Docente: Prof. Mauro De Berardis
Lavori eseguiti dagli alunni della classe Quinta B TIEN IPSIA Teramo
Coordinamento: Prof. Mauro De Berardis, Prof. Loreto Giovannucci
Fibre ottiche 
Lavoro eseguito dall'alunno Toni Rondolone
Per fibra ottica si intende un cavo formato da un sottilissimo filo di materiale vetroso (a base di silicio , del diametro di poche decine di micron e con un indice di rifrazione n1 ) che ne costituisce il nucleo centrale (CORE), rivestito da un mantello o guaina perfettamente uniforme (CLADDING) di materiale dielettrico con un indice di rifrazione n2 <n1 , capace di convogliare un raggio luminoso (che costituisce il segnale informazione) per riflessioni successive e con la minima perdita possibile lungo il percorso ; il cavo risulta poi ricoperto da un rivestimento esterno protettivo (JACKET).
Nel campo delle telecomunicazioni il raggio luminoso , che viene a costituire il segnale informazioni , è quello che rimane contenuto nel campo dell’infrarosso con una lunghezza d’onda compresa quindi tra 0.8 ed 1.6micro millimetri; esso viene prodotto da un opportuno dispositivo elettronico capace di emettere una luce monocromatica e coerente(per esempio il diodo laser ).
La dispersione nelle fibre ottiche
Il l raggio luminoso deve essere emesso da una sorgente di tipo monocromatico e coerente, ed inoltre deve essere particolarmente curata la sua immissione all’interno della fibra, tutto questo allo scopo di contenere al massimo alcuni difetti di trasmissione tipici delle fibre ottiche: essi sono principalmente:
 | la dispersione modale |
| la dispersione di materiale |
| la dispersione di guida |
| Dispersione modale – (detta anche dispersione temporale) dovuta al diverso cammino compiuto dai raggi luminosi all’interno della fibra, ciò comporta tempi diversi di arrivo dei raggi e quindi una certa distorsione sul segnale d’uscita. |
| Dispersione di materiale – tiene conto di diversi fenomeni legati alla costruzione della fibra in termini di dimensioni e natura del materiale, sia del "core" sia del "cladding". |
| Nel caso di raggi non perfettamente monocromatici ciascuna lunghezza d’onda si propaga con velocità diversa all’interno del core, dal momento che esiste un rapporto ben preciso tra velocità di propagazione e di indice di rifrazione; per tanto si può dire che: |
| i raggi con lunghezza d’onda minore viaggeranno a velocità minore. |
| i raggi con lunghezza d’onda maggiore viaggeranno a velocità maggiore. |
Per questo anche se fossimo in presenza di raggi perfettamente concentrati incidenti lungo l’asse del core avremmo comunque tempi di percorrenza delle fibre diversi, con conseguente distorsione sul segnale d’uscita.
In tal caso è quindi la natura del materiale con cui è costruito il core, tramite il suo indice di rifrazione n1, a determinare la distorsione sul segnale.
- E’ ancora un fenomeno dipendente dalla lunghezza d’onda del raggio luminoso , ma anche dal modo e dalle dimensioni con cui viene costruito il nucleo della fibra (che funziona quindi come guida d’onda per il segnale ).
Lunghezze d’onda diverse e dimensione eccessivamente ridotte del core incentivano questo tipo di dispersione , in quanto l’energia luminosa tende a interessare anche la parte di cladding direttamente a contatto con il core ; in tal caso infatti l’indice di rifrazione del cladding tende a condizionare in modo più o meno pesante la velocità di propagazione del raggio luminoso. Più il core ha dimensioni ridotte più questo fenomeno è sentito.
