Fibra optică

Pachet de fibre optice

Fibra optică , în știința și tehnologia materialelor , indică un material format din sticlă sau filamente polimerice , realizat în așa fel încât să poată conduce lumina în interiorul acestora, găsind aplicații importante în telecomunicații , diagnosticare medicală și tehnologia iluminatului : cu un diametrul de acoperire ( manta ) de 125 micrometri (aproximativ dimensiunea unui fir de păr) și greutatea foarte mică, sunt disponibile sub formă de cabluri , flexibile, imune la perturbații electrice și la cele mai extreme condiții atmosferice și nu foarte sensibile la variațiile de temperatură .

Clasificate drept ghiduri de undă dielectrice bazate pe neomogenitatea mediului, al cărui nucleu este sediul propagării ghidate a câmpului electromagnetic sub formă de unde electromagnetice , cu alte cuvinte, acestea permit să transmită și să ghideze un câmp electromagnetic cu o frecvență suficient de mare în interiorul lor (în general aproape de infraroșu ) cu pierderi extrem de limitate în ceea ce privește atenuarea . Prin urmare, este utilizat în mod obișnuit în telecomunicații ca mijloc de transmitere a semnalelor optice, de asemenea, pe distanțe mari sau pe rețeaua de transport și în furnizarea accesului la rețea la banda largă cu fir (de la 100 Mbit / s la petabytes / s utilizând tehnologiaWDM ).

Istorie

Principiul pe care se bazează fibra optică a fost demonstrat pentru prima dată de Daniel Colladon și Jacques Babinet , la Paris în jurul anului 1840. Principiul reflectării interne totale a fost folosit pentru a ilumina sursele fântânilor publice. Dezvoltarea ulterioară, la mijlocul secolului al XX-lea, s-a concentrat pe dezvoltarea unui pachet de fibre care urmărea să transmită imagini, a căror prima utilizare a fost gastroscopul medical. Primul gastroscop semi-flexibil cu fibră optică a fost brevetat de Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters și Lawrence E. Curtiss în 1956 . În procesul de dezvoltare a gastroscopului, Curtiss a produs fizic prima fibră optică. Au urmat în curând o varietate de alte aplicații pentru transmiterea imaginilor.

În 1965 Charles K. Kao de la STC și George A. Hockham de la British Post Office au fost primii care au recunoscut că atenuarea fibrelor contemporane a fost cauzată de impurități, care ar putea fi îndepărtate, mai degrabă decât de difuzie optică . Au demonstrat că fibrele optice pot fi un mijloc practic de comunicare dacă atenuarea este redusă sub 20 dB pe kilometru ^[1] .

În această măsură, prima fibră optică pentru comunicații a fost inventată în 1970 de cercetătorii Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter Schultz și Frank Zimar, angajați la Corning, un producător american de sticlă situat în Corning (New York) . Au construit o fibră cu 17 dB de atenuare optică pe kilometru prin doparea siliconului sticlei cu titan .

Amplificatorul optic dopat cu erbiu , care a redus costul sistemelor de fibră optică pe distanțe lungi, eliminând necesitatea repetatoarelor optico-electronice-optice, a fost inventat de David Payne de la Universitatea din Southampton în 1987 . Primul cablu telefonic transatlantic care a folosit fibra optică a fost TAT-8 , care a început să funcționeze în 1988 .

În 1991 , câmpul emergent al LED-urilor cu cristale fotonice a condus la dezvoltarea fibrelor de cristal fotonic ^[2] . Primele fibre de cristal fotonic au fost comercializate începând cu 1996 , pot fi folosite pentru a transporta o cantitate mai mare de energie decât fibrele convenționale și proprietățile lor, variind în funcție de lungimea de undă, pot fi manipulate pentru a-și îmbunătăți performanța în diferite aplicații.

Descriere

Diagrama cu fibră optică a modului unic (SM):
1. Miezul central 8 µm
2. Manta 125 µm
3. Tampon 250 µm
4. Jachetă 400 µm

Fiecare fibră optică individuală este compusă din două straturi concentrice de material transparent extrem de pur: un miez cilindric central sau un miez și o placare în jurul acestuia. Miezul are un diametru foarte mic de aproximativ 10 µm pentru un singur mod și 50 µm pentru multimod , în timp ce mantaua are un diametru de aproximativ 125 µm. Cele două straturi sunt realizate cu materiale cu indice de refracție ușor diferit, mantaua trebuie să aibă un indice de refracție mai mic (de obicei 1,475) decât miezul (aproximativ 1,5). Ca o caracteristică suplimentară, mantaua trebuie să aibă o grosime mai mare decât lungimea de amortizare a undei evanescente , o caracteristică a luminii transmise pentru a capta lumina care nu este reflectată în miez.

