Premessa ed evoluzione storica

La fibra ottica è uno dei nuovi supporti trasmissivi che ha prodotto e produrrà una notevolissima evoluzione nel mondo delle telecomunicazioni.

Una fibra ottica, denominata anche guida d'onda dielettrica, si presenta come un sottile filo di materiale dielettrico.

All'interno della fibra ottica si ha la propagazione della radiazione luminosa, anche con percorsi di fibra non rettilinei. Questa proprietà di guidare la luce è stata dimostrata fin dall'esperimento di John Tyndall nel 1870 che riuscì a guidare la luce con riflessioni successive entro uno zampillo d'acqua circondato da aria.

Successivamente:

• Nel 1910 Hondros e Debye formularono la teoria della propagazione di un'onda elettromagnetica in una guida dielettrica e lo stesso Debye affermò che si può trasmettere una radiazione luminosa utilizzando una guida costituita da diversi strati di materiale trasparente ciascuno con un differente indice di rifrazione;

• Nel 1950 si hanno le prime applicazioni pratiche delle guide negli endoscopi e nella strumentazione.

Tuttavia l'uso delle fibre ottiche nelle telecomunicazioni è avvenuto in tempi più recenti per effetto di tre eventi fondamentali.

1. 1962 realizzazione del primo laser a semiconduttore ad opera dei ricercatori della General Flectric e della IBM quasi in contemporanea.

2. 1966 studi di Kao ed Hockam su vetri a basse perdite.

3. Realizzazione di una fibra ottica per telecomunicazioni da parte della Corning Glass con attenuazione di 20 dB/km.

Vantaggi delle fibre ottiche

Dal 1970, un grande lavoro di ricerca e di sperimentazione svolto nelle nazioni più progredite scientificamente ha permesso la realizzazione di fibre ottiche di qualità sempre migliori. Sono pertanto aumentati i vantaggi delle fibre ottiche rispetto ai supporti trasmissivi tradizionali. È quindi iniziata una graduale ma inarrestabile sostituzione dei mezzi trasmissivi tradizionali con le fibre ottiche. Tale processo è stato facilitato anche dal continuo miglioramento delle caratteristiche dei dispositivi optoelettronici che si affiancano alle fibre ottiche nei sistemi di telecomunicazioni a fibre ottiche.

Fig. 1 Schema a blocchi di un sistema di telecomunicazione in fibra ottica

In fig. 1 è riportato nelle sue parti principali lo schema a blocchi di un sistema di telecomunicazioni a fibre ottiche. Nella fig. 1 si osserva che sorgente e destinatario devono essere collegati logicamente. nel senso cioè di scambiarsi messaggi. Per ottenere questo deve attuarsi la seguente procedura:

• Il messaggio di natura qualsiasi viene trasformato in segnale elettrico dal trasduttore di trasmissione;

• Il segnale elettrico viene trasformato in segnale ottico dall'apparato di manipolazione di trasmissione che è sostanzialmente una sorgente optoelettronica (ad esempio diodo LED o diodo laser);

• Il segnale ottico viene affidato alla fibra ottica che lo trasporta verso la ricezione;

• Il segnale elettrico viene trasformato nel messaggio di partenza dal trasduttore di ricezione;

• Il messaggio di partenza è ricevuto dal destinatario.

Fin da ora si desiderano enumerare i principali vantaggi presentati dalle comunicazioni a fibre ottiche:

Manipolazione del segnale elettrico per compatibilità con il segnale ottico della catena di comunicazione (modulatori e demodulatori, codificatori e decodificatori, sorgenti e rivelatori optoelettronici).

1. Vantaggi legati alle caratteristiche trasmissive:

• Attenuazioni molto basse: dai 20 dB/km delle fibre anni 70 si è passati ai 0,4 dB/km delle fibre attuali. Si prevedono (vedi fig. V114.5) attenuazioni dell'ordine dei 10^-4 dB/km;

• Banda modulante molto elevata: l'aumento della banda modulante è legato all'aumento della frequenza portante. A tale riguardo è importante osservare la tabella 1 che rappresenta le zone dello spettro delle onde elettromagnetiche interessate dai vari mezzi trasmissivi. Le fibre ottiche trasmettono su frequenze della zona dell'infrarosso, mediamente mille volte maggiori delle frequenze extra alte che sono le radioonde più elevate, utilizzate nei satelliti delle ultime generazioni. Infatti l'Italsat, satellite tutto italiano per le telecomunicazioni (1100 kg in orbita, apertura alare 21 m, capacità trasmissiva di 12 mila canali telefonici), sperimenterà sulle bande 20+30 e 40 + 60 GHz.

Tabella 1 Spettro delle onde elettromagnetiche e zone di utilizzazione dei mezzi trasmissivi.

Fig. 2  Variazione nel corso degli anni del prodotto c.p.

Negli anni 90 (punto P) si è arrivati a trasmettere:

800 Gb/s alla distanza di 1 km

ovvero

8 Gb/s alla distanza di 100 km.

Attualmente per i ponti radiosi hanno valori dell'ordine di l0 (Gb/s) km; per i cavi coassiali si hanno valori di 1(Gb/s) km.

1. Vantaggi legati alle caratteristiche meccaniche:

• Dimensioni e peso ridotti;

• Buona flessibilità;

• Buona elasticità anche se il materiale è ridotto in fili molto sottili.

1. Vantaggi legati alla natura dielettrica:

Immunità ai disturbi elettromagnetici, nel senso che le fibre ottiche non ricevono o producono disturbi.

2. Vantaggi legati al costo

In prospettiva, quando saranno più economici i processi di lavorazione il costo è destinato a scendere molto al di sotto di quello dei cavi in rame. Infatti la materia prima è il vetro che è più comune e meno costoso del rame.

