Maggio 1996

Fibre- 1 Copyright: si veda nota a pag. 2

LE FIBRE OTTICHE

Pietro NicolettiPietro.Nicoletti@torino.alpcom.it

Silvano GaiSilvano.Gai@polito.it

http://www.polito.it/~silvano

Maggio 1996

Fibre- 2 Copyright: si veda nota a pag. 2

Nota di CopyrightQuesto insieme di trasparenze (detto nel seguito slides) è protetto dalle leggisul copyright e dalle disposizioni dei trattati internazionali. Il titolo ed icopyright relativi alle slides (ivi inclusi, ma non limitatamente, ogni immagine,fotografia, animazione, video, audio, musica e testo) sono di proprietà degliautori indicati a pag. 1.Le slides possono essere riprodotte ed utilizzate liberamente dagli istituti diricerca, scolastici ed universitari afferenti al Ministero della Pubblica Istruzionee al Ministero dell’Università e Ricerca Scientifica e Tecnologica, per scopiistituzionali, non a fine di lucro. In tal caso non è richiesta alcunaautorizzazione.Ogni altra utilizzazione o riproduzione (ivi incluse, ma non limitatamente, leriproduzioni su supporti magnetici, su reti di calcolatori e stampate) in toto o inparte è vietata, se non esplicitamente autorizzata per iscritto, a priori, da partedegli autori.L’informazione contenuta in queste slides è ritenuta essere accurata alla datadella pubblicazione. Essa è fornita per scopi meramente didattici e non peressere utilizzata in progetti di impianti, prodotti, reti, ecc. In ogni caso essa èsoggetta a cambiamenti senza preavviso. Gli autori non assumono alcunaresponsabilità per il contenuto di queste slides (ivi incluse, ma nonlimitatamente, la correttezza, completezza, applicabilità, aggiornamentodell’informazione).In ogni caso non può essere dichiarata conformità all’informazione contenutain queste slides.In ogni caso questa nota di copyright non deve mai essere rimossa e deveessere riportata anche in utilizzi parziali.

Maggio 1996

Fibre- 3 Copyright: si veda nota a pag. 2

Struttura di una fibra otticaÈ un minuscolo e flessibile filo di materialevetroso:

una parte interna detta nucleo (core)una parte esterna detta mantello (cladding)core e cladding hanno indici di rifrazione diversiper confinare la luce all’interno del core

CORE

CLADDING

RIVESTIMENTO PRIMARIO

GUAINA PROTETTIVA

Maggio 1996

Fibre- 4 Copyright: si veda nota a pag. 2

CaratteristicheLe fibre ottiche sono unicamente adatte acollegamenti punto a punto, non essendopossibile prelevare o inserire il segnale inun punto intermedioTotale immunità ai disturbi elettromagneticiCaratterizzate da due numeri n/m dove:

n diametro della parte interna conduttrice di lucem diametro della parte esterna

Valori tipici in micronmultimodali 50/125, 62.5/125, 100/140monomodali 8-10/125

Ottobre 1996

Fibre- 5 Copyright: si veda nota a pag. 2

Cenni di propagazione guidataLa propagazione all’interno delle fibreottiche avviene per riflessioni successiveUn ruolo chiave è giocato dall’indice dirifrazione indicato con n:

il core e il cladding avendo indici di rifrazionediversi riflettono la luce secondo le leggidell’ottica geometrica (legge di Snell)nel core la velocità di propagazione èinversamente proporzionale all’indice di rifrazione

Al ridursi delle dimensioni del core:l’ottica geometrica diventa insufficiente aspiegare il funzionamento delle fibresi adotta la teoria delle guide d’onda

Maggio 1996

Fibre- 6 Copyright: si veda nota a pag. 2

La legge di Snell

n1 sinαα1 = n2 sinαα2

indice di rifrazione n1

αα2

αα1indice di rifrazione n2

Su

perficie d

isep

arazion

e

n1 > n2

Maggio 1996

Fibre- 7 Copyright: si veda nota a pag. 2

La legge di SnellNelle fibre ottiche l’indice di rifrazione n1(core) è maggiore di n2 (cladding)La legge di Snell dimostra che per valoridell’angolo di incidenza superiori a:

ααc = sin-1(n2/n1) detto angolo critico, si hariflessione totale

Valori tipici per le fibre ottiche:n2 = 1.475n1 = 1.5ααc = 79.5 gradi

Maggio 1996

Fibre- 8 Copyright: si veda nota a pag. 2

Cono di accettazione

NA = sin θ

Raggio personel mantello

Cono di accettazione

θ = massimo angolo di accettazione

Raggio fuori dal conodi accettazione

θ

θθ = 90 - ααc

Maggio 1996

Fibre- 9 Copyright: si veda nota a pag. 2

Modi di PropagazioneIn generale in una fibra ottica la luce ha piùmodi di propagazione (dispersione modale)che limitano la bandaNelle fibre ottiche multimodali la luce sipropaga con diversi percorsi o modi

esistono due tipi diversi di fibre multimodali:step-index (oggi non più utilizzate)graded-index (utilizzate tipicamente nelle retilocali)

