Fibra ottica:

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Livello di trasporto	TCP, UDP, SCTP, DCCP ...
Livello di internetworking	IPv4, IPv6, ICMP, BGP, MPLS, OSPF, RIP, IGRP, IGMP,IPsec...
Livello di collegamento	Ethernet, WiFi, PPP, Token ring, ARP, ATM, FDDI, LLC, SLIP, WiMAX. HSDPA ...
Livello fisico	Doppino, Fibra ottica, Cavo coassiale, Codifica Manchester, Codifica 4B/5B, Cavi elettrici, ...

Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre la luce. Sono normalmente disponibili sotto forma di cavi.

Sono flessibili, immuni ai disturbi elettrici ed alle condizioni atmosferiche più estreme, e poco sensibili a variazioni di temperatura. Hanno le dimensioni di un capello e pesano molto poco, una singola fibra pesa infatti circa 20 kg/km compresa la guaina che la ricopre.

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 comunicazioni in fibra ottica anche 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 operatori di telecomunicazioni 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 videoconferenza.

Varie società sono dotate di una rete capillare e proprietaria in fibra ottica. La legge impone l'interoperabilità delle reti su doppino, non su altro mezzo trasmissivo; per cui, anche in assenza di copertura ADSL e per pubblica utilità, il privato decide autonomamente se e quando entrare nel mercato con un'offerta commerciale.

Fra le società citate: la rete di Autostrade S.p.A. (che connette insegne luminose, telecamere, Telepass), la rete di ENEL per uso interno di controllo della domanda e offerta d'energia sulla rete, RAI, Albacom, la rete GARR che collega le università italiane, vari operatori di telefonia mobile in quanto le celle-ripetitori sono collegate anche in fibra ottica, le reti di accesso wireless per il collegamento degli hotspot con la rete di trasporto.

Costituzione

Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso. Il core presenta un diametro molto piccolo di circa 10 μm, mentre il cladding ha un diametro di circa 125 µm. I due strati sono realizzati con materiali con indice di rifrazione leggermente diverso, il cladding deve avere un indice di rifrazione minore (tipicamente vale 1.475) rispetto al core (vale circa 1.5). Come ulteriore caratteristica il mantello (Buffer) deve avere uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell'onda evanescente, caratteristica della luce trasmessa in modo da catturare la luce che non viene riflessa nel core.

All'esterno della fibra vi è una guaina protettiva polimerica detta jacket che serve a dare resistenza agli stress fisici e alla corrosione ed evitare il contatto fra la fibra e l'ambiente esterno.

Diversi tipi di fibre si distinguono per diametro del core, indici di rifrazione, caratteristiche del materiale, profilo di transizione dell'indice di rifrazione e drogaggio (aggiunta di piccole quantità di altri materiali per modificare le caratteristiche ottiche).

Le fibre vengono realizzate a partire da silice ultrapura, la quale viene ottenuta dalla reazione fra il tetracloruro di silicio e l'ossigeno. Nel silicio destinato alla produzione del core viene aggiunto del germanio (sotto forma di tetracloruro di germanio) in modo da aumentarne l'indice di rifrazione senza variarne l'attenuazione.
Nella silice destinata al cladding invece viene aggiunto del boro allo scopo di ridurne l'indice di rifrazione.
Il principale svantaggio delle fibre ottiche realizzate in silice è la loro fragilità. A causa del diametro estremamente ridotto esse hanno anche una piccola apertura numerica (NA≈0.16) e sono difficili da raccordare.

Queste fibre ottiche polimeriche sono molto più facili da maneggiare rispetto alle fragili fibre realizzate in vetro. La dimensione del core è molto più grande (1mm) rispetto alle fibre in silice, quindi si ha un'apertura numerica più elevata e la possibilità di realizzare fibre multimodali. Tuttavia questo tipo di fibre ottiche ha un'attenuazione abbastanza elevata e una scarsa resistenza termica.

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Funzionamento

Riflessione totale interna (a) e rifrazione esterna (b) per due fasci luminosi in una fibra ottica.

