Fibra ottica
left Attenzione, questo articolo è presente tra gli articoli da completare del Progetto Fisica. Se ritieni di aver significativamente contribuito e pertanto questo avviso dovrebbe essere rimosso, segnalalo nella pagina articoli da completare, grazie.
Per la sintassi del template, vedere la discussione| Fisica | |
|
MilliBar | |
|
Progetto Fisica | |
| Glossario Fisico | |
|
Calendario degli eventi | |
|
Immagini | |
|
Portale Fisica | |
Le fibre ottiche sono classificate come guide d'onda dielettriche (ovvero isolanti). Esse, in altre parole, permettono di convogliare al loro interno un campo elettromagnetico di frequenza sufficientemente alta (in genere in prossimità dell'infrarosso) con perdite estremamente limitate. Vengono comunemente impiegate nelle telecomunicazioni su grandi distanze e nella fornitura di accessi di rete a larga banda (dai 10 MBit/s al Tbit/s usando le più raffinate tecnologie WDM).
Il costo varia dai 4000 euro/km di fibra nei piccoli centri (con cavi di spessore molto più contenuto) ai 10000 euro/km di fibra nelle città, cui sono da aggiungere i costi dello scavo per l'interramento e le licenze comunali per aprire i cantieri (dove richieste anche se per opere di pubblica utilità). Varie municipalizzate e l'operatore tlc Fastweb stanno costruendo reti proprietarie in fibra ottica con ampiezza di banda che supera gli 8 megabit/sec, indispensabili per la tv via internet e la videoconferenza.
| Indice |
Costruzione
thumb|right|250px|Fibre ottiche
Le fibre ottiche sono composte da due strati concentrici di materiale vetroso estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso. I due strati sono realizzati con materiali con indice di rifrazione leggermente diverso. Gran parte della potenza è mantenuta all'interno del core.
Diversi tipi di fibre si distinguono per diametro del core, indici di rifrazione, caratteristiche del materiale, profilo di transizione dell'indice di rifrazione, drogaggio (aggiunta di piccole quantità di altri materiali per modificare le caratteristiche ottiche).
Funzionamento
La fisica delle fibre ottiche richiede concetti di fisica quantistica. Usando un paragone di ottica classica, la discontinuità nell'indice di riflessione genera un fenomeno di riflessione totale, per cui tutta la potenza che la colpisce con un angolo di incidenza sufficientemente alto viene riflessa.
All'interno di una fibra ottica il segnale può propagarsi secondo uno o più modi di propagazione. Le fibre monomodali consentono la propagazione di luce secondo un solo modo hanno un diametro del core compreso tra 8µm e 10µm, quelle multimodali consentono la propagazione di più modi, e hanno un diametro del core di 50µm o 62.5µm. Il cladding ha tipicamente un diametro di 125µm.
Le fibre multimodali permettono l'uso di dispositivi più economici, ma subiscono il fenomeno della dispersione intermodale, per cui i diversi modi si propagano a velocità leggermente diverse, e questo limita la distanza massima a cui il segnale può essere ricevuto correttamente.
Uso delle fibre ottiche nelle telecomunicazioni
Se negli anni 70 le fibre ottiche erano usate come oggetto decorativo per la produzione di lampade, oggi sono un componente essenziale nell'industria delle telecomunicazioni, ancora in corso di evoluzione tecnologica.
I principali vantaggi delle fibre rispetto ai cavi in rame nelle telecomunicazioni sono:
- bassa attenuazione, che rende possibile la trasmissione su lunga distanza senza ripetitori
- grande capacità di trasporto di informazioni
- immunità da interferenze elettromagnetiche, inclusi gli impulsi elettromagnetici nucleari (ma possono essere danneggiate da radiazioni alfa e beta)
- alta resistenza elettrica, quindi è possibile usare fibre vicino ad equipaggiamenti ad alto potenziale, o tra siti a potenziale diverso
- peso e ingombro modesto
- bassa potenza contenuta nei segnali
- assenza di diafonia
Finestre di trasmissione
Nelle comunicazioni ottiche, lo spettro trasmissivo è descritto in termini di lunghezza d'onda invece che di frequenza. Combinando i diversi fenomeni di attenuazione, rifrazione, dispersione, vi sono tre "finestre" particolarmente adatte all'uso nelle telecomunicazioni, con prestazioni e costi crescenti.