Nelle fibre ottiche monomodali la luce sipropaga in un solo modo

Maggio 1996

Fibre- 10 Copyright: si veda nota a pag. 2

Fibre multimodali step-indexLa variazione degli indici di rifrazione tracladding e core è brusca e causa moltadispersione modale

Impulso iningresso

Impulso inuscita

T1 T2

M1

M4M3

M2

M1

M2M3M4

Maggio 1996

Fibre- 11 Copyright: si veda nota a pag. 2

Fibre multimodali graded-indexLa variazione continua degli indici dirifrazione rallenta i raggi più centrali

Le fibre graded-index hanno una banda passantemolto superiore a quelle step-indexLavorano in 1a e 2a finestra (850 e 1300 nm)

Ottobre 1996

Fibre- 12 Copyright: si veda nota a pag. 2

Fibre monomodali

La fibra si comporta come una guida d’ondaammettendo una sola modalità dipropagazione:

non si ha dispersione modalela banda passante è elevatissima, dell’ordine dicentinaia di GHz . Kmlavorano in 2a e 3a finestra (1300 e 1500 nm)

Maggio 1996

Fibre- 13 Copyright: si veda nota a pag. 2

Tipi di trasmissione

Sulle fibre ottiche si usano due diversemodalità di trasmissione:

sulle fibre multimodali si trasmette con LED chesono poco costosisulle fibre monomodali si trasmette con Laser chesono più costosi dei LED, ma si coprono distanzemaggiori a velocità maggiori

Maggio 1996

Fibre- 14 Copyright: si veda nota a pag. 2

InterconnessioneLa difficoltà di interconnettere fibre otticheaumenta al diminuire delle dimensioni delcore.

10/125 50/125

Ottobre 1996

Fibre- 15 Copyright: si veda nota a pag. 2

Finestre di utilizzo

15251300900455 700

I finestra II finestra III finestra

Lucevisibile

10

5

2

1

0.5

AttenuazionedB/Km

lunghezzad'onda

nm

* In II finestra con i laser si arriva a 1GHz . Kmsu multimodalee 10 GHz . Kmsu monomodale

I finestra 800 - 900 nm 150 MHz . KmII finestra 1250 - 1350 nm 500 MHz . Km*III finestra 1500 - 1550 nm 100 GHz . Km

Maggio 1996

Fibre- 16 Copyright: si veda nota a pag. 2

Fibra a specifiche ISO/IEC 11801Caratteristiche minime richieste dallostandard ISO/IEC 11801 riferite alla fibraottica multimodale 62.5/125 µµm:

Lunghezza Attenuazione Bandad'onda massima passante(nm) (dB/Km) (MHz . Km)

850 3.5 200

1300 1.0 500

Maggio 1996

Fibre- 17 Copyright: si veda nota a pag. 2

Fibra a specifiche TIA/EIA 568ACaratteristiche minime richieste dallostandard TIA/EIA 568A riferite alla fibraottica multimodale 62.5/125 µµm:

Lunghezza Attenuazione Bandad'onda massima passante(nm) (dB/Km) (MHz . Km)

850 3.75 160

1300 1.5 500

Maggio 1996

Fibre- 18 Copyright: si veda nota a pag. 2

I cavi in fibra otticaA seconda della diversa metodologiacostruttiva utilizzata si identificano treprincipali famiglie di cavi in fibra ottica:

Cavi di tipo tight, suddidivisi in:cavi multimonofibracavi multifibra

Cavi di tipo looseCavi di tipo slotted core

Maggio 1996

Fibre- 19 Copyright: si veda nota a pag. 2

Cavi di tipo tightCaratteristiche:

hanno le guaine protettive aderenti alla fibrapossono essere direttamente terminati condiversi connettori: ST, SC, FC-PC, ecc.

Vengono utilizzati per installazioni in luoghiinterniSi suddividono in due famiglie:

cavi multimonofibracavi multifibra

Maggio 1996

Fibre- 20 Copyright: si veda nota a pag. 2

Cavi multimonofibraCavi molto robusti (massimo 8 fibre)

ogni singola fibra può avere un rivestimento di2 ÷ 3 mm di diametro

Fibra otticadiametro esterno 250 mm

250 µm = 125 µm + rivestimento primario

Elemento centraledielettrico

GuainaToxfree o Low-smoke-fume

Filati aramidici

Rivestimento aderentediametro esterno 0.9 mm

diametro esterno da 2 ÷ 3 mm

Maggio 1996

Fibre- 21 Copyright: si veda nota a pag. 2

Bretelle otticheLe bretelle ottiche servono per effettuare lepermutazioni tra gli apparati attivi ed ipannelli di terminazione

