Introduzione Le fibre ottiche sono utilizzate nei moderni sistemi di comunicazione Il campo delle comunicazioni con fibre ottiche è esploso negli ultimi due decenni Le fibre ottiche sono sottili come capelli e sono costituite principalmente da vetro di silice Applicazioni Trasporto di immagini Produzione Trasporto di luce Trasporto o amplificazione di radiazione Settori di applicazione Settori di applicazione Medicina Endoscopie Artroscopie Interventi chirurgici Industria Taglio Saldatura Foratura Fotonica Amplificatori ottici a fibra attiva Ricerca Astronomia Telecomunicazioni Sistemi di comunicazioni a fibre ottiche • La propagazione entro una fibra ottica avviene in formato numerico. • Infatti, sebbene sia possibile generare e trasmettere un segnale luminoso che vari in maniera analogica, la trasmissione su fibra ne determinerebbe una distorsione tale da renderlo inutilizzabile. • In conclusione l’unico tipo di segnale che viene scambiato in un sistema ottico è quello digitale binario. Sistemi di comunicazioni a fibre ottiche I moderni sistemi di comunicazione sono costituiti in genere da: Trasmettitore (Laser o Led) Dispositivo optoelettronico ovvero un dispositivo per la codifica dei segnali elettrici in segnali luminosi Fibre ottiche Mezzo per la trasmissione dei segnali ottici Fotorilevatore Dispositivo per la riconversione dei segnali luminosi in segnali elettrici Sistemi di comunicazioni a fibre ottiche • Lo schema seguente rappresenta genericamente un collegamento tra una sorgente ed un ricevente collegati da un canale di trasmissione ottico. TRASMETTITORE (Laser o LED) LED • Un LED è un diodo optoelettronico che in fase di conduzione emette radiazione nel vicino IR. • Un LED è sostanzialmente simile ad un diodo normale,solo che il suo livello di soglia di conduzione è relativamente piu’ basso • Frequenze di utilizzo: 10÷100 Mhz. • La potenza luminosa immessa in fibra: 10÷100 µW • Il LED deve essere collegato ad un’ estremità della fibra TRASMETTITORE (Laser o LED) Laser • Un Laser è una sorgente di radiazione coerente,ovvero le emissioni fotoniche sono in fase,parallele,direzionali e monocromatiche (o quasi) • Il funzionamento di un laser si basa sul principio dell’emissione stimolata di radiazione • Frequenze di utilizzo: circa 5 Ghz • La potenza luminosa immessa in fibra: 5 e 20 mW TRASMETTITORE (Laser o LED) Nei moderni sistemi di comunicazione,è utilizzato come trasmettitore un Laser a semiconduttore.E’ un normale diodo a semiconduttore ,nel quale diviene attiva una piccola zona.Il laser a semiconduttore piu’utilizzato è del tipo InGaAs (Arseniato di indio e gallio) o InGaAsP (Arseniato fosfide di indio e gallio) Il Laser deve essere collegato ad un’ estremità della fibra Fotorilevatore • Dispositivi per la riconversione dei segnali luminosi in segnali elettrici • I rivelatori ottici sono essenzialmente dei fotodiodi con giunzioni PIN (Positive Intrinsic Negative) • Il diodo viene polarizzato inversamente e la luce colpisce lo strato intrinseco • La luce incidente libera coppie elettrone-lacuna generando una fotocorrente proporzionale all'energia luminosa • I fotorivelatori devono essere collegati all’altra estremità della fibra. Che cosa è la fibra ottica? E’ un filo di vetro che serve per guidare la luce Luce Lunghezza d’onda Ampiezza La LUCE è un insieme di onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio, ciascuna caratterizzata dalla propria ampiezza e lunghezza d’onda. Onda elettromagnetica La propagazione simultanea nello spazio libero di un campo elettrico e un campo magnetico, oscillanti in piani perpendicolari fra loro, è un fenomeno denominato onda elettromagnetica. La propagazione ottica Tale onda elettromagnetica interagisce col mondo circostante in modi diversi a seconda del suo spettro, cioè della gamma di frequenze di cui è composta; In