ANDREA CAPOCCIA 5°TIEN anno 2001/2002. TESINA DI ELETTRONICA ANDREA CAPOCCIA 5°TIEN anno 2001/2002.

Fibre ottiche. Generalità. Vantaggi. Schema a blocchi. La luce. PAG. 1 Fibre ottiche. Generalità. Vantaggi. Schema a blocchi. La luce. Teorema della propagazione. Dispersione modale e cromatica. Larghezza di banda. Attenuazione. Sorgenti luminose. PAG. 2 PAG. 3 PAG. 4 PAG. 5 PAG. 6 PAG. 9 PAG. 11 PAG. 12 PAG.13

PAG. 2 GENERALITA’ E’ un sistema di trasmissione in cui il segnale viene trasmesso sotto forma di luce. La struttura in fibra ottica ipotizzata agli inizi dell’anni ”50 con l’invenzione del LASER come efficiente sorgente luminosa,viene realizzata negli anni “70. Le f.o. sono sottili fili di vetro e tramite riflessione interne la luce sotto forma di impulsi può propagarsi con piccola attenuazione su lunghi percorsi anche curvilinei. Il campo di lunghezza d’onda è stato prelevato tra 0,82-0,9μm Successivamente sono stati sviluppati sistemi tra 1,3-1,55μm La f.o. è costituita da una parte interna in materiale vetroso chiamato CORE (NUCLEO) e da una parte più esterna detto MANTELLO esternamente è avvolto da un materiale realizzato con indice di rifrazione minore di quello del nucleo; più isolante.

PAG. 3 VANTAGGI Costo ridotto,grazie all’impiego di materia prima. Maggiore larghezza di banda. Bassissimi valori di attenuazione che consentono di realizzare collegamenti a grande distanza. L’immunità da interferenze elettromagnetiche e la sicurezza da fulminazione. L’insensibilità alle variazioni di temperatura. L’ingombro e il peso ridotto e la conseguenza facilità di istallazione dei cavi.

Schema a blocchi PAG. 4 INGRESSO TESTO CODIFICATORE SORGENTE LUMINOSA ACCOPIAMENTO SORG./FIBRA FIBRA OTTICA - - - - - - FIBRA OTTI. USCITA INFORMAZ. ACCOPPIAT. FIBRA/RIVEL. FOTORIVELAT. (ADP o PIN) AMPLIFICATORE DECODIFICATORE - - - -

PAG.5 LA LUCE. 8 luce La si propaga nel vuoto con una velocità di 3 · 10m/s, in un mezzo di materiale dielettrico subisce diminuzione ed è u= c/n, dove n>1 rappresenta L’INDICE DI RIFRAZIONE del mezzo. La relazione che lega c con la lunghezza d’onda e la frequenza è c=λ · f. La luce è costituita da onde elettromagnetiche che il nostro occhio è in grado di osservare con diverso colore, quando la loro lunghezza d’onda è compresa all’incirca fra 0,38µm (violetto) e 0,78µm (rosso). In campo tecnico, tuttavia, il termine «luce» è adottato per una gamma più estesa di lunghezza d’onda, comprendente le radiazioni ultraviolette, lo spettro visibile e le radiazioni infrarosse (fig.1)

Teorema Della PROPAGAZIONE Per far si che la propagazione della luce all’interno di una fibra ottica sia di tipo guidato, bisogna che si verifichi il fenomeno della RIFRAZIONE TOTALE, si verifica quando la luce che si propaga in un mezzo incontra la superficie di separazione da un altro mezzo avente indice di rifrazione minore. Quando un raggio di luce incide sulla superficie di separazione di due mezzi con un angolo φi, una parte del raggio viene riflessa con un angolo φr uguale a quello di incidenza, mentre la rimanente parte viene rifratta, cioè trasmessa nel secondo mezzo con un angolo φt dipendente dal rapporto tra gli indici di rifrazione. LEGGE DI SNELL: sen φt=n1/n2 · sen φi. Se il secondo mezzo è meno rifrangente del primo, esiste un valore dell’angolo di incidenza φl detto ANGOLO LIMITE, per il quale si ha: Sen φl= n2/n1. Quando l’angolo del raggio incidente (φi) è uguale all’angolo limite (φl) e costui è di 90° si ha la RIFRAZIONE TOTALE. (FIG. 2)