Fibra optică funcționează ca un fel de oglindă tubulară. Lumina care intră în nucleu la un anumit unghi (unghi limită ) se propagă printr-o serie de reflexii către suprafața de separare dintre cele două materiale ale nucleului și manta. În afara fibrei există o manta polimerică de protecție numită manta care servește pentru a oferi rezistență la stres fizic și coroziune și pentru a evita contactul dintre fibră și mediul extern.

Diferitele tipuri de fibre se disting prin diametrul miezului, indicii de refracție, caracteristicile materialului, profilul de tranziție al indicelui de refracție și dopajul (adăugarea unor cantități mici de alte materiale pentru a modifica caracteristicile optice).

Miezul și placarea fibrei optice pot fi realizate din polimeri de siliciu sau plastic.

Cablu de fibra optica

Conducte concepute pentru a conține fibra optică

Transmiterea datelor se efectuează în prezent prin intermediul cablurilor din fibră optică, adică una sau mai multe fibre optice conținute într-o singură protecție. În special, un singur cablu poate conține până la 7 fibre, dar adesea două dintre acestea sunt înlocuite cu două fire de material elastomer (așa-numitele umpluturi) al căror scop este consolidarea mecanică a cablului (fibra optică în sine este de fapt foarte fragil la îndoire). Fiecare dintre aceste fibre este apoi protejată de un tampon de culoare diferită și, în cele din urmă, alte două învelișuri înfășoară complet cele 7 fire (5 fibre optice plus 2 umpluturi). Prima, cea mai interioară teacă este realizată din aramidă și adaugă altă rezistență mecanică (împiedică cablul să aibă îndoiri prea strânse în cale); teaca cea mai exterioară, pe de altă parte, din material termoplastic, asigură izolație termică și protecție împotriva umidității.

Cablurile de fibră optică utilizate în rețelele telefonice pentru transportul unor cantități mari de informații, utilizate atât în rețeaua de acces pe rețeleleNGN , cât și în rețeaua de transport (unde au fost deja prezente de la sfârșitul anilor șaptezeci ) constau dintr-un cablu cu un conductor metalic intern, folosit pentru a-și adapta deformarea odată pusă, făcându-l mai rigid. Fibrele conținute în acesta sunt la rândul lor acoperite cu o înveliș de protecție, în timp ce la exterior cablul are și un capac care îl face impermeabil la apă și tratat pentru a nu fi atacat de rozătoare în interiorul conductelor . De-a lungul traseului la fiecare tòt km există amplificatoare și regeneratoare pentru a depăși problemele de atenuare și dispersie a semnalului. Printre tehnicile inovatoare de așezare, pe lângă cele clasice, merită menționate mini-șanțul și micro-șanțul, reducând costurile și timpii de instalare.

Senzori de fibra optica

Același subiect în detaliu: Senzor cu fibră optică .

Lumina care se deplasează în interiorul fibrei optice este sensibilă la deformările fibrei în sine. Din această considerație, au apărut aplicații care exploatează analiza undelor transmise și reflectate pentru a evalua dacă de-a lungul traseului există factori care au provocat deformări, încercând să localizeze zona afectată și amploarea fenomenului.

Senzorii de fibră optică sunt creați pentru a exploata caracteristicile fibrei, precum imunitatea la interferențele electromagnetice, pierderile reduse de semnal pe distanțe mari, amprenta mică, o gamă largă de temperaturi de funcționare. Senzorii pot fi „intrinseci”, adică se bazează pe modificări ale undei luminoase, sau „extrinseci”, în care lumina transmite informații derivate din senzorii electronici. Senzorii intrinseci pot utiliza analiza refracției în timp („domeniul timpului”) sau lungimile de undă („domeniul frecvenței”).

Silice

Fibra optică este o singură fibră de sticlă . Fibrele sunt fabricate din silice ultra pură, care se obține din reacția dintre tetraclorură de siliciu și oxigen . Germaniul (sub formă de tetraclorură de germaniu ) se adaugă la siliciu destinat producției miezului pentru a-și crește indicele de refracție fără a-și modifica atenuarea. Pe de altă parte, în silica destinată mantei, se adaugă bor pentru a reduce indicele de refracție . Principalul dezavantaj al fibrelor optice din silice este fragilitatea lor. Datorită diametrului lor extrem de mic, au și o deschidere numerică mică (NA≈0.16) și sunt dificil de conectat.

