o LD)... Trasduttori Ottici in Ricezione (foto rilevatori).... La Fibra... Riflessione e Rifrazione... Multimodo step index... Multimodo graded index... Monomodo... Attenuazioni e Dispersioni... Descrizione delle perdite:... Diffusione:... Assorbimento... Curvature... Differenza tra indici... Differente apertura numerica... Differenza tra diametro del core... Errori di disallineamento... Errori di separazione o accostamento... Dispersione modale... Dispersione cromatica... Tipologie di Trasmissione... LE FIBRE OTTICHE Una fibra ottica è un filamento sottile in vetro, quarzo o plastica. Tramite le fibre si trasmettono segnali di luce. I segnali elettrici per essere trasmessi tramite fibre ottiche sono prima trasformati in impulsi luminosi per poi essere riconvertiti in impulsi elettrici dal ricevitore. L adozione delle fibre ottiche per trasmissioni di lunga distanza è giustificata dalla loro immunità verso le interferenze elettromagnetiche e dalla ridotta attenuazione da esse presentata (0.2 db/km per segnali di lunghezza d onda 1550 nm). Esistono anche dei sensori in fibra per monitorare variabili ambientali come temperatura e pressione. L utilizzo della fibra ottica ha tardato a diffondersi perché i processi di costruzione di fibre ad elevata purezza richiedono l impiego di processi tecnologici avanzati. Vantaggi delle fibre: - Bassa attenuazione - Capacità di trasmettere ad alta velocità (Larghezza di banda elevata). - Rapporto Costo/Larghezza di banda inferiore. - Immunità da interferenze elettromagnetiche. - Assenza di modulazione incrociata - Peso e dimensioni inferiori rispetto ai cavi standard. - Maggiore sicurezza per le intercettazioni - Possibilità di trasmettere un numero elevato di canali su un'unica fibra. - Isolamento elettrico fra trasmittente e ricevitore. Pagina 1-9

2 - Resistenza alla corrosione - Riduzione degli errori di trasmissione Svantaggi delle fibre: - Difficoltà di cablaggio - Difficoltà di manutenzione - Sensibilità alle radiazioni nucleari - Difficoltà costruttive - Connessione tra fibre ottiche difficoltosa. I principali settori d applicazione delle fibre ottiche sono: - Medicina (endoscopia, artoscopia ecc..) - Industria - Fotonica (Amplificazione radiazioni) - Astronomia - Telecomunicazioni Sistema di trasmissione con fibre ottiche Di seguito è riportato un tipico sistema di trasmissione e ricezione di segnali ottici. Trasmettitore Laser/ Led Fibra Ottica Foto diodo Ricevitore Si nota che il trasmettitore e il ricevitore sono dispositivi elettrici pertanto dovremo provvedere alla trasformazione prima in trasmissione del segnale elettrico in raggio luminoso e poi in ricezione alla conversione del raggio luminoso in segnale elettrico. Il trasduttore utilizzato in trasmissione può essere un diodo LED o ad emissione di luce oppure dei diodi LD detti anche laser. I dispositivi menzionati sono dei diodi che polarizzati direttamente sono percorsi da corrente ed emettono segnali luminosi. La luce emessa da un diodo ha differente lunghezza d onda in funzione del materiale da cui è costituito il dispositivo. I trasduttori utilizzati in ricezione sono dei fotorilevatori ossia dispositivi che generano un segnale elettrico nell istante in cui sono investiti da un fascio luminoso. I fotorilevatori utilizzati sono diodi APD o diodi PIN. Apparato Trasmissivo Di seguito si riporta lo schema di principio di un apparato di trasmissione: Condizionamento del segnale Circuito di pilotaggio Sorgente Ottica Fibra Stabilizzatore Pagina 2-9

