Fibre ottiche

Ponti Edoardo 4a ITAI

Le fibre ottiche

Il Futuro della Trasmissione Dati – Tecnologie, Applicazioni e Innovazioni

indice

Vantaggi e svantaggi delle fibre ottiche

Cosa sono?

Applicazioni

Struttura

Tipi di fibre ottiche

Le fibre ottiche sono sottili filamenti di materiale dielettrico (solitamente vetro o plastica) progettati per trasmettere segnali luminosi su lunghe distanze. Sono utilizzate principalmente nelle telecomunicazioni.

Spiegazione

Le fibre ottiche consentono la trasmissione di dati, voce e video a velocità elevatissime, con una qualità e un’affidabilità superiori rispetto ai sistemi tradizionali in rame..

Struttura della fibra ottica

Una fibra ottica è composta da tre elementi principali:

Core (Nucleo)

Cladding (mantello):

Coating (rivestimento)

Rappresentazioni visive delle fibre ottiche

Nucleo delle fibre ottiche

Il core è costituito da materiali altamente trasparenti, tipicamente:

Il core (o nucleo) di una fibra ottica è l'elemento centrale in cui avviene la trasmissione del segnale luminoso. È una componente cruciale, poiché le sue caratteristiche fisiche e ottiche determinano in gran parte le prestazioni della fibra stessa.

Vetro (silice): utilizzato nelle fibre ottiche per telecomunicazioni a lunga distanza, grazie alla sua elevata purezza e bassa attenuazione. Plastica: utilizzata nelle fibre ottiche per applicazioni a corto raggio, come sensori o connessioni domestiche, grazie alla sua flessibilità e ai costi ridotti.

Info

Cladding

Il cladding (o mantello) è uno degli elementi fondamentali della struttura di una fibra ottica. Si trova intorno al core (nucleo) e gioca un ruolo essenziale nella trasmissione dei segnali luminosi.

Ruolo nella Qualità del Segnale

Funzione Principale

Rivestimenti Esterni

Materiali Utilizzati

Spessore

coating

Il coating (o rivestimento protettivo) è uno strato fondamentale nelle fibre ottiche, progettato per proteggere il core e il cladding da fattori esterni che potrebbero comprometterne l'integrità e le prestazioni. Pur non influenzando direttamente le proprietà ottiche della fibra, il coating svolge un ruolo cruciale nella protezione meccanica e ambientale.

Struttura del Coating

Il coating è solitamente costituito da uno o più strati di materiali polimerici applicati durante il processo di fabbricazione della fibra ottica. Gli strati più comuni includono: Primary Coating (Rivestimento Primario) Si trova a diretto contatto con il cladding. È progettato per essere morbido e flessibile, assorbendo micro-sollecitazioni che potrebbero danneggiare il core. Secondary Coating (Rivestimento Secondario) Applicato sopra il rivestimento primario. Fornisce ulteriore protezione meccanica, resistenza all’abrasione e una maggiore robustezza contro la trazione.

Funzioni

Tipi di fibre ottiche

Fibre Monomodali (Single-Mode, SM)

Diametro del core: circa 8-10 µm. Lunghezza d'onda tipica: 1310 nm o 1550 nm. Capacità: ideale per lunghe distanze (>50 km) e applicazioni ad alta velocità (>10 Gbps). Applicazioni: reti dorsali (backbone), interconnessioni tra città o paesi.

Fibre Multimodali (Multi-Mode, MM)

Diametro del core: 50-62,5 µm. Lunghezza d'onda tipica: 850 nm o 1300 nm. Capacità: adatta per brevi distanze (<2 km) e velocità moderate (<10 Gbps). Applicazioni: reti locali (LAN), centri dati, connessioni intra-edificio.

Vantaggi:

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Svantaggi:

Reti locali (LAN)

Reti di telecomunicazione

Le fibre ottiche sono sempre più utilizzate anche nelle LAN, in particolare per interconnessioni ad alta velocità nei data center e nelle reti aziendali.

Reti di Accesso

Reti Dorsali

Reti Metropolitane

Settore medico

Industria e automazione

Impiegate negli endoscopi e in altri dispositivi per la trasmissione di immagini e dati con un’elevata risoluzione.

Utilizzate per il monitoraggio di impianti e infrastrutture critiche, grazie alla loro resistenza agli agenti chimici e fisici.

Svantaggi

• Costo iniziale elevato: l’installazione delle fibre ottiche e delle apparecchiature di trasmissione può essere più costosa rispetto ai sistemi tradizionali.

• Fragilità: le fibre ottiche sono più delicate rispetto ai cavi in rame e possono rompersi facilmente se non maneggiate correttamente.