Polimeri

Fibra constă dintr-un material plastic , de obicei polimetilmetacrilat . Aceste fibre optice polimerice sunt mult mai ușor de manevrat decât fibrele fragile din sticlă. Mărimea miezului este mult mai mare (1 mm) decât fibrele de silice, deci există o deschidere numerică mai mare și posibilitatea de a realiza fibre multimodale, totuși acest tip de fibre optice are o atenuare destul de mare și o rezistență slabă la căldură. Fibrele optice din plastic au un cost pe metru liniar similar cu cel al fibrelor de sticlă, dar garantează o capacitate mare de transmisie a datelor, cum ar fi conductorii organici în general, cu o lățime de bandă de până la un gigabyte / secundă la 100 de metri. În favoarea lor există costul mai redus al componentelor transceiverului și ușurința de asamblare a terminalelor (dacă este necesar), ceea ce a condus la utilizarea lor în medii de automatizare industrială pe distanțe de până la 100 m.

Operațiune

Același subiect în detaliu: propagare ghidată , optoelectronică și optică cuantică .

Funcționare cu fibră optică cu index de trepte

Reflecție internă totală ( a ) și refracție externă ( b ) pentru două fascicule de lumină într-o fibră optică cu index de trepte

Un studiu riguros al fizicii fibrelor optice necesită concepte de optoelectronică și optică cuantică .

Folosind o comparație a opticii clasice, în fibrele optice apare un fenomen de reflexie internă totală , prin care discontinuitatea indicelui de refracție dintre materialele miezului și a mantalei captează radiația luminii atâta timp cât menține un unghi destul de pășunat, în exersați până când fibra nu face curbe prea ascuțite.

În figură este reprezentat ca două raze de lumină, adică două trenuri de radiații electromagnetice, care afectează interfața dintre miez și placarea din interiorul fibrei optice. Fascicul de impact într-un unghi $\theta _{a}$ ${\ displaystyle \ theta _ {a}}$ $\ theta _ {a}$ mai mare decât unghiul critic total de reflexie și rămâne prins în miez; grinda b taie sub un unghi $\theta _{b}$ ${\ displaystyle \ theta _ {b}}$ $\ theta _ {b}$ mai mic decât unghiul critic și este refractat în manta și, prin urmare, pierdut. Este important să ne amintim că în optică este indicat unghiul dintre radiație și normal la suprafață, adică 90º- $\alpha$ ${\ displaystyle \ alpha}$ $\ alfa$ unde este $\alpha$ ${\ displaystyle \ alpha}$ $\ alfa$ este unghiul, mai intuitiv dar mai incomod de utilizat, dintre radiație și suprafață.

Compararea fibrelor optice

În cadrul unei fibre optice, semnalul se poate propaga rectiliniu sau poate fi reflectat de un număr foarte mare de ori. Se spune că modul de propagare rectiliniu este de ordin zero . Singlemode fibre permit propagarea luminii într - un singur mod și au un diametru de miez între 8 pm și 10 pm, multimod fibrele permit propagarea multiple moduri, și au un diametru de bază de 50 pm sau 62,5 pm. Mantaua are de obicei un diametru de 125 µm.

Este posibil să se cunoască a priori numărul de moduri posibile Nm pentru o radiație de lungime de undă λ care traversează o fibră cu indică pas cu diametrul d cu diafragmă numerică NA

Nm = 0,5 × $\left({\frac {\pi dNA}{\lambda }}\right)^{2}$ ${\ displaystyle \ left ({\ frac {\ pi dNA} {\ lambda}} \ right) ^ {2}}$ ${\ displaystyle \ left ({\ frac {\ pi dNA} {\ lambda}} \ right) ^ {2}}$ M = $\left({\frac {\pi dNA}{\lambda }}\right)^{2}$ ${\ displaystyle \ left ({\ frac {\ pi dNA} {\ lambda}} \ right) ^ {2}}$ ${\ displaystyle \ left ({\ frac {\ pi dNA} {\ lambda}} \ right) ^ {2}}$

Fibrele multimode permit utilizarea unor dispozitive mai ieftine (LED, E-LED, VCSEL), dar suferă fenomenul de dispersie intermodală, pentru care diferitele moduri se propagă în timpi ușor diferiți, iar acest lucru limitează distanța maximă la care poate fi recepționat semnalul. corect, mai ales la viteze mari (Gigabit / sec).

