 Sono costituite da sottilissimi fili di materiale vetroso o plastico, con diametro compreso tra qualche decina ad un centinaio di micron (milionesimi di metro)  Presentano un’attenuazione del segnale di 0,2 ÷ 1 dB/km  Utilizzano la luce (onde elettromagnetiche a piccolissima lunghezza d’onda) come segnale portante per l’informazione FIBRE OTTICHE

Vantaggi  peso ed ingombro ridotti, con installazione veloce  insensibilità a situazioni ambientali difficili (umidità, ecc.)  immunità ai disturbi elettromagnetici esterni  isolamento elettrico fra trasmettitore e ricevitore  assenza di diafonia  attenuazione molto bassa e costante con la frequenza  banda di frequenza molto larga (0,4  10 GHz · km)  possibilità di alto numero di canali su unica fibra  basso costo per Mbit trasmesso

Svantaggi  tecnologia in continua evoluzione  realizzazione costruttiva costosa  difficoltà di connessione  accessori costosi  problemi di standardizzazione  strumenti di prova molto costosi

Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro Un raggio luminoso (raggio incidente) che colpisce la superficie di separazione di due mezzi si divide in due parti: - un raggio riflesso, che continua a propagarsi nel primo mezzo; - un raggio rifratto, che si propaga nel secondo mezzo. Richiami di ottica

Tra gli angoli che i raggi formano esistono le seguenti relazioni: legge di riflessione  =  legge di rifrazione (di Snell) dove n 1 e n 2 sono gli indici di rifrazione dei due mezzi

Nella propagazione di un raggio da un mezzo più denso ad uno meno denso esiste un valore di  per il quale l’angolo di rifrazione vale 90° Questo angolo è detto angolo di incidenza limite  lim Quando  >  lim si ha la riflessione totale del raggio incidente Angolo di incidenza limite

Sono formate da tre strati principali: - Il nucleo (core) - (10  120 nm) - Il mantello (cladding) - Il rivestimento primario protettivo (buffer) Struttura delle fibre ottiche

La propagazione della luce avviene nel core sfruttando il fenomeno della riflessione totale. L’indice di rifrazione del core è maggiore di quello del cladding per evitare la rifrazione in quest’ultimo. Propagazione della luce nelle fibre ottiche Condizioni fondamentali per il funzionamento sono, dunque: Indice di rifrazione core > Indice di rifrazione cladding n core > n cladding Angolo di incidenza > Angolo limite  >  lim

Il raggio deve entrare nella fibra con un angolo  e tale che risulti  >  lim In corrispondenza di  lim il raggio rifratto nella fibra forma un angolo di 90° L’angolo  e è quindi il massimo angolo di ingresso possibile e viene detto angolo di accettazione Angolo di accettazione

I raggi devono entrare nella fibra all’interno del cono di accettazione, formato dai due angoli ee Si definisce apertura numerica la quantità: N.A. = sen  e = L’apertura numerica permette di stabilire i limiti angolari entro i quali la propagazione della luce avviene in modo guidato, cioè è totalmente riflessa nella fibra Apertura numerica

Determinare l’apertura numerica e l’angolo di accettazione di una fibra ottica sapendo che i valori degli indici di rifrazione sono: n 1 = 1,48 n 2 = 1,46 Esempio

Soluzione Applicando la legge di Snell all’angolo limite si ha : per cui: Quindi: cioè: Nel nostro caso: Per definizione all’angolo limite corrisponde un angolo di rifrazione di 90°

Applichiamo la legge di Snell al punto A di ingresso del raggio nella fibra, tenendo presente che il mezzo esterno alla fibra è l’aria (n aria = 1): dove: Si ottiene quindi: angolo di accettazione cono di accettazione apertura numerica

Modi di propagazione La propagazione avviene secondo un certo numero di modi, associati ai percorsi dei raggi luminosi. Ogni modo rappresenta una determinata configurazione dei campi elettrico e magnetico, che possono essere trasversali o longitudinali rispetto la direzione di propagazione, come in una guida d’onda. Il n° di modi che si possono propagare è dato da: d = diametro core [  m] N.A. = apertura numerica = lunghezza d’onda [  m] Per Nm = 1 la fibra è detta monomodale. Tuttavia poiché è quasi impossibile ottenere fibre monomodali pure, si indicano spesso con questo nome le fibre nelle quali Nm < 10. Le altre sono dette multimodali.

