Tutto cio che si può sapere Tutto cio che si può sapere sulle fibre ottiche in una sulle fibre ottiche in una

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Ciao io mi kiamo daniele ho 18 anni e sono qui per aiutarvi a farvi capire con la collaborazione del mio amico Antonio

tutto quello che c’e da sapere sui cavi a fibra ottica perciò accomodatevi su una bella sedia con popcorn e cocacola e buona presentazione

è una guida d’onda dielettrica è una guida d’onda dielettrica cilindrica, formata da un core cilindrica, formata da un core e da un claddinge da un cladding

l’interfaccia tra core e cladding realizza uno l’interfaccia tra core e cladding realizza uno specchio perfetto in grado di confinare i raggi specchio perfetto in grado di confinare i raggi all’interno del core.all’interno del core.

Dimensioni tipiche:Dimensioni tipiche:diametro core da 9 a 65.5µmdiametro core da 9 a 65.5µmdiametro cladding 125µmdiametro cladding 125µmn1= 1.461n1= 1.461n2= 1.460n2= 1.460∆∆n=0.001÷0.01n=0.001÷0.01Materiale: core in Silica (SiO2)Materiale: core in Silica (SiO2) cladding Silica cladding Silica drogatadrogata C o re

C la d d in g

n 1

n 2 n 1 > n 2

Quindi le fibre ottiche sono filamenti di materiale vetroso, realizzati in modo da poter condurre la

luce.Sono normalmente disponibili sotto forma di cavi.Le fibre ottiche sono classificate come guide d'onda

dielettriche. 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 arriva a 10 megabit/sec in accesso, indispensabili per

la tv via internet e la videoconferena.

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, il cladding deve avere un rifrazione minore rispetto al core. Come ulteriore caratteristica il mantello deve avere uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell’ onda evanescente caratteristica della luce trasmessa.Se le condizioni vengono rispettate 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).

Uno studio rigoroso della fisica delle fibre ottiche richiede concetti di ottica 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.Le fibre ottiche si basano sul fenomeno di riflessione totale interna, la discontinuità dell'indice di rifrazione tra i materiali del nucleo e del mantello intrappola la

radiazione luminosa finché questa mantiene un angolo abbastanza radente, in pratica finché la fibra non

compie curve troppo brusche

In figura è rappresentato come due raggi luminosi, cioè due treni di radiazione elettromagnetica, incidono sull'interfaccia tra nucleo e mantello all'interno della fibra

ottica. Il fascio a incide con un angolo θa superiore all'angolo critico di riflessione totale e rimane intrappolato nel nucleo; il fascio b incide con un angolo θb inferiore all'angolo critico e viene rifratto nel mantello e quindi perso. È importante ricordare

che in ottica si indica l'angolo tra la radiazione e la normale alla superficie, cioè 90°-α dove α è l'angolo, più intuitivo ma più scomodo da utilizzare, tra la radiazione e la

superficie.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 8 µm e 10 µm, quelle

multimodali consentono la propagazione di più modi, e hanno un diametro del core di 50 µm o 62.5 µm. Il cladding ha tipicamente un diametro di 125 µm.

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.

Le fibre monomodali di contro hanno un prezzo molto più elevato rispetto alle multimodali, ma riescono a coprire distanze e a raggiungere velocità nettamente

superiori.

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; ottima resistenza alle condizioni climatiche avverse. Un campo promettente di applicazione è quello della televisione. Quando una città come Milano è sostanzialmente cablata, si può aprire una interessante alternativa al digitale terrestre e al satellitare, i quali consentono di ammortizzare l'alto costo della posa dei cavi a fibra ottica

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": 850 nm (nel campo del visibile), usata soprattutto

con economici laser a diodo con luce multimodale. Permette di realizzare collegamenti di 275 m su fibre 62.5/125 e di 550 m su fibre

50/125. "seconda finestra": 1310 nm, usata con laser multimodali o

monomodali. Permette di realizzare collegamenti di 5-10 km su fibre monomodali.

"terza finestra": 1550 nm, usata con laser monomodali. Questa finestra permette di realizzare le distanze maggiori, compresi

collegamenti di 100 km con apparati relativamente economici. Una buona fibra monomodale ha una attenuazione dell'ordine degli

0.2-0.25 dB/km.

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 0,1 dB.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 0,5 dB, ed è molto sensibile alla polvere, per cui connettori e cavi inutilizzati vengono normalmente coperti per evitare infiltrazioni. Esistono

diversi tipi di connettori, ad esempio SC, LC (in plastica, quadrati), ST (in metallo, tondi, con innesto a baionetta), FC (In metallo, tondi con innesto a vite), MTRJ (Di forma simile all'SC,

ma leggermente piu' larghi e schiacciati).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.

