Fibra ottica: tecnologia, funzionamento, componenti e applicazioni per la connessione ad alta velocità

Fibra ottica

FIBRA OTTICA

Introduzione

Per navigare nella rete mondiale, Internet, non basta avere un computer, un modem e alcuni programmi: è necessaria anche una buona connessione e, talvolta, una buona dose di pazienza. Il cyberspazio può risultare infatti molto lento: un utente può trascorrere diversi minuti in attesa di caricare una pagina o ore per scaricare un programma dal Web.

Questo accade perché le linee telefoniche, il mezzo con cui la maggior parte degli utenti si connette a Internet, non sono state progettate per trasportare in modo efficiente video, grafica, testo e tutti gli altri elementi che viaggiano da un punto all'altro della rete.

Tuttavia, le linee telefoniche non sono l'unica via per accedere al cyberspazio. Negli ultimi anni si è diffuso il servizio di connessione a Internet tramite fibra ottica.

Origine ed evoluzione

La storia della comunicazione in fibra ottica è relativamente recente. Nel 1977 fu installato in Inghilterra un sistema di prova; due anni dopo la produzione di questo materiale aveva già registrato ordini significativi.

Già nel 1959, studi di fisica concentrati sull'ottica portarono alla scoperta del raggio laser, applicato poi alle telecomunicazioni per trasmettere messaggi a velocità e portate eccezionali.

All'inizio l'uso del laser era però limitato perché mancavano linee e canali adeguati per la propagazione delle onde elettromagnetiche generate dalla sorgente laser. Fu quindi necessario sviluppare una guida ottica, la fibra ottica; nel 1966 fu proposta l'idea di utilizzare una guida ottica per la comunicazione.

L'uso della luce come vettore di informazioni può essere spiegato così: la luce è un'onda elettromagnetica della stessa natura delle onde radio, con la differenza che la lunghezza d'onda è dell'ordine dei micron anziché dei metri o centimetri.

Gli studi teorici pubblicati verso la metà degli anni Settanta dimostrarono che era possibile guidare un fascio di luce in una fibra trasparente e flessibile, fornendo quindi un segnale ottico analogo a quello trasmesso mediante fili elettrici.

I problemi tecnici principali riguardavano l'elevata attenuazione iniziale delle fibre: le prime fibre in vetro avevano un raggio di attenuazione tale da limitare la portata a pochi metri. Con la ricerca sono stati sviluppati vetri purissimi con perdite molto inferiori rispetto al vetro ordinario; questi progressi, insieme alla miniaturizzazione delle sorgenti luminose (laser e diodi), hanno dato impulso allo sviluppo industriale delle fibre ottiche.

Cos'è la fibra ottica

Prima di definire direttamente la fibra ottica, è opportuno chiarire alcuni aspetti fondamentali dell'ottica. La luce si muove alla velocità della luce nel vuoto; quando attraversa altri mezzi, la velocità diminuisce e si manifestano fenomeni di riflessione e rifrazione. La rifrazione comporta un cambiamento di direzione della propagazione quando la luce passa da un mezzo a un altro (come quando si vede un cucchiaio parzialmente immerso in un bicchiere d'acqua).

In base alla velocità della luce in un materiale viene assegnato un indice di rifrazione n, che è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e quella nel mezzo. Gli effetti di riflessione e rifrazione al confine tra due mezzi dipendono dai loro indici di rifrazione.

Concetto di fibra ottica

I circuiti in fibra ottica sono filamenti realizzati in vetro (silice) o in plastica, con spessore paragonabile a quello di un capello (da 10 a 300 µm). Trasportano informazioni sotto forma di fasci di luce che viaggiano all'interno della fibra da un'estremità all'altra, seguendo anche curve e spigoli senza interruzioni.

Le fibre ottiche possono essere impiegate come sostitute dei tradizionali fili di rame, sia in sistemi locali e autonomi (ad es. sistemi di elaborazione dati a bordo di aeromobili) sia in grandi reti geografiche gestite dalle compagnie telefoniche.

Il principio di funzionamento è la riflessione interna totale: la luce che viaggia nel nucleo della fibra incide sulla superficie interna con un angolo maggiore dell'angolo critico, così che viene riflessa completamente e si riducono le perdite. Per limitare ulteriormente la dispersione e la perdita, il nucleo è rivestito da uno strato di vetro con indice di rifrazione leggermente inferiore; le riflessioni avvengono dunque sulla superficie di separazione tra nucleo e rivestimento.

In sintesi: la fibra ottica è una guida di luce costituita da materiali studiati per trasmettere segnali ottici con minime perdite rispetto al rame. Rispetto al rame, il segnale in fibra subisce un'attenuazione molto minore e consente la trasmissione di più segnali contemporanei su frequenze diverse (multiplexing). Inoltre, le fibre possono trasmettere la luce direttamente ed offrono altri vantaggi pratici.

