8
si propagava lungo di esso sino ad uscire da un apposito orifizio praticato
su una parete e l�acqua, zampillando, illuminava il recipiente sottostante
(figura 1.1). L�applicazione di questo fenomeno su delle piccole fibre e la
possibilit� di usare la fibra ottica in vetro come guida d�onda per un segnale
ottico vennero suggerite in alcuni articoli scientifici nei primi del �900, ma
solo negli anni Venti si riusc� a dimostrare tali teorie.
Infatti nel 1927 l�inglese J.L.Baird brevett� un dispositivo composto
da una serie di bacchette di vetro capace di trasmettere delle immagini a
breve distanza. Purtroppo i materiali e le tecnologie, allo stato delle
conoscenze dell�epoca, non permettevano ancora di raggiungere risultati
pratici apprezzabili nella trasmissione a lunghe distanze della luce, come
poteva gi� avvenire per le comunicazioni via radio o via cavo.
Fig. 1.1 L�esperimento di John Tyndall
Denys Hill, nella prefazione al suo libro, ha scritto che la fibra ha
rappresentato per lungo tempo �una soluzione senza il suo problema� e solo
dagli anni �50 si � presentato un rapido progresso nell�applicare questa
soluzione ad una gamma molto vasta di problemi, con il contemporaneo
sviluppo di tutti quei componenti dai quali dipende la tecnologia delle fibre
9
ottiche. Infatti uno dei passi determinanti nello studio delle fibre ottiche
furono senza dubbio le nuove tecniche di purificazione e di filatura del
vetro che permisero nel 1953 a Kapany, un ricercatore inglese di origine
indiana, di mettere a punto fibre di vetro con guaina (cladding) ed
introdurre per la prima volta nella storia il termine oggi usuale di �fibra
ottica�. La rivoluzionaria idea di utilizzare la fibra nelle comunicazioni �
avvenuta per merito dei ricercatori inglesi della Standard Telecomunication
Laboratories i quali, nel 1967, riuscirono ad identificare la causa principale
delle elevate attenuazioni
3
, che allora ne limitavano l�utilizzo, nella
mancanza di purezza del materiale utilizzato: all�inizio degli anni Settanta
fu la Corning Glass
4
, una ditta americana, la prima a realizzare dei vetri ad
altissima trasparenza con attenuazioni abbastanza basse da permettere
spezzoni di fibra di alcuni chilometri.
1.2 Principi di funzionamento
Quando un raggio luminoso proveniente dall�aria entra nell�acqua,
viene deviato, � questo il principio fisico alla base del funzionamento delle
fibre ottiche. La loro caratteristica principale consiste nel confinare la luce
al proprio interno e di guidarne la propagazione tramite un principio che �
detto della riflessione totale.
In un mezzo isotropo, cio� con caratteristiche che rimangono costanti
lungo tutto il percorso del raggio, la luce si propaga in linea retta. In questa
sede, si vuole focalizzare ci� che accade quando la luce attraversa la
superficie di separazione fra due materiali diversi.
3
Attenuazione: progressivo affievolimento dell�onda luminosa, causato da assorbimento e
diffusione della stessa nel materiale, che pone un limite alla massima distanza a cui si pu�
trasmettere il segnale senza bisogno di rigenerarlo.
4
www.corningcablesystem.com
10
E�infatti noto che un raggio di luce, dopo un percorso di n metri,
incontrando una superficie che separa due mezzi trasparenti, in parte
proseguir� il percorso propagandosi nel nuovo mezzo ed in parte si rifletter�
(figura 1.2). L�entit� della deviazione angolare subita dal raggio rifratto
dipende dal cosiddetto indice di rifrazione
5
; nella seguente tabella vengono
riportati gli indici di rifrazione di alcune sostanze:
Materiale n = c/v
Aria 1
Ghiaccio 1.31
Acqua 1.33
Alcool 1.36
Vetro 1.50
Sale 1.54
Tabella 1.1
Il punto dove avviene la separazione viene definito punto di
incidenza. Teoricamente si potrebbe riflettere un raggio n volte se si potesse
utilizzare una superficie perfettamente levigata ovvero se i due mezzi
avessero indici di rifrazione diversi. Tale raggio, infatti, non pu�
5
La velocit� della luce varia sensibilmente a seconda del mezzo attraversato. Nel vuoto tale
velocit� si indica con c=300000Km/s mentre nei materiali a maggior densit� viene indicata con v
ed � inferiore. Si definisce indice di rifrazione il rapporto tra la velocit� della luce nel vuoto c
rispetto a quella nel mezzo v e si indica con n = c / v e, dato che c rappresenta un massimo
assoluto, allora n � sempre maggiore di 1.