Fibrele monomod au un preț mult mai mic decât multimodul și pot acoperi distanțe și ating viteze semnificativ mai mari. Pe de altă parte, acestea necesită dispozitive de emisie cu laser mai scumpe și necesită o conexiune terminală mai precisă și mai precisă.

Fibrele multimodale pot fi împărțite în continuare în fibre index pas și fibre index gradate .

În fibrele cu indice de pas, indicele de refracție este constant de-a lungul întregii secțiuni a nucleului și se schimbă brusc când se întâlnește mantaua.
În fibrele indexate gradate, indicele de refracție se schimbă treptat de la miez la manta, permițând utilizarea luminii multi-cromatice.

Atenuare

Mecanisme de pierdere în fibra optică

În mod ideal, fibrele optice sunt un mediu de transmisie perfect. De fapt, pe lângă faptul că nu sunt afectați în niciun fel de perturbări electromagnetice sau diafragme , dacă sunt structurate corespunzător pentru a garanta reflexia totală a semnalului de intrare, teoretic, acestea permit transferul complet al puterii de intrare la ieșire.

În practică, însă, apar fenomene fizice care, în orice caz, determină atenuarea puterii de-a lungul fibrei; aceste pierderi, de obicei evaluate statistic în termeni de atenuare specifică sau în dB / km, se datorează:

proprietățile intrinseci ale mediului;
prezența impurităților în interiorul materialului;
specificațiile ghidurilor dielectrice deschise.

Pierderi prin absorbție

Materialul din care sunt fabricate fibrele optice este alcătuit din macromolecule care interacționează între ele prin forțe van der Waals . În mod normal, aceste macromolecule se pot roti în jurul unei axe sau pot vibra. În timpul acestor mișcări, aceste molecule absorb radiația, vibrează și pot emite mai mult. Starea lor de rezonanță se declanșează pentru anumite lungimi de undă. Orice material care este transparent pentru o radiație este inevitabil opac pentru o altă lungime de undă. De exemplu, sticla este transparentă în domeniul vizibil (≈ 400 nm ÷ 750 nm) în timp ce este opacă în domeniul infraroșu (≈ 750 nm ÷ 1000 nm). Prin urmare, fibrele din sticlă sunt utilizabile numai cu surse de lumină vizibile.

În timpul procesului de fabricație, fibra tinde inevitabil să absoarbă vaporii de apă. În abur, precum și în sticlă, sunt prezente grupuri OH. La anumite frecvențe particulare, moleculele OH sunt excitate și absorb energie electromagnetică (lungimi de undă de 1,24 și 1,38 µm ) provocând pierderi.

Pierderi de difuzie ( împrăștiere Rayleigh)

Pierderile de semnal de difuzie sunt cauzate de:

anizotropie de polarizare;
fluctuații ale densității mediului;
mici (≈ 0,1 × λ) nereguli ale mediului;

Aceste imperfecțiuni determină o ușoară răspândire (adică abaterea la diferite unghiuri) a semnalului. Acest lucru nu este legat de o pierdere de energie, ci de o pierdere de putere. În sticlă această pierdere este egală cu: α ≈ 0,7 × λ $^{-4}$ ${\ displaystyle ^ {- 4}}$ $^ {{- 4}}$ [dB / km]. Pierderile de semnal datorate difuziei pot fi estimate în conformitate cu o formă a legii lui Rayleigh: $\tau _{d}=C\left({\frac {8\pi ^{3}}{3\lambda _{0}^{4}}}\right)\left({\frac {(n^{2}-1)(n^{2}+2)}{3}}\right)^{2}kT_{g}\beta$ ${\ displaystyle \ tau _ {d} = C \ left ({\ frac {8 \ pi ^ {3}} {3 \ lambda _ {0} ^ {4}}} \ right) \ left ({\ frac { (n ^ {2} -1) (n ^ {2} +2)} {3}} \ right) ^ {2} kT_ {g} \ beta}$ ${\ displaystyle \ tau _ {d} = C \ left ({\ frac {8 \ pi ^ {3}} {3 \ lambda _ {0} ^ {4}}} \ right) \ left ({\ frac { (n ^ {2} -1) (n ^ {2} +2)} {3}} \ right) ^ {2} kT_ {g} \ beta}$

