ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE
STATALE
<<E. Fermi>>
72021 FRANCAVILLA FONTANA
(Brindisi)
VIA CAPITANO DI CASTRI
Indirizzi: MECCANICA, ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI,
ELETTROTECNICA E AUTOMAZIONE
ANNO SCOLASTICO 2004/2005
TITOLO DELL’AREA DI PROGETTO E
DISCIPLINE COINVOLTE:
“ Trasmissione dei
segnali attraverso la fibra ottica”
• DISCIPLINE COINVOLTE:
ü Elettronica: ing.
De Paolis Pietro
ü Telecomunicazione:
prof. Ingrosso Dario
ü Inglese:
prof. Petrarolo Enrico
Data: 06/06/2005 Classe: 5 D/Elettronica
STUDENTI
: SARACINO
FRACESCO
PIETRO
CINIERI
Indice
INTRODUZIONE E FINALITÀ DEL PROGETTO
L’Area di Progetto “Trasmissione dei segnali attraverso le fibre
ottiche” , avviata nella Classe5DN nel corso dell’anno scolastico
2004/2005, rappresenta il naturale compimento della parteteorica e di ricerca
già avviate negli anni scolastici precedenti 2002/03 e 2003/04 nella stessa
classe.
Il progetto persegue l'obiettivo di una
particolare conoscenza delle metodologie realizzative etecniche applicative nei
montaggi con cavi e apparecchiature adoperanti le fibre ottiche.
• 3° ANNO:
Cenni storici della
Fibra Ottica
Cenni sulla
caratteristica della luce
Propagazione della
luce nella fibra ottica
Struttura della fibra
ottica
• DISCIPLINE COINVOLTE:
ü Sistemi
elettronici: prof.ssa Valzano Rita e Docente TP Iaia Antonio
ü T.D.P.
: prof.ssa Guarini Anna Maria
ü Elettrotecnica: prof. Milizia Roberto
• 4°ANNO:
Classificazione delle
fibre ottiche
Dispersione cromatica
della fibra ottica
Cause di Attenuazione
in un collegamento su fibra ottica
Perdite nelle fibre
ottiche
• DISCIPLINE COINVOLTE:
ü
T.D.P e
Telecomunicazione: prof.ssa
Guarini Anna Maria
• 5°ANNO:
Sistema di trasmissione su fibra ottica
Cenni sui processi produttivi
Vantaggi e svantaggi delle fibre ottiche
Applicazione delle fibre ottiche
Progettazione e realizzazione di un sistema di trasmissione
dati con fibra ottica
• DISCIPLINE COINVOLTE:
ü Elettronica: ing.
De Paolis Pietro
ü Telecomunicazione:
prof. Ingrosso Dario
ü Inglese:
prof. Petrarolo Enrico
• Cenni storici della fibra ottica
Sin dalla antichità uno dei principali interessi ed esigenze
degli esseri umani è stata quella di ideare sistemi di comunicazione per
inviare messaggi o per trasportare informazione tra due luoghi distanti tra
loro. Uno tra gli elementi fondamentali per un qualsiasi sistema di
comunicazione è costituito dal canale di trasmissione, "trasmission
link", o più brevemente "link" che connette la sorgente alla
stazione ricevente. La sorgente in generale è dotata di un sistema di codifica
della informazione sul segnale usato per la trasmissione, mentre la stazione ricevente
è dotata di un sistema di decodifica. Per limitarci al passato più vicino a
noi, tra gli eventi fondamentali per le telecomunicazioni ricordiamo
l'invenzione del telegrafo da parte di Samuel F.B. Morse nel 1837 che ha aperto
l'era delle comunicazioni basate sulla trasmissione di un segnale elettrico su
filo, e l'esperimento di Guglielmo Marconi nel 1895 che ha esteso le
possibilità delle trasmissioni via etere di segnali elettromagnetici.
Ai nostri giorni
sono sempre questi tipi di segnali, generati mediante codifica della
informazione su onde elettromagnetiche, a venire utilizzati per la trasmissione
dati. Le onde radio, le microonde, le onde luminose e la più comune luce sono
tutte onde elettromagnetiche, dette anche radiazioni elettromagnetiche. Queste
possono essere utilizzate come portanti e differiscono tra loro per una
grandezza fondamentale che è la frequenza dell'onda. Nei casi succitati si va
dalle centinaia di milioni di hertz delle onde radio fino ai milioni di
miliardi di Hertz per le onde luminose. Le onde elettromagnetiche si propagano
in aria tutte con la stessa velocità che si avvicina alla massima velocità di
propagazione possibile di un segnale, ossia la velocità di propagazione della
luce che è trecento mila chilometri al secondo. Si può dimostrare che la
quantità di informazione trasferibile nella unità di tempo e la banda di
modulazione sono proporzionali alla frequenza delle onde portanti. Da qui
l'enorme interesse che ha suscitato e continua a suscitare l'utilizzo come
portanti delle onde luminose per la trasmissione dati. In realtà la
trasmissione dati mediante onde luminose direttamente in atmosfera presenta
degli inconvenienti tipicamente atmosferici quali pioggia , nebbia, neve,
polveri inquinanti etc. che possono alterare la trasmissione dati tra due
postazioni. Anche se questo tipo di utilizzo è ancora presente in vari settori
della tecnologia, dal 1960 in poi è prevalso l'utilizzo di "links"
più adatti alla trasmissione di informazione tramite segnale luminoso, tra i
quali le fibre ottiche.
