Fibre ottiche: tipi, perdite, dispersione e processi di produzione

Classificazione delle fibre ottiche

Per i materiali dielettrici: fibra ottica in silice - fibra in vetro multicomponente - fibra ottica plastica.

Per la modalità di propagazione: fibra ottica monomodale (SM) - fibra ottica multimodale.

Per la distribuzione dell'indice di rifrazione: fibra a gradino (step-index, SI) - fibra a gradiente d'indice (graded-index, GI).

Perdite nella fibra ottica

Le perdite nella fibra ottica possono derivare da molteplici cause fisiche e meccaniche. Di seguito sono riportati i principali tipi di perdite e le loro cause.

Perdite per assorbimento

L'assorbimento della luce si verifica quando la luce che viaggia all'interno della fibra ottica viene convertita in calore. Questa perdita appare quando una parte della luce è assorbita dal materiale della fibra, come un sipario nero che assorbe la luce e la trasforma in calore.

Perdite per scattering di Rayleigh

La dispersione (scattering) di Rayleigh si verifica quando le onde luminose incontrano una sostanza le cui particelle hanno dimensioni paragonabili alla lunghezza d'onda della luce; la luce viene così dispersa in varie direzioni.

Perdite per scattering dovute a struttura non uniforme

Scattering dovuto a irregolarità: nella fibra ottica esistono piccole fluttuazioni o irregolarità della superficie di separazione tra il nucleo (core) e il rivestimento (cladding). Queste oscillazioni fanno sì che la luce passi attraverso materiali con indici di rifrazione diversi, causando dispersione della luce in più direzioni.

Perdite da piegatura

Piegatura: queste perdite si verificano quando la fibra è piegata in modo tale da superare l'angolo critico per la conservazione della propagazione guidata, provocando fuoriuscita di potenza dal nucleo.

Microcurvatura

Microcurvatura: quando una pressione laterale non uniforme viene applicata a una fibra ottica, l'asse longitudinale può risultare leggermente deformato (alcuni μm), con conseguente aumento delle perdite.

Perdite nei giunti

Giunti e connettori: i giunti (connettori rimovibili) o le giunzioni permanenti tra fibre sono analoghi alle connessioni tra due tubi d'acqua o gas: il collegamento deve essere perfetto per evitare perdite. Le connessioni in fibra ottica devono essere molto accurate per minimizzare perdite e riflessioni della luce (riflessioni di Fresnel).

Perdite di accoppiamento tra fibra e trasmettitori/ricevitori

Accoppiamento: poiché il diametro del nucleo è molto piccolo e l'angolo di ingresso della luce deve essere preciso, imprecisioni nei dispositivi ottici possono causare perdite rilevanti nell'introduzione della luce nel core. Questo problema si affronta spesso installando in fabbrica un pezzo di fibra (pigtail) sul trasmettitore. Nel ricevitore è altresì auspicabile ridurre i riflessi ottici nella fibra.

Scattering e dispersione (allargamento degli impulsi)

La dispersione è il fenomeno che causa l'allargamento degli impulsi trasmessi: i componenti del segnale luminoso impiegano tempi diversi per attraversare la fibra e raggiungere il rivelatore.

Dispersione modale

In fibre multimodali esistono diversi modi di propagazione dei raggi all'interno della fibra. Queste modalità percorrono traiettorie differenti; in casi estremi alcuni raggi viaggiano praticamente assialmente mentre altri descrivono percorsi inclinati che rimbalzano più volte. La differenza dei percorsi si traduce in differenze nei tempi di arrivo al ricevitore, causando l'allargamento degli impulsi.

Dispersione cromatica

La dispersione cromatica è l'insieme dei fenomeni di dispersione dovuti alla dipendenza delle proprietà di propagazione dalla lunghezza d'onda.

Dispersione dovuta alla guida d'onda

Guida d'onda: la dispersione dovuta alla guida d'onda si manifesta quando l'indice di rifrazione del nucleo differisce solo leggermente da quello del rivestimento; in queste condizioni le proprietà di propagazione variano con la frequenza e la struttura della guida, influenzando la dispersione complessiva.

Processo di produzione

Deposizione chimica da vapore (CVD) è stato uno dei primi metodi per la produzione di fibre a basse perdite. Un altro metodo impiega l'uso di un crogiolo doppio. Il metodo CVD è stato utilizzato da Corning Glass per ridurre le perdite di propagazione: nel 1970 fu prodotta la prima fibra con perdite dell'ordine di 20 dB/km. Una versione modificata del CVD (MCVD) è attualmente utilizzata; la deposizione chimica avviene all'interno di un tubo di silice di elevata qualità.

Sorgenti ottiche

Sorgenti ottiche: il laser a semiconduttore (LD, diodo laser) e il LED (diodo a emissione luminosa) sono utilizzati universalmente come sorgenti luminose nei sistemi di comunicazione in fibra ottica, poiché possono essere modulati direttamente alle alte velocità richieste, con bassa eccitazione e potenza d'uscita contenuta. La scelta tra laser e LED dipende dall'applicazione: per collegamenti a banda larga e su lunghe distanze il laser offre prestazioni migliori; per collegamenti a breve e media distanza, con requisiti di larghezza di banda meno stringenti, il LED è spesso preferito perché i circuiti di pilotaggio e i dispositivi di accoppiamento risultano più semplici e meno costosi.

Amplificatori ottici

Amplificatori ottici sono impiegati nei sistemi di trasmissione in fibra per aumentare il guadagno del collegamento, consentendo una maggiore distanza tra i ripetitori, semplificando le reti punto-punto o incrementando il guadagno complessivo dei sistemi senza ricorrere esclusivamente a convertitori elettrici ottici. Gli amplificatori ottici contribuiscono così a migliorare le prestazioni e la scalabilità delle reti in fibra.