- "prima finestra": 850nm (nel campo del visibile), usata soprattutto con economici laser a diodo con luce multimodale. Permette di realizzare collegamenti di 275m su fibre 62.5/125 e di 550m su fibre 50/125.
- "seconda finestra": 1310nm, usata con laser multimodali o monomodali. Permette di realizzare collegamenti di 5-10km su fibre monomodali.
- "terza finestra": 1550nm, usata con laser monomodali. Questa finestra permette di realizzare le distanze maggiori, compresi collegamenti di 100km con apparati relativamente economici.
Una buona fibra monomodale ha una attenuazione dell'ordine degli 0.2-0.25dB/km.
Giunzioni e connettorizzazioni
Due tratti di fibra ottica dello stesso tipo possono essere giuntati mediante fusione, ottenendo un'ottimo accoppiamento del core. Questa operazione è effettuata in modo semiautomatico mediante apparecchiature che allineano automaticamente i core e controllano la fusione. Una giunzione ben eseguita comporta una attenuazione di circa 0.1dB.
Nell'uso pratico, un collegamento bidirezionale (ad esempio IEEE 802.3) viene realizzato utilizzando una coppia di fibre, una per ciascuna direzione. Le fibre ottiche sono collegate agli apparati di telecomunicazione mediante connettori che allineano meccanicamente il core della fibra con il laser e con il ricevitore. Un connettore comporta una attenuazione di circa 0.5dB, ed è molto sensibile alla polvere, percui connettori e cavi inutilizzati vengono normalmente coperti per evitare infiltrazioni. Esistono diversi tipi di connettori, ad esempio SC, LC.
I cavi in fibra vengono normalmente installati all'interno di impianti di cablaggio strutturato, attestandoli su pannelli di permutazione. Un collegamento comporta quindi l'uso di almeno due cavi di permuta (da ciascun apparato connesso al pannello di permutazione), e quindi di 4 connettori.
Bilancio di potenza (power budget)
Per i collegamenti di lunga distanza, i trasduttori sono specificati in termini di potenza del trasmettitore e sensibilità del ricevitore. La differenza tra le due costituisce il power budget, ovvero la massima potenza che può essere dissipata dal collegamento.
Per valutare se una certa tecnologia trasmissiva funzionerà su un certo collegamento, è necessario misurare o stimare la perdita complessiva del collegamento, o link loss. Questo deve essere inferiore al power budget. Normalmente si lascia un margine di 3-6dB, per garantirsi contro peggioramenti del collegamento (dovuti a invecchiamento o a interventi di manutenzione) o degli apparati trasmissivi (dovuti tra l'altro a sporcizia). Questa valutazione deve essere effettuata alla lunghezza d'onda utilizzata dagli apparati prescelti.
Se il collegamento è già realizzato, è possibile misurare la sua attenuazione. L'esame tipicamente utilizzato è chiamato OTDR, (Optical Time Domain Reflectometry, in italiano riflettometria ottica nel dominio del tempo).
Se il collegamento deve essere ancora realizzato, la sua attenuazione è stimabile usando i valori di targa delle fibre e valori prudenziali per giunzioni e connettori.
Ad esempio, il link loss di un collegamento di 20km, con fibra da 0.24dB/km, 6 giunzioni lungo il collegamento, connettori solo alle estremità è stimabile in:
20km * 0.24dB/km + 6 * 0.1 dB + 4 * 0.5dB = 4.8dB + 0.6dB + 2dB = 7.6 dB
aggiungendo 4dB di margine di sicurezza, gli apparati dovranno avere un power budget minimo di 11.6 dB.
Prestazioni
Gli apparati commercialmente disponibili arrivano a velocità di trasmissione di 40Gbit/s. Utilizzando tecnologie WDM è possibile trasmettere su una singola coppia di fibre fino ad alcune centinaia di canali separati in frequenza, arrivando a capacità massime dell'ordine del Tbit/s.