Uno studio rigoroso della fisica delle fibre ottiche richiede concetti di ottica quantistica.

Usando un paragone di ottica classica, nelle fibre ottiche avviene un fenomeno di riflessione totale interna, per cui 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

θ a

superiore all'angolo critico di riflessione totale e rimane intrappolato nel nucleo; il fascio b incide con un angolo

θ b

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 in modo rettilineo oppure essere riflesso un numero molto elevato di volte. Il modo di propagazione rettilineo si dice di ordine zero. 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.

È possibile conoscere a priori il numero di modi possibili Nm per una radiazione di lunghezza d'onda λ che attraversa una fibra step-index di diametro d con apertura numerica NA

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.

Le fibre Multimodali possono essere divise ulteriormente in fibre step index e graded index

Dispersione

Lavorando con fenomeni fisici ad elevatissima frequenza (le onde luminose), con le fibre ottiche sarebbero idealmente possibili velocità di trasmissione molto elevate. In pratica, però, intervengono dei fattori fisici che limitano la banda di trasmissione possibile in una fibra ottica.

Meccanismi di perdita in fibra ottica

Idealmente, le fibre ottiche sono un mezzo di trasmissione perfetto. Infatti, oltre a non risentire in nessun modo di disturbi elettromagnetici o di diafonia, se strutturate adeguatamente per garantire la riflessione totale del segnale d'ingresso teoricamente permettono di trasferire completamente la potenza in ingresso nell'uscita.

In pratica, però, intervengono dei fenomeni fisici che causano delle perdite di potenza lungo la fibra; tali perdite, solitamente valutate statisticamente in db/km, sono dovute a :

Perdite per assorbimento

Il materiale di cui sono realizzate le fibre ottiche è costituito da macromolecole che interagiscono fra di loro tramite forze dette di van der Waals. Normalmente queste macromolecole possono ruotare intorno ad un asse o possono vibrare Durante questi movimenti queste molecole assorbono la radiazione, vibrano, e possono emetterne dell'altra. La loro condizione di risonanza si innesca per alcune particolari lunghezze d'onda. Qualunque materiale che è trasparente ad una radiazione risulta inevitabilmente opaco ad un'altra lunghezza d'onda. Ad esempio il vetro è trasparente nel campo del visibile (≈ 400nm ÷ 750nm) mentre risulta opaco nel campo dell'infrarosso(≈ 750nm ÷ 1000nm). Quindi le fibre realizzate in vetro sono utilizzabili solo con sorgenti di luce visibile

Durante il processo di fabbricazione la fibra tende inevitabilmente ad assorbire il vapore acqueo. Nel vapore, così come nel vetro sono presenti dei gruppi OH. Ad alcune particolari frequenze le molecole OH vengono eccitate e assorbono energia elettromagnetica (lunghezza d'onda di 1 μm) causando perdite.

Perdite per diffrazione (Rayleigh scattering)

Queste imperfezioni causano una lieve diffrazione del segnale. Ciò non è legato ad una perdita di energia ma ad una perdita di potenza. Nel vetro questa perdita è pari a: α ≈ 0.7*λ

- 4

[dB/km]. Le perdite di segnale per effetto della diffrazione possono essere stimate secondo una forma della legge di Rayleigh: $\tau_d = C* \left( \frac{8*\pi^3}{3*\lambda_0^4} \right) \left( \frac{(n^2 - 1)*(n^2 + 2)}{3} \right )^2 * k * T_g * \beta$

Un basso indice di rifrazione e una bassa compressibilità riducono la possibilità che il raggio venga diffratto a causa di variazioni nella densità del mezzo. Tuttavia nel caso di fibre ottiche polimeriche, la compressibilità del materiale è direttamente legata al volume molecolare. I polimeri densamente cross-linked hanno bassa comprimibilità ma hanno un alto indice di rifrazione . Polimeri costituiti da molecole con un grande volume molecolare possiedono un'elevata compressibilità ma un indice di rifrazione basso.

