LE FIBRE OTTICHE. Introduzione alle Fibre Ottiche. Cos è una Fibra Ottica

LE FIBRE OTTICHE Introduzione alle Fibre Ottiche

Cos’è una Fibra Ottica

Le fibre ottiche sono dei fili sottilissimi di materiale vetroso o plastico in grado di trasportare particolari radiazioni con lunghezze d'onda comprese nell'infrarosso.

Luce Monocromatica e Policromatica

La luce che passa attraverso la fibra ottica può essere di due tipi: Monocromatica e Policromatica. Monocromatica è composta idealmente da una sola lunghezza d'onda, quindi un solo colore, però c'è da dire che è impossibile che passi una sola frequenza, infatti passa un range di frequenze piccolissime e molto vicine. Policromatica invece passano più frequenze, quindi più colori.

Pro e Contro

Nelle fibre ottiche abbiamo diversi pro e contro, che variano sempre visto la sua continua evoluzione.

Pro:

 Può trasportare tantissime informazioni, infatti presenta una banda dell'ordine dei Ghz;

 Presenta un'attenuazione bassissima, fino a 0,2 dB/km;

 Meno ingombranti rispetto ad altri cavi;

 Sono esenti da rumore esterno dovuto ai campi magnetici generati da altri cavi;

 Maggior sicurezza visto che passando solo luce all'interno, non c'è pericolo di incendio, cortocircuito o di altri malfunzionamenti;

 Minore probabilità di corrosione poiché il vetro non si corrode;

Contro:

 Prezzi elevati;

 Alta attenuazione nella giunzione di due fibre ottiche (che fortunatamente rimase sempre bassa);

Trasmettitori e Ricevitori

Il trasmettitore è composto da un modulatore, da un foto-emettitore e dal connettore. Il

segnale d'ingresso elettrico viene modulato ed inviato all'interno della fibra attraverso il foto-emettitore che può essere o un diodo LED o un diodo Laser. Dopo aver attraversato tutta la fibra, arriva al ricevitore composto da un fotodiodo ed il segnale viene riconvertito e de-modulato.

Propagazione della Luce in Sostanze con Diversa Densità

In questa parte andremo a capire come si comprata un fascio di luce quando attraversa sostanze con diversa densità,, noi per capire il concetto useremo l'aria ed il vetro.

Riflessione e Trasmissione

Quando un raggio di luce viene proiettato su una lastra di vetro trasparente, esso viene in parte riflesso ed in parte attraversa il vetro cambiando però la sua direzione. Possiamo osservare che, se il raggio luminoso passa da un mezzo meno denso (aria) ad uno più denso (vetro), l'angolo di trasmissione θt è più piccolo dell'angolo di incidenza θi [Img 2]. Al contrario invece, se il raggio passa da un mezzo più denso a uno meno denso, l'angolo di trasmissione θt è più grande dell'angolo di incidenza θi [Img 3].

Da meno denso a più denso:

Da più denso a meno denso:

L eggi dell’Ottica Geometrica

Legge della Riflessione

θr= θi

Secondo la legge della Riflessione, qualunque raggio riflesso ha lo stesso angolo del raggio incidente.

Legge della Trasmissione (o Legge di Snell):

nt senθt=ni sen θi

Da questa possiamo determinare l'angolo di trasmissione grazie ad un passaggio matematico inverso.

Indice di Rifrazione

n=c/Vp

L'indice di rifrazione è il rapporto tra la velocità della luce e la velocità di propagazione della luce nel mezzo considerato. Quindi possiamo dedurre che l'indice di rifrazione è tanto maggiore, tanto maggiore è la densità del mezzo. Di solito indichiamo gli indici di rifrazione con la lettera “n” seguita da un numero o da una lettera.

Riflessione Totale

Quando abbiamo gli indici di rifrazione nincidente > ntrasmissione, il raggio oltre ad essere riflesso, viene trasmesso, con un angolo maggiore rispetto a quello incidente perchè la densità del materiale diminuisce, se aumentiamo l'angolo del raggio incidente θi, ad un certo punto arriveremo ad un angolo per la quale il raggio viene trasmesso in maniera quasi orizzontale sfiorando la superficie di separazione. Superato quell'angolo che viene chiamato θlim, non ci sarà più trasmissione. Quindi quando θi>θlim, avremo riflessione totale [Img 4].

Propagazione di un Raggio Luminoso in una Fibra Ottica

Quando abbiamo θi<θlim, avremo una riflessione pari a θi ed una trasmissione maggiore di θi, però con questo metodo, una parte della luce viene persa a causa della trasmissione ed il segnale in poche riflessioni comincia a disperdersi nel mantello così da non arrivare a destinazione [Img 5]. Invece se avremo θi>θlim, avremo sempre la riflessione pari a θi, però non avremo trasmissione, quindi il segnale nella fibra non viene perso, ma verrà riflesso sempre [Img 6].