11
attraversare la superficie di separazione se il primo mezzo ha un indice di
rifrazione superiore al secondo (per esempio il vetro ha un valore tipico di
1,5 e l�aria di 1).
Fig. 1.2 Fenomeni di riflessione e rifrazione di un raggio di luce che
incontra la superficie di separazione di due mezzi.
Analizzando la figura 1.2, considerata la normale al piano di
separazione, l�angolo di incidenza viene definito con α, l�angolo di
riflessione con δ, mentre quello di rifrazione con β.
Sappiamo dalle leggi dell�ottica geometrica che l�angolo di incidenza
α � uguale a quello di riflessione δ, mentre il raggio rifratto si propaga nel
mezzo 2 con un angolo β che � legato ad α da una relazione che viene
comunemente definita Legge di Snell:
N1 * sin α = N2 * sin β [1.1]
dove con N1 ed N2 si indicano gli indici di rifrazione dei due diversi
mezzi; il raggio incidente, quello riflesso e quello rifratto sono contenuti
nello stesso piano.
12
Se il raggio attraversa pi� mezzi con indici di rifrazione diversi, la
[1.1] stabilisce che il prodotto dell�indice di rifrazione per il seno
dell�angolo di incidenza � una costante (una volta fissati i valori nel primo
mezzo N1, α). Dalla formula sopra indicata emerge che se N1 > N2
risulter� che β > α, cio� attraversando l�interfaccia da un mezzo pi� denso
ad uno meno denso il raggio tende ad allontanarsi dalla normale
adagiandosi sulla superficie di separazione. In questo caso, all�aumentare
dell�angolo di incidenza, l�angolo di rifrazione aumenta; quando poi
l�angolo incidente supera un certo �valore soglia�, che verr� chiamato
angolo limite, il raggio non pu� pi� uscire dal mezzo in cui � stato
convogliato. In tali condizioni si manifesta il fenomeno della riflessione
totale menzionato all�inizio del paragrafo, che si presenta ogniqualvolta il
raggio rifratto scompare del tutto e quello incidente viene rinviato
all�interno del mezzo con un angolo uguale ed opposto a quello di
incidenza. L�angolo limite, definito con αL , non � nient�altro che l�angolo
di incidenza che rende β=90�; se l�angolo di incidenza supera questo valore,
scompare del tutto il fenomeno della rifrazione e si ha riflessione totale.
L�angolo limite pu� essere ricavato facendo ricorso alla Legge di
Snell, ponendo sinβ =1:
αL = arcsin (N2 / N1) [1.2]
Per concludere questo paragrafo si ritiene opportuno chiarire, con un
esempio, i concetti, sin qui esplicitati pi� da un punto di vista tecnico che
pratico, di riflessione, rifrazione e di angolo limite.
Per comprendere l�essenza di tali concetti basti pensare al fenomeno
che ognuno di noi pu� osservare guardando un laghetto di montagna; se si �
distanti si potr� vedere sulla superficie la riflessione del cielo o delle
13
montagne, mentre se ci si avvicina e si supera un angolo limite si riuscir� a
vedere il fondo.
1.3 Guida ottica
Una guida ottica � un mezzo trasmissivo il cui effetto principale
risulta essere quello di guidare la propagazione di un onda
elettromagnetica
6
nella regione compresa tra le superfici che lo delimitano.
Un�onda si definisce �guidata� quando la sua propagazione avviene
prevalentemente lungo la stessa direzione del sistema che la guida e segue i
cambiamenti di direzione che avvengono lungo le superfici di esso. Il pi�
semplice di tutti i sistemi guida � quello formato da due conduttori piani,
paralleli, infiniti, separati da un mezzo dielettrico
7
. Un sistema guida pu�
avere una struttura rettangolare cava, circolare, pu� essere rappresentato da
superfici circolari parallele o da un cono, mentre un�onda pu� avere
componenti elettriche o magnetiche od entrambe. Inoltre, le superfici del
sistema guida possono essere dei conduttori elettrici ideali oppure
disperdere energia. Da tutti questi elementi dipendono alcune propriet�
delle onde, quali: la velocit� di propagazione, la lunghezza d�onda
8
direttamente influenzata dalle dimensioni della guida, la loro efficienza nel
trasportare energia, la capacit� di propagarsi in un sistema piuttosto che in
un altro.
Un particolare tipo di guide d�onda sono le fibre ottiche.
6
Onde elettromagnetiche: perturbazioni connesse a cariche elettriche oscillanti che generano un
campo elettrico ed un campo magnetico variabile (nello spazio e nel tempo) associati tra loro e
propagantisi sotto forma di onda.