Perdite specifiche delle guide dielettriche

Oltre alle perdite dovute al mezzo, esistono altre tipologie di perdita in una guida dielettrica. Queste non sono dovute al tipo di luce utilizzata ma sono legate alle deformazioni e alle discontinuità presenti nella guida; per avere effetti rilevanti è necessario che la periodicità delle perturbazioni sia tale da generare una interferenza costruttiva.

Curvatura della guida dielettrica

La curvatura genera un accoppiamento tra il modo guidato e i modi radiativi dello spettro. Nel caso in cui il raggio di curvatura sia abbastanza grande, si può ipotizzare che la distribuzione di campo del modo guidato subisca una lieve e ininfluente deformazione. Quindi la perdita è legata all'angolo di curvatura della guida.

Corrugazioni della guida dielettrica

Durante la lavorazione della guida si possono creare delle corrugazioni lungo le pareti esterne. Esse possono essere periodiche e quindi danno luogo ad una perdita di potenza che viene irradiata esternamente. Anche in questo caso si ha un accoppiamento tra modo guidato e modi radiativi.

Imperfezioni nella fabbricazione

La perdita di segnale può essere dovuta anche a imperfezioni nella fabbricazione della fibra: particelle di polvere, microvuoti e fessurazioni. Queste imperfezioni, se hanno dimensione paragonabile alla lunghezza d'onda interferiscono producendo fenomeni di diffrazione, assorbimento, etc..

Uso delle fibre ottiche nelle telecomunicazioni

Se negli anni settanta 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:

Un cavo di fibra ottica, in quanto contiene più fibre ottiche, è solitamente molto più piccolo e leggero di un filo o cavo coassiale con simili capacità di canale. È più facile da maneggiare e da installare. Il cavo in fibra ottica è ideale per le comunicazioni sicure in quanto è molto difficile da intercettare e altrettanto facile da monitorare.

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.

Finestre di trasmissione

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.

Una buona fibra monomodale ha una attenuazione dell'ordine degli 0.2-0.25 dB/km.

Giunzioni e connettorizzazioni

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 cladding o addirittura i core e controllano la fusione. Una giunzione ben eseguita comporta una attenuazione inferiore a 0,05 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 più 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.

Bilancio di potenza (power budget)

Per i collegamenti di lunga distanza, i trasduttori sono specificati in termini di potenza del trasmettitore e sensibilità del ricevitore. La differenza tra le due costituisce il power budget, ovvero la massima potenza che può essere dissipata dal collegamento.

Per valutare se una certa tecnologia trasmissiva funzionerà su un certo collegamento, è necessario misurare o stimare la perdita complessiva del collegamento, o link loss. Questo deve essere inferiore al power budget. Normalmente si lascia un margine di 3-6 dB, per garantirsi contro peggioramenti del collegamento (dovuti a invecchiamento o a interventi di manutenzione) o degli apparati trasmissivi (dovuti tra l'altro a sporcizia). Questa valutazione deve essere effettuata alla lunghezza d'onda utilizzata dagli apparati prescelti.

Su collegamenti già realizzati è possibile misurare l'attenuazione del segnale tramite strumenti denominati "power meter". L'esame analitico degli eventi intercorrenti su un determinato tratto di fibra richiede invece uno strumento denominato OTDR, (Optical Time Domain Reflectometry, in italiano riflettometria ottica nel dominio del tempo), che consente di visualizzare su un grafico cartesiano l'andamento di un segnale entro il tratto di fibra considerato.

Se il collegamento deve essere ancora realizzato, la sua attenuazione è stimabile usando i valori di targa delle fibre e valori prudenziali per giunzioni e connettori.

Ad esempio, il link loss di un collegamento di 20km, con fibra da 0.24 dB/km, 6 giunzioni lungo il collegamento, connettori solo alle estremità è stimabile in:

aggiungendo 4 dB di margine di sicurezza, gli apparati dovranno avere un power budget minimo di 11.4 dB.