Fabbricazione di fibre ottiche

Le immagini mostrano come viene prodotta la fibra monomodale. Ogni fase della produzione è illustrata da una breve sequenza filmata.

La prima fase prevede il montaggio di un tubo e di una bacchetta cilindrica di vetro montati concentricamente e il riscaldamento del tutto per garantire l'omogeneità del materiale.

Una bacchetta di vetro lunga 1 m e con diametro di 10 cm può essere, tramite allungamento, trasformata in una fibra monomodale di lunghezza dell'ordine di 150 km.

Di cosa è fatta la fibra ottica

La maggior parte delle fibre ottiche è realizzata con sabbia di silice, una materia prima molto più abbondante rispetto al rame: con pochi chilogrammi di vetro si possono ottenere decine di chilometri di fibra ottica. I due componenti essenziali sono il nucleo e il rivestimento: il nucleo è la parte interna che guida la luce.

Il nucleo è costituito da uno o più fili sottili di vetro o plastica con diametro compreso tra 50 e 125 µm. Il rivestimento circonda e protegge il nucleo e, a sua volta, è rivestito esternamente con materiali plastici che proteggono dall'umidità, dalla rottura, dai roditori e da altri rischi ambientali.

Come funziona la fibra ottica

In un sistema di trasmissione via fibra ottica vi è un trasmettitore che trasforma segnali elettrici (onde elettromagnetiche) in energia ottica (luce): è la componente attiva del sistema. All'altra estremità della fibra si trova il rivelatore ottico (ricevitore), la cui missione è trasformare la luce in un segnale elettrico simile all'originale. Un tipico collegamento è composto da: segnale di ingresso, amplificatore, sorgente luminosa, adattatore ottico, tratta in fibra (prima sezione), giunzione (splicing), tratta in fibra (seconda sezione), ricevitore ottico, amplificatore e uscita.

Le sorgenti luminose più usate sono i diodi emettitori di luce (LED) e i diodi laser a iniezione (ILD): la quantità di luce emessa è proporzionale alla corrente di eccitazione, per cui un convertitore tensione-corrente trasforma il segnale elettrico in una corrente che modula la sorgente luminosa. La connessione tra sorgente e fibra avviene mediante interfacce meccaniche che accoppiano la sorgente al cavo.

Il ricevitore utilizza generalmente un fotodiodo (PIN o fotodiodo valanga, APD) che converte l'energia luminosa in corrente. Un convertitore corrente-tensione trasforma le variazioni di corrente in variazioni di tensione del segnale di uscita.

Dispositivi coinvolti

I blocchi principali di un link in fibra ottica sono:

• Trasmettitore: interfaccia analogica o digitale, convertitore tensione-corrente, sorgente luminosa e adattatore fonte-fibra.
• Guida: fibra di vetro ultra pura o filo di plastica.
• Ricevitore: connettore in fibra, dispositivo rivelatore (fotodiodo), convertitore corrente-tensione, amplificatore e interfaccia verso il circuito elettrico.

Componenti e tipi di fibra ottica

Componenti

Core: realizzato in silice, quarzo o plastica; è la regione in cui si propagano onde ottiche. Diametri tipici: 50 o 62,5 µm per la fibra multimodale e 9 µm per la fibra monomodale.

Cladding (rivestimento ottico): di norma costituito dagli stessi materiali del nucleo ma con additivi che riducono l'indice di rifrazione rispetto al nucleo.

Rivestimento protettivo: generalmente in plastica, garantisce la protezione meccanica della fibra.

Tipi di fibra ottica

Fibra monomodale (single-mode):

Questa fibra offre la maggiore capacità di trasporto delle informazioni e ha una banda passante dell'ordine di 100 GHz·km. In una fibra monomodale solo un raggio (modo) viene trasmesso lungo l'asse della fibra, da cui il nome "single mode". È impiegata per lunghe distanze e alte prestazioni, ma la sua realizzazione e terminazione sono più delicate. Il diametro del nucleo è dell'ordine della lunghezza d'onda, tipicamente circa 5–8 µm.

Fibra multimodale a indice graduato (graded-index):

Le fibre multimodali a indice graduato presentano un indice di rifrazione che diminuisce gradualmente dal centro verso la periferia del nucleo. Ciò riduce la dispersione tra i diversi modi di propagazione e può raggiungere bande passanti fino a 500 MHz·km. Dimensioni tipiche: 62,5/125 µm (core/cladding), ma esistono anche altri formati.