Altre cause di dispersioni
Si è detto che a deteriorare il comportamento ideale della fibra ottica intervengono diverse cause o difetti che possono determinare perdite di energie luminose e distorsione sul segnale; essi sono :
| Il fenomeno dello scattering ( presenza di impurità opache all’interno del core |
| Difetti di costruzione del core, quali: |
| rugosità della superficie di separazione tra core e cladding |
| conicità del core |
| Difetti di giunzione tra due spezzoni di fibre, dovuti a: |
| interposizione di uno straterello di aria nella giunzione (caso a) |
| differenza tra i diametri (caso b) |
| disallineamento assiale (caso c) |
| disallineamento angolare (caso d) |
| rugosità nella giunzione (caso e |
La distorsione nella fibra ottica
Si è detto più volte che la dispersione produce una distorsione sul segnale di uscita che consiste in un allargamento dell’impulso di luce emesso dalla sorgente.
Questo fatto è evidentemente dannoso in quanto tende a determinare una riduzione della velocità di trasmissione infatti più l’impulso di uscita tende ad allargarsi, più lento dovrà essere l’invio di due impulsi consecutivi. Si ricordi che la trasmissione su fibra ottica utilizza soltanto segnali digitali, pertanto l’informazione è affidata al riconoscimento della sequenza logica dei bit ,che è possibile solo se il ricevitore sarà in grado di rilevare la presenza dello stato logico basso e dallo stato logico alto senza possibilità di errore.
Vari tipi di fibra ottica
Esistono tre diverse tecnologie costruttive della fibra; essi sono :
| Fibra a gradino di indice (step index) ;dove gli indici di rifrazione n1 ed n2 risultano costanti |
| Fibra a variazione graduale dell’indice (graded index) dove l’indice di rifraziione n1 varia tra un valore massimo, al centro della fibra, ed un valore minimo verso la periferia della fibra |
| Fibra monomodale ( single mode) dove l’indice di rifrazione varia ancora a gradino tra n1 ed n2, ma su un diametro del nucleo molto piccolo |
I primi due tipi di fibra vengono anche detti multimodali in quanto, risultando la sezione del nucleo piuttosto grande, la propagazione del raggio luminoso può avvenire in piu’ modi, secondo diversi valori dell’angolo di riflessione; proprio per cercare di limitare l’effetto negativo della dispersione modale, piuttosto rilevante nella fibra con tecnologia a gradino, si è indotta la tecnologia a indice graduale ,oppure latecnologia monomodale.
Conclusioni sulle fibre ottiche
A questo punto è possibile concludere che le fibre ottiche rappresentano sicuramente il mezzo trasmissivo del prossimo futuro per tutta una serie di vantaggi che esse presentano
Pregi
Un sistema di trasmissione ottico, qualunque sia il segnale informazione origine (analogico o numerico ) utilizza prevalentemente il sistema PCM multiplato in tecnica TDM, con tutti i vantaggi tipici di questa tecnica ai già numerosi vantaggi offerti da questa tecnologia, quali per esempio :
| Bassa attenuazione (anche inferiore ad 1db /Km) |
| Attenuazione indipendente dalla velocità trasmissiva |
| Notevole larghezza di banda |
| Velocità trasmissiva molto alta |
| Piccole dimensioni del cavo ed elevata flessibilità meccanica |
| Immunità esterne del tipo elettromagnetiche |
| Grande flessibilità di utilizzo |
| Possibilità di trasmissione a grandi distanze senza dover utilizzare stazioni ripetitrici |
Difetti
Per contro i costi di produzione e di istallazione sono ancora piuttosto alti, oltre a tutte le precauzioni che devono essere rispettate per un corretto montaggio (giunzioni, raggi di curvatura ecc.)
Un altro inconveniente attualmente presente è costituito dalle apparecchiature ausiliarie non ancora capaci di sfruttare al massimo la potenzialità della fibra ottica; infatti questo sistema trasmissivo ha bisogno come noto, di utilizzare una apportuna conversione elettroottica in trasmissione ed una riconversione optoelettrica in ricezione, vista l’impossibilità, almeno per ora, di poter elaborare direttamente un segnale luminoso.