Prestazioni

Gli apparati commercialmente disponibili arrivano a velocità di trasmissione di 40 Gbit/s. Utilizzando tecnologie WDM è possibile trasmettere su una singola coppia di fibre fino ad alcune centinaia di migliaia di canali in frequenza, arrivando a capacità massime dell'ordine del Tbit/s.

Attraverso lo studio particolari onde elettromagnetiche autorinforzanti, i solitoni, si sfruttano delle caratteristiche non lineari della fibra per compensare tra loro l’effetto Kerr e la dispersione cromatica. Con la trasmissione solitonica e l'uso di amplificatori ottici si possono coprire distanze anche dell’ordine delle decine di migliaia di chilometri senza uso di ripetitori.

Storia

La storia della fibra ottica inizia ai tempi dell'Inghilterra vittoriana, quando il principio della riflessione totale interna venne utilizzato per illuminare le fonti delle fontane pubbliche. Il successivo sviluppo, nella metà del XX secolo, si concentrò sullo sviluppo di un fascio di fibre volto alla trasmissione di immagini il cui primo impiego fu il gastroscopio medico. Il primo gastroscopio a fibra ottica semi-flessibile fu brevettato da Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters e Lawrence E. Curtiss nel 1956. Nel processo di sviluppo del gastroscopio, Curtiss produsse fisicamente la prima fibra ottica. Presto si susseguirono una varietà di altre applicazioni per la trasmissione di immagini.

Nel 1965 Charles K. Kao' e George A. Hockham del British Post Office furono i primi a riconoscere che l'attenuazione delle fibre contemporanee era causata dalle impurità, che potevano essere rimosse, piuttosto che dallo scattering. Dimostrarono che le fibre ottiche possono essere un mezzo pratico per la comunicazione, nel caso l'attenuazione sia ridotta al di sotto dei 20 dB per kilometro (Hecht, 1999, p. 114). In questa misura, la prima fibra ottica per le comunicazioni fu inventata nel 1970 dai ricercatori Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter Schultz e Frank Zimar impiegati presso la Corning, azienda statunitense produttrice di vetro situata a Corning (New York). Costruirono una fibra con 17 dB di attenuazione ottica per kilometro drogando il silicio del vetro con il titanio.

L'amplificatore ottico drogato con erbio, che ridusse il costo per i sistemi a fibra ottica per le lunghe distanze eliminando il bisogno dei ripetitori ottico-elettronico-ottico, fu inventato da David Payne dell'Università di Southampton, nel 1987.
Il primo cavo telefonico translatlantico ad usare la fibra ottica fu il TAT-8, che iniziò ad operare nel 1988.

Nel 1991 il campo emergente dei led a cristalli fotonici condusse allo sviluppo delle fibre a cristalli fotonici (Science (2003), vol 299, p. 358).
La prima fibra a cristalli fotonici venne venduta a partire dal 1996. Esse possono essere progettate per trasportare un maggiore quantitativo di energia rispetto alle fibre convenzionali, e le loro proprietà, variabili a seconda della lunghezza d'onda, possono essere manipolate per migliorare le loro prestazioni in certe applicazioni.

Negli ultimi vent'anni i progressi relativi allo sviluppo della fibra ottica sono stati enormi. Al momento il collo di bottiglia che non sfrutta appieno la larghezza di banda che permette la fibra ottica rimane la traduzione dal segnale elettrico al segnale luminoso, ed è proprio questo il punto chiave sul quale si sta cercando di lavorare nell'industria della fibra ottica.

Un esempio significativo di rete in fibra ottica è Metrocore. Nata per scopi di ricerca come rete interna del CNR di Pisa, ora collega questura, pretura e centro abitato, ad una velocità di circa 1 gigabit/secondo. In alcuni tratti della rete, la velocità di connessione cresce significativamente a 10 gigabit, utilizzando tecnologia WDM. La velocità è paragonabile alla rete di Internet 2 che negli USA collega un centinaio di centri di ricerca a grandi società.

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