La singola fibra
ottica è un filo di vetro sottilissimo che riflette al suo interno la luce e la
trasmette per tutta la sua lunghezza. La data del 1960 è importante perché di
quell'anno è la nascita di un altro protagonista della scienza e della
tecnologia dei giorni nostri, il "laser" (acronimo che sta per
"light amplification by stimulating emission of radiation"). Esso è
una sorgente di luce particolarmente potente, efficiente, e di particolare
qualità detta sorgente coerente. Ed è proprio il laser che viene utilizzato
come sorgente per le onde da utilizzare come portanti per la trasmissione dati
attraverso le fibre ottiche. La fibra è costituita da un nucleo
"core" fatto di un vetro con un certo indice di rifrazione e da un
mantello "cladding" fatto di un vetro con indice di rifrazione più
basso. Queste caratteristiche di costruzione fanno in modo che i raggi luminosi
rimangano intrappolati nel "core" a causa di un effetto, detto della
riflessione interna totale, e si propaghino senza attenuazione apprezzabile per
distanze dell'ordine dei chilometri. Dal 1970, infatti, si sono cominciate ad
utilizzare fibre con bassissima attenuazione e per limitare ancora di più
l'attenuazione oggi si utilizzano radiazioni di frequenza compresa in due
"finestre" nell'infrarosso.
La prima fibra
ottica fu costruita agli inizi degli anni settanta ed è caratterizzata da una
lunghezza d' onda di funzionamento di 0.8 micrometri-prima finestra, dove la
attenuazione è di qualche db/km e si tratta di fibre ottiche multimodo cioè in
grado di far transitare il segnale secondo diverse modalità di propagazione. La
capacità di questi sistemi è limitata soprattutto dalla intrinseca incapacità
delle fibre ottiche multimodo di trattare segnali a banda larga. La seconda generazione
di fibre ottiche tipica degli anni ottanta è caratterizzata da una lunghezza
d'onda di funzionamento di 1.3 micrometri-seconda finestra, dove l'attenuazione
è poco maggiore di un db/km e da fibre ottiche in cui il modo di propagazione
del segnale è unico, si tratta cioè di fibre monomodo. L'insieme di queste
caratteristiche porta a un enorme aumento della capacità rispetto ai sistemi di
prima generazione, capacità che è stata però ulteriormente migliorata dai
sistemi di terza generazione funzionanti nella zona di minima attenuazione
della fibra ottica cioè alla lunghezza d'onda di 1.55 micrometri dove la
attenuazione è di 0.25 db/km.
• Cenni sulla caratteristica della luce
Il segnale inviato su
una fibra ottica è, come dice il nome un segnale ottico. E’utile quindi
definire alcuni concetti di ottica.
Per poter spiegare
tutti i fenomeni cui è soggetto un segnale ottico, la fisica considera la luce
come un a energia avente una duplice natura. La luce è costituita da onde
elettromagnetiche aventi frequenze elevatissima. Viene considerata tale quando
se ne studia la propagazione, con tutti i fenomeni correlati. Infatti questa
teoria permette di spiegare fenomeni quali la riflessione la rifrazione, la
diffrazione ecc… La luce è composta da particelle di energia elettromagnetica,
detti fotoni. Essa viene considerata in questo modo quando interagisce con la
materia, poiché con questa teoria si è in grado di spiegare l’emissione
luminosa che avviane in un diodo LED.
▪
Spettro elettromagnetico
La luce
visibile è costituita da onde elettromagnetiche (cioè vibrazioni di campi
elettrici e magnetici) che si propagano nello spazio.
A differenza delle analoghe onde del mare (molto più lente!), le onde
elettromagnetiche viaggiano alla velocità della luce: 300.000 chilometri al
secondo. Un'onda elettromagnetica è caratterizzata da una frequenza e da una lunghezza d'onda associata a questa frequenza. L'insieme di
tutte le onde elettromagnetiche, classificate in base alle loro frequenze
caratteristiche, costituisce lo "spettro elettromagnetico".
La maggior parte dello spettro elettromagnetico è invisibile all'occhio umano.
Alle frequenze più alte abbiamo i raggi gamma, i raggi X
e la luce ultravioletta.
La radiazione
infrarossa, le microonde (o onde millimetriche) e le onde radio
occupano la regione a bassa frequenza dello spettro.
Nel mezzo, su un intervallo di frequenze molto stretto, troviamo la luce visibile.
Lo spettro elettromagnetico è costituito da un insieme continuo di frequenze. Tuttavia, gli spettri emessi
dalle sorgenti stellari presentano, sovrapposta al continuo, una struttura simile a un ... "codice
a barre cosmico": sono le cosiddette "righe spettrali", le quali
possono essere di due tipi: righe di assorbimento (più scure rispetto al resto
dello spettro), righe in emissione (più brillanti del resto dello spettro). Le
righe spettrali (corrispondenti a precisi valori di frequenze) rivelano una
gran quantità di informazioni sulla composizione, sulla struttura e sui moti
degli oggetti celesti.
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Le regioni dello
spettro elettromagnetico |
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Lo spettro della
luce visibile |
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Propagazione della luce nella fibra ottica
La propagazione della luce nella fibra
ottica avviene nel core. Poiché l'indice di rifrazione n1 del core è
maggiore di quello del cladding n2, è possibile imporre che l'angolo
di incidenza a alla superficie di separazione tra core e cladding sia
maggiore dell'angolo limite aL. In questo modo il raggio
subisce una riflessione totale e si propaga nel core per riflessioni
multiple.
