Introduzione alle fibre ottiche

1. Introduzione alle fibre ottiche Sommario Caratteristiche generali Richiami di ottica Struttura e realizzazione tecnologica Apertura numerica Esercizio di chiarimento

2. Introduzione alle fibre ottiche Sommario Caratteristiche generali Richiami di ottica Struttura e realizzazione tecnologica Apertura numerica Esercizio di chiarimento

3. Caratteristiche generali • Sottilissimi fili di materiale vetroso o di nylon, dal diametro di alcuni micron • Presentano un'attenuazione chilometrica di 0,2 dB • Utilizzano come onde elettromagnetiche la luce • In pratica sono delle guide d'onda per trasmettere le onde luminose

4. Caratteristiche generali • Sottilissimi fili di materiale vetroso o di nylon, dal diametro di alcuni micron • Presentano un'attenuazione chilometrica di 0,2 dB • Utilizzano come onde elettromagnetiche la luce • In pratica sono delle guide d'onda per trasmettere le onde luminose

5. Vantaggi • peso ed ingombro ridotti; • resistenza a situazioni ambientali difficili; • immunità da disturbi elettromagnetici esterni; • isolamento elettrico fra trasmettitore e ricevitore; • installazione con i cavi di energia; • installazione veloce nei condotti già esistenti; • assenza di diafonia; • bassi valori di attenuazione (0,22,4 dB/km per fibre in silice); • costante rapporto di attenuazione e frequenza; • larga banda di frequenza (0,410 GHz.km); • elevato numero di canali di comunicazione su unica fibra; • costo limitato per Mbit trasmesso; • alta qualità di segnale; • riduzione del numero di errori; • lungo passo di ripetizione; • assenza di equalizzazione

6. Vantaggi • peso ed ingombro ridotti; • resistenza a situazioni ambientali difficili; • immunità da disturbi elettromagnetici esterni; • isolamento elettrico fra trasmettitore e ricevitore; • installazione con i cavi di energia; • installazione veloce nei condotti già esistenti; • assenza di diafonia; • bassi valori di attenuazione (0,22,4 dB/km per fibre in silice); • costante rapporto di attenuazione e frequenza; • larga banda di frequenza (0,410 GHz.km); • elevato numero di canali di comunicazione su unica fibra; • costo limitato per Mbit trasmesso; • alta qualità di segnale; • riduzione del numero di errori; • lungo passo di ripetizione; • assenza di equalizzazione

7. Svantaggi • tecnologia in rapida evoluzione; • costosa realizzazione costruttiva; • difficoltà di connessione tra fibre ottiche; • accessori costosi; • problemi di standardizzazione; • strumenti di prova costosissimi.

8. Svantaggi • tecnologia in rapida evoluzione; • costosa realizzazione costruttiva; • difficoltà di connessione tra fibre ottiche; • accessori costosi; • problemi di standardizzazione; • strumenti di prova costosissimi.

9. 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 Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro

10. Richiami di ottica 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.

11. Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro Considerando la normale N alla superficie di separazione gli angoli che i raggi formano sono detti: - angolo di incidenza (a) - angolo di riflessione (b) - angolo di rifrazione(g)

12. Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro Considerando la normale N alla superficie di separazione gli angoli che i raggi formano sono detti: - angolo di incidenza (a) - angolo di riflessione (b) - angolo di rifrazione(g)

13. legge di riflessione b = a legge di rifrazione (di Snell) Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro Tra gli angoli che i raggi formano esistono le seguenti relazioni sperimentali: dove n1 e n2 sono gli indici di rifrazione dei due mezzi

14. Propagazione di un raggio luminoso da un mezzo ad un altro Tra gli angoli che i raggi formano esistono le seguenti relazioni sperimentali: legge di riflessione b = a legge di rifrazione (di Snell) dove n1 e n2 sono gli indici di rifrazione dei due mezzi

15. Rifrazione di un raggio da un mezzo meno denso ad uno più denso a > g

16. Rifrazione di un raggio da un mezzo più denso ad uno meno denso a < g

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

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

19. Struttura delle fibre ottiche - Il nucleo (core) - (50 80 mm) - Il mantello (cladding) Tre strati: - Il rivestimento primario protettivo (buffer)

20. Struttura delle fibre ottiche - Il nucleo (core) - (50 80 mm) - Il mantello (cladding) Tre strati: - Il rivestimento primario protettivo (buffer)

21. Realizzazione delle fibre ottiche Attualmente vengono usati due tipi di materiali: Vetri a molti componenti Silice drogata Le tecniche di realizzazione sono molto sofisticate Il metodo attualmente più utilizzato è il metodo della preforma La preforma si realizza attraverso due procedimenti: IVPO – con processo di ossidazione interna in fase di vapore OVPO – senza il processo di ossidazione interna in fase di vapore

22. Realizzazione delle fibre ottiche Attualmente vengono usati due tipi di materiali: Vetri a molti componenti Silice drogata Le tecniche di realizzazione sono molto sofisticate Il metodo attualmente più utilizzato è il metodo della preforma La preforma si realizza attraverso due procedimenti: IVPO – con processo di ossidazione interna in fase di vapore OVPO – senza il processo di ossidazione interna in fase di vapore

23. Indice di rifrazione core > Indice di rifrazione cladding ncore > ncladding Angolo di incidenza > Angolo limite a > alim Propagazione della luce nelle 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 sul cladding Condizioni fondamentali per il funzionamento sono, dunque:

24. Propagazione della luce nelle 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 sul cladding Condizioni fondamentali per il funzionamento sono, dunque: Indice di rifrazione core > Indice di rifrazione cladding ncore > ncladding Angolo di incidenza > Angolo limite a > alim

25. Apertura numerica Angolo di accettazione Il raggio deve entrare nella fibra con un angolo ge tale che risulti a > alim In corrispondenza di alim il raggio rifratto nella fibra forma un angolo di 90° L’angolo ge è quindi il massimo angolo di ingresso possibile e viene chiamato angolo di accettazione

26. Apertura numerica Angolo di accettazione Il raggio deve entrare nella fibra con un angolo ge tale che risulti a > alim In corrispondenza di alim il raggio rifratto nella fibra forma un angolo di 90° L’angolo ge è quindi il massimo angolo di ingresso possibile e viene chiamato angolo di accettazione

27. Apertura numerica I raggi devono entrare nella fibra all’interno del cono di accettazione, formato dai due angoli ge Si definisce apertura numerica la quantità: N.A. = sen ge 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

28. Apertura numerica I raggi devono entrare nella fibra all’interno del cono di accettazione, formato dai due angoli ge Si definisce apertura numerica la quantità: N.A. = sen ge 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

29. Determinare l’apertura numerica e l’angolo di accettazione di una fibra ottica sapendo che i valori degli indici di rifrazione sono: ncore = 1,48 ncladding = 1,46 Esercizio

30. Esercizio Determinare l’apertura numerica e l’angolo di accettazione di una fibra ottica sapendo che i valori degli indici di rifrazione sono: ncore = 1,48 ncladding = 1,46

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

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

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

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

35. Fine