In cui no è l’ indice di rifrazione dell’ ambiente esterno alla faccia PAG. 7 Ci sono vari tipi di propagazione della luce all’interno di una fibra ottica, quella di TIPO GUIDATO e di TIPO IRRADIATO. Si dice di tipo guidato quando un raggio di luce nel core che incontra la superficie di separazione corecladding con un angolo di incidenza maggiore o uguale di quello limite, viene totalmente riflesso nel nucleo e può quindi propagarsi senza attenuarsi per effetto della rifrazione; un tale raggio si dice perciò di tipo guidato. Se invece l’angolo d’incidenza è minore di quello limite, una parte del raggio incidente viene rifratta, entrando nel cladding e quindi andando o persa ai fini della trasmissione. Ad ogni successiva incidenza il raggio risulterà attenuato, fino a perdersi completamente; in tal caso il raggio si dice di tipo irradiato. Il numero dei modi di propagazione ammessi dipende dalla lunghezza d’onda della radiazioni trasmessa, dal diametro del core e della cosiddetta APERTURA NUMERICA della fibra. Quest’ ultima grandezza caratterizza la fibra nei riguardi dell’accoppiamento con la sorgente luminosa, essendo definita dalla relazione: NA= no · sen φM In cui no è l’ indice di rifrazione dell’ ambiente esterno alla faccia

PAG. 8 d’entrata della fibra e φM è L’ANGOLO DI ACCETTAZIONE della fibra, cioè il massimo angolo entro il quale i raggi incidenti all’ingresso devono essere compresi affinché possano essere di tipo guidato (figura 3). Applicando la legge di Snell alla faccia d’ ingresso della fibra, si ha: NA=√n1 - n2 FIG. 2 FIG. 3

Dispersione modale e cromatica. PAG. 9 Dispersione modale e cromatica. Si possono verificare due tipi di dispersione, di tipo MODALE o CROMATICA. La dispersione cromatica è causata dalla variazione dell’ indice di rifrazione in funzione della frequenza. Tale fenomeno porta infatti ad una diversa velocità di propagazione delle componenti spettrali che costituiscono il segnale ottico e quindi, nell’ ambito di uno stesso modo, a conseguenze analoghe, anche se di entità molto inferiori, a quelle rispetto alla dispersione modale. Il relativo allargamento temporale unitario, Δtco, dipendente, oltre che dalla fibra, dalla LARGHEZZA SPETTRALE Δλ della sorgente del segnale ottico, secondo la relazione: Δtco= μ · Δλ La dispersione modale si divide in MULTIMODALE e MONOMODALI.

FIBRA MULTIMONOMODALE: Con più modi guidati di propagazione. La scelta dei valori degli indici di rifrazione n1, n2 relativi rispettivamente al core e al clading di una fibra ottica, è fatta per l’esigenza di ottenere un sufficiente valore dell’ apertura numerica e la necessità di evitare che la fibra induca distorsioni eccessive sui segnali trasmessi. In una FIBRA MULTIMODALE l’ energia immessa ad un certo istante sulla faccia d’entrata non impiega tutta lo stesso tempo a raggiungere la faccia d’ uscita. Infatti la frazione di energia che si propaga lungo l’ asse della fibra di lunghezza L, impiega il tempo minimo: tmin=L/u= L · n1/c Mentre quella che si propaga per successive riflessioni totali secondo il raggio più inclinato impiega il tempo massimo: tmax= n1/c·sen φL . FIBRA MULTIMONOMODALE: Con più modi guidati di propagazione. FIBRA MONOMODALE: Con un solo modo guidato di propagazione.

Larghezza di banda. PAG. 11 L’argomento temporale Δt degli impulsi causata dai fenomeni di dispersione comporta un limite nella massima velocità di trasmissione e tanto maggiore è l’ allargamento tanto viene a limitarsi la larghezza di banda B=0,44 Δt. Gli effetti delle dispersioni incide sulla banda complessiva e abbiamo: B=1/√1/Bm+1/BC Per le fibre monomodali la limitazione di banda è dovuta alla dispersione modale. Nelle fibre a singolo modo la banda complessiva dipende dalla dispersione cromatica. 2 2 2

Attenuazione. PAG.12 L’ attenuazione è quel fenomeno che riduce l’ ampiezza di un segnale che si propaga in qualsiasi mezzo. Nelle fibre ottiche si hanno se pur minimi e non sempre contemporaneamente presenti valori di attenuazioni e sono: ASSORBIMENTO: Energia elettromagnetica assorbita dalle impurità presenti nel materiale di costruzione. DIFFUSIONE (SCATERING): La radiazione si diffonde in tutte le direzioni per effetto delle discontinuità microscopiche (variazioni di diametro, forma di un nucleo, micro curvature, disassamento ecc….) Ci sono vari tipi di attenuazioni: ATTENUAZIONE DI GIUNSIONE. ATTENUAZIONE DISOLINIAMENTO. ATTENUAZIONE PER ACCOPPIAMENTO (tra fibra e sorgente e fibra e rivelatore.

Sorgenti ottiche. SORGENTI A LAD (diodo emettitore di luce). PEG. 13 SORGENTI A LAD (diodo emettitore di luce). SORGENTI A LASER (effetto ad ammissione stimolante). FOTO RIVELATORI. I PIN e APD.