Teoria delle fibre ottiche

Fibre ottiche 

Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici che permettono il trasporto di segnali luminosi al loro interno, sono classificate come guide d'onda.

I principali vantaggi delle fibre ottiche rispetto ai cavi in rame sono:

• bassa attenuazione per unità di lunghezza
• lunghezza di banda elevata quindi alta velocità di trasmissione Vt=2B
• immunità ai disturbi elettromagnetici

Le fibre ottiche trasportano segnali luminoso con frequenze molto alte quindi lunghezze d'onda molto ridotte, lo spettro ottico parte da l'unghezze d'onda di 1mm e arriva a 1nm la luce visibile parte dai 700nm con il rosso e arriva ai 400nm con il viola, le fibre ottiche possono utilizzare tutta la luce visibile ed arrivare anche alle frequenze non visibili.

Durante gli studi effettuati nella seconda metà del 900 sono state scoperte le tre finestre delle telecomunicazioni cioè con quali frequenze la fibra ottica ha un'attenuazione minore e sono state denominate le tre finestre delle telecomunicazioni.

le fibre ottiche si possono classificare in:

• monomodali utilizzate per collegamenti su grandi distanze tipo i collegamenti transoceanici. Nella fibra monomodale viene trasmesso un solo raggio ottico e quindi non soffre di dispersione modale.
• muoltimodali utilizzate per collegamenti più modesti come una rete LAN. Nella fibra multimodale vengono trasmessi più raggi ottici insieme e soffre di dispersione modale.

Le fibre ottiche funzionano utilizzando i principi dell'ottica descritti nelle leggi di Snell.

Un onda che passa da un materiale ad un altro da luogo ad altre due onde, un'onda riflessa e un'onda rifratta o trasmessa.

Nelle fibre ottiche viene sfruttato lo stesso principio cioè viene iniettato un raggio dentro la fibra ottica con un opportuno angolo che deve rientrare nel cono di accettanza in modo che dentro la fibra ottica avvenga il fenomeno della riflessione totale e non si perda potenza del segnale.

Struttura di una fibra ottica

Per ottenere la riflessione totale in una fibra ottica occorre inizialmente che l'indice di rifrazione del mantello o cladding sia minore di quello del nucleo o core quindi indicando con n1 l'indice di rifrazione del core e con n2 l'indice di rifrazione del cladding n1>n2, l'angolo dell'onda tranmessa deve anche essere 90°.

Spiegazione dettagliata del funzionamento di una fibra ottica

L'apertura numerica o N.A. è il seno dell'angolo massimo dalla cui rotazione si genera il cono di accettanza che è il cono entro il quale deve essere contenuto il raggio incidente in modo che all'interno della fibra ottica alle interfacce n1,n2 avvenga la riflessione totale.

Numero di modi di una fibra

I raggi che si propagano all’interno di una fibra ottica possono essere classificati in due categorie: 

• i raggi meridionali sono quelli che attraversano l’asse della fibra dopo ogni riflessione. 
• i raggi obliqui sono quelli paralleli all’asse della fibra che viaggiano lungo tutta la lunghezza della  linea senza subire riflessioni.

La teoria di base delle fibre è  realizzata basandosi sui raggi  meridionali, che possono essere suddivisi in due classi:

•  i modi di basso ordine corrispondono a raggi inviati in fibra con un piccolo angolo rispetto all’angolo di accettanza.
• i modi di alto ordine  corrispondono a raggi inviati in fibra con un angolo prossimo  all’angolo di accettanza

Per determinare il numero di modi di una fibra ottica si utilizzano le seguenti relazioni:

Nelle fibre monomodali M=1 mentre nelle fibre multimodali M>1.

Dispersione modale

La dispersione modale ha origine dal differente cammino ottico percorso dai modi di basso ordine rispetto ai modi di alto ordine; infatti i modi di alto ordine, percorrendo un  cammino maggiore saranno caratterizzati da tempi di propagazione maggiori rispetto ai  modi di basso ordine e quindi raggi lanciati simultaneamente presenteranno una dispersione temporale presso il ricevitore.
La dispersione modale è proporzionale all'apertura numerica e si indica con:

Dispersione Cromatica

La dispersione cromatica è fenomeno dovuto al fatto che la luce pura trasmessa in fibra dal trasmettitore non è perfettamente monocromatica, ma si compone in realtà di fasci di luce di colore diverso cioè con frequenze o lunghezza d'onda e quindi velocità di attraversamento diverse. Per risolvere questo problema si utilizzano led monocromatici con bassa larghezza spettrale per trasmettere la luce.
La dispersione cromatica si divide in:

• dispersione di materiale 

• dispersione di guida

Il quadrato della dispersione cromatica è data dalla somma dei quadrati della dispersione di materiale e di guida

Effetto della dispersione sulla limitazione in banda

Bilancio delle potenze

Velocità di trasmissione

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