3 Il segnale elettrico giunge al circuito condizionatore che lo adatta per il pilotaggio della sorgente ottica. Il blocco di pilotaggio è rappresentato dal circuito di polarizzazione del diodo utilizzato. La sorgente ottica è rappresentata dal trasduttore elettro- ottico utilizzato. Il circuito di stabilizzazione, che come si vede dalla figura è collocato in retroazione, ha il compito di rendere costante la potenza d uscita dalla sorgente ottica. Apparato Ricevitore. Di seguito si riporta lo schema di principio di un apparato di ricezione: Fibra Fotorilevatore Amplificatore Circuito di decisione Segnale Elettrico Il fotorilevatore converte il raggio luminoso in segnale elettrico. L amplificatore ha il compito di elevare il livello del segnale elettrico generato dal rilevatore. Il circuito di decisione è un comparatore che ha il compito, tramite delle soglie prefissate, di discriminare il livello logico del segnale elettrico proveniente dall amplificatore. Trasduttori Ottici in Trasmissione (LED o LD) I diodi LED e LD sono costituiti da una giunzione PN. Nel momento in cui si applica alla giunzione PN una polarizzazione diretta, gli elettroni di valenza sono eccitati e passano nella banda di conduzione (divenendo elettroni idonei alla conduzione). Nei diodi l'emissione è dovuta alle ricombinazioni fra lacune ed elettroni di conduzione. In funzione del materiale di cui è costituito il diodo cambia il tipo di radiazione emessa. Esistono diodi che emettono luce di differente colore o addirittura raggi laser. Un diodo LED genera meno potenza rispetto ad un LD pertanto è preferibile l'utilizzo dei diodi LD. Un diodo LD ha uno spettro d emissione ridotto rispetto ad un diodo LED pertanto se si utilizzano i diodi LD nella trasmissione con fibre ottiche si riduce anche la dispersione cromatica. Trasduttori Ottici in Ricezione (foto rilevatori). Le foto rilevatrici sono delle giunzioni PN tra cui e interposto una regione di semiconduttore non drogato. I foto rilevatori più utilizzati sono i PIN e gli APD. I PIN si polarizzano inversamente. Quando I fotoni di luce provenienti dalla fibra colpiscono la regione non drogata del PIN alcuni elettroni passano dalla banda di valenza a quella di conduzione permettendo così il passaggio di corrente. Il funzionamento degli ADP è analogo a quella dei PIN con la differenza che gli ADP sono polarizzati in prossimità della tensione di rottura. Per l'elevata tensione di polarizzazione gli ADP possono sfruttare l'effetto vanga che permetterà un notevole aumento della corrente generata da un ADP rispetto ad un PIN. La Fibra Una fibra ottica è costituita da tre strati: nucleo core Pagina 3-9

4 mantello rivestimento La luce si propaga nel core della fibra con riflessioni successive. Il compito del mantello è di non far disperdere la luce, mentre quello del rivestimento è di proteggere la fibra meccanicamente. rivestimento mantello nucleo Riflessione e Rifrazione Un raggio di luce che colpisce una superficie di separazione tra un mezzo ed un altro, si divide in due parti: Una prima che è riflessa e si propaga nel primo materiale Una seconda che è rifratta e si propaga nel secondo materiale. Gli angoli formati dai raggi incidenti, riflessi e rifratti con la perpendicolare al punto d'incidenza sono detti angolo d incidenza α, riflessione β e rifrazione η. Per la legge della riflessione, l angolo d incidenza e di riflessione sono uguali, mentre per la legge di rifrazione il rapporto tra il seno dell angolo d'incidenza e quello di rifrazione e costante e pari al rapporto tra gli indici di rifrazioni del primo e del secondo mezzo: Pagina 4-9

5 α β Legge della riflessione α = β η n2 Legge di Rifrazione o di Snall n1 senη = n2 senα α n1 n 1 La propagazione di un raggio luminoso in una fibra ottica è soggetta a continue rifrazioni e riflessioni dovute al differente indice di rifrazione presentato dal nucleo e dal mantello. Per permettere che il raggio luminoso si propaghi nella fibra ( raggio guidato) con poche attenuazioni, si deve ridurre la quantità di luce rifratta e per far ciò occorre che l angolo d incidenza del raggio con la superficie di separazione core mantello sia minore o uguale ad un valore limite. L angolo d incidenza che permette la completa riflessione del raggio e detto angolo limite. Conseguentemente a quanto esposto si comprende che solo i raggi con una determinata traiettoria possono propagarsi nella fibra. Si definisce cono d accettazione o apertura numerica l angolo θ d incidenza massimo per la quale un raggio si possa considerarsi guidato. θ Pagina 5-9

6 In funzione di quanto descritto evince che i percorsi che può realizzare un onda guidata in una fibra sono più di uno. La propagazione di un raggio in una fibra su traiettorie differenti genera la dispersione modale. I segnali luminosi con stessa frequenza che percorrono la fibra con diverso angolo d incidenza, seguono differenti percorsi quindi giungono a destinazione in tempi diversi producendo una distorsione del segnale. Per ridurre il fenomeno della dispersione multilmodale si utilizzano tre tipologie di fibre: - multimodo step index - multimodo graded index - monomodo step index Multimodo step index Questa è una fibra costituita da un core e un mantello omogenei. In queste fibre il core presenta un indice di rifrazione costante e il mantello un altro. In questa tipologia di fibre è possibile generare le onde guidate, ma è inevitabile il fenomeno della dispersione modale. Multimodo graded index. Le fibre graded index presentano un nucleo con indice di rifrazione variabile. L indice di rifrazione del nucleo decresce allontanandosi dal centro. L indice di rifrazione indica la diversa velocità di propagazione di un raggio in un materiale.in queste fibre la dispersione multimodale è attenuata perché i raggi luminosi che si propagano con traiettorie più vicine al mantello (percorsi più lunghi) hanno una velocità maggiore. Monomodo Le fibre monomodo sono strutturalmente realizzate come le fibre multimodo step index, ma presentano un nucleo di diametro molto piccolo così da vincolare il raggio a propagarsi secondo un'unica traiettoria. Pagina 6-9