Si osservi che, trascurando le perdite, non vi è dispersione di energia
radiante verso l'esterno poiché si lavora in assenza di rifrazione. Se l'angolo
di incidenza fosse inferiore a quello limite si avrebbe rifrazione nel
cladding; una parte del fascio luminoso si disperde verso l'esterno e solo la
parte rimanente si propaga nel core per riflessione. Quest'ultima parte, poi,
subisce un'ulteriore riflessione e rifrazione e così via: dopo un breve
percorso il fascio di luce si esaurisce completamente. Per questo motivo si
lavora a riflessione totale. In fig. 3 si mostra la propagazione della luce
nella fibra ottica.
Fig. 3. - Propagazione della luce nella
fibra ottica.
L'immissione della luce nella fibra ottica
avviene da un mezzo avente indice di rifrazione n0, al core
ad indice di rifrazione n1. Indicando con f l'angolo
di incidenza tra il raggio di luce nel mezzo con n = n0 (di
solito l'aria) e l'asse del core, vale la legge di Snell della rifrazione tra
l'aria e il core:
n0 · sen f = n2 · senf 1
Dalla fig. 3 si nota che l'angolo di rifrazione f 1
tra aria e core e quello di incidenza a tra core e cladding sono
complementari per cui:
f1
= 90° - a
Si definisce angolo di accettazione della fibra f M il
massimo valore di f che consente la riflessione totale all'interno della
fibra (fig. 4).
Fig. 4. - Angolo di accettazione della fibra
ottica
Si definisce apertura numerica NA la
quantità:
NA = n0 · sen f M
Applicando la precedente legge di Snell si ricava:
Questa formula, noti i tre indici di
rifrazione (dell'aria, del core e del cladding), consente di risalire
all'angolo di accettazione della fibra fM = arcsen NA.
Se n1 = n2 si
ha: NA = 0 e quindi fM = 0. In questo caso la
propagazione può avvenire solo se si inviano raggi luminosi perfettamente
paralleli all'asse del core: ciò è di difficile realizzazione. Se, d'altro
canto, si rende n1 abbastanza diverso da n2 si
ottiene una elevata apertura numerica, elevato angolo di accettazione f M
(condizione vantaggiosa) ma piccolo angolo limite aL che
costringe il fascio a procedere fortemente a zig-zag all'interno della fibra.
Nel caso in cui l'impulso di luce di breve durata è costituito da raggi
luminosi paralleli all'asse della fibra e da raggi con angolo di entrata di
vario valore fino all'angolo di accettazione (fibra multimodale) la
propagazione dei raggi lungo la fibra si completa in tempi differenti: i raggi
paralleli all'asse, compiendo un percorso più breve, impiegano un tempo
inferiore ai raggi con angolo di entrata nella fibra maggiore di zero.
Indicando con L la lunghezza della fibra, si ha:
Indicando con Dt il ritardo del
raggio più lento rispetto a quello più veloce, si ha:
Questo fenomeno, noto come dispersione modale, degrada la forma
dell'impulso inviato poiché lo allarga nel tempo.
L'allargamento temporale dell'impulso di luce per dispersione modale vale:
D tm = 300 [ psec/Km ]
per fibre con indice
graduale;
[psec/Km]
per fibre con indice a gradino.
• Struttura della fibra ottica:
Le fibre ottiche sono dei sottilissimi fili di vetro,
talora di plastica, ma comunque molto trasparenti alla luce, a sezione
cilindrica, flessibili, con uno svariatissimo campo di applicazioni nei settori
della medicina, dell'astronomia, delle telecomunicazioni, perfino
dell'arredamento.
Quelle usate in telecomunicazioni vengono attraversate, da un'estremità fino
all'altra, da impulsi luminosi, nel campo dell'infrarosso,
e quindi invisibili all'occhio umano.
Le prestazioni delle fibre ottiche sono di gran lunga superiori a quelle dei
cavi coassiali che le hanno precedute nello stesso impiego fino a venti anni
fa, infatti sono in grado, ad esempio, di trasferire 12.000 telefonate
contemporaneamente in una sola fibra.
Esse sono costituite da due parti concentriche, drogate in
modo diverso per ottenere indici di rifrazione diversi. La parte centrale viene
detta core (nucleo), mentre la parte esterna viene detta
cladding (mantello) realizzate in silice (SiO2),
che è il costituente principale del comune vetro, e da una guaina protettiva in
PVC come indicato in figura.
I diametri del core e del cladding sono molto piccoli
dell’ordine rispettivamente, delle decine e del centinaio de μm. Di
conseguenza l’ingombro di una fibra ottica è minimo ( pari all’incirca a quello
di un capello).
• Classificazione delle fibre
ottiche:
A seconda del numero
di modi di propagazione, le fibre ottiche si distinguono in:
F.O. multimodali : sono
fibre che ammettono più modi di propagazioni. Allora volta esse vengono
distinte in:
- F.O. step index, se
l’indice di rifrazione varia in modo brusco nel passare dal cladding al core
- F.O. graded index,
se l’indice di rifrazione varia in modo graduale all’interno del core.
F.O. monomodali: sono
fibre in cui sia la propagazione in un solo modo. Esse sono caratterizzate
dall’avere un core di diametro molto piccolo
Anche la dispersione
modale è un problema che determina un limite alla massima velocità di trasmissione
delle informazioni nella fibra ottica
Per spiegarne il motivo ricordiamo che la luce nell'attraversare la fibra
ottica si propaga per riflessioni successive e pertanto da luogo a vari modi
di propagazione all'interno della fibra, ai quali, però corrispondono
differenti lunghezze di tragitti, come indicato schematicamente nell'animazione
seguente.
