Vantaggi della comunicazione in fibra ottica
● Grande capacità di comunicazione
● Lunga distanza del relè
● Immune alle interferenze elettromagnetiche
● Risorse abbondanti
● Fibra ottica leggera e di piccole dimensioni
Una breve storia dello sviluppo della comunicazione ottica
● Oltre 2000 anni fa: Torri faro – luci, segnali di bandiera
● 1880: telefono ottico – comunicazione ottica senza fili
● 1970: Comunicazione in fibra ottica
● 1966: il dottor Kao Kuen, il "padre della fibra ottica", propone per primo l'idea della comunicazione in fibra ottica.
● 1970: Kapron della Corning Institution produce fibre ottiche con una perdita di 20 dB/km.
● 1977: prima linea commerciale da 45 Mb/s di Chicago.
Spettro elettromagnetico
Rifrazione/riflessione e riflessione interna totale della luce
Poiché la luce viaggia a velocità diverse in sostanze diverse, quando la luce viaggia da una sostanza all'altra, la rifrazione e la riflessione si verificano all'interfaccia tra le due sostanze. Inoltre, l'angolo della luce rifratta cambia con l'angolo della luce incidente. Quando l'angolo della luce incidente raggiunge o supera un certo angolo, la luce rifratta scompare e tutta la luce incidente viene riflessa indietro; questa è una riflessione interna totale. Materiali diversi rifrangono la luce della stessa lunghezza d'onda ad angoli diversi (cioè materiali diversi hanno indici di rifrazione diversi) e lo stesso materiale rifrange la luce di lunghezze d'onda diverse ad angoli diversi. La comunicazione in fibra ottica si basa su questi principi. Distribuzione della riflettività: un parametro importante che caratterizza i materiali ottici è l'indice di rifrazione, indicato con N. Il rapporto tra la velocità della luce C nel vuoto e la velocità della luce V in un materiale è l'indice di rifrazione del materiale.
N＝C/V
L'indice di rifrazione del vetro al quarzo utilizzato nella comunicazione in fibra ottica è di circa 1,5.
Struttura in fibra ottica
Un cavo in fibra ottica nudo è generalmente costituito da tre strati:
Primo strato: un nucleo di vetro ad alto-indice di rifrazione-(il diametro del nucleo è generalmente 9-10μm, (monomodale) 50 o 62,5 (multimodale).
Secondo strato: un rivestimento in vetro al silicio a basso-indice di rifrazione-al centro (il diametro è generalmente di 125μm).
Terzo strato: un rivestimento in resina rinforzante più esterno.
Conoscenza di base della luce
1) Nucleo: alto indice di rifrazione, utilizzato per trasmettere la luce;
2) Rivestimento: il basso indice di rifrazione, insieme al nucleo, forma le condizioni per la riflessione interna totale;
3) Giacca: Elevata resistenza, può sopportare impatti maggiori e protegge la fibra ottica.
Cavo in fibra ottica da 3 mm arancione MM multimodale
Giallo SM monomodale
Dimensioni del cavo in fibra ottica:
Il diametro esterno è tipicamente 125 µm (un capello umano medio è 100 µm)
Diametro interno: mono-modalità 9 µm, multimodale 50/62,5 µm
Apertura numerica
Non tutta la luce incidente sulla faccia terminale di una fibra ottica viene trasmessa attraverso la fibra; viene trasmessa solo la luce incidente entro un certo intervallo angolare. Questo angolo è chiamato apertura numerica della fibra ottica. Un'apertura numerica maggiore è vantaggiosa per la giunzione di fibre ottiche. L'apertura numerica varia tra le fibre ottiche prodotte da diverse aziende.
Tipi di fibre ottiche
In base alla modalità di trasmissione della luce all’interno della fibra, le fibre ottiche possono essere classificate in:
Multi-modalità (MM)
Singola-modalità (SM)
Fibra multi-modalità: ha un nucleo centrale in vetro più spesso (50 o 62,5 μm), che consente la trasmissione di più modalità di luce. Tuttavia, la sua dispersione intermodale è significativa, limitando la frequenza dei segnali digitali trasmessi, e questa limitazione peggiora con l’aumentare della distanza. Ad esempio, una fibra da 600 MB/km avrà una larghezza di banda di soli 300 MB/km a 2 km. Pertanto, la fibra multi-modalità ha una distanza di trasmissione relativamente breve, in genere solo pochi chilometri.
Fibra a modalità-singola: ha un nucleo centrale in vetro più sottile (tipicamente 9 o 10 μm di diametro), che consente la trasmissione di una sola modalità di luce. È essenzialmente un tipo di fibra con indice a gradini-, ma con un diametro del nucleo molto piccolo. In teoria, consente solo a un singolo percorso di luce in linea retta- di entrare nella fibra e propagarsi in linea retta all'interno del nucleo. L'allargamento dell'impulso della fibra è minimo. Pertanto, la sua dispersione intermodale è molto ridotta, rendendolo adatto alle comunicazioni a lunga-distanza. Tuttavia, la sua dispersione cromatica gioca un ruolo importante, il che significa che la fibra monomodale-ha requisiti elevati per l'ampiezza spettrale e la stabilità della sorgente luminosa, ovvero l'ampiezza spettrale deve essere stretta e la stabilità deve essere buona.
Classificazione delle fibre ottiche
Per materiale:
● Fibra di vetro: sia il nucleo che il rivestimento sono in vetro. Bassa perdita, lunga distanza di trasmissione, costo elevato.
● Fibra di silicone con guaina: il nucleo è in vetro, il rivestimento è in plastica. Caratteristiche simili alla fibra di vetro, costo inferiore.
● Fibra di plastica: sia il nucleo che il rivestimento sono in plastica. Perdita elevata, distanza di trasmissione molto breve, prezzo molto basso. Ampiamente utilizzato negli elettrodomestici, nelle apparecchiature audio e nella trasmissione di immagini a breve-distanza.
● Per finestra di frequenza di trasmissione ottimale: fibra monomodale convenzionale-e fibra monomodale a dispersione-spostata.
● Convenzionale: i produttori di fibre ottimizzano la frequenza di trasmissione della fibra per una singola lunghezza d'onda, ad esempio 1300 nm.
● Dispersione-Spostata: i produttori di fibra ottimizzano la frequenza di trasmissione della fibra per due lunghezze d'onda, ad esempio 1300 nm e 1550 nm.
● Cambiato bruscamente: l'indice di rifrazione cambia bruscamente dal nucleo al rivestimento di vetro. Basso costo, alta dispersione intermodale. Adatto per comunicazioni a breve-distanza e a bassa-velocità, come il controllo industriale. Tuttavia, le fibre mono-modali hanno una dispersione intermodale molto bassa, quindi sono tutte fibre con indice-classificato.
●Fibre a indice-graduale: l'indice di rifrazione diminuisce gradualmente dal nucleo al rivestimento, consentendo alla luce ad alta-modalità di propagarsi in modo sinusoidale. Ciò riduce la dispersione intermodale, aumenta la larghezza di banda della fibra ed estende la distanza di trasmissione, ma è più costoso. La maggior parte delle fibre multimodali oggi sono fibre con indice-classificato.