7
Mezzo dielettrico: struttura totalmente priva di parti in metallo.
8
Lunghezza d�onda: solitamente definita con λ , rappresenta la distanza percorsa dall�onda mentre
compie un�oscillazione completa. In ottica, l�unit� di misura d�uso comune � il micrometro (�m),
pari ad un milionesimo di metro.
14
1.4 Fibra ottica
Come gi� riferito, il settore delle fibre ottiche ha cominciato a
svilupparsi solo a partire dagli anni Settanta. Come mai ricercatori e
scienziati di tutto il mondo, nonch� inevitabili finanziatori, hanno rivolto la
loro attenzione, i loro sforzi e soprattutto denaro verso questo nuovo tipo di
tecnologia? Il grosso vantaggio di usare sistemi ottici invece che elettrici
risiede nel fatto che i segnali ottici sono facili da schermare: due cavi
elettrici presentano dei fenomeni di concatenamento fra loro a causa dei
campi elettromagnetici, mentre due cavi ottici protetti da una normale
guaina di plastica sono invece indipendenti tra di loro. Inoltre un cavo ottico
� un buon isolante elettrico. Se poi si prende in considerazione l�esigenza,
nelle telecomunicazioni, di effettuare il trasferimento delle informazioni a
velocit� sempre maggiore ed il naturale impedimento dei normali sistemi in
rame, ecco che si � data una breve ma esaustiva risposta al quesito sopra
esposto. I concetti esaminati nel paragrafo 1.2 di riflessione totale e di
angolo limite consentono una trattazione semplificata ed intuitiva dei
principi di funzionamento di una fibra . Per facilitare l�esposizione, si pensi
schematicamente ad una fibra come ad un sottile tubicino (del diametro di
una frazione di millimetro) costituito da materiale trasparente, rettilineo ed
a sezione rettangolare. Quando un raggio luminoso, dopo essere penetrato
nel tubo, raggiunge una delle pareti con un angolo di incidenza superiore
all�angolo limite, esso subisce una riflessione totale e rimbalza verso la
parete opposta dove, per ragioni di simmetria, verr� di nuovo riflesso dello
stesso angolo, e cos� via fino a percorrere tutta la lunghezza del tubo
�zigzagando� da una parte all�altra. In queste condizioni la fibra si
comporta, come una guida che consente ad un insieme di raggi di
propagarsi da un estremo all�altro fino alla parte terminale dove possono
venire raccolti da un rilevatore o anche dall�occhio se sono nella banda
15
visibile. Entro determinati limiti, il comportamento del raggio luminoso non
� influenzato da un�eventuale curvatura della fibra. Molto importante �
evitare la presenza di microrotture, scorie o particelle di grasso sulla
superficie esterna, in quanto queste discontinuit� possono alterare
significativamente l�angolo limite e provocare la fuoriuscita di raggi dalla
fibra, con inevitabili perdite di energia. Il trasferimento dell�energia
luminosa attraverso la fibra si realizza in modo efficiente se la luce,
propagandosi nel mezzo, vi rimane confinata e perch� ci� accada si deve
avere un mezzo interno pi� denso circondato da uno esterno meno denso;
inoltre si devono realizzare condizioni di lancio della luce nel mezzo pi�
interno tali che questa non venga rifratta, ma subisca l�azione di
sconfinamento in termini di riflessione all�interfaccia tra i due mezzi. Una
fibra ottica � costituita da un sottile filo di materiale vetroso a base di silice;
ci� viene permesso dalle propriet� intrinseche del vetro che, se stirato a
dimensioni micrometriche, perde la sua caratteristica �fragilit�� e diventa
un filo flessibile e robusto.