Ottica geometrica

Una trattazione rigorosa della propagazione di radiazioni luminose (che notoriamente sono onde E.M.) nelle fibre ottiche, può essere svolta applicando le equazioni di Maxwell (ottica fisica). In quanto tali equazioni sono differenziali presentano infinite soluzioni. Per trovare quella relativa al caso che si sta esaminando propagazione della radiazione della fibra ottica, si devono imporre sulla superficie di separazione nucleo mantello, vedi fig. 5, alcune relazioni fra i campi elettrici e magnetici. Queste relazioni vengono denominate condizioni al contorno.

Le soluzioni relative al caso esaminato determinano possibili andamenti o configurazioni dei campi elettromagnetici che si propagano nella fibra ottica. A tali andamenti si dà anche il nome di modi di propagazione. In quanto tale metodo di lavoro richiederebbe un pesante utilizzo di strumenti matematici di elevato livello, è preferibile per una prima visione generale del problema utilizzare le leggi dell'ottica geometrica. L'ottica geometrica, al concetto di modo di propagazione sostituisce il concetto di raggio di propagazione che è la direzione in cui si propaga il campo E.M. Inoltre essa è un modello che riproduce le principali proprietà della propagazione rettilinea della luce in un mezzo omogeneo(se ha le medesime proprietà in tutti i suoi punti) ed isotropo (se le proprietà intorno ad un punto, comunque scelto, sono le stesse in tutte te direzioni) e che studia i modi di cambiamento di direzione della radiazione luminosa nel suo movimento attraverso mezzi differenti. Tutto questo prescindendo da qualsiasi considerazione energetica.

È da rilevare subito che i risultati ottenuti applicando l'ottica geometrica sono tanto più precisi, quanto più il diametro del nucleo della fibra ottica è grande rispetto alla lunghezza d'onda l della radiazione luminosa che in essa si propaga.

Ragionando quindi nell'ambito dell'ottica geometrica, si può affermare che: se un raggio di luce monocromatica passa da un mezzo ad un altro di caratteristiche diverse, esso subisce un cambiamento di direzione.

Il parametro fondamentale da considerare è l'indice di rifrazione assoluto del mezzo che è definito come il rapporto fra la velocità della luce nel vuoto e quella nel mezzo in esame:

n =u₀/u = c/u=3 10⁸/u

(1)

Per comprendere meglio si osservi la fig. 3, in cui S è la superficie di separazione tra il mezzo 1 (avente un indice di rifrazione assoluto n₁) ed il mezzo 2 (avente un indice di rifrazione assoluto n₂) ed in cui si suppone n₁ > n₂, quindi u₁ <u₂.

Fig. 3 Rifrazione e riflessione di un raggio luminoso incidente su di una superficie S di separazione.

Se un raggio "i" incide sulla superficie S, una parte "f" viene riflessa con un angolo di riflessione eguale all'angolo di incidenza a ₁ ed una parte "r" viene rifratta con un angolo di rifrazione, a ₂ in accordo con la relazione:

sen _{a 1} /sen a ₂= u₁/u₂ = n₂/n₁

(2)

La 2 rappresenta la legge di Snell che si può enunciare in questo modo: se un raggio luminoso, nella sua propagazione, incontra mezzi con differente indice di rifrazione "n", esso viene rifratto in modo tale che:

n₁ sen _{a 1} = n₂ sen a ₂

pertanto rimane costante il prodotto n sen _a .

Osservazioni sulla legge di Snell:

1. Se il mezzo 1 è il vuoto, la relazione 2 diventa

sen _{a 0} /sen a ₂= c /u₂ = n₂/n₀= n₂

(3)

essendo ovviamente n₀ = 1; quindi l'indice di rifrazione assoluto di un mezzo è riferito al vuoto.

2. Nel caso della fig. 3, essendo n₁ > n₂, il raggio rifratto si allontana dalla normale alla superficie S d'incidenza.

Continuando ad aumentare a ₁ si arriva ad un suo valore a _1L (denominato angolo limite) in corrispondenza del quale l'angolo di rifrazione a ₂ = 90. Si veda la fig. 4.

Fig. 4 Angolo limite

L'angolo limite, ricordando la relazione 2, si può definire quantitativamente cosi:

sen _{a 1L} = n₂ /n_{1 a 1L} = arcsen (n₂ / n₁ )

(4)

Valori di tale angolo sono intorno agli 80°.

Dalla fig. 4 si rileva che se il raggio incidente forma con la normale proprio l'angolo limite, allora il raggio rifratto lambisce la superficie di separazione. Si arriva a tale conclusione nell'ambito dell'ottica geometrica che si è detto non tiene conto di alcuna considerazione energetica. Se invece si ragiona in termini di ottica fisica, si ricava che aumentando l'angolo a ₁, aumenta il contenuto energetico dell'onda riflessa a spese di quella rifratta, in modo tale che per a ₁ = a _1L l'onda rifratta ha un contenuto energetico trascurabile.

Per angoli a ₁ > a _1L si ha la cosiddetta riflessione totale: il raggio non passa nel mezzo 2 ma viene riflesso totalmente nel mezzo 1. Dalle relazioni 4 si ricava che per avere riflessione totale deve essere n₁ > n₂.

Esistono tre tipi di fibre ottiche ognuna con caratteristiche costruttive diverse che permettono la scelta della fibra ottica giusta per un determinato uso.

Come già detto i segnali trasmessi tramite fibre ottiche sono di tipo radiante (luminoso): è evidente quindi che le informazioni da trasmettere debbano essere convertite in segnali di tipo luminoso. La conversione è svolta da particolari componenti in grado di trasformare un segnale di tipo elettronico, in uno luminoso: tali dispositivi sono i componenti optoelettronici.