particolare, le frequenze tra 400 e 800 THz sono rilevate dall’occhio umano e costituiscono la luce visibile. La propagazione ottica Mentre altri tipi di radiazione possono propagarsi nello spazio libero senza subire eccessive distorsioni, la radiazione ottica viene assorbita dagli ostacoli e dall’atmosfera, quindi non può essere utilizzata per la propagazione libera. Tuttavia la luce può essere imprigionata in sottili cavi di vetro, denominati fibre ottiche. Funzionamento di una fibra Principi fisici: Rifrazione Riflesso Aria n1=1 Rifratto Vetro n2=1.4 I raggi di luce entrando in un mezzo più denso rallentano e si avvicinano alla perpendicolare al piano di contatto Indice di rifrazione n = Velocità della luce nel vuoto Velocità della luce nel mezzo 17 Funzionamento di una fibra Principi fisici: Riflessione totale Aria Vetro angolo critico Funzionamento di una fibra Legge di Snell n1 n2 : Indici di rifrazione dei due mezzi 1 : Angolo di incidenza 2 : Angolo rifratto Se 2=/2 : RIFLESSIONE TOTALE L=arcsin(n2/n1) angolo limite 1=L=arcsin(n2/n1) Funzionamento di una fibra Esempio del fenomeno di riflessione e rifrazione per diversi raggi di incidenza provenienti da una sorgente S La trasmissione della luce attraverso una fibra è quindi basata sul fenomeno della riflessione totale interna che si presenta quando la luce incide obliquamente sull’interfaccia tra due mezzi di diverso indice di diffrazione, con un angolo più grande dell’angolo critico. Funzionamento di una fibra Aria vetro vetro Cladding (meno denso del core) Core Propagazione per riflessione totale Propagazione nella fibra Le Leggi della riflessione e della rifrazione ci permettono di stabilire due condizioni da rispettare al fine di ottenere la propagazione della luce per riflessione totale all’interno del nucleo: 1) il nucleo deve avere un indice di rifrazione (n1) maggiore di quello mantello (n2); del 2) l’angolo di incidenza del raggio luminoso all’interno del nucleo deve essere maggiore di un certo angolo limite L (che dipende dagli indici di rifrazione n1 e n2) superato il quale si ha l’assenza del raggio rifratto e si ha solo quello riflesso, che contiene tutta l’energia del fascio incidente. Struttura di una fibra I costituenti di una fibra ottica sono i seguenti: • Il CORE e il CLADDING sono i costituenti fondamentali di una fibra ed hanno indice di rifrazione differente: n1 (core) > n2 (cladding) n1=1,5 n2=1,475 tipicamente • Il BUFFER ha la funzione di proteggere la fibra da agenti esterni ed irrobustirla meccanicamente Core e cladding sono costituite da SiO2 (Silice) Buffer e Jacket da materiale plastico • Il JACKET evita fenomeni di microbending (microcurvature) e porta ad un aumento del coefficiente di attenuazione Struttura di una fibra • Sono sottilissimi (≈ 200 μm) fili di materiale vetroso (silice, SiO2), in cui si propaga una radiazione luminosa. • Il sottilissimo filo cilindrico centrale in vetro, detto nucleo (core), è immerso in uno strato esterno anch’esso di vetro, detto mantello (cladding), che presenta un indice di rifrazione diverso rispetto a quello del nucleo. Struttura di una fibra Condizione di incidenza della radiazione sulla discontinuità core-cladding con 1> L ө = Angolo di accettazione 1< ө =((n22 – n12))/n0)1/2 Ф =Raggio iniettato dalla sorgente ottica Se Ф>ө Il raggio inciderà sull’interfaccia core- cladding con un angolo 1< L Assenza di riflessione sin ө=NA NA=Apertura Numerica NA = (n22 n12)1/2 NA=0,1÷0,3 Valori tipici dell’apertura numerica Prestazioni delle fibre ottiche 1.Peso ed ingombro ridotti, a parità di banda passante, rispetto ad altri mezzi trasmissivi. • due fibre ottiche, ad esempio, hanno una banda maggiore di quella che si otterrebbe con 1000 doppini, e hanno un peso di ca. 100 kg/km contro gli 8000 kg/km dei doppini). Prestazioni delle fibre ottiche 2. Totale immunità dai disturbi e.m., come interferenze e. m., EMI, e interferenze radio, RFI, notevolmente presenti in ambito industriale e che si accoppiano al segnale negli altri mezzi trasmissivi. 