FIBRA
MULTIMODO
Un impulso luminoso, pertanto, immesso
in fibra, si scompone in vari raggi ognuno dei quali segue un percorso diverso
all'interno della fibra, giungendo a destinazione in tempi leggermente diversi,
leggermente deformato, a breve distanza, e scomposto in vari impulsi più
piccoli a grande distanza, secondo quanto descritto dal disegno e
dall'animazione seguenti.
E' evidente dunque che, superata una
certa distanza, il segnale luminoso, in fibra, si va degradando sempre più fino
a divenire irriconoscibile.
Per risolvere questo problema si sono inventate le fibre monomodo, di sezione
molto più piccola delle multimodo, che consentono il passaggio degli impulsi
luminosi seguendo solo un tragitto.
FIBRA
MONOMODO
Le fibre monomodo, quindi, non hanno
il difetto della dispersione modale, consentendo di aumentare la portata, però hanno
il difetto di una sezione molto minore che comporta il trasporto di una potenza
luminosa altrettanto minore che limita un ulteriore aumento della portata.
Un'altra soluzione alternativa alla dispersione modale è costituita dalle fibre
multimodo del tipo graded-index, invece che step-index.
Infatti le comuni e più antiche fibre multimodo erano costituita da un core con
indice di rifrazione costante ovunque e di un cladding con indice di rifrazione
costante ma inferiore a quello del core.
Il core con indice di rifrazione costante determina, come si è visto, il
fenomeno della dispersione modale, ma se si sagoma l'indice di rifrazione
all'interno del core in modo che i raggi che scelgono un percorso più lungo lo
facciano in una zona ad indice di rifrazione minore e quindi risultino più
veloci, mentre quelli che scelgono un percorso minore lo facciano in una zona
con indice di rifrazione maggiore e vengono quindi risultino più lenti, si
otterrà, come conseguenza, che tutti arriveranno contemporaneamente, o quasi,
eliminando, o fortemente riducendo la dispersione modale.
D'altronde, essendo grande la sezione della fibra, continua ad essere garantita
una potenza ottica sufficiente con conseguente grande portata chilometrica.
• Dispersione
cromatica della fibra ottica
La velocità della luce nello spazio
vuoto è una costante universale, ma nel vetro varia, sia pure di poco, al
variare della frequenza, come scoprì Newton con l'esperimento del prisma di
vetro che disperde la luce bianca nei colori dell'iride, come avviene
naturalmente nell'arcobaleno.
La luce bianca contiene, invero, i
sette colori dell'iride, corrispondenti a frequenze diverse, che vengono
separate da un prisma di vetro, perché, attraversando il vetro, vengono
rallentate in modo diverso e quindi deviate in modo diverso.
Tutto ciò perché, quindi, la velocità della luce all'interno del vetro è
leggermente diversa al variare della frequenza.
Anche l'impulso luminoso immesso nella fibra ottica è formato, in genere, da
una banda di frequenza, che pertanto è soggetta a sia pur piccole differenze di
velocità nell'attraversare il vetro della fibra.
Arrivando a destinazione queste diverse frequenze si separano, come già avviene
per la dispersione modale costituendo un altro limite alla massima portata
della fibra ottica.
Il problema si risolve, sia pure parzialmente, con l'uso del LASER
invece che del LED, come generatore luminoso, perché il diodo
LASER ha, come si vede dal disegno accanto, uno spettro di frequenze molto più
stretto di quello del LED, e determina, quindi, una dispersione cromatica
inferiore e di conseguenza comporta una portata della fibra molto maggiore.
• Cause di
Attenuazione in un collegamento su fibra ottica:
L’attenuazione è definita come il
rapporto fra potenza d’entrata e potenza d’uscita ed
è espressa in decibel al chilometro (dB/Km). Si può dividere
l’attenuazione in tre categorie:
attenuazione intrinseca, attenuazione estrinseca ed attenuazione dovuta alle
connessioni.
L’attenuazione intrinseca e dovuta a caratteristiche interne della fibra ad Es.
Assorbimento, Scattering, micropioegatura.
L’assorbimento è una perdita dovuta alla presenza di ioni oh-(acqua)create da
interazioni
chimiche durante la costruzione. La presenza di questi ioni aumenta le perdite
alle lunghezze d’onda di 950,1240 nm e maggiormente a 1400 nm.
Lo scattering e dovuto al cambiamento di direzione della luce dopo aver colpito
un impurità o un imperfezione del core. La micropiegatura è un fenomeno che si
verifica durante l’applicazione del rivestimento primario dove si può
danneggiare la fibra causandone delle imperfezioni nella fibra.
L’attenuazione estrinseca e dovuta a fonti esterne alla fibra stessa. Esempi
d’attenuazione
estrinseca sono: macropiegatura e micropiegatura. La perdita da macropiegatura
e dovuta ad una eccessiva curvatura della fibra.
Le perdite da micropiegatura sono dovute a piccole distorsioni, che possono
essere causate da trazione o schiacciamento. Questo tipo di danno non è
visibile.
L’attenuazione dovuta alle connessioni
avviene quanto le connessioni non sono mai perfette e quindi esse introducono
delle perdite, causate per esempio da disallineamenti tra gli elementi da
connettore o giuntare. Si introducono così delle attenuazioni di cui occorre
tener conto. Gli elementi di connessione vengono di solito denominati come
segue.
• Connettore:
è un dispositivo che permette una connessione temporanea tra un estremo di una
fibra ottica e un trasmettitore o un ricevitore, oppure tra le estremità di due
fibre ottiche. Un connettore introduce, nel caso peggiore, un’attenuazione
valutabile in circa 0.5 dB.