• Difficoltà di giunzione: richiedono tecniche specializzate per essere giuntate, come la fusione (fusion splicing).

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Protezione Meccanica

Isolamento Termico

Il coating protegge la fibra da stress meccanici, urti e piegamenti eccessivi che potrebbero causare microfessure nel core o nel cladding.

Alcuni tipi di coating offrono anche protezione contro variazioni termiche estreme, garantendo la stabilità delle prestazioni ottiche in ambienti critici.

Assorbimento delle Micro-Tensioni

Resistenza Chimica e Ambientale

Riduce le micro-sollecitazioni che si accumulano durante l'installazione, evitando che influenzino negativamente le prestazioni ottiche.

Fornisce resistenza agli agenti chimici, umidità, variazioni di temperatura e raggi ultravioletti (UV), prolungando la vita operativa della fibra.

Dimensione del Core

Proprietà ottiche del Core

Il diametro del core varia in base al tipo di fibra: Fibre monomodali (Single-Mode): hanno un core molto piccolo, con un diametro di circa 8-10 µm. Questo piccolo diametro permette alla luce di propagarsi attraverso un solo modo (ossia un singolo percorso), riducendo la dispersione e consentendo trasmissioni su lunghe distanze. Fibre multimodali (Multi-Mode): hanno un core più grande, con un diametro di 50-62,5 µm. Il core più ampio permette la propagazione di più modi di luce, ma introduce una maggiore dispersione modale, limitando l'efficienza su lunghe distanze.

• Attenuazione: perdita di potenza del segnale luminoso lungo la fibra, misurata in dB/km. Nelle fibre in vetro di alta qualità, l'attenuazione può essere inferiore a 0,2 dB/km.

• Dispersione: variazione della velocità dei diversi modi o lunghezze d'onda della luce, che può causare distorsione del segnale. La dispersione può essere ridotta utilizzando fibre ottiche monomodali o progettando fibre a dispersione compensata.

• Finestra di trasmissione: il core è progettato per trasmettere efficacemente la luce in determinate bande di lunghezza d’onda, chiamate finestre ottiche (es. 850 nm, 1310 nm, 1550 nm).

Info

Rivestimenti Esterni

Oltre al cladding, le fibre ottiche sono spesso protette da rivestimenti aggiuntivi:

Buffer primario: protegge il cladding da umidità e agenti chimici. Coating secondario: offre una protezione meccanica contro piegature e danni fisici.

FUNZIONE E RIFRAZIONE

La funzione principale del cladding è garantire il fenomeno della riflessione interna totale, che consente alla luce di propagarsi lungo il core senza disperdersi all'esterno. Questo è possibile grazie al fatto che l'indice di rifrazione del cladding è più basso rispetto a quello del core. Questa differenza di indice permette che, quando la luce incide sull'interfaccia tra core e cladding con un angolo maggiore dell’angolo critico, venga completamente riflessa all’interno del core, rimanendo confinata.

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SPESSORE DEL CLADDING

Lo spessore del cladding è generalmente standardizzato e ha valori che vanno dai 125 µm nelle fibre ottiche in vetro fino a diversi centinaia di micron nelle fibre ottiche in plastica. Questo spessore assicura che il core sia ben isolato dal contatto esterno e dalle fluttuazioni ambientali che potrebbero disturbare la propagazione del segnale.

Vantaggi

• Elevata larghezza di banda: capacità di trasmettere grandi quantità di dati.

• Bassa attenuazione: la perdita di segnale è minima, anche su lunghe distanze.

• Immunità alle interferenze elettromagnetiche: essendo in materiale dielettrico, non subisce interferenze da campi elettrici o magnetici.

• Peso e dimensioni ridotti: rispetto ai cavi in rame, le fibre ottiche sono più leggere e sottili.

• Sicurezza: è più difficile intercettare i segnali trasmessi attraverso le fibre ottiche.

QUALITA' DEL SEGNALE

Il cladding non solo confina la luce all’interno del core, ma contribuisce anche a: Ridurre la dispersione modale: minimizzando la perdita di potenza dovuta alla propagazione di diverse modalità. Proteggere il core dalle microfratture e dalle imperfezioni che possono causare attenuazioni e distorsioni del segnale.

MATERIALI DEL CLADDING

Il cladding è generalmente realizzato con gli stessi materiali del core (vetro o plastica), ma con una composizione chimica diversa per ottenere un indice di rifrazione inferiore. I materiali più comuni sono: Vetro di silice (per fibre ottiche monomodali e multimodali in ambienti di telecomunicazione). Polimeri (per fibre ottiche plastiche utilizzate in applicazioni a breve raggio, come l’illuminazione e i sensori).