La luce può essere trasportata in appositi canali, o condotti ottici, utilizzando sottili fili o fibre fatte di vetro oppure di materiale plastico.  Le distanze coperte da questi condotti non sono molto lunghe, ma scienza e tecnologia ci hanno abituati alle rapide evoluzioni ed è lecito attendersi che, tra qualche anno, sarà possibile realizzare progetti che rivoluzioneranno il nostro modo di abitare, come quello, da tempo perseguito dai lighting designers , di portare la luce del sole e del cielo in tutti gli ambienti sotterranei, rendendoli così molto più vivibili.  Ma già ai nostri giorni le applicazioni delle fibre ottiche sono molteplici, in particolare nei luoghi dedicati allo spettacolo ed all'intrattenimento pubblico.  I principali vantaggi offerti da questi sistemi di illuminazione derivano proprio dalla prerogativa del trasporto della luce.  Nei condotti ottici corrono solo le radiazioni luminose, non c'è corrente elettrica e neppure calore.  Utilizzando cavi di modeste dimensioni è possibile portare considerevoli quantità di luce anche all'interno di microspazi ed in luoghi che sarebbe difficoltoso, se non impossibile, illuminare con gli apparecchi tradizionali, per esempio in mezzo all'acqua, oppure tra materiali facilmente infiammabili o alterabili da parte dell'energia termica. La luce prodotto dalla lampada è incanalata in molti cavi. Il principio fisico di base è il fenomeno della rifrazione: in pratica quando un raggio luminoso attraversa la superficie di separazione fra due materiali con diverso indice di rifrazione subisce una rifrazione ed una parziale riflessione; se l’angolo di incidenza del raggio sulla superficie supera un valore detto angolo limite il raggio viene riflesso totalmente.

È lo stesso fenomeno che potete osservare quando guardate un laghetto di montagna, se siete distanti vedete sulla superficie la riflessione del cielo o delle montagne circostanti, se vi avvicinate e superate l’angolo limite riuscite a vedere il fondo. Le fibre ottiche sono quindi costituite da un filo di vetro o plastica trasparente circondato da un altro vetro o plastica con indice di rifrazione poco diverso dal primo, il tutto protetto da una guaina esterna piuttosto robusta che ha la funzione di sopportare gli stress meccanici a cui è sottoposto il cavo durante l’uso. Un raggio luminoso che entra nella fibra entro un certo angolo caratteristico della fibra viene fatto rimbalzare per riflessione totale lungo tutta la lunghezza del cavo e così facendo arriva alla estremità opposta della fibra da dove esce. In pratica il segnale luminoso percorre a zig zag tutta la fibra. In questo modo è possibile utilizzare un gran numero di punti luminosi circolari, con diametri nell'ordine dei millimetri (il più piccolo ha un diametro di un solo millimetro), adatti per creare svariate composizioni, ad esempio cieli stellati (con la riproduzione della volta celeste e delle sue costellazioni), figure animate, lettere e parole, marchi e logotipi. Un altro aspetto assai interessante è quello che in poche parole si potrebbe definire la gestione creativa della luce: è possibile infatti regolarla in quantità, colorarla e renderla dinamica (variazione nel tempo dei colori) agendo alla fonte, all'interno dell'illuminatore (il generatore di luce del sistema), col risultato che i punti luminosi creano effetti di notevole impatto scenografico.  Nei sistemi a fibre ottiche l'illuminatore è il cuore del sistema. 

Esistono diversi tipi di fibre ottiche, ma la tendenza è stata di minimizzare il numero di fibre esistenti richiesti per le reti pubbliche, allo scopo di ridurre i costi di produzione.Oggi le fibre ottiche di interesse per le telecomunicazioni si distinguono in due grannfi categorie

Le fibre monomodali con profilo d’indice a gradino presentano un profilo costante nel core, il cui diametro è molto ridotto (circa 4-10 m) , e

decresce bruscamente con un gradino (step) nel mantello dove ancora rimane costante. Il diametro del cladding è in genere di 125 m. 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.

Per quantificare quanto debba essere piccolo il diametro d del core al fine di ottenere una fibra monomodale, si fa uso della seguente

relazione: d0.76*/NA

con lunghezza d’onda della radiazione utilizzata ed NA apertura numerica.

Nella figura si mostra una fibra monomodale insieme al profilo dell’indice di rifrazione .

Questo tipo di fibre si differenzia dalle precedenti innanzitutto per le maggiori dimensioni: il diametro del core è di 50 m e quello del cladding è di 125-150 m. Inoltre il profilo dell’indice di rifrazione

può essere: 1) a gradino (step-index);

2) graduale (graded-index).Nelle fibre a gradino l’indice di rifrazione è costante in tutto il core e decresce bruscamente nel cladding come peraltro si è già visto nel caso delle fibre monomodali. A differenza di queste ultime, in esse si manifesta notevolmente la dispersione modale 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 all’angolo 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.