Fibra ottica

Cosa sono le FIBRE OTTICHE?

Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce. Sono utilizzate principalmente nelle telecomunicazioni, nella diagnostica medica, nell’illuminotecnica e nella sicurezza. Vengono prodotte, nella maggior parte dei casi, a forma di cavi in quanto flessibili, adatte per il passaggio della corrente (sono infatti immuni ai disturbi elettrici ed alle condizioni atmosferiche più estreme) e poco sensibili alle variazioni di temperatura.

Il rivestimento esterno, chiamato cladding, ha solitamente un diametro di 125 micrometri (circa le dimensioni di un capello) ed il loro peso è molto basso, circa 60 g/km (compresa la guaina esterna).

Le fibre ottiche sono classificate come guide d’onda dielettriche: permettono di convogliare e guidare al loro interno un campo elettromagnetico di frequenza sufficientemente alta con perdite estremamente limitate.

Essa funziona come una specie di specchio tubolare: la luce che entra nel core ad un certo angolo (chiamato angolo limite) si propaga mediante una serie di riflessioni alla superficie di separazione fra i due materiali del core e del cladding.

In esse avviene quindi 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.

Esse si suddividono in multimodali e monomodali.

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.

Possono essere divise ulteriormente in fibre step index e graded index:

- nelle fibre step index  l’indice di rifrazione è costante lungo tutta la sezione del core e cambia improvvisamente quando incontra il cladding;

- nelle fibre graded index invece l’indice di rifrazione cambia gradualmente dal core al cladding, permettendo l’uso di luce multicromatica.

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

Applicazioni

Le fibre ottiche vengono comunemente impiegate nelle telecomunicazioni, nella diagnostica medica e nell’illuminotecnica. Nel primo caso vengono utilizzate come mezzo trasmissivo di segnali ottici anche su grandi distanze ovvero su rete di trasporto e nella fornitura di accessi di rete a larga banda cablata.

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 per le Monomodali e 50 µm per le Multimodali, 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) e uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell’onda evanescente.

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

I 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). Il core e il cladding della fibra ottica possono essere realizzati in silice (vetro) oppure in polimeri plastici (fibra plastica).

Silice: La fibra ottica è una singola fibra di vetro. Le fibre vengono realizzate a partire da silice ultrapura, la quale viene ottenuta dalla reazione fra il tetracloruro di silicio e l’ossigeno. Per il core viene aggiunta una parte di germanio, mentre per il cladding una parte di boro per ridurre l’indice di rifrazione;
Polimeri: La fibra è costituita da una materia plastica. In queste fibre ottiche polimeriche la dimensione del core è molto più grande (1 mm) rispetto alle fibre in silice, quindi si ha un’apertura numerica più elevata e la possibilità di realizzare fibre multimodali.

Difetti

Idealmente, le fibre ottiche sono un mezzo di trasmissione perfetto: 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 comunque delle perdite di attenuazione della potenza lungo la fibra;

tali perdite sono dovute a:

- proprietà intrinseche del mezzo;
- presenza di impurità all’interno del materiale;
- specifiche delle guide dielettriche aperte.

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.

Un altro problema che può essere riscontrato durante la lavorazione della guida è la formazione di corrugazioni lungo le pareti esterne.

Esse possono essere periodiche e quindi danno luogo ad una perdita di potenza che viene irradiata esternamente.

Anche le imperfezioni nella fabbricazione possono causare danni al funzionamento delle fibre ottiche, come la perdita di segnale.

                              

Come mostrato nello schema precedente le parti fondamentali di un collegamento in fibra ottica sono le seguenti:

- Convertitore elettrico- ottico
- La fibra ottica (mezzo trasmissivo)
- Convertitore ottico elettrico

Essendo i segnali che trasportano le informazioni di natura elettrica, per poterli trasmettere attraverso una fibra ottica è necessario convertirli in segnali ottici mediante un convertitore elettrico -ottico, fondamentalmente costituito da una sorgente ottica modulata dal segnale elettrico da convertire, che emette un fascio luminoso la cui intensità è proporzionale al livello del segnale elettrico stesso. In ricezione deve essere effettuata la conversione inversa, cioè la conversione del segnale ottico nel corrispondente segnale elettrico; tale operazione è eseguita dal convertitore ottico -elettrico, cioè un rivelatore ottico in grado di trasformare l’energia luminosa in un segnale elettrico. I due convertitori elettrico-ottico e ottico-elettrico, sono connessi mediante la fibra ottica, che costituisce il mezzo trasmissivo che trasporta il raggio luminoso.

Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, e un mantello o cladding attorno a esso. Il nucleo presenta un diametro molto piccolo di circa 10 µm per le monomodali e 50 µm per le multimodali, mentre il mantello ha un diametro di circa 125 µm. I due strati sono realizzati con materiali con indice di rifrazione leggermente diverso, il mantello deve avere un indice di rifrazione minore (tipicamente 1,475) rispetto al nucleo (circa 1,5). Come ulteriore caratteristica il mantello 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 nucleo.

La fibra ottica funziona come una specie di specchio tubolare. La luce che entra nel nucleo a un certo angolo (angolo limite) si propaga mediante una serie di riflessioni alla superficie di separazione fra i due materiali del nucleo e del mantello.

