Le fibre ottiche

• Circuiti di pilotaggio della sorgente ottica

variano a seconda delle applicazioni e del tipo di componenti utilizzati. Molto spesso questi

circuiti devono consentire la modulazione diretta, di tipo on-off (presenza-assenza di luce),

dell'energia luminosa emessa dalla sorgente da parte di un segnale codificato in binario.

Viene utilizzato anche per il diodo laser ove la corrente,di pilotaggio deve superare un valore

di soglia perché si possa avere l'effetto laser, poiché deve essere polarizzato a un certo livello

di corrente per poter operare.

• Trasduttori ottici

Come trasduttori ottici si impiegano LED o diodi laser (LD).

• Circuiti di stabilizzazione della potenza emessa

Sono necessari per fornire in uscita una potenza costante col passare del tempo e limitare gli

effetti dell'invecchiamento.

• Interfaccia ottica

Attraverso tale intertaccia il segnale viene iniettato nella f.o.

Apparato di ricezione:

Schema a blocchi di un apparato in ricezione di fibra ottica

Facciamo ora una breve descrizione dei Blocchi:

• Fotorivelatore

Converte il segnale ottico in segnale elettrico; può essere un fotodiodo PIN o

APD.

• Amplificatore

Controlla il guadagno

• Circuito di decisione

Per fornire in uscita un segnale elettrico o digitale desiderato

Analizziamo ora i blocchi principali del sistema ottico:

- Trasduttore in trasmissione (LED, LD)

- Fibra ottica (Canale)

- Trasduttore in ricezione (fotorivelatori) 8

Trasduttori ottici in

trasmissione

Il segnale che si propaga in una fibra ottica è di tipo luminoso. Il segnale in questione è

originariamente di tipo elettrico costituito da un impulso di tensione, pertanto è necessario

convertire l’impulso elettrico in impulso luminoso.

A tale scopo vengono utilizzati opporti LED o LD aventi caratteristiche ottiche e geometriche

idonee. Analizziamo ora i due tipi di trasduttori ottici:

LED

Il principio di funzionamento del diodo LED, costituito da una semplice giunzione PN, si basa sul

fenomeno dell’emissione spontanea. Infatti gli elettroni di valenza, applicando alla giunzione una

polarizzazione diretta , acquistano l’energia per passare nella banda di conduzione e dare così il via

al processo di emissione spontanea della luce, ove l’atomo eccitato, dopo più o meno lungo, ritorna

spontaneamente nel suo stato iniziale emettendo energia luminosa.

Immagine in sezione di un led collegato ad

una fibra.

LASER

Il funzionamento del diodo LASER si basa sul fenomeno dell’emissione stimolata. Affinché sia

possibile l’emissione stimolata occorre portare il semiconduttore in una condizione di non equilibrio

( eccitazione ), in modo tale che la banda di conduzione risulti più ricca di elettroni di quella di

valenza. Ciò viene realizzato con l’applicazione di una polarizzazione diretta alla giunzione PN.

In queste condizioni, poiché nella banda di valenza rimangono pochi elettroni, solo un numero

estremamente ridotto di fotoni incidenti possono essere assorbiti da questi ultimi, mentre la maggior

parte provoca l’emissione stimolata della luce.

Immagine in sezione di un LD 9

LED o LD

Il LED emette nella f.o. molta meno potenza di un LD ma è più lineare. Per le trasmissioni digitali

la linearità non ha molta importanza e quindi si può utilizzare un LD, mentre se si volesse effettuare

una modulazione analogica il LED risulta più adatto di un LD. Un'altra caratteristica dell’LD è uno

spettro di emissione molto più ristretta di un LED. Un LD consente perciò di ridurre i problemi di

dispersione cromatica e quindi permette di realizzare tratte più lunghe di collegamenti su f.o.

monomodale senza rigenerazione.

Schema di confronto tra LED e LD dove della figura a) viene raffigurata la potenza in uscita in funzione della

corrente di pilotaggio; e nella figura b) vengono posti a confronto gli spettri di emissione.