Attualmente in telefonia vi sono sistemi di trasmissione ottica a 140Mbit/s ma si pensa già di creare sistemi più veloci a 565Mbit/s con 7860 canali telefonici PCM multiplati in tecnica TDM.
Un esempio di sistema trasmissivo su fibra ottica può essere il seguente:
Elettronica, Telecomunicazioni e applicazioni
Applicazioni in sistemi di acquisizione dati
Spesso in un sistema di acquisizione, la trasmissione dei dati da un’unità all’altra avviene tramite fibre ottiche.
Con questa soluzione si ottengono i seguenti vantaggi:
| immunità alle interferenze EMI, RFI , |
| elevata banda passante, là dove è richiesta, ad esempio nei collegamenti fra due elaboratori elettronici |
| facilità di installazione |
| bassi costi di manutenzioni |
| possibilità di multiplazione a elevata velocità consentendo fra l’altro notevoli risparmi nei cablaggi e nella documentazione |
| possibilità di utilizzare gli stessi percorsi dei cavi di potenza |
| assenza di diafonia fra canali adiacenti |
| perfetti isolamenti galvanici. |
I problemi più gravi di interfacciamento nascono proprio dalla necessità di effettuare misure precise ed affidabili in ambienti elettricamente disturbati. Di norma il segnale elettrico in uscita dal trasduttore è debole e facilmente influenzabile dai disturbi di origine elettromagnetica presenti lungo il tragitto che separa il trasduttore dal sistema di conversione. Per ovviare a questi inconvenienti di norma si mettono in atto particolari accorgimenti atti a minimizzare l’influenza di questi disturbi. Non sempre però sono efficaci, specie quando si hanno percorsi molti lunghi e segnali particolarmente deboli.
Nel suo insieme, un sistema di Ad si articola su tre livelli: al primo livello abbiamo un trasduttore (o sensore) e il trasmettitore convertitore, al secondo livello si trova una stazione di multiplazione locale che gestisce un certo numero di segnali provenienti dai trasduttori. I dati sono poi trasmessi tramite un cavo a fibra ottica a un microcomputer che gestisce a sua volta un certo numero di moduli di conversione ; al microcomputer è riservato anche il compito di comunicare con il calcolatore principale. È prevista anche la possibilità di visualizzare localmente su di un videoterminale una mappa dati inerenti a quella sezione di impianti.
Inglese
Advantages of Optic Fibers
| Weight – one- tenth of that of a small coaxial cable. Fiber-optic terminal equipment is not as heavy as wire or coaxial equipment. (Wide application in avionics.) |
| Immunity to noise – moving magnetic fields nearby as well as solar storm flux can induce noise signals into any electric wiring but have no effect on fiber-optic signal. |
| Crosstalk – adjacent wires can couple signal from one to the other by the changing of magnetic fields in one or both. Optic fibers have no crosstalk between fibers or with any parallel electric circuits. |
| Installation – fiber cables, being lighter and more flexible, are easier to pull through conduit pipes and channels than are coaxial cable. Both may be buried or strung on poles. |
| Cost – fiber-optic systems are now less costly than high-performance coaxial cable systems, and they are becoming progressively less expen- sive, particularly when the cost of repeaters is considered. |
| Weathering – coaxial cable may degrade rather rapidly when subjected to moisture, heat, and cold. Optic fibers are less affected by moistu- re and normal temperature variations. |
| Ground loops – since there is no common grounding of fiber-optic systems there can be no ground loops to produce feedback and instabilities. |
Traduzione
| PESO : Un decimo di quello di un piccolo cavo coassiale. La struttura terminale della fibra ottica non è tanto pesante quando la struttura del cavo coassiale. |