C = factorul Cabannes , implementează un factor în formulă datorită anizotropiei moleculelor. De exemplu, este 1,1 pentru polimetil metacrilat sau 2,7 pentru polistiren .
$\lambda _{0}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {0}}$ $\ lambda _ {0}$ = lungimea de undă în vid
n = indicele de refracție al nucleului
k = constanta Boltzmann
$T_{g}$ ${\ displaystyle T_ {g}}$ $T_ {g}$ = temperatura de tranziție a sticlei
β = coeficientul de compresibilitate izotermă a nucleului

Un indice de refracție scăzut și o compresibilitate redusă reduc posibilitatea difracției fasciculului datorită variațiilor de densitate a mediului. Cu toate acestea, în cazul fibrelor optice polimerice, compresibilitatea materialului este direct legată de volumul molecular. Polimerii reticulați dens au o compresibilitate redusă, dar au un indice de refracție ridicat. Polimerii constând din molecule cu un volum molecular mare posedă o compresibilitate ridicată, dar un indice de refracție scăzut.

Pierderi specifice ale ghidajelor dielectrice

În plus față de pierderile datorate mediului, există și alte tipuri de pierderi într-un ghid dielectric. Acestea nu se datorează tipului de lumină utilizată, ci sunt legate de deformările și discontinuitățile prezente în ghid; pentru a avea efecte semnificative, periodicitatea perturbațiilor trebuie să fie astfel încât să genereze interferențe constructive.

Curbura ghidului dielectric

Are un efect dublu asupra semnalului optic:

deformarea distribuției câmpului electromagnetic;
excitația componentelor spectrului nedorite.

Curbura ghidului dielectric

Curbura generează o cuplare între modul ghidat și modurile radiative ale spectrului. Dacă raza de curbură este suficient de mare, se poate presupune că distribuția câmpului modului ghidat suferă o ușoară și irelevantă deformare. Deci pierderea este legată de unghiul de îndoire al ghidajului.

Ondulații ale ghidului dielectric

La prelucrarea ghidajului se pot crea ondulații de-a lungul pereților exteriori. Ele pot fi periodice și, prin urmare, dau naștere unei pierderi de energie care este radiată extern. De asemenea, în acest caz există o cuplare între modul ghidat și modurile radiative.

Imperfecțiuni în fabricație

Pierderea semnalului se poate datora și imperfecțiunilor din fabricarea fibrei: particule de praf, micro-aspiratoare și fisuri. Aceste imperfecțiuni, dacă au o dimensiune comparabilă cu lungimea de undă, interferează, producând fenomene de difracție, absorbție etc.

Dispersie

Lucrând cu fenomene fizice de frecvență foarte înaltă (unde de lumină), în mod ideal ar fi posibile viteze de transmisie foarte mari cu fibrele optice. În practică, însă, intervin factori fizici care provoacă distorsiuni și, prin urmare, interferența intersimbolică prin limitarea vitezei posibile de transmisie într-o fibră optică.

Distorsiuni în fibra optică

Dispersie modală : fenomen datorat faptului că raza de lumină nu se deplasează în interiorul fibrei conform unei căi prestabilite, ci în funcție de un număr finit de moduri (derivate din legea lui Snell ). Vor exista modalități prin care fasciculul ajunge mai repede la destinație, altele care îl fac să ajungă mai târziu (primul caz limitativ este modul în care se deplasează complet drept peste fibra optică; al doilea caz limitativ este raza care intră în fibră cu unghi egal cu unghiul limită de acceptare și, prin urmare, trebuie să efectueze un număr foarte mare de reflexii. Evident, o cale complet dreaptă este mai rapidă decât o cale zig-zag). Din acest motiv, forma semnalului original este dilatată în timp și, dacă frecvența este prea mare, se poate confunda cu următorul impuls (interferență intersimbolică), împiedicând astfel citirea semnalului original. Pentru a depăși acest dezavantaj, se pot utiliza fibre indexate multimod (în care indicele de refracție variază continuu de la centrul miezului până la manta) sau fibre monomod.
Dispersie cromatică : fenomen datorat faptului că lumina pură transmisă în fibre de către transmițător nu este perfect monocromatică, ci este de fapt alcătuită din fascicule de lumină de culori diferite, adică cu frecvențe sau lungimi de undă diferite și, prin urmare, viteze de trecere. Avem aceeași problemă așa cum am văzut mai sus: se poate întâmpla ca fasciculul de lumină roșie (cel mai rapid) să se confunde cu fasciculul de lumină violetă (cel mai lent) al impulsului trimis anterior, făcând imposibilă decodarea semnalului original. Pentru a rezolva această problemă, LED-urile monocromatice sunt folosite pentru a transmite lumina.
Dispersia de polarizare : fenomen datorat asimetriilor miezului cilindric al fibrei datorate, la rândul său, solicitării mecanice sau imperfecțiunilor fibrei în timpul procesului de producție și care provoacă fenomene de birrefringență a undei electromagnetice ghidate: componentele ortogonale ale câmpului electromagnetic, în mod normal în fază, suferă o schimbare de fază între ele provocând distorsiunea impulsului optic transmis. Are caracteristici tipice ale întâmplării .