In questa tabella sono messi ha confronto alcuni parametri caratteristici dei LED e LD 10

La Fibra

Costituzione

Le fibre ottiche sono costituite da materiali di vetro o di quarzo trasparenti alla radiazione della luce

visibile ed alle radiazioni infrarosse. La struttura delle fibre ottiche è composta fondamentalmente

da tre starti:

- Il nucleo o core

- Il mantello o cladding

- Il rivestimento primario protettivo o buffer

La luce si propaga nel core della fibra, con sezione circolare di un diametro compreso tra 50 ÷ 80

µm. Il compito del cladding è quello di evitare la dispersione della luce verso l’esterno. La sua

sezione è sempre circolare come quella del nucleo e misura 125 µm. Struttura

di una

fibra

ottica

) è leggermente superiore a quello del cladding (n ) di circa 1 ÷ 10

L’indice di rifrazione del core (n

1 2

per mille.

Il rivestimento primario è di materiale plastico ed ha il compito di proteggere la fibra da abrasioni o

scalfitture meccaniche. Il suo diametro è di 250 µm. A volte a causa di fattori atmosferici è

necessario l’impiego di ulteriori rivestimenti protettivi. Struttura in sezione

di una fibra ottica. 11

Funzionamento

Per comprendere il funzionamento della fibra ottica bisogna analizzare due fenomeni che

intervengono nella trasmissione:rifrazione e riflessione totale.

Ogni materiale ha una proprietà intrinseca detta indice di rifrazione.

Tale indice può essere definito come il rapporto tra la velocità di propagazione della luce nel vuoto

(o nell’aria c=3*108 m/s) e la velocità della luce nel mezzo considerato.

Immaginiamo un raggio di luce che colpisce una superficie di separazione fra un mezzo e l’altro. Il

raggio (detto raggio incidente) si dividerà in due: una prima parte sarà riflessa e rimarrà nel primo

materiale (raggio riflesso), una seconda (raggio rifratto) passerà nel secondo (con un angolo

diverso).

Gli angoli formati dai raggi incidente, riflesso, rifratto con la perpendicolare al punto di incidenza,

sono detti rispettivamente angolo di incidenza, angolo di riflessione e angolo di rifrazione.

Per la legge di riflessione si verifica che l’angolo di incidenza è pari all’angolo di riflessione.

Per la legge di rifrazione si può affermare che il rapporto tra il seno dell’angolo di incidenza ed il

seno dell’angolo di rifrazione è costante e pari al rapporto tra gli indici di rifrazione del primo e del

secondo mezzo.

Nelle Figure sovrastanti viene mostrata la propagazione di un raggio luminoso in una fibra ottica:

- Nella figura a) viene mostrata una riflessione totale (Assenza di rifrazione) in questo caso il raggio

di luminoso ha un ‘angolo di incidenza (γm) minore o uguale all’angolo limite per cui il raggio

viene pienamente riflesso senza parziale dispersione della sua potenza nel cladding.

- Nella figura b) viene mostrata una riflessione parziale ( Presenza di rifrazione) in questo altro caso

il raggio luminoso ha un angolo di incidenza (γm) è maggiore dell’angolo limite questo causa una

parziale riflessione del raggio ove una parte della sua energia va dispersa nel cladding a causa di

una rifrazione e il rimanente viene riflessa nel core. 12

Apertura numerica

Una caratteristica da tenere in considerazione per una fibra ottica è l’apertura numerica.

Una fibra non è in grado di ricevere tutta l’energia luminosa che incide all’estremità, ma parte di

essa si disperde senza entrare.

Si definisce dunque un cono di accettazione, entro il quale il segnale luminoso passa all’intero,ed

all’esterno del quale il segnale si disperde.

Nell’immagine qui sopra si può notare, evidenziato in verde, il cono di accettazione ed in rosso

l’angolo di accettazione.

Mentre il primo è una figura tridimensionale, il secondo è bidimensionale.

Se il raggio luminoso è esterno al cono (con angolo >θ) allora non subisce riflessione totale, ma si

disperde nel mantello o nell’aria.

Il termine sen(θ prende il nome di apertura numerica (NA).L’apertura numerica permette di stabilire

i limiti angolari entro i quali la propagazione della luce avviene in modo guidato. 13

Tipi di fibre

All’interno della fibra ottica, dunque, il segnale viene trasmesso per riflessione.

