Fibra ottica: comprendere le nozioni di base

Niente ha cambiato il mondo delle comunicazioni tanto quanto lo sviluppo e l'implementazione della fibra ottica. Questo articolo fornisce i principi di base necessari per lavorare con questa tecnologia.
 

Personale tecnico e marketing

Le fibre ottiche sono realizzate in vetro o plastica. La maggior parte ha all'incirca il diametro di un capello umano e può essere lunga molti chilometri. La luce viene trasmessa lungo il centro della fibra da un'estremità all'altra e può essere imposto un segnale. I sistemi in fibra ottica sono superiori ai conduttori metallici in molte applicazioni. Il loro più grande vantaggio è la larghezza di banda. Grazie alla lunghezza d'onda della luce è possibile trasmettere un segnale che contiene molte più informazioni di quanto sia possibile con un conduttore metallico, anche coassiale. Altri vantaggi includono:

• Isolamento elettrico: la fibra ottica non necessita di un collegamento a terra. Sia il trasmettitore che il ricevitore sono isolati tra loro e quindi esenti da problemi di loop di massa. Inoltre, non vi è alcun pericolo di scintille o scosse elettriche.

• Libertà da EMI: le fibre ottiche sono immuni alle interferenze elettromagnetiche (EMI) e non emettono radiazioni che possano causare altre interferenze.

• Bassa perdita di potenza - Ciò consente cavi più lunghi e un minor numero di amplificatori ripetitori.

• Più leggera e più piccola: la fibra pesa meno e richiede meno spazio rispetto ai conduttori metallici con capacità di trasporto del segnale equivalente.

Il filo di rame è circa 13 volte più pesante. La fibra è inoltre più facile da installare e richiede meno spazio nel condotto.

Applicazioni

Alcune delle principali aree di applicazione delle fibre ottiche sono:

• Comunicazioni: voce, dati e trasmissione video sono gli usi più comuni della fibra ottica e questi includono:

– Telecomunicazioni
– Reti locali (LAN)
– Sistemi di controllo industriale
– Sistemi avionici
– Sistemi militari di comando, controllo e comunicazione

• Rilevamento: la fibra ottica può essere utilizzata per fornire luce da una sorgente remota a un rilevatore per ottenere informazioni su pressione, temperatura o spettri. La fibra può anche essere utilizzata direttamente come trasduttore per misurare una serie di effetti ambientali, come deformazione, pressione, resistenza elettrica e pH. I cambiamenti ambientali influenzano l'intensità della luce, la fase e/o la polarizzazione in modi che possono essere rilevati all'altra estremità della fibra.

• Erogazione di potenza: le fibre ottiche possono fornire livelli di potenza notevolmente elevati per attività quali taglio laser, saldatura, marcatura e foratura.

• Illuminazione - Un fascio di fibre riunite insieme ad una sorgente luminosa a un'estremità può illuminare aree difficili da raggiungere, ad esempio all'interno del corpo umano, insieme ad un endoscopio. Inoltre, possono essere utilizzati come segnaletica o semplicemente come illuminazione decorativa.

 

Figura 1. Una fibra ottica è costituita da un nucleo, un rivestimento e un rivestimento.

 

Costruzione

Una fibra ottica è costituita da tre elementi concentrici fondamentali: il nucleo, il rivestimento e il rivestimento esterno (Figura 1).

Il nucleo è solitamente realizzato in vetro o plastica, anche se talvolta vengono utilizzati altri materiali, a seconda dello spettro di trasmissione desiderato.

Il nucleo è la parte della fibra che trasmette la luce. Il rivestimento solitamente è costituito dallo stesso materiale del nucleo, ma con un indice di rifrazione leggermente inferiore (solitamente inferiore di circa l'1%). Questa differenza di indice fa sì che si verifichi una riflessione interna totale al limite dell'indice lungo la lunghezza della fibra in modo che la luce venga trasmessa lungo la fibra e non fuoriesca attraverso le pareti laterali.

 

 

Figura 2.Un raggio di luce che passa da un materiale a un altro con un diverso indice di rifrazione viene piegato o rifratto all'interfaccia.

Il rivestimento comprende solitamente uno o più strati di materiale plastico per proteggere la fibra dall'ambiente fisico. A volte al rivestimento vengono aggiunte guaine metalliche per un'ulteriore protezione fisica.