Struttura di una Fibra Ottica

La fibra ottica è composta da un filo di materiale vetroso o plastico di forma cilindrica con indice di rifrazione n1 chiamato core [1], è circondato da un mantello concentrico chiamato anche cladding [2] formato sempre da un materiale plastico/vetroso con indice di rifrazione n2 leggermente inferiore a n1. Questi due strati sono ricoperti da un rivestimento protettivo in plastica chiamato jacket [3] che ha il compito di evitare abrasioni e di

aumentare la resistenza della Fibra ottica ed infine il tutto è rivestito da un'ulteriore guaina protettiva [4].

Il core ha un diametro che varia dai 4µm ai 50µm, a seconda del tipo di fibra, il mantello invece ha un diametro di 125µm, infine il jacket di 250µm.

Parametri di una Fibra Ottica

Quando si deve creare un collegamento con le fibre ottiche, dobbiamo tener conto di alcuni parametri importanti per far si che possa avvenire la trasmissione dei fasci luminosi all'interno della fibra ottica. I principali sono: Apertura Numerica, Dispersione, Banda Passante e Attenuazione.

Apertura Numerica

Quando il raggio luminoso deve passare dalla sorgente alla fibra, deve passare da una zona intermedia che può essere composta da aria o gel. Supponiamo innanzitutto che la fibra sia tagliata perfettamente in maniera perpendicolare, il raggio viene riflesso con un angolo θi, quindi perdiamo già una piccola parte del segnale a causa della riflessione. Visto che stiamo passando da una densità minore a una maggiore avremo un angolo di trasmissione θt minore a quello θi. Una volta entrato il raggio sbatterà nella superficie di separazione tra il core ed il cladding così da avere un nuovo angolo incidente θ'i e per potersi riflettere senza avere la trasmissione, quindi perdita di segnale, dobbiamo avere l'angolo θ'i maggiore di quello limite: θ'i>θlim. Per far si che questo avvenga dobbiamo avere il raggio di luce che entra nella fibra angolo θi minore di θmax (che corrisponde al nostro θlim).

Quindi possiamo affermare che:

Se θi cresce, θt cresce pure → θ'i diminuisce → se θ'i < θlim → No propagazione

L'apertura numerica ci da l'angolo massimo “θmax” che il segnale incidente può assumere purché esso riesca ad entrare nella fibra ottica e riesca a propagarsi ed è dato dalla seguente formula:

NA=n0*senθm

Dispersione

Quando si invia all'interno di una fibra ottica un segnale impulsivo di una certa ampiezza e durata è probabile che questo impulso all'uscita della fibra risulta degradato, cioè allargato, appiattito e sovrapposto.

Dispersione Modale

Come abbiamo già visto, la luce si propaga all'interno della fibra tramite riflessioni successive, generando vari modi di propagazione. Quando un impulso luminoso entra nella fibra, si scompone in vari raggi ognuno dei quali segue un percorso diverso all'interno della fibra arrivando a destinazione in tempi diversi. Questo fascio di luce risulterà leggermente deformato e scomposto in vari impulsi, cioè degradato.

Dispersione Cromatica

E' dovuta ad altre due dispersioni: Dispersione di guida d'onda e dispersione del materiale.

La dispersione di guida d'onda è determinata dal fatto che parte del raggio luminoso si propaga anche nel mantello e visto che la velocità della luce nel mantello è minore di quella del nucleo, si ha un effetto di dispersione dell'impulso.

Nella dispersione del materiale dobbiamo ricordarci che la velocità di propagazione nel mezzo e l'indice di rifrazione di quest'ultimo, dipendono dalla lunghezza d'onda e che una sorgente monocromatica presenta sempre più frequenze, quindi i raggi che si propagano nella stessa direzione avranno velocità diverse.

Banda Passante

La banda passante è legata alle dispersioni modali e cromatiche. Se la distanza degli impulsi è piccola, a destinazione gli impulsi saranno accavallati e quindi non si riuscirà a distinguerli.

Quindi la banda passante è quel range di frequenze dove il segnale riesce a passare senza subire una dispersione ed è dato dalla seguente formula:

Attenuazione

L'attenuazione è la perdita di potenza che subisce un segnale nel percorrere una fibra ottica.

Attenuazione per Diffusione

Questa attenuazione è data dalle micro-disomogeneità presenti all'interno della fibra che fanno disperdere il segnale nel mantello determinando una perdita di potenza.

Attenuazione per Assorbimento