Fibra multimodale a step-index:

Le fibre multimodali step-index hanno un nucleo con indice di rifrazione uniforme e un passaggio netto (step) verso la copertura. Sono realizzate in vetro (attenuazione tipica 30 dB/km) o in plastica (attenuazione maggiore, circa 100 dB/km) e hanno bande passanti fino a 40 MHz·km. Taglie comuni: 100/140 µm, 50/125 µm, ecc.

Connettori e accoppiatori

Per il collegamento delle fibre si utilizzano connettori o giunzioni per saldatura (splicing). I giunti meccanici permettono di continuare il percorso della luce da una fibra all'altra e possono essere anche di tipo ibrido per accoppiare connettori diversi.

Connettori:

1.- Il connettore 568SC è raccomandato perché mantiene la polarità. I due connettori sulla scheda 568SC sono indicati come A e B per facilitare la corretta polarità nel sistema di cablaggio e per gestire correttamente le inversioni di coppia.

2.- I sistemi di connettori e adattatori BFOC/2.5 (ST) possono ancora essere utilizzati su piattaforme attuali e future.

Colore: i connettori e gli adattatori multimodali sono spesso color avorio; quelli monomodali sono rappresentati dal colore blu.

Per la terminazione di una fibra è possibile utilizzare connettori o giunzioni per fusione. Nella connectorizzazione esistono diversi tipi di connettori a seconda degli standard adottati nel mondo e delle loro caratteristiche.

Tipi comuni di connettore: ST (utilizzato in reti dati e ambienti multimodali), FC (tipico per telefonia e CATV, spesso in formato angolare per la single-mode), SC (ampiamente usato in single-mode e nelle reti telefoniche).

Caratteristiche della fibra ottica

Caratteristiche generali

Copertura robusta: la guaina esterna viene estrusa ad alta pressione direttamente sul nucleo, migliorando la protezione interna del cavo. I cavi moderni contengono materiali addizionali che aumentano la resistenza rispetto alle coperture tradizionali.

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Doppio uso (interno ed esterno)

I rivestimenti moderni sono resistenti all'acqua, ai funghi e ai raggi UV; il buffer da 900 µm e i test di resistenza a carichi elevati garantiscono prestazioni ambientali migliori e maggiore affidabilità nel tempo.

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Protezione dall'umidità

Nei cavi i tubetti possono essere riempiti di gel per bloccare l'ingresso dell'acqua, evitando che questa migri fino alla terminazione. L'uso di più livelli di protezione attorno alla fibra aumenta la durata e l'affidabilità in ambienti umidi.

Protezione anti-infiammabile

I nuovi materiali ritardanti di fiamma riducono i rischi legati a vecchie installazioni che contenevano materiali infiammabili e gel. Questi sviluppi permettono la conformità alle normative di installazione e riducono i rischi e i costi legati al ripristino dopo incendi.

Packaging ad alta densità

Ottimizzando il numero massimo di fibre in un diametro il più piccolo possibile si rende l'installazione più rapida e semplice, soprattutto in presenza di curve strette. È possibile realizzare cavi con 72 fibre con diametri fino al 50% inferiori rispetto ai cavi tradizionali.

Caratteristiche tecniche

La capacità di trasmissione di una fibra dipende da tre fattori fondamentali:

• Il disegno geometrico della fibra.
• Le proprietà dei materiali impiegati (design ottico).
• La larghezza spettrale della sorgente luminosa: maggiore è la larghezza, minore è la capacità di trasmissione.

La fibra offre inoltre ingombri e pesi molto inferiori rispetto ai supporti tradizionali: un cavo a 10 fibre può avere diametro di circa 8–10 mm e trasportare pari o maggiori quantità di informazioni rispetto a tradizionali cavi coassiali.

La silice resiste a un ampio intervallo di temperatura; molti materiali impiegati operano bene da -55 °C a +125 °C senza degrado.

Caratteristiche meccaniche

Le fibre, in quanto elementi sottili, non hanno una resistenza meccanica elevata da sole; pertanto è necessario predisporre coperture e protezioni in grado di contrastare microcurvature, microbending, sollecitazioni meccaniche e fenomeni di invecchiamento.

Le prove tipiche per valutare le performance meccaniche includono:

• Tensione: allungamento che può causare la perdita di elasticità e la formazione di microcurvatura.
• Compressione: forze laterali che possono deformare il cavo.
• Impatto: verifica della resistenza agli urti.
• Curvatura: limite per l'angolo di curvatura che la fibra può sopportare.
• Coppia: torsione e trazione laterale.
• Vincoli termici: variazioni in funzione dei materiali usati (vetro o polimeri).

Si cerca inoltre di minimizzare le perdite aggiuntive dovute a giunzioni e a variazioni di attenuazione con la temperatura, bilanciando a volte forza meccanica, qualità, densità di fibre e costo di produzione.