Le fibre ottiche solitamente sono specificate dalla loro dimensione, data come diametro esterno del nucleo, del rivestimento e del rivestimento. Ad esempio, 62,5/125/250 si riferirebbe a una fibra con un nucleo da 62,5-μm di diametro, un rivestimento da 125-μm di diametro e uno 0.{{8} } mm di rivestimento esterno.

 

 

Ci sono 81 fornitori di Fibra Ottica nel Marketpla della Fotonica

 

Principi

I materiali ottici sono caratterizzati dal loro indice di rifrazione, denominato n. L'indice di rifrazione di un materiale è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce nel materiale. Quando un raggio di luce passa da un materiale a un altro con un diverso indice di rifrazione, il raggio viene piegato (o rifratto) all'interfaccia (Figura 2).

La rifrazione è descritta dalla legge di Snell:

Doven_IEn_Rsono gli indici di rifrazione dei materiali attraverso i quali viene rifratto il fascio eIERsono gli angoli di incidenza e rifrazione del fascio. Se l'angolo di incidenza è maggiore dell'angolo critico per l'interfaccia (tipicamente circa 82 gradi per le fibre ottiche), la luce viene riflessa nel mezzo incidente senza perdite mediante un processo noto come riflessione interna totale (Figura 3).

Figura 3.La riflessione interna totale consente alla luce di rimanere all'interno del nucleo della fibra.

 

Guarda una definizione video della riflessione interna totale.

Modalità

Quando la luce viene guidata lungo una fibra (come le microonde vengono guidate lungo una guida d'onda), si verificano spostamenti di fase su ogni confine riflettente. Esiste un numero finito e discreto di percorsi lungo la fibra ottica (noti come modi) che producono sfasamenti costruttivi (in fase e quindi additivi) che rinforzano la trasmissione. Poiché ciascuna modalità si presenta con un angolo diverso rispetto all'asse della fibra mentre il raggio viaggia lungo la sua lunghezza, ognuna percorre una lunghezza diversa attraverso la fibra dall'ingresso all'uscita. Solo una modalità, la modalità di ordine zero, percorre la lunghezza della fibra senza riflessioni dalle pareti laterali. Questa è nota come fibra monomodale. Il numero effettivo di modi che possono essere propagati in una data fibra ottica è determinato dalla lunghezza d'onda della luce, dal diametro e dall'indice di rifrazione del nucleo della fibra.
 

Esistono diverse cause di attenuazione in una fibra ottica:

 

• Diffusione di Rayleigh - Variazioni su scala microscopica nell'indice di rifrazione del materiale del nucleo possono causare una notevole dispersione nel raggio, portando a sostanziali perdite di potenza ottica. La diffusione di Rayleigh dipende dalla lunghezza d'onda ed è meno significativa a lunghezze d'onda maggiori. Questo è il meccanismo di perdita più importante nelle moderne fibre ottiche, in genere rappresenta fino al 90% di qualsiasi perdita che si verifica.

 

• Assorbimento – Gli attuali metodi di produzione hanno ridotto l'assorbimento causato dalle impurità (in particolare l'acqua nella fibra) a livelli molto bassi. All'interno della banda passante di trasmissione della fibra, le perdite di assorbimento sono insignificanti.

• Piegatura: i metodi di produzione possono produrre piccole piegature nella geometria della fibra. A volte queste curvature saranno abbastanza grandi da far sì che la luce all'interno del nucleo colpisca l'interfaccia nucleo/rivestimento a un angolo inferiore all'angolo critico, in modo che la luce venga dispersa nel materiale del rivestimento. Ciò può verificarsi anche quando la fibra viene piegata in un raggio stretto (meno di pochi centimetri, ad esempio). La sensibilità alla curvatura è solitamente espressa in termini di perdita dB/km per un particolare raggio di curvatura e lunghezza d'onda.

 

 

Figura 4.L'apertura numerica dipende dall'angolo con cui i raggi entrano nella fibra e dal diametro del nucleo della fibra.

 

Tipi di fibre

Esistono fondamentalmente tre tipi di fibra ottica: modalità singola, indice graduato multimodale e indice passo multimodale. Sono caratterizzati dal modo in cui la luce viaggia lungo la fibra e dipendono sia dalla lunghezza d'onda della luce che dalla geometria meccanica della fibra. Esempi di come propagano la luce sono mostrati nella Figura 5.

 

 

La nostra azienda è specializzata nella produzione di fibre/cavi ottici in plastica e tutti i tipi di cavi patch in fibra ottica, se siete interessati, non esitate a contattarmi.