• Giunto:
è una connessione permanente tra le due fibre ottiche e può essere realizzata
tramite fusione delle estremità delle fibre ottiche oppure tramite incollaggio.
Un giunto introduce un’attenuazione valutabile, nel caso peggiore, in 0.2 dB
circa.
• Accoppiatore:
è un dispositivo che connette tre o più fibre ottiche. Gli accoppiatori si
possono distinguere in combinatori, se consentono di combinare più ingressi in
una singola uscita , e in ripartitori se consentono di accoppiare un singolo
ingresso ad n uscite in quanto la potenza ottica in ingresso si ripartisce tra
le varie uscite in modo uguale.
• Perdite nelle fibre ottiche
Le perdite della fibra
ottica si dividono in due categorie che sono:
1) perdite per assorbimento, causate da
dissipazione termica;
2) perdite per scattering (diffusione), causate
dalla diffusione dell’energia in più direzioni, cosa che ne comporta la
fuoriuscita dalla fibra ottica
• Perdite
di assorbimento:questo tipo di perdite è provocato dal fatto che, a certe
lunghezze d’onda, vi sono dei fenomeni di risonanza reticolare del materiale
costituente la fibra, i quali provocano un riscaldamento del materiale di cui è
costituita la fibra ottica. Si ha quindi un assorbimento di energia
elettromagnetica e una sua trasformazione in calore.
• Perdite
per scattering: se una fibra ottica non è costituita da materiale
perfettamente omogeneo e vi sono quindi fluttuazioni dell’indice di rifrazione,
variazione di densità, presenza di impurità in micro regioni aventi dimensioni
comparabili con la lunghezza d’onda della luce, si ha una diffusione del fascio
luminoso immesso nella fibra. In conseguenza di questo fenomeno, una parte
dell’energia elettromagnetica incide sulla superficie di separazione
core-cladding con angoli tali da provocare la fuoriuscita e ciò causa,
ovviamente, un’attenuazione
• Sistema di trasmissione su fibra ottica
Un sistema di
trasmissione ottica ha tre componenti :
• sorgente luminosa: può essere un LED
o un laser. Converte un segnale elettrico in impulsi luminosi;
• mezzo di trasmissione: è la fibra
ottica vera e propria;
• fotorivelatore:
converte gli impulsi luminosi in segnali elettrici.
Il tipico tempodi
risposta di un fotorivelatore è 1 ns, da cui il limite di 1 Gbps.La bassissima
attenuazione della fibra consente, negli attuali sistemi
commerciali di
tipo numerico binario, l’adozione di una struttura molto semplice, detta a rivelazione
diretta incoerente, del tipo indicato in figura:
In questa
struttura, i componenti ottici fondamentali sono la sorgente luminosa ed
il fotorivelatore. Le sorgenti usate sono di due tipi: diodi LED (LED
sta per Light Emitting Diode) e
diodi laser. Entrambi questi dispositivi funzionano generalmente secondo
una modulazione del tipo OOK (On
Off Keying, ossia “o tutto o niente”): questo significa che vengono
pilotati in modo da trasmettere una certa potenza ottica PT quando deve essere
trasmesso un 1 e niente (o quasi niente, per motivi tecnologici) quando deve
essere trasmesso uno 0.
I diodi LED sono
di più semplice impiego e di costo ridotto. Tuttavia, essi hanno diverse
limitazioni, dovute all’incoerenza della luce emessa, alla notevole
larghezza di riga (50 ¸ 100 nm) ed alla limitazione di banda dovuta
all’eccessivo tempo di spegnimento.
I diodi laser (LD),
invece, hanno, oltre alla coerenza
spaziale e alla radiazione direzionale (il che permette di iniettare più
potenza nella fibra, aumentando così l’efficienza di iniezione), una purezza
spettrale migliore (circa uguale a 2 nm). L’eventuale potenza ottica trasmessa
dalla sorgente viene iniettata nella fibra e si propaga lungo essa, giungendo,
inevitabilmente attenuata, al terminale ricevente. Qui è necessario disporre di
un dispositivo che sia in grado di rivelare la potenza ottica in arrivo e di
trasformarla in un segnale elettrico: questo dispositivo sarà dunque un fotorivelatore.
All’uscita del fotorivelatore abbiamo perciò un segnale elettrico che può
essere trattato con il classico sistema filtro-campionatore-decisore tipico dei
ricevitori numerici.
Un aspetto
importante dello schema prima disegnato riguarda il rumore. Il primo
contributo di rumore teoricamente da aggiungere è senz’altro il rumore
termico n1(t) generato dal mezzo trasmissivo. Tuttavia, questo è un rumore
termico sovrapposto ad una portante
ottica (cioè ad una portante sinusoidale a frequenza ottica, dell’ordine
di 1014 Hz) ed è noto che, a frequenze così alte, tale rumore
risulta del tutto
trascurabile.
Fino, quindi,
all’uscita del fotorivelatore, non è presente alcuna sorgente di rumore; al
contrario, all’uscita del fotorivelatore il segnale viene convertito in un segnale
elettrico da poter successivamente elaborare, per cui eventuali sorgenti di
rumore termico vanno incluse in questa parte della catena.
• Cenni
sui processi produttivi
Le fibre vengono realizzate in plastica monocristallina multimodo a
nucleo largo. Ciò consente di garantire una apertura numerica elevata,
migliorando l'efficienza di accoppiamento e di facilitare le giunzioni ed i
cablaggi, mentre la brevità delle tratte consente di tollerare la forte
dispersione. Tutti gli altri tipi di fibra sono realizzate con materiale vetroso
con l'aggiunta di droganti per variare l'indice di rifrazione del nucleo e del
mantello.