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 nucleo, 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).

Il nucleo e il mantello della fibra ottica possono essere realizzati in silice oppure in polimeri plastici.

Cavi in fibra

La trasmissione dei dati attualmente si effettua mediante cavi di fibra ottica, ovvero una o più fibre ottiche contenute in un'unica protezione. In particolare, un cavo unico può contenere fino a 7 fibre, ma spesso due di queste vengono sostituite da due fili di materiale elastomerico (i cosiddetti filler) il cui fine è quello di irrobustire meccanicamente il cavo (la fibra ottica in sé è infatti molto fragile a flessione). Ognuna di queste fibre viene poi protetta da un buffer di colore diverso e, infine, due ulteriori guaine avvolgono interamente i 7 fili (5 fibre ottiche più i 2 filler). La prima guaina, più interna, è in aramide e aggiunge altra resistenza meccanica (impedisce al cavo di avere curve troppo strette nel suo percorso); la guaina più esterna, invece, in materiale termoplastico, fornisce isolamento termico e protezione dall'umidità.

TIPOLOGIE DI FIBRE OTTICHE

Le fibre utilizzate per collegamenti medio-lunghi (0,5–40 km) sono tutte fibre monomodali, mentre quellemultimodali possono essere utilizzate per brevi collegamenti fino a 2 km con costi di fabbricazione inferiori. Tra le fibre monomodali si distinguono i seguenti standard:

fibre standard ottimizzate in dispersione in 2° finestra, ma con attenuazione minima in 3°, utilizzabili nella rete di accessodove la lunghezza dei collegamenti è breve rispetto alla rete di trasporto (ITU G652);
fibre ottimizzate in dispersione in 3° finestra al pari dell'attenuazione (dispersion shifted DS - ITU G653);
fibre a dispersione non nulla (non zero dispersion NZD - ITU G655) utilizzate per contrastare alcuni effetti non lineari in fibra

Giunzioni e connettorizzazioni

Due tratti di fibra ottica dello stesso tipo possono essere giuntati mediante fusione, ottenendo un ottimo accoppiamento del nucleo. Questa operazione è effettuata in modo semiautomatico mediante apparecchiature che allineano automaticamente i mantelli o addirittura i nuclei e controllano la fusione. Una giunzione ben eseguita comporta una attenuazione inferiore a 0,05 dB. Tipicamente le fibre ottiche in lunghi collegamenti sono giuntate in questo modo ogni 1–2 km.

Nell'uso pratico, un collegamento bidirezionale (ad esempio IEEE 802.3) ovvero full duplex viene realizzato utilizzando una coppia di fibre, una per ciascuna direzione.

Le fibre ottiche sono collegate agli apparati di telecomunicazione (trasmettitore e ricevitore) mediante connettori che allineano meccanicamente il nucleo della fibra rispettivamente 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.

per maggiori informazioni vai su wikipedia https://it.wikipedia.org/wiki/Fibra_ottica

Prova di laboratorio con Media Converter 1 porta RJ45 10/100Mbps / 1 porta fibra ottica 100BASE‑FX (SC) s DMC‑515SC

Utilizzo della fibra ottica .

In questa prova di laboratorio abbiamo collegato due media converter con porta RJ45 10/100Mbps/1 porta fibra ottica 100BASE-FX(SC)s DMC-5145SC seguendo il seguente schema. Dalla presa a muro RJ45 Ethernet del nostro laboratorio abbiamo collegato un cavo di rame che aveva ad suoi due estremi entrambi gli attacchi per  RJ45/RJ45 (uno per la presa a muro e l'altro come ingresso del converter). L'uscita del converter era collegato con una fibra ottica con due estremi RX e TX all'uscita del primo converter e gli altri due estremi RX-TX erano collegati all'ingresso del secondo converter. L'uscita del secondo converter era collegato attraverso un altro cavo RJ45/Rj45 all'ingresso di  un computer.

Dopo aver collegato il tutto abbiamo aspettato che i led dei converter si accendessero correttamente e successivamente abbiamo verificato che il computer si collegasse con internet e che cambiasse le pagine. Tutto ciò si è verificato e quindi la prova è riuscita.

Il media converter utilizzato nella prova, converte il segnale 10/100Mbps 10BASE-T/100BASE-TX Fast Ethernet di un cavo twisted-pair, in un segnale 100BASE-FX Fast Ethernet di un cavo in fibra ottica single-mode. La distanza massima di copertura del cavo in fibra ottica è di 15 km. Il media converter è fornito di un connettore RJ45 per il cavo twisted-pair in rame e di un connettore SC per la fibra ottica.

Alcune specifiche tecniche:

Specifiche tecniche

Indicatori LED

Power
100Mbps Speed (per la porta del cavo twisted-pair)
Full/Duplex Collision (per entrambe le porte fibra ottica e twisted-pair)
LINK/ACT (per la porta del cavo twisted-pair)

Dimensioni

120 x 88 x 25 mm

Alimentazione ingresso

7.5V 1.5A

Alimentatore esterno

Temperatura di funzionamento

0° ~ 40°C

per la scheda completa andare sul seguente link: https://eu.dlink.com/it/it/products/dmc-515sc-10-100--to-100basefx-sc-singlemode-media-converter