Due ricercatori inglesi negli anni �50, O�Brien ed Hansen, proposero
l�introduzione di un mantello, ossia di un ulteriore strato di vetro esterno
come secondo mezzo al posto dell�aria: in questo modo si stabilisce il
valore di N2, oltre a renderlo uniforme nel tempo e nello spazio. Per
migliorare il confinamento della luce, le fibre ottiche sono strutturate
accoppiando in modo coassiale, uno dentro l�altro, due conduttori con
indice di rifrazione diverso. Questi sono costituiti da materiale vetroso,
trasparente alla luce, ed hanno indici di rifrazione diversi, in modo che
l�onda venga riflessa in un�interfaccia interna alla fibra stessa e non alla
superficie, ove il campo evanescente, estendendosi nel materiale che la
ricopre, tenderebbe a dissipare l�onda. Per rendere l�idea del livello di
trasparenza che si pu� ottenere oggi facendo ricorso alle pi� moderne
tecniche produttive e tecnologiche si pensi che se il mare ne possedesse le
stesse propriet� ottiche, lascerebbe vedere il fondo dei suoi abissi pi�
16
profondi. Riassumendo il tutto, la struttura di una fibra ottica prevede la
presenza di due parti, quella pi� interna, il nucleo, viene anche detta core,
mentre quella esterna, il mantello, cladding. Per avere un�idea di come il
raggio luminoso che � stato immesso in una fibra si comporta lungo tutto il
percorso determinato dalla fibra stessa, tenendo presente i principi di
funzionamento sopra elencati, basta osservare la Fig. 1.3:
Fig. 1.3 Comportamento di un raggio di luce tra due mezzi ed in una
fibra
il raggio, oltre un certo angolo d�immissione, rimane intrappolato,
all�interno del core e prosegue il suo cammino, per riflessione, fino alla
fine. Quindi il core � destinato a guidare la luce, mentre il mantello che lo
riveste non garantisce l�integrit� della zona di confine del nucleo, ma
permette di �incanalare� la potenza ottica all�interno della fibra; entrambi
vengono poi ricoperti da un rivestimento primario, o guaina (primary
coating), costituito da un materiale utile a proteggerli dalle scalfitture e
dalle abrasioni (solitamente acrilato plastico).
Il tutto viene poi ulteriormente rivestito da un rivestimento
(secondario) in plastica che fornisce alla fibra la consistenza necessaria alla
manipolazione (figura 1.4).
17
Fig 1.4 Struttura di una fibra ottica
Per quanto riguarda le misure di una fibra, queste sono nell�ordine
del millesimo di millimetro; in particolare si ha solitamente, per il core, un
diametro che va 10 ad alcune decine di �m, per il cladding un diametro di
125 �m mentre il rivestimento primario giunge fino a 250 �m.
Quanto appena detto viene descritto schematicamente nella figura
seguente:
Fig. 1.5 Struttura e dimensioni di una fibra ottica
Si � stato detto che, per evitare perdite di energia dovute al fenomeno
della rifrazione, l�angolo di incidenza alla superficie di separazione tra core
e cladding debba obbligatoriamente essere maggiore dell�angolo limite. Se
considerassimo il tutto da un punto di vista tridimensionale, si potrebbe
18
individuare un cono di accettanza per la fibra: tutti i raggi compresi
all�interno di tale cono raggiungono l�interfaccia tra nucleo e mantello con
un angolo maggiore a quello limite, quindi vengono riflessi nel nucleo e si
propagano, gli altri attraversano la superficie di separazione e si perdono
nel mantello (vengono radiati). Dalla figura 1.6, dove con θ � stato indicato
l�angolo di accettazione, si comprende chiaramente che un raggio iniettato
nella fibra al di fuori del cono di accettazione, andr� ad incidere sulla
superficie di separazione tra core e cladding con angolo inferiore al valore
critico e si perder� nel mantello a seguito della rifrazione.
Fig. 1.6 Direzione dei raggi inseriti in una fibra ottica con diversi
angoli di accettazione
Dopo aver esaminato le caratteristiche principali di una fibra ottica,
resta da illustrare la modalit� di inserimento dell�onda luminosa all�interno
di essa, ovvero ci� che ha permesso la realizzazione pratica dell�idea
vincente di effettuare la trasmissione dell�informazione per via ottica
tramite la sua propagazione non nello spazio libero ma in una guida d�onda.
Le sorgenti di luce generalmente utilizzate per questo scopo sono dei
sistemi optoelettronici come il diodo LED (Light Emitting Diode) oppure
il diodo LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
19
a semiconduttore
9
. Il procedimento opposto viene invece ottenuto tramite
l�utilizzo di fotodiodi che ricevono il segnale dalla fibra e lo inviano ad un
circuito elettronico. E� importante rilevare che tuttora l�elaborazione del
segnale avviene per via elettrica: si stanno studiando le possibilit� di avere
dei microprocessori ottici in cui l�elaborazione del segnale avviene
direttamente per via ottica, ma non esiste allo stato attuale ancora nulla di
concreto e praticamente utilizzabile.