Vantaggi e svantaggi della fibra ottica

Vantaggi

• Permette connessioni a Internet ad altissime velocità (esempi pratici fino a milioni di bps).
• Accesso continuativo 24 ore su 24 senza congestione tipica delle reti telefoniche obsolete.
• Supporta video e audio in tempo reale.
• Facile da installare in molte configurazioni.
• Immunità da rumori ed interferenze elettromagnetiche.
• La trasmissione ottica non perde luce facilmente: sicurezza e robustezza della comunicazione.
• Assenza di segnali elettrici nella fibra evita rischi di scosse elettriche; adatta per ambienti esplosivi.
• Ingombro e peso inferiori rispetto ai cavi metallici pur trasportando grandi quantità di segnali.
• Materie prime abbondanti (es. silice).
• Adatta alla tecnologia digitale e alle richieste di banda delle moderne applicazioni.

Svantaggi

• Disponibilità iniziale limitata: possono sfruttarla solo le persone nelle aree già cablate in fibra ottica.
• Costo elevato del collegamento e dell'installazione in alcune zone.
• Fragilità delle fibre se non adeguatamente protette.
• Disponibilità limitata di connettori in alcuni contesti storici.
• Riparazione sul campo di un cavo rotto può essere più complessa rispetto al rame.

Applicazioni della fibra ottica

Internet

La connessione a Internet tramite fibra ottica supera il principale limite del cyberspazio: la lentezza. In questo articolo abbiamo descritto il funzionamento, i vantaggi e gli svantaggi della tecnologia.

La fibra ottica consente velocità impensabili con i sistemi convenzionali: mentre molti utenti si collegavano a 28.000 o 33.600 bps via modem, la fibra può offrire connessioni dell'ordine di milioni di bps.

Reti

La fibra ottica è sempre più usata nelle reti perché le onde luminose hanno frequenze elevate e una maggiore capacità di trasporto informativo. Vengono impiegati sistemi laser con fibre per le comunicazioni a lunga distanza; oggi esistono molte dorsali in fibra che offrono collegamenti intercontinentali e sottomarini.

Un vantaggio delle fibre è la distanza tra ripetitori: attualmente i ripetitori ottici possono trovarsi a circa 100 km l'uno dall'altro, rispetto ai circa 1,5 km degli impianti elettrici. Lo sviluppo degli amplificatori in fibra ottica può aumentare ulteriormente questa distanza.

La fibra è diffusa anche nelle reti locali (LAN), dove connette computer (PC) e periferiche (stampanti), migliorando le prestazioni e semplificando l'inserimento di nuovi utenti. Lo sviluppo di componenti optoelettronici integrati aumenta ulteriormente le capacità dei sistemi in fibra.

In una LAN, tutti i computer possono condividere dati, applicazioni e risorse. Le WAN (Wide Area Network) collegano LAN separate su distanze maggiori, richiedendo hardware e servizi di comunicazione dedicati. I PBX forniscono connessioni specializzate per dati e telefonia in contesti professionali.

Telefonia

Per l'integrazione con le reti pubbliche di telecomunicazioni è necessario considerare la standardizzazione delle interfacce. Per la telefonia tradizionale i cavi in rame possono ancora essere sufficienti, ma con l'introduzione di servizi a banda larga (videoconferenza, videochiamate ecc.) la fibra ottica diventa fondamentale per l'abbonato.

Progetti come le reti urbane integrate a banda larga in fibra ottica (IBFN) hanno permesso di raccogliere esperienza nell'erogazione di servizi a larga banda, inclusa la distribuzione di radio e televisione su reti integrate.

Confronto con altri mezzi di comunicazione

Rispetto ai cavi coassiali

Comunicazioni via satellite vs fibra ottica

Per brevi distanze e per volumi di traffico molto elevati la fibra è generalmente più economica del satellite. Per un percorso di circa 2500 km un cavo in fibra ottica risulta più conveniente rispetto al satellite.

La qualità del segnale via cavo è superiore rispetto al satellite geostazionario, che si trova a circa 36.000 km di altezza e introduce latenze di quasi 500 ms, causando eco e ritardi nella trasmissione; i cavi in fibra mantengono latenze ben inferiori (entro i limiti indicati dalle raccomandazioni internazionali).

Il satellite è però utile in scenari specifici (copertura geografica non servita da cavi, mobilità) e può essere adattato alle tecnologie digitali, anche se richiede larghezza di banda e progettazione particolare.

Conclusione

La fibra ottica rappresenta una tecnologia chiave per le comunicazioni moderne: offre alta capacità, bassa attenuazione, immunità alle interferenze e consente servizi di banda larga che hanno rivoluzionato Internet, le reti e la telefonia. Nonostante alcuni svantaggi legati a costi e riparazioni in campo, i vantaggi la rendono la scelta preferenziale per molte applicazioni attuali e future.

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