Possiamo, però, fare alcune suddivisioni fra diversi tipi di fibre.

Esistono fibre di tre tipi:

• multimodo step index;

• multimodo graded index;

• monomodo step index. 14

Multimodo:

Una fibra si dice multimodale, se i segnali luminosi al suo interno possono seguire diversi percorsi:

Le fibre Multimodo si possono distinguere in:

- STEP INDEX

Nelle fibre step-index l’indice di rifrazione è costante in tutto il core e decresce bruscamente nel

cladding. Nelle fibre step-index si manifesta un fenomeno chiamato la dispersione modale (che

verrà illustrato in seguito) per cui non trovano applicazione nelle telecomunicazioni. Infatti, anche i

raggi luminosi con stessa lunghezza d’onda ed immessi nella fibra con diverso angolo d’incidenza

(inferiore al cono di accettazione) si propagano con la stessa velocità all’interno della fibra ma

attraverso percorsi a zig-zag di diversa lunghezza. Quindi essi giungono a destinazione in tempi

diversi producendo un allargamento temporale dell’impulso luminoso trasmesso.

- GRADED INDEX 15

Nelle fibre graded-index, l’indice di rifrazione decresce gradualmente dal centro del core fino alla

regione di separazione tra core e cladding. Il vantaggio delle fibre graded-index è che i raggi che si

avvicinano al cladding, attraversano un mezzo che presenta un indice di rifrazione via via

decrescente e posseggono una velocità più alta rispetto ai raggi che compiono un percorso più breve

come,ad esempio,quelli orizzontali all’asse della fibra. In questo modo tutti i raggi dell’impulso di

.

luce giungono quasi contemporaneamente limitando, così, la dispersione modale

Le fibre multimodali vengono utilizzate per distanze molto brevi (<10 km) a causa dei significativi

vantaggi delle fibre monomodali. Monomodo:

Una fibra si dice monomodale, se il segnale luminoso può seguire un solo tragitto:

- MONOMODALI

Le fibre monomodali hanno un andamento della luce costante nel core, il cui diametro è molto

ridotto (circa 4-10 µm), e decresce bruscamente con un gradino (step) nel cladding dove ancora

rimane costante. Il diametro del cladding è in genere di 125 µm. Il termine “monomodale” deriva

dal fatto che il raggio all’interno si propaga in un unico modo perché è costretto,dal diametro molto

piccolo del core, a propagarsi quasi parallelamente all’asse della fibra. Le fibre monomodali sono

ampiamente utilizzate nelle telecomunicazioni per l’elevato tempo di vita, minima perdita di

potenza ottica, assenza di dispersione modale (essendo la trasmissione monomodale). 16

Caratteristiche delle fibre ottiche

Le perdite causate dalle fibre ottiche si possono classificare in quelle che deformano

il segnale d’ingresso che quindi determinano e in quelle che ne riducono

dispersione

la potenza che cioè ne determinano l’attenuazione.

Dispersione Attenuazione

Attenuazioni:

L’attenuazione di una fibra ottica si può definire come il rapporto tra la potenza ottica trasmessa e

quella ricevuta, dopo una lunghezza di fibra di riferimento.

Le perdite per attenuazione possono essere raggruppate in due categorie:

-perdite dovute alla realizzazione tecnologica;

-perdite dovute all’interconnessione tra fibre ottiche;

In entrambi i casi possiamo fare un’ulteriore classificazione sulla base delle cause di

attenuazione e distinguere quindi le cause di tipo intrinseco (non eliminabili) che

dipendono dalle caratteristiche delle fibre e di tipo estrinseco (non eliminabili, ma

migliorabili)che sono invece da ricondursi alla presenza di impurezze e possono

essere ridotte migliorando il processo produttivo. Questa classificazione è riportata nella

tabella in figura: 17

Analizziamo ora le varie tipologie sopra indicate:

(scattering)

Perdite per diffusione

E’ un effetto di sparpagliamento del raggio luminoso in tutte le direzioni a causa della

disomogeneità nella struttura della fibra. Tali difetti sono dovuti alla presenza di particelle

metalliche e bolle d’aria. Poiché i raggi diffusi presentano angoli diversi da quelli che garantiscono