La prima fase della fabbricazione di una fibra è la costituzione di una
preforma, ovvero un cilindro della lunghezza di un metro e del diametro di
pochi centimetri, costituita da due starti di materiale vetroso purificato. Lo
strato più interno è destinato a diventare il nucleo e, quello più esterno, il
mantello, durante la filatura della preforma stessa, che descriveremo più
avanti. La preforma è, quindi, di diametro maggiore della fibra che da essa si
ottiene; viene ricavata con varie tecniche di lavorazione dai materiali grezzi
e deve contenere al suo interno sia il nucleo che il mantello.
La prima tecnica usata per la fabbricazione della preforma è stata la deposizione di vapore esterna , nella
quale si ha un processo di idrolisi a fiamma, in cui il vetro viene depositato
lateralmente su di un'anima rotante, in forma di fuliggine generata bruciando
vapori di SiCl4 con una fiamma alimentata ad ossigeno puro. La fiamma
viene fatta traslare lateralmente (avanti e indietro) per depositare strati
successivi di vetro, fino ad ottenere lo spessore desiderato dello strato
relativo al nucleo e, successivamente, quelli relativi al mantello.
La variazione dell'indice di rifrazione è ottenuta aggiungendo al
materiale grezzo dei droganti che vengono vaporizzati e depositati nella
concentrazione desiderata.
Una variante di questa tecnica è la deposizione
di vapore assiale , in cui si ottiene una lavorazione continua, e non a
lotti mediante la preforma. La lavorazione continua si ottiene lavorando la preforma in senso
verticale con deposizione assiale dei materiali grezzi sull'estremo inferiore,
mentre essa viene continuamente tratta verso l'alto.
Successivamente è stata messa a punto una tecnica migliore, detta deposizione chimica di vapore modificata
, nella quale non c'è diretto contatto tra la fiamma e la preforma. In questo
tipo di tecnica la deposizione del materiale vetroso avviene all'interno di un
tubo di vetro e, quindi, si richiede prima la deposizione del mantello e poi
del nucleo. Anche in questo caso il tubo viene fatto ruotare e la fiamma si
sposta lungo l'asse del tubo, per garantire l'uniformità della deposizione,
inoltre per variare spessore e indice di rifrazione si variano le
concentrazioni dei droganti. Il vantaggio della tecnica MCVD, rispetto alle
precedenti, consiste nel fatto che il deposito degli starti avviene in ambiente
chiuso in cui è possibile controllare la pulizia dell'ambiente da impurità, con
particolare attenzione ai gruppi ossidrile OH. Una variazione di questa tecnica
è la PCVD (Plasma-activated Chemical Vapor Deposition) nella quale la
deposizione degli strati viene indotta con reagenti in fase di plasma. Questo
consente di ottenere strati più fini lavorando a temperature più basse e
permette di controllare con maggior precisione l'indice di rifrazione.
Filatura della Preforma:
A partire dalla preforma, ottenuta con uno dei metodi visti, si ottiene
la fibra vera e propria mediante un apparato di filatura. La preforma viene
riscaldata in una fornace ad induzione, acquistando un certo grado di
viscosità, mentre i trattori al di sotto della zona calda fanno si che la parte
cava della preforma collassi formando il nucleo e il mantello. La fibra assume
il diametro finale in questa fase della lavorazione, in cui la forza di
trazione viene variata in funzione delle indicazioni di diametro fornite da un
sensore sensibile alle figure di interferenza della luce, generata da un laser,
che attraversa la fibra.
Sempre durante la filatura, la fibra viene rivestita con materiali
polimerici per proteggerla da agenti esterni e irrobustirla meccanicamente. Per
garantire un grado di robustezza adatto all'impiego a cui è destinata la fibra,
la si ricopre con un rivestimento secondario che evita anche il fenomeno delle
micropiegature che può portare ad un aumento del coefficiente di attenuazione
della fibra. Esistono molti tipi di rivestimenti secondari in funzione delle
applicazioni a cui è destinata la fibra e per una descrizione approfondita di
tali rivestimenti si rimanda alla letteratura specializzata.
• Vantaggi e
svantaggi delle fibre ottiche
I principali vantaggi
della fibra ottica sono:
- Bassa attenuazione : si
possono realizzare collegamenti lunghi decine di km senza la necessità di dover
introdurre rigeneratori
- Grande banda disponibile:
una fibra ottica trasmette un segnale ottico, che è dato da un’onda
elettromagnetica a frequenza elevatissima. Se si fa il paragone con i sistemi
di trasmissione su cavo o via radio, in cui la banda disponibile aumenta con
l’aumentare delle frequenze utilizzate fintanto che l’attenuazione, le
distorsioni o le condizioni di propagazione non la limitano, si intuisce
facilmente che la banda disponibile nell’intorno di questa frequenza è
grandissima. In più l’attenuazione all’interno della banda è praticamente
costante, per cui anche le distorsioni sono limitate. La grande disponibilità
di banda consente di trasportare notevoli quantità di informazioni. La fibra
ottica è perciò il mezzo trasmissivo d’elezione qualora si vogliono fornire
servizi multimediali(voce,dati,immagini digitalizzate ecc..)