În general dispersia crește odată cu distanța fibrelor de la transmițător .

Utilizare în telecomunicații

Cablu compus din mai multe fibre optice

Același subiect în detaliu: comunicații cu fibră optică .

Dacă în anii șaptezeci fibrele optice erau folosite ca obiect decorativ pentru producția de lămpi, de câteva decenii acum ele erau deja o realitate consacrată și o componentă esențială în industria telecomunicațiilor și a comunicațiilor optice conexe, încă în curs de evoluție. Gândiți-vă doar că toate principalele coloane vertebrale ale rețelei telefonice și ale internetului , inclusiv conexiunile intercontinentale submarine, sunt deja în fibră optică, înlocuind de mult clasicul cablu coaxial .

Principalele avantaje ale fibrelor față de cablurile de cupru din telecomunicații sunt:

atenuare scăzută, care face posibilă transmiterea pe distanțe mari fără repetatoare ;
capacitate mare de transport de informații sau viteză de transmisie (de ordinul terabitului / s) datorită capacității foarte mari a benzii și atenuării reduse a semnalului util (teorema Shannon-Hartley);
imunitate la interferențe electromagnetice , inclusiv impulsuri electromagnetice nucleare (dar pot fi deteriorate de radiațiile alfa și beta);
absența diafragmei care în conexiunile de cupru ( comunicații electrice ) este o cauză suplimentară a decăderii calității semnalului în ceea ce privește raportul semnal / zgomot în ultima milă ( problema ultimului kilometru ) sau, prin urmare, a vitezei de transmisie : lumina de fapt rămâne limitată la fibre sau nu se dispersează în exterior creând interferențe;
valori scăzute ale BER ;
putere redusă conținută în semnale;
rezistență electrică ridicată , deci este posibil să se utilizeze fibre în apropierea echipamentelor cu potențial ridicat sau între locații cu potențial diferit;
greutate și dimensiuni modeste;
flexibilitate bună la nevoie;
rezistență excelentă la condiții meteorologice nefavorabile;

În acest context, fibra optică necesită, de asemenea, un aparat de recepție și amplificare optoelectronică pentru semnale optice, cum ar fi lasere , fotodetectoare , amplificatoare optice și modulatori . Un cablu cu fibră optică, deoarece conține mai multe fibre optice, este de obicei mult mai mic și mai ușor decât un cablu coaxial sau cablu cu capacități de canal similare și este mai ușor de manevrat și instalat.

Ferestre de transmisie

Ferestre de transmisie într-o fibră optică de siliciu

În comunicațiile optice, spectrul de transmisie este de obicei descris în termeni de lungime de undă, mai degrabă decât de frecvență . Combinând diferitele fenomene de atenuare , refracție , dispersie , există trei „ferestre” de transmisie potrivite în mod special pentru utilizarea în telecomunicații, cu performanțe și costuri în creștere.

„prima fereastră”: 850 nm (în intervalul vizibil), utilizat în principal cu lasere cu diode ieftine cu lumină multimodă. Permite realizarea de conexiuni de 275 m pe 62,5 / 125 fibre și 550 m pe 50/125 fibre.
„a doua fereastră”: 1310 nm, utilizată cu lasere multimod sau monomod. Permite realizarea de conexiuni de 5 - 10 km pe fibre monomod.
"a treia fereastră": 1550 nm, utilizată cu lasere monomod. Această fereastră vă permite să realizați cele mai mari distanțe, inclusiv conexiuni de 100 km cu echipamente relativ ieftine. Prin exploatarea acestei lungimi de undă, o bună fibră monomodă obține o atenuare de ordinul 0,2-0,25 dB / km ^[3] .

Lungimile de undă în jurul valorii de 1250 nm și 1470 nm prezintă vârfuri de absorbție, supratone ale vârfului de absorbție vibrațională al grupului OH al moleculelor de fibre. Cu toate acestea, există o abordare chimică care permite eliminarea celui de-al doilea vârf, unind în mod eficient ultimele două ferestre: aceste fibre sunt numite „fibre cu toate undele” ^[3] .