utilizzano un cavo multimonofibra a due fibre,chiamato anche cavo bifibra

Fibra otticadiametro esterno 250 mm

250 µm = 125 µm + rivestimento primario

GuainaToxfree o Low-smoke-fume

Filati aramidici

Rivestimento aderentediametro esterno 0.9 mm diametro esterno da 2 ÷ 3 mm

Ottobre 1996

Fibre- 22 Copyright: si veda nota a pag. 2

Cavi multifibraUsati come cavi di dorsale perchèpermettono una maggiore densità di fibre(massimo 32)

ogni singola fibra ha un rivestimento aderentecon un diametro esterno di 0.9 mmper rendere robusto il cavo si impiega unaprotezione metallica o dielettrica

Elemento centraledielettricoFilati aramidici

Rivestimento aderentediametro esterno 0.9 mm

Fibra otticadiametro esterno 250 mm

250 µm = 125 µm + rivestimento primario

Protezione metallicao dielettrica

GuainaToxfree o Low-smoke-fume

Maggio 1996

Fibre- 23 Copyright: si veda nota a pag. 2

Cavi di tipo looseCavi usati per installazioni in luoghi esternisoggetti a presenza di acqua o umidità

possono contenere fino a 100 fibre ottichedevono essere giuntati tramite tecniche displicing o fusione a cavetti monofibra di tipo tight

Fibra otticadiametro esterno 250 mm

250 µm = 125 µm + rivestimento primario

Elemento centraledielettrico

Filati aramidici

Protezione metallicaCorrugato di acciao

Tubettotamponato a Gel

Tamponante antidrogeno

Guaina in PoliuretanoGuaina in Polietilene

Maggio 1996

Fibre- 24 Copyright: si veda nota a pag. 2

Cavi di tipo slotted coreCavi usati per installazioni in luoghi esternisoggetti a presenza di acqua o umidità

possono contenere fino a 400 fibre ottichedevono essere giuntati tramite tecniche displicing o fusione a cavetti monofibra di tipo tight

Elemento centraledielettrico

Filati aramidici

Fibra otticadiametro esterno 250 mm

250 µm = 125 µm + rivestimento primario

Protezione metallicaCorrugato di acciao

Tamponante (Gel)

Guaina in Poliuretano

Guaina in Polietilene

CavaModulo scanalato

Ottobre 1996

Fibre- 25 Copyright: si veda nota a pag. 2

Fibre OttichePiù costose del rame (bifibra multimodalepuò costare 2500 lire/metro)Molto costose le giunzioni e laconnettorizzazione:

il problema è più critico al diminuire delledimensioni del core e quindi nelle monomodaliè richiesto personale qualificato construmentazione adeguata

Elevate velocità:è oggi standard lavorare a 2.4 Gb/s

Maggio 1996

Fibre- 26 Copyright: si veda nota a pag. 2

TAT-12/13Anello ottico sottomarino

New York (US), Rhode Island (US), Lands End(UK), Penmarc’h (FR)

5913 Km, 133 ripetitori ogni 45 Km (RI -LE)370 Km, 4 ripetitori ogni 74 Km (UK - FR)162 Km, nessun ripetitore (US - US)6321 Km, 140 ripetitori ogni 45 Km (NY - PE)

4 fibre, 2 operative e 2 di backuputilizzo fibre 2.5 Gb/s SDH

EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifierscompatibili con WDM sino a 4 lunghezze d’onda

WDMin previsione quattro flussi a 2.5 Gb/s per fibra

Maggio 1996

Fibre- 27 Copyright: si veda nota a pag. 2

WDMWDM: Wavelength Division MultiplexingAmplificatori ottici drogati all’erbio

indipendenti dalla velocità trasmissiva

AT&T17 canali da 20Gbps in WDM (totale 340 Gbps) suuna tratta di 150 Km con amplificatori all’erbioogni 50 Km

Bell Labs16 canali da 2.4 Gb/s in WDM (totale 40 Gbps) suuna tratta di 1420 Km con 96 amplificatoriall’erbio ogni 123 Km

TitoloCopyRightStruttura di una fibra otticaCaratteristicheCenni di propagazione guidataLa legge di SnellCono di accettazioneModi di PropagazioneFibre multimodali step-indexFibre multimodali graded-indexFibre MonomodaliTipi di trasmissioneInterconnessioneFinestre di utilizzazioneFibra a specifiche ISO/IEC 11801Fibra a specifiche TIA/EIA 568AI cavi in fibra otticaCavi di tipo tightCavi multimonofibraBretelle otticheCavi multifibraCavi di tipo looseCavi di tipo slotted coreFibre OtticheTAT-12/13WDM