Confronto Monomodali - Multimodali MonomodaliMultimodali diametro core più piccolodiametro core maggiore difficili da terminare e saldarefacili da terminare e saldare Lavorano in 2^ e 3^ finestra otticalavorano in 1^ e 2^ finestra ottica come sorgente luminosa impiegano Laser (più costoso) come sorgente luminosa impiegano LED (più economico) banda elevatissima (10 ÷100 GHz/km)banda limitata (fino a 500 MHz/km) attenuazione bassissimaattenuazione bassa coprono distanze elevatedistanza massima: pochi km molto costose in genere più economiche per collegamenti corti e molte terminazioni

Dispersione modale Modi di propagazione diversi percorrono distanze diverse, ma la velocità V è la stessa: i diversi raggi arrivano in tempi diversi. Questo porta ad una distorsione del segnale in arrivo detta dispersione modale. Ideale sarebbe avere un solo modo. Ciò non è possibile perché comporterebbe un angolo di accettazione = 0°. Si accetta una soluzione intermedia con pochi modi, ottenuta con diametro del core di poche decine di micron e con n 2 molto vicino a n 1. Esempio: se n 1 = 1.48, n 2 = 1.46, d = 10 mm e = 1.3 mm allora

Dispersione cromatica E’ causata dalla variazione della velocità di propagazione con la lunghezza d’onda. Infatti la velocità di propagazione in un mezzo diverso dal vuoto è data da: con: c = velocità della luce nel vuoto n = indice di rifrazione del mezzo n varia con la lunghezza d’onda, e nel vetro ottico va da circa 1.61 per il violetto a 1.57 per il rosso. La riprova è data dall’esperimento con il prisma di vetro che, colpito da una luce bianca, la scompone nei vari colori dell’iride (diversi n = diversi angoli di rifrazione!). Conseguenza: la luce rossa si propaga a velocità maggiore del violetto e sullo stesso percorso si hanno tempi di propagazione variabili con la lunghezze d’onda. L’effetto su un impulso luminoso è simile a quello della dispersione modale, cioè si traduce in un allargamento dell’impulso ed un ritardo. Il fenomeno viene detto dispersione cromatica.

A causa dell’allargamento temporale degli impulsi, la dispersione modale e cromatica riducono la banda passante della fibra. La banda totale è data da: B m è la banda ridotta per dispersione modale, data da: B c è la banda ridotta per dispersione cromatica, data da: Banda passante

Nelle relazioni di sopra  t mo è l’allargamento dell’impulso per unità di lunghezza (km) per dispersione modale,  t co quello per dispersione cromatica: I parametri che intervengono nelle formule di sopra sono: L = lunghezza della tratta [km]  = fattore di concatenamento dei modi (0.5 <=  <= 1)  = coeff. dispersione cromatica [ ps/(nm · Km) ]  = larghezza spettrale a metà altezza [nm] L’effetto più evidente di questo fenomeno è la sovrapposizione degli impulsi troppo vicini (interferenza intersimbolica), con conseguente perdita di informazione: Allargamento temporale degli impulsi

Le cause di attenuazione possono essere intrinseche, cioè dovute alla fibra, o estrinseche, localizzate sui connettori e causate da disallineamento o da fattori strutturali del giunto. Si definiscono finestre di trasmissione gli intervalli di lunghezza d’onda λ entro i quali si hanno i minimi di attenuazione del segnale. Oltre alle tre finestre principali (850, 1300, 1550 nm) si definiscono oggi la banda L o 4^ finestra (≈1600 nm) e la banda C o 5^ finestra. Le finestre di trasmissione si deducono dal grafico del coefficiente di attenuazione  [dB/km], in funzione della lunghezza d’onda. L’andamento del coefficiente è rappresentato nella figura seguente: Attenuazione e finestre di trasmissione

Perdite intrinseche (1) 1.Perdite di tipo tecnologico: causano attenuazione per assorbimento o diffusione. La presenza di ioni ossidrili OH - dovuti alla presenza di vapore acqueo durante la fabbricazione, provoca assorbimento della radiazione luminosa. Dipende anche dal tipo di fibra (mono o multimodale). Questo porta a picchi di assorbimento centrati su alcune lunghezze d’onda. La presenza di impurità disperse nel core, porta invece a diffusione della luce in tutte le direzioni, ed i raggi luminosi si disperdono nel mantello, con attenuazione del segnale trasmesso. Un’altra causa di attenuazione è la diffusione (scattering) di Rayleigh, che si verifica nei liquidi ad alta viscosità come il vetro, dovuta alla variazione di densità nel tempo. Anche questa porta a diffusione dei raggi luminosi ed attenuazione.