Tipologie

Diagrama unei fibre optice

Fibrele utilizate pentru legăturile medii până la lungi (0,5-40 km) sunt toate fibre monomod, în timp ce fibrele multimod pot fi utilizate pentru legături scurte de până la 2 km cu costuri de fabricație mai mici. Dintre fibrele monomod, se disting următoarele standarde:

fibre standard optimizate în dispersie în a doua fereastră, dar cu atenuare minimă în a 3-a, utilizabilă în rețeaua de acces unde lungimea conexiunilor este scurtă în comparație cu rețeaua de transport ( UIT G652);
fibre optimizate în dispersie în cea de-a treia fereastră, precum și atenuare ( dispersie mutată DS - ITU G653);
fibre de dispersie non-zero (dispersie non-zero NZD - UIT G655) utilizate pentru a contracara unele efecte neliniare în fibre

Joncțiuni și conectări

Conectori de tip ST (stânga) și SC (dreapta)

Conectori de tip MTRJ (stânga) și LC (dreapta)

Două secțiuni de fibre optice de același tip pot fi unite prin fuziune, obținând o cuplare excelentă a miezului. Această operațiune se efectuează semiautomatic prin intermediul echipamentelor care aliniază automat mantile sau chiar miezurile și controlează fuziunea. O îmbinare bine realizată are ca rezultat atenuarea mai mică de 0,05 dB. De obicei, fibrele optice în legături lungi sunt îmbinate în acest mod la fiecare 1-2 km.

În utilizare practică, o legătură bidirecțională (de exemplu IEEE 802.3 ) sau full duplex este realizată folosind o pereche de fibre, una pentru fiecare direcție. 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.

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 oa 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 20 km, con fibra da 0,24 dB/km, 6 giunzioni lungo il collegamento, connettori solo alle estremità è stimabile in:

20 km × 0,24 dB/km + 6 × 0,1 dB + 2 × 0,5 dB = 4,8 dB + 0,6 dB + 1 dB = 6,4 dB

aggiungendo 4 dB di margine di sicurezza, gli apparati dovranno avere un power budget minimo di 10,4 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 canali in frequenza, arrivando a capacità massime dell'ordine del Tbit/s. Attraverso lo studio di 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.

Diffusione nelle telecomunicazioni

Varie municipalizzate e operatori di telecomunicazioni stanno costruendo reti proprietarie in fibra ottica con ampiezza di banda che arriva a 1000 Mbit/s in accesso, indispensabili per la Tv via Internet e servizi di 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.

Nel 1977 Torino divenne la prima città italiana cablata con una rete ottica sperimentale, su progettazione CSELT e con la collaborazione di Sirti e Prysmian ^[4] ^[5] .

In Italia, un altro esempio di rete in fibra ottica è Metrocore . Nata per scopi di ricerca come rete interna del CNR di Pisa , collega questura , pretura e centro abitato, a una velocità di circa 1 gigabit/secondo. In alcuni tratti della rete, la velocità di connessione cresce significativamente a 10 gigabit/secondo, 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.

Fra le società citate: la rete di Autostrade SpA (che connette insegne luminose, telecamere, Telepass ), la rete di Enel per uso interno di controllo della domanda e offerta ( dispacciamento ) d' energia elettrica sulla rete elettrica , Rai , BT Italia , la rete GARR che collega le università italiane, vari operatori di telefonia mobile in quanto le Stazioni radio base sono collegate anche in fibra ottica, le reti di accesso wireless per il collegamento degli hotspot con la rete di trasporto .

Secondo i dati di AGCOM , a giugno 2019 le linee in fibra ottica in Italia per la prima volta hanno superato quelle in ADSL solo rame ^[6] .

Normativa

Il Decreto " Banda larga " ( decreto-legge n. 112/2008, convertito in legge n. 133/2008) ha abolito qualsiasi diritto di esclusiva nella posa e nel passaggio delle dorsali in fibra ottica. Nelle aree sottoutilizzate, ha previsto la gratuità per la posa di cavi e infrastrutture a banda larga, per un congruo periodo dell'utilizzo del suolo pubblico e privato (abolizione della tassa di occupazione del suolo pubblico, delle servitù di passaggio e dei diritti di superficie).