- Immunità ai disturbi elettromagnetici: poiché le fibre ottiche sono realizzate in materiale dielettrico,
esse non sono soggette ad accoppiamenti elettromagnetici che inducono rumore
sul segnale trasmesso. La qualità ottenibile con un collegamento in fibra
ottica è così molto più elevata di quella ottenibile con un collegamento su
cavo in rame o via radio ( per esempio il tasso d’errore tollerato per un
collegamento in fibra ottica è tipicamente pari a BER = 10-9 ,
mentre in un collegamento su cavo in rame può scendere a valori dell’ordine di
BER = 10-6). Questo fatto ha una duplice conseguenza:
a) migliore qualità del segnale fornito
all’utente;
b) nel caso di trasmissione dati, minore
necessità di ricorrere alle tecniche di rilevazione e correzione degli errori .
Se una rete per dati ha i collegamenti realizzati con cavi in rame, a causa
degli accoppiamenti elettromagnetici il numero di errori causati da rumore e
distorsioni può essere consistente. Quindi, per garantire la correttezza dei
dati trasmessi, è necessario effettuare la rilevazione e la correzione degli
errori in ogni tratta del collegamento. Se si utilizzano invece le fibre ottiche,
poiché il numero di errori è molto basso, si può demandare la rilevazione e la
correzione agli utenti finali, alleggerendo la trasmissione e rendendo più
semplice gli apparati intermedi.
- Dimensioni e peso contenuti
- Materia prima ampiamente disponibile ed a basso costo: Essendo
le fibre ottiche realizzate con biossido di silicio e/o in materiale plastico,
le materie prime sono ampiamente disponibili e a basso costo. Vanno invece
eseguiti con notevole cura i processi di purificazione dei materiali e si deve
sottostare a rigorosi requisiti meccanici.
• Applicazione
delle fibre ottiche
Le fibre Ottiche hanno
molteplici campi di applicazione, quali:
-
sistemi di
telecomunicazione a grande distanza, compresi collegamenti sottomarini
trans-oceanici ad alta velocità;
-
reti locali(LAN, Local
Area Network) ad alta velocità;
-
TV via cavo e
multimediale;
-
Apparati non destinati
alle telecomunicazioni, quali quelli utilizzati in medicina per le endoscopie o
nel settore dell’illuminazione per realizzare display.
•
Progettazione e realizzazione di un sistema di trasmissione dati con fibra
ottica
Indice:
-
Premessa
-
Componenti utilizzati
-
Strumenti utilizzati per il collaudo
-
Realizzazione circuitale su bread-board
-
Collaudo
-
Conclusioni
1) Premessa:
Il
sistema di trasmissione in fibra ottica
è costituito da tre blocchi funzionali:
ü Circuito
Trasmettitore
ü Fibra
ottica
ü Circuito
ricevitore
La
realizzazione di questo progetto prevede essenzialmente la realizzazione di un sistema
di trasmissione in grado di trasmettere informazioni attraverso un cavo in
fibra ottica, attraverso l’uso di dispositivi trasmettitori e ricevitori.Qui di
seguito vengono riportate le caratteristiche dei trasmettitori e ricevitori
optoelettronici.
Caratteristiche dei trasmettitori e ricevitori optoelettronici per fibre ottiche
Le sorgenti ottiche sono giunzioni PN
realizzate con arseniuro di gallio (GaAs). Esse si dividono in
LED (Light Emitted Diode) e LASER (Light Amplification by Stimulated Emission
of Radiation). Il principio di funzionamento del LASER è sostanzialmente
identico a quello del LED con la differenza che nel LASER i fotoni generati per
emissione stimolata hanno la
stessa lunghezza d'onda e vengono emessi entro un angolo solido estremamente
ridotto.
In fig.12 si mostrano le ampiezze degli
impulsi di luce emessi da un diodo LED ed un diodo LASER per fibra ottica in
funzione della lunghezza d'onda.
Fig.12. - Confronto tra gli spettri di una
sorgente LED ed una LASER.
Nella seguente tabella si riportano i
principali dati caratteristici dei LED e LASER impiegati nella trasmissione con
fibre ottiche.
Sorgenti optoelettroniche
|
Parametro |
LED |
LASER |
|
Potenza luminosa
immessa in fibra a parità di corrente di lavoro |
da 10 a 100 µ W |
da 5 a 20 mW |
|
Larghezza spettrale
a metà altezza |
D l = 30 nm per l 0
= 0.8 µ m |
D l = 2 nm per l 0
= 0.8 µ m |
|
Frequenza massima di
lavoro |
100 MHz |
5 GHz |
|
Tempo di salita
degli impulsi luminosi |
da 10 a 30 nsec |
< 1 nsec |
|
Velocità di
modulazione degli impulsi |
10 Mbit/sec |
300 Mbit/sec |
|
Radianza (potenza
ottica emessa per unità di angolo solido dall'unità di superficie della
sorgente) |
da 10 a 100 (W/cm2)·sr |
1000 (W/cm2)·sr |
|
Vita media (ore di
lavoro) |
107 |
106 |
|
Costo |
basso |
alto |
I rivelatori ottici sono realizzati con
giunzioni PIN (Positive Intrinsic Negative) ottenute lasciando uno strato di semiconduttore
non drogato (intriseco) al centro di una barretta alle cui estremità si è
praticato il drogaggio P e N. Il diodo viene polarizzato inversamente e la luce
colpisce lo strato intrinseco. La luce incidente, libera coppie
elettrone-lacuna, generando una fotocorrente proporzionale all'energia
luminosa. Oltre ai rivelatori PIN sono utilizzati diodi APD (Avalanche Photo
Diode). Essi hanno la medesima struttura tecnologica dei PIN ma la fotocorrente
è generata per effetto valanga innescato dalla luce incidente sullo strato
intrinseco. La tensione di polarizzazione degli APD è maggiore di quella dei
PIN ma la fotocorrente prodotta, a parità di corrente luminosa incidente, è
sensibilmente maggiore.