7 Attenuazioni e Dispersioni Le cause di perdita d informazione nelle fibre ottiche si dividono in attenuazioni, ossia riduzione della potenza del segnale, e dispersione, ossia deformazione Le attenuazioni e dispersioni sono a loro volta classificabili in intrinseche (ossia dovute alle caratteristiche della fibra quindi non eliminabili) ed estrinseche ( dovute a cause migliorabili). Perdita Diffusione Assorbimento Irradiazione Curvature Differenza tra indici di rifrazione (interconnessione). Differenza di NA (interconnessione) Differenza tra diametro del core (interconnessione) Errori di disassasmento (interconnessione) Errori di separazione Disallineamento angolare Tipo Descrizione delle perdite: Diffusione: La diffusione è provocata dalla presenza d impurità nella fibra. Tali impurità causano una diffrazione in tutte le direzioni del segnale luminoso. Assorbimento L assorbimento presentato dalle fibre ottiche è dovuto alla presenza d impurità ioniche nel materiale della fibra. Per limiti tecnologici non si riescono ad eliminare le impurità ioniche da una fibra pertanto non si possono eliminare le attenuazioni, ma è possibile ridurle trasmettendo su determinati intervalli di frequenza (finestre). Curvature Eventuali curvature delle fibre possono causare una dispersione del segnale perché nei punti di curvatura è modificato l angolo d incidenza del raggio. Pagina 7-9

8 Differenza tra indici. Questa tipologia d attenuazione accade, quando sono interconnesse due fibre che presentano anche una piccola differenza dell indice di rifrazione del core. Differente apertura numerica. Questa tipologia d attenuazione accade, quando sono interconnesse due fibre che presentano una differente apertura numerica. In questo caso alcuni segnali potrebbero non propagarsi nella seconda fibra. Differenza tra diametro del core Le perdite in questo caso avvengono, quando il diametro della fibra di destinazione è più piccolo di quello della fibra d origine. Errori di disallineamento. Queste perdite avvengono, quando le due fibre interconnesse non presentano assi coincidenti. Errori di separazione o accostamento. Queste perdite accadono per un non perfetto accoppiamento delle fibre. Dispersione modale La dispersione modale è dovuta alla possibilità dei raggi che si propagano nella fibra di seguire percorsi differenti. I diversi percorsi si manifestano come differenti ritardi di ricezione dei segnali e quindi deformazione degli stessi. Per ridurre la dispersione modale si utilizzano le fibre multimodo graded index o quelle monomodo. Dispersione cromatica. Questo fenomeno è causato dalla differente velocità di propagazione presentata dai segnali con diverse lunghezze d onda (colore differente). Per risolvere il problema occorre trasmettere un segnale con una banda ristretta. Tipologie di Trasmissione Su fibra ottica è possibile trasmettere sia segnali analogici sia digitali convertiti in segnali luminosi. Tra le trasmissioni digitali a sua volta esistono diverse tecniche di trasmissione PCM, FDM, TDM, WDM che differiscono per la differente codifica del segnale. Un segnale analogico è un segnale che varia continuamente nel tempo e può assumere qualunque valore compreso tra un minimo ed un massimo. Un segnale digitale è un segnale che varia in istanti discreti di tempo e può assumere solo due valori differenti interpretati come livello alto 1 e livello basso 0. Pagina 8-9

9 La PCM è una tecnica di trasmissione che permette la codifica in forma digitale di un segnale analogico. La codifica PCM richiede prima la discretizzazione nel tempo del segnale e poi la quantizzazione. La discretizzazione si attua considerando il valore assunto dal segnale analogico in istanti di tempo discreto. La discretizzazione nel tempo è detta campionamento. La quantizzazione è l operazione che permette di rappresentare i valori del segnale analogico recuperati dal processo di campionamento con dei numeri che saranno in seguito trasmessi sotto forma binaria. Affinché l operazione di campionamento abbia senso compiuto occorre che la frequenza di campionamento (frequenza con cui si prelevano i valori del segnale analogico iniziale) sia almeno il doppio della frequenza massima dello spettro del segnale campionato. Mediante l operazione di quantizzazione si compiono degli errori d approssimazione dovuti al fatto che i numeri di i bit a nostra disposizione per la quantizzazione sono limitati. La modulazione PCM se non è ben realizzata può tramite il campionamento e la quantizzazione introducono errori che possono rappresentare una perdita d informazione. La trasmissione FDM consiste in associare ad uno stato logico 0 o 1 una differente frequenza. Con questo tipo di modulazione possiamo utilizzare una stessa fibra per trasmettere più segnali. Si associa ad ogni segnale per i due stati logici due frequenze. Ogni segnale che si vuole trasmettere contemporaneamente avrà due frequenze associate distinte da quelle associate agli altri. Ovviamente il numero massimo di segnali che può essere trasmesso contemporaneamente con modulazione, FSK è determinato dalla banda passante della fibra. La modulazione TDM consiste nella trasmissione contemporanea di più segnali digitali sfruttando la proprietà che un segnale digitale è discreto nel tempo. Un segnale digitale varia in istanti di tempo ben determinati quindi tra due successive variazioni si possono trasmettere altre informazioni. La trasmissione WDM consiste nel multiplare e trasmettere su un'unica fibra ottica più segnali luminosi aventi lunghezza d onda diversa. Pagina 9-9