Per l'avvio dei lavori è sufficiente una dichiarazione di inizio attività, mentre resta necessaria l'autorizzazione degli enti locali per l'attraversamento di strade, centri storici e abitati di loro proprietà o competenza, escludendo le altre aree demaniali. Vale il silenzio-assenso, per cui la richiesta autorizzativa agli enti locali si intende accolta se non riceve risposta entro 60 giorni. Non sono più necessarie autorizzazioni delle assemblee condominiali (o dei proprietari) per la posa di cavi e infrastrutture avanzate di comunicazione all'interno dei condomini e degli insediamenti residenziali.

Note

^ Jeff Hecht, Understanding Fiber Optics 1999 , p. 114
^ Science ( 2003 ), vol. 299, p. 358
^ ^a ^b Encyclopedia of Laser Physics and Technology
^ Virginio Cantoni, Gabriele Falciasecca, Giuseppe Pelosi, Storia delle Telecomunicazioni, vol.1, Firenze : Firenze university press, 2011.
^ Archivio Storico Telecom: 15 settembre 1977, Torino, prima stesura al mondo di una fibra ottica in esercizio. Un record detenuto da Telecom Italia.
^ Comunicato stampa 17-10-2019 - Documento - AGCOM , su www.agcom.it . URL consultato il 29 ottobre 2019 .

Bibliografia

( EN ) Govind P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems , 3ª ed., New York, Wiley-Interscience , 2002, p. 546, ISBN 0-471-21571-6 .

Voci correlate

Altri progetti

Wikizionario contiene il lemma di dizionario « fibra ottica »
Wikiversità contiene risorse sulla fibra ottica
Wikimedia Commons contiene immagini o altri file sulla fibra ottica

Collegamenti esterni

( EN ) Fibra ottica / Fibra ottica (altra versione) , su Enciclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
Descrizione tecnica della messa in posa tramite minitrincea , su aing.biz (archiviato dall' url originale il 24 novembre 2012) .
Progetto del Governo e operatori di tlc per una rete di nuova generazione, Ottobre 2010 , su docs.google.com .
Valutazione dei costi socio-ambientali delle tecniche di scavo con minitrincea , su docs.google.com .
Esempio di capitolato di appalto per una rete in fibra ottica mediante minitrincea , su docs.google.com .
Descrizione della tecnica OneDayDig TM “scavo in una sola giornata” , su ors.regione.lombardia.it (archiviato dall' url originale il 18 novembre 2012) .
Polycom - brevetto di atenei europei per conduttori in fibra ottica plastica , su fisi.polimi.it . URL consultato il 23 novembre 2010 (archiviato dall' url originale il 4 luglio 2007) .

Controllo di autorità	Thesaurus BNCF 23191 · LCCN ( EN ) sh85095177 · GND ( DE ) 4267405-0 · BNF ( FR ) cb119415249 (data) · NDL ( EN , JA ) 00562771

Portale Chimica	Portale Elettronica
Portale Ingegneria	Portale Scienza e tecnica

[1] Jeff Hecht, Understanding Fiber Optics 1999 , p. 114

[2] Science ( 2003 ), vol. 299, p. 358

[ELPT-3] Encyclopedia of Laser Physics and Technology

[4] Virginio Cantoni, Gabriele Falciasecca, Giuseppe Pelosi, Storia delle Telecomunicazioni, vol.1, Firenze : Firenze university press, 2011.

[5] Archivio Storico Telecom: 15 settembre 1977, Torino, prima stesura al mondo di una fibra ottica in esercizio. Un record detenuto da Telecom Italia.

[6] Comunicato stampa 17-10-2019 - Documento - AGCOM , su www.agcom.it . URL consultato il 29 ottobre 2019 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

V · D · M Suite di protocolli Internet
Livello di applicazione	FTP · HTTP · HTTP/2 · HTTP/3 · HTTPS · NNTP · DHCP · DNS · SMTP · POP3 · IMAP · Telnet · SSH · SFTP · TFTP · IRC · SNMP · VoIP · SIP · RTP · RTSP · Rsync · HSRP · RIP · BGP · IGRP · altro..
Livello di trasporto	TCP · UDP · SCTP · DCCP · altro..
Livello di rete	IP ( IPv4 · IPv6 ) · ICMP ( ICMPv6 ) · IGMP · IPsec · OSPF · altro..
Livello di accesso alla rete ( LLC · MAC )	ARP · RARP · NDP · PPP · SLIP · Ethernet · Token ring · Token bus · WiFi · Powerline · ATM · SPB · MPLS · FDDI · HSDPA · WiMAX · altro..