| IMMUNITA’ AL RUMORE: I campi magnetici vicini o in movimento, cosi come i flussi di tempesta solare, possono indurre il rumore nel segnale in qualsiasi filo elettrico, ma non hanno effetto nelle fibre ottiche |
| DIAFONIA: Fili elettrici vicini possono duplicare il segnale da uno all’altro cambiando i campi magnetici in uno o in entrambi. Le fibre ottiche non hanno diafonia tra loro o con nessun altro circuito elettrico parallelo. |
| INSTALLAZIONE: I cavi a fibra ottica essendo più leggeri e più flessibili sono più facili da tirare nelle condutture e nei canali dei cavi coassiali. Entrambi possono essere tesi . |
| COSTO : I sistemi di fibre ottiche costano molto meno dei sistemi a cavi coassiali ad alta prestazione e stanno diventando meno costosi, particolarmente se si considerano i costi dei ripetitori |
| AZIONE DEGLI AGENTI ATMOSFERICI : I cavi coassiali possono rovinarsi rapidamente se soggetti all’umidità, al calore e al freddo, le fibre ottiche sono meno rovinate dall’umidità e dalle variazioni di temperatura. |
| MESSA A MASSA : Poiché non c’è nessuna messa a massa dei sistemi di fibra ottica non c’è nessun ritorno a terra che possa produrre retroazione e instabilità. |
Matematica
L'indice di apertura numerica (N.A) della fibra ottica è così definito:
N.A.= sen a0
dove:
a0 =Angolo limite di incidenza
GRAFICI DELLE FUNZIONI GONIOMETRICHE
1) Grafico della funzione:Y=sen(X).
Si ricorda che si chiama angolo radiante l'angolo al centro di una circonferenza di raggio arbitrario, che sottende un arco di lunghezza eguale al suo raggio.
e che esiste la seguente corrispondenza tra gradi e radianti:
| gradi | 0 | 30 | 45 | 60 | 90 | 180 | 270 | 360 |
| radianti | 0 | p /6 | p /4 | p /3 | p /2 | p | 3p /2 | 2p |
Indicando con X la misura in radianti di un angolo orientato e con Y il corrispondente valore del seno, sappiamo che la funzione Y=sen(X) è definita per ogni valore della X. Inoltre, la funzione "seno" è una funzione periodica di periodo 2p , e quindi per studiare l’andamento del suo grafico basta limitarsi a considerare soltanto i valori che essa assume per X variabile nell’intervallo (0,2p ).
A tale scopo, tracciamo sul piano un sistema d’assi cartesiani ortogonali Oxy e fissiamo un segmento U come unità di misura. Sull’asse X prendiamo il segmento, corrispondente all’intervallo (0,2p ), di misura 2p , e poi segnano i punti di ascissa X=p /2, X=p , X=3p /2.
Costruiamo, ora la tabella contenente i valori finora noti di sen(X)
La funzione y=sen(x) realizzata con 
SEGNALI PERIODICI E COMPONENTI ARMONICHE
Spesso in elettronica si fa riferimento a segnali del y=sen(x). Raramente, però, i segnali che si incontrano in Elettronica sono ideali; essi presentano generalmente un andamento sinusoidale con più o meno lievi deformazioni. Inoltre in moltissime applicazioni i segnali presentano andamenti completamente differenti da quello sinusoidale. Si può comunque affermare, grazie al TEOREMA DI FOURIER, che tutti i segnali periodici, con andamento qualsiasi, possono essere considerati come il risultato della sovrapposizione di tanti segnali sinusoidali di opportune ampiezza e frequenza e opportunamente sfasati fra di loro.
Secondo il Teorema di Fourier, una funzione periodica f (t) di periodo T è esprimibile con una serie del tipo:
f (t) = A0 + A1 sen (w t + j 1 ) + A2 sen (2w +j 2 ) + A3 sen (3w t + j 3)
ovvero può essere considerata come la somma di un termine costante, pari al valore medio della funzione di un periodo, e di infinite sinusoidi, delle quali la prima ha frequenza f= w /2p =1/T e le successive hanno frequenze multiple di f. La componente di frequenza f costituisce la componente fondamentale mentre le altre sono componenti armoniche.
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