Nella seguente tabella si riportano le
caratteristiche fondamentali dei fotoricevitori PIN e APD per fibre ottiche.
Rivelatori optoelettronici
|
Parametro |
Diodo PIN |
Diodo APD |
|
Responsività
(rapporto tra la corrente generata per unità di potenza incidente) |
0.6 µ A/m W |
100 µ A / µ W |
|
Tempo di salita
degli impulsi di corrente |
< 1 nsec |
2 nsec |
|
Frequenza massima di
lavoro |
1 GHz |
100 MHz |
|
Sensibilità (minima
potenza ottica rivelabile) |
0.1 µ W |
0.01 µ W |
|
Tensione di
alimentazione |
da 10V a 40 V |
da 100V a 500 V |
2)
Componenti
utilizzati:
|
N° |
Ref. |
Q. |
Descrizione |
|
1 |
D1 |
1 |
Diodo Laser DXR0074 |
|
2 |
R1-R2 |
2 |
Resistore a strato 68W ± 5% 0.25W |
|
3 |
D2-D3 |
2 |
Diodo Led Rosso |
|
4 |
Q1 |
1 |
Transistor n-p-n 2N2222 |
|
5 |
- |
1 |
Cavo in fibra ottica metri 2 |
|
6 |
- |
1 |
Bread board |
|
7 |
- |
20 |
Cavetti |
|
8 |
- |
2 |
Connettore a
pettine |
3) Strumenti
utilizzati per il collaudo:
|
N° |
Ref. |
Q. |
Descrizione |
|
1 |
- |
1 |
Alimentatore da
banco +5V |
|
2 |
- |
1 |
Tester Digitale |
4)
Realizzazione circuitale su bread-board
La realizzazione di tale progetto ha richiesto mesi di studio e
ricerca, in quanto non avevamo mai progettato un sistema di trasmissione in fibra
ottica. Nella fase iniziale del progetto con l’ausilio del professore e di
riviste specialistiche, avevamo già in
mente come realizzare tale progetto. Il problema sussisteva nel realizzare due
circuiti uno trasmettitore e l’altro ricevitore aventi i rispettivi compiti; Il primo circuito quello
trasmettitore ha il compito di convertire un segnale elettrico in un segnale di
tipo luminoso; mentre il secondo circuito quello ricevitore ha il compito di
effettuare l’operazione inversa. Il problema consisteva nella polarizzazione
del diodo laser e del fotodiodo, risolto attraverso modifiche attuate ai due
schemi elettrici che vengono rappresentati qui di seguito:
Il circuito
trasmettitore è costituito principalmente da un diodo laser che è composto da
una giunzione P-N percorsa da corrente, emette una radiazione luminosa
coerente. In pratica il diodo laser eccita gli atomi convertiti in fotoni di
uguale lunghezza d’onda, che si vanno a sommare in fase tra di loro, ne
aumentano l’intensità luminosa .Il circuito viene alimentato con una tensione
continua di 5V ed è costituito oltre
dal laser, anche da un resistore che fa da scudo al laser e un diodo Led
che verifica l’istante di trasmissione.
Mentre gli elementi
fondamentali di un circuito ricevitore sono: il fotodiodo (componete
elettronico fotosensibile) con struttura simile a quello di un diodo a
semiconduttore, che converte i segnali luminosi in segnali elettrici. Da un
resistore in serie che protegge il fotodiodo, e un diodo led che indica il
momento in cui si riceve il segnale trasmesso. Anche tale viene alimentato con
una tensione continua di 5V.
5) Collaudo
Per collaudare tale sistema alimentiamo i rispettivi circuiti con una
alimentazione di 5V. Con l’utilizzo di un tester digitale misuriamo la tensione
ai capi dei componenti presenti nei circuiti.
- Per il secondo principio di Kirchhoff lungo una maglia la somma
algebrica delle tensioni è uguale a
zero.
Nel circuito trasmettitore l’equazione della maglia sarà uguale a:
Vcc = Vlaser+VR+VLED
Sostituendo i rispettivi valori
otteniamo:
(5 = 1,44+2,29+1,25) V
Per il circuito ricevitore l’equazione alla maglia sarà uguale:
Vcc=VLED+VCE+VR
Sostituendo
i rispettivi valori otteniamo:
(5=1,85+3,08+0,071) V
- Attraverso il tester misuriamo
la tensione a vuoto (condizione al buio) dei rispettivi circuiti:
Per il circuito trasmettitore abbiamo:
VLED = -3,2V
VR=
0 V
VLaser=
0V
Mentre per il circuito ricevitore abbiamo:
VLED = 1,06V
VR=
0 V
VCE=
3,86V
Passiamo ora alla misura delle correnti
nel trasmettitore e nel ricevitore:
-
Condizione di
luminosità:
ITR.= 16 mA
IRIC.=0,85mA
-
Condizioni al buio
(diodo laser spento)
ITR. = 0A
IRIC.= 0,00
A
Aspetti finanziari preventivati.
- Acquisto
componenti circuitali e cavo in fibra € 200 circa.
6)
Conclusioni
Alla fine di questa esperienza possiamo concludere dicendo che grazie
all’aiuto dei nostri docenti in particolare al coordinatore dell’area di
progetto, siamo riusciti a portare a termine questo progetto, che all’inizio
sembrava duro e complesso dal punto di vista pratico.
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