3. Consentono l’isolamento elettrico tra Trasmettitore e Ricevitore. 4. Sono più sicure di altri mezzi (rendono più difficile l’intrusione nelle comunicazioni poiché ci si accorge facilmente se un estraneo sta inserendo una sonda nel cavo). Prestazioni delle fibre ottiche 5. Resistenza maggiore ai fattori ambientali. Possono attraversare ambienti speciali in cui sono presenti esplosivi o liquidi (infatti non trasportando energia elettrica non sono soggette a cortocircuiti o archi elettrici). 6. Durata maggiore degli altri mezzi (il vetro è materiale inerte e non subisce corrosione). 7. Basso rapporto prezzo/velocità di trasmissione e prezzo /lunghezza. Prestazioni delle fibre ottiche 5. Resistenza maggiore ai fattori ambientali. Possono attraversare ambienti speciali in cui sono presenti esplosivi o liquidi (infatti non trasportando energia elettrica non sono soggette a cortocircuiti o archi elettrici). 6. Durata maggiore degli altri mezzi (il vetro è materiale inerte e non subisce corrosione). 7. Basso rapporto prezzo/velocità di trasmissione e prezzo /lunghezza. Prestazioni delle fibre ottiche 8. Consentono distanze di trasmissione notevolmente maggiori e una eccellente qualità del segnale, perché l’attenuazione del segnale è molto bassa: fino a 0,2 dB/km. • Con una tale attenuazione una fibra è in grado di guidare la luce per distanze di 100 km, senza la necessità di rigenerare il segnale. • Attenuazione Le tipologie di attenuazione di una fibra possono essere suddivise in due grandi categorie: 1) Attenuazione intrinseca, dovuta a perdite intrinseche, dipendenti dalle caratteristiche del processo tecnologico di realizzazione della fibra; 2) Attenuazione estrinseca, dovuta a perdite estrinseche, originate dalle microcurvature e irregolarità nella interconnessione dei vari tronchi di fibra che collegamento. formano l’intero Le finestre di attenuazione • L’attenuazione presentata da una fibra dipende dalla lunghezza d’onda della radiazione che si propaga. • E’ stato rilevato che vi sono tre zone (finestre) centrate a 850 nm, 1300 nm e 1550 nm, in cui l’attenuazione di una fibra è minima. Le finestre di attenuazione • La prima finestra ha attenuazione più alta ma ha il vantaggio di consentire l’utilizzo dello stesso materiale per il LASER e i dispositivi elettronici. • La terza finestra presenta una attenuazione più bassa (perdita < 5% per km). Punti critici delle fibre ottiche 1) Consentono la comunicazione in una sola direzione (nei due sensi sarebbero necessarie 2 fibre). 2) Ne è costosa la realizzazione costruttiva e la connessione tra fibre. 3) Gli accessori e gli strumenti di prova sono costosi. Apertura numerica Tre parametri importanti Dispersione modale Dispersione cromatica 1. Apertura numerica (NA): è il seno dell’angolo di accettazione A e permette di stabilire i limiti angolari rispetto all’asse del nucleo (cono di accettazione), entro i quali la propagazione della luce avviene in modo guidato, cioè per riflessione totale. Valgono le seguenti relazioni: NA sin A n12 2 n1 2 n2 2 n2 1 n 1 n 1 1 sin2 L Apertura numerica Tre parametri importanti Dispersione modale Dispersione cromatica 2. Dispersione modale Se il diametro del nucleo di una fibra è abbastanza ampio (>10μm), un impulso luminoso che entra nella fibra origina diversi raggi, con diversi percorsi, detti modi di propagazione, M). Se M ≫ 1 si ha: M 2d2 22 2 NA Dispersione modale Ciascun modo comporta una diversa lunghezza di percorso, quindi un tempo di percorrenza diverso tra ingresso e uscita. Questo produce una deformazione (= dispersione modale) del segnale ricostruito al rivelatore finale, a causa della interferenza intersimbolica (sovrapposizione di impulsi luminosi). Dispersione modale Per limitare la dispersione modale occorre: ridurre al massimo la differenza tra gli indici di rifrazione n1 ed n2 del nucleo e del mantello, oppure rendere graduale (graded) anziché brusca (step) tale differenza, realizzando così fibre graded index anziché fibre step index, al fine di compensare con una maggiore velocità le maggiori distanze percorse e rendere così simili i tempi di percorrenza dei raggi. Fibra graded index e step index Fibra monomodale • Il problema della dispersione modale si può risolvere radicalmente solo realizzando fibre in cui sia permesso un unico modo di propagazione (fibre monomodali o single mode), caratterizzato da un raggio che si propaga in un solo modo , ossia in linea retta. Fibra monomodale • Per far ciò occorre rimpicciolire il diametro del nucleo fino a 810 μm. • Ciò aumenta notevolmente sia la velocità trasmissiva sia la distanza a cui si possono inviare i dati. • La dimensione del nucleo, tuttavia, rende problematico l’accoppiamento della sorgente luminosa, che in tal caso deve essere un LASER all’infrarosso, concentrato. Fibra monomodali e multimodali Confronto tra fibra monomodale e multimodale: Apertura numerica Tre parametri importanti Dispersione modale Dispersione cromatica 3. Dispersione cromatica. E’ causata dal diverso comportamento della fibra al variare della lunghezza d’onda (ossia del colore) della radiazione che vi si propaga. Ciò è dovuto al fatto che la sorgente luminosa ha una certa larghezza spettrale, in quanto la radiazione immessa nella fibra non ha mai una lunghezza d’onda stabilita con precisione, bensì ha un Δλ (da qualche nm a qualche decina di nm). Apertura numerica Tre parametri importanti Dispersione modale Dispersione cromatica Anche questo tipo di dispersione ha come risultato la restituzione all’estremità più lontana di un impulso allargato e più basso rispetto all’impulso di origine, dovuto a interferenza intersimbolica. La dispersione cromatica si riduce impiegando sorgenti con stretta larghezza spettrale (LASER) in cui Δλ ≈ 1-3 nm. Larghezza di banda e frequenza di cifra • La larghezza di banda B della fibra è legata alla massima frequenza di cifra Fc utilizzabile per la trasmissione. • Infatti si dimostra che: Fc 1 B [Hz] 2 t 2 dove: – Δt = indice di dispersione = larghezza dell’impulso elettrico “allargato” ricevuto, – Fc = frequenza di cifra utilizzabile nella fibra. Larghezza di banda e frequenza di cifra • Dato che la forma dell’impulso ricevuto è di tipo gaussiano, si ottiene 0, 44 B t • Per impedire l’interferenza intersimbolica è tipico distanziare ciascun bit di un intervallo 4Δt, per cui la frequenza di cifra realistica risulta: 1 0,25 FC 4 t t Larghezza di banda e frequenza di cifra • La banda, essendo correlata alla dispersione, è di conseguenza correlata alla distanza d coperta dalla fibra. • In particolare: all’aumentare di d aumenta la dispersione, quindi aumenta Δt e diminuisce la banda B. • Si è così introdotto il parametro prestazionale Banda·Distanza, definito come la banda per unità di lunghezza, Bu [MHz·km]. Banda modale • Banda Modale: BM BuM L 1 440 [MHz] L t[ns / km] dove: BuM= Banda modale unitaria [MHz·km] L = Lunghezza della fibra [km]. γ = fattore di concatenazione dei modi (≅ 0,5÷1; valore tipico = 0,85). Per fibre molto corte si pone γ =1 (assenza di concatenazione dei modi). Δt = indice di dispersione [ns/km] Banda cromatica • Banda Cromatica: BuC 1 440 BC [MHz] L L t[ns / km] dove: BuC = Banda Cromatica unitaria [MHz·km] L = Lunghezza della fibra [km] Δt = indice di dispersione [ns/km] Banda Totale • Cumulando gli effetti delle due dispersioni si ottiene la banda complessiva del sistema ottico, che vale: B 1 1 2 BM 1 BC Osservazioni: 1. 2. Per fibre multimodali: BC≃ 0 , B ≃ BM. Per fibre monomodali: BM ≃ 0 , B ≃ BC. 2