Le lunghezze d�onda impiegate e che interessano le comunicazioni
ottiche su fibre di vetro sono quelle tipiche del vicino infrarosso , 800nm �
1600nm (le radiazioni visibili all�occhio umano vanno dai 380 nm del
violetto ai 750 nm del rosso). In tale intervallo, si evidenziano tre regioni di
lavoro denominate prima, seconda e terza finestra, centrate rispettivamente
alle lunghezze d�onda di 850, 1300, 1550 nm. Ognuna di esse corrisponde
ad una fascia di lunghezze d�onda in cui l�attenuazione ha un punto di
minimo (relativo od assoluto) ed in corrispondenza della quale sono stati
realizzati nel tempo vari sistemi trasmessivi. La prima finestra � collocata
intorno agli 850 nm ed � stata la prima ad essere utilizzata per la
realizzazione di sistemi di trasmissione su fibra; essa � presente solo nelle
fibre multimodali (paragrafo 1.6.2). La seconda finestra � posta a 1300 nm
ed essendo caratterizzata da un�attenuazione inferiore, � quella attualmente
utilizzata per esigenze di bande passanti medio-alte. Essa � presente sia
nella fibra multimodo che in quella monomodo (paragrafo 1.6.1), la banda
passante varia in funzione del tipo di fibra e del tipo di emettitore/ricevitore
utilizzato, e pu� essere di:
9
Il principio di funzionamento del LASER � 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.
20
• 500 MHz
10
-Km, se si usano i LED su fibra multimodale;
• 1 GHz-Km, se si usano i LASER su fibra multimodale;
• da decine a centinaia di GHz-Km su fibra monomodale, a
seconda del laser utilizzato.
La terza finestra, infine, si colloca a 1550 nm, dove l�attenuazione �
ancora inferiore ed � quella pi� utilizzata, ma � presente solo nella fibra
monomodo.
Il fenomeno dell�attenuazione, che causa la progressiva perdita di
potenza ottica del raggio luminoso lungo l�asse della fibra, varia in funzione
del tipo di fibra e della finestra in cui lavorano:
• fibre multimodali (50/125, 62.5/125)
11
- se lavorano in prima finestra hanno attenuazioni inferiori a
3.5dB/Km;
- se lavorano in seconda finestra hanno attenuazioni inferiori ad
1 dB/Km;
• fibre monomodali (10/125)
- se lavorano in seconda finestra hanno attenuazioni
inferiori a 0.5 dB/Km;
- se lavorano in terza finestra hanno attenuazioni
inferiori a 0.2 dB/Km.
10
Frequenza: f, ovvero il numero di oscillazioni compiute nell�unit� di tempo da un�onda. Si
misura in hertz (Hz), a volte chiamati anche cicli per secondo (cps), ma in pratica si usano i suoi
multipli, come il Gigahertz che � pari ad un miliardo di hertz od il Mhz che � uguale ad un milione
di hertz.
L�inverso di un a frequenza si chiama periodo e coincide con la durata di un�oscillazione
completa.
11
Rispettivamente il diametro del core e del cladding
21
1.5 Modi di propagazione della luce in una fibra
In una fibra ottica il campo elettromagnetico pu� propagarsi solo
secondo un certo numero ben definito di configurazioni possibili, che
vengono denominate modi di propagazione. Un modo di propagazione �
essenzialmente un�onda stazionaria prodotta dall�interazione reciproca di
tutti i raggi che formano uno stesso angolo con l�asse di una fibra a
simmetria circolare. Il numero di modi che possono propagarsi in una fibra
sar� tanto pi� grande quanto maggiori saranno il cono di accettazione dei
raggi ed il diametro del nucleo: tale numero � generalmente molto elevato.
Se la luce � monocromatica
12
, i raggi viaggeranno tutti alla stessa
velocit�, quindi quelli che entrano nella fibra con un�angolazione maggiore
compiono un percorso pi� lungo del generico raggio che lo effettua invece
in modo parallelo ad essa. In definitiva, tra tutti i raggi prodotti da una
sorgente un certo numero viene accettato e si propaga in fibra seguendo
cammini diversi che comportano tempi di percorrenza diversi: ne segue che
la larghezza dell�impulso luminoso va aumentando man mano che si
propaga. Tutti i percorsi seguiti dai raggi che possono essere sovrapposti
per rotazione o traslazione costituiscono una congruenza (insieme di tutti i
raggi aventi i medesimi parametri propagativi, come ad esempio lo stesso
angolo di incidenza all�interfaccia nucleo-mantello) e si comportano allo
stesso modo.
12
La luce � definibile come un fascio di radiazioni elettromagnetiche aventi la propriet� di essere
percepibili all�occhio umano. Ad un determinato gruppo di frequenze dello spettro
elettromagnetico corrisponde un segnale che il cervello interpreta come colore. La pi� semplice
forma di luce � quella monocromatica, formata da una radiazione avente una solo frequenza;
all�altro estremo vi � la luce bianca, formata dalla sovrapposizione di tutte le radiazioni possibili.
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