2. Perdite per curvature e microcurvature: la luce incidente sulla superficie di separazione core-cladding può superare l’angolo limite ed essere dispersa nel cladding. Se le curvature sono numerose, le perdite possono diventare pesanti. Un fenomeno simile è legato alle microcurvature (microbending), che sono deformazioni del core-cladding spesso causate dalla ricopertura con la guaina di protezione (buffer coating): Perdite intrinseche (2)

3. Perdite per interconnessione: l’attenuazione introdotta da connettori e giunzioni è paragonabile a quella molto bassa delle fibre ottiche. Un connettore installato correttamente introduce un’attenuazione di 0.3 ÷ 0.7 dB. Valori simili valgono per una giunzione saldata o incollata (0.1 ÷ 0.3 dB). Le perdite sono causate da: differenza di diametro dei nuclei (fibra ricevente con diametro del core inferiore di quella sorgente): differenza di apertura numerica (fibra ricevente con N.A. inferiore a quella sorgente): differenza di indice di rifrazione del core (n x ed n y indici di rifrazione dei due mezzi): Perdite intrinseche (3)

Perdite estrinseche Nelle connessioni tra fibre si possono inoltre avere perdite per: disallineamento laterale (o disassamento): le fibre sono a contatto tra loro con gli assi non coincidenti scostamento: le fibre non sono a contatto tra loro anche se gli assi sono coincidenti disallineamento angolare: le fibre sono a contatto tra loro ma con assi non paralleli Le tre situazioni sono raffigurate qui di seguito:

La conversione dei segnali da elettrico ad ottico e viceversa è affidata a opportuni trasduttori a semiconduttore che si suddividono nelle seguenti categorie: Dispositivi fotorivelatori (ricezione) Dispositivi fotoemittenti (trasmissione) Diodi LedDiodi LaserDiodi PINDiodi APD Dispositivi optoelettronici per telecomunicazioni Dispositivi optoelettronici

Diodi Led: si basano sull’emissione di fotoni prodotti dalla ricombinazione di coppie elettroni-lacune all’interno del semiconduttore (emissione spontanea). Questa avviene in modo disordinato, in tutte le direzioni e con lunghezze d’onda di diversi valori. Hanno basso costo ma prestazioni limitate. Usati nelle reti locali. Diodi Laser: si basano sul fenomeno dell’emissione stimolata, che converte l’energia elettrica in una radiazione luminosa fortemente direzionale e coerente in frequenza, quindi quasi monocromatica. Costosi ma dalle elevate prestazioni. Caratteristiche primarie comuni: Larghezza spettrale  : in prima finestra ottica (≈ 850 nm) vale 2 ÷ 3 nm per i Laser, 20 ÷ 30 nm per i Led Potenza ottica: è legata all’intensità luminosa che è in grado di produrre, e vale circa 10 ÷ 100  W per i Led, 1 ÷ 10 mW per i Laser Frequenza di modulazione: max frequenza alla quale il dispositivo può essere pilotato. Per i Led vale qualche centinaio di MHz, per i Laser arriva sino a qualche GHz Tempo di vita medio: fornisce indicazioni sull’affidabilità del dispositivo. Per i Led arriva a 10 7 ore, per i Laser non si superano le 10 6 ore Dispositivi fotoemittenti

Dispositivi fotorivelatori Diodi PIN: semiconduttori costituiti da tre zone adiacenti, una drogata tipo P, una Intrinseca (cioè non drogata) ed una N, da cui il nome. Sfruttano il fenomeno fotovoltaico. Diodi APD: si basano sull’effetto valanga (da cui la sigla Avalanche Photo Detector), che si verifica in una giunzione P-N sottoposta ad una forte polarizzazione inversa. In questo modo quando va in conduzione c’è un improvviso aumento delle cariche e quindi della corrente. Caratteristiche primarie comuni: Responsività (sensibilità): è il rapporto tra corrente erogata e potenza luminosa incidente. Vale 0.5 ÷ 1 A/W per i PIN, 80 ÷ 100 A/W per gli APD. Velocità di risposta: permette di stabilire la max frequenza del segnale ottico ricevuto. Il tempo di ritardo tipico è di circa 10 ps per i PIN e 50 ps per gli APD. Rapporto segnale/rumore: misurato dalla cosiddetta dark current (corrente di buio). Per i diodi PIN si aggira sui 50 pA, per gli APD arriva anche a 100 nA. Gli APD sono preferiti nelle linee lunghe, dove il segnale può arrivare molto attenuato e quindi serve maggiore sensibilità. Sono però più lenti, più costosi e molto più rumorosi.