fibra ottica

Fibra ottica

Da qualche mese nella mia città si sta cablando tutta la rete in fibre ottiche per eliminare definitivamente le connessioni in rame, cosa sono e come funzionano queste sostitute del rame per la trasmissioni dati?

Le fibre ottiche, si riferiscono al mezzo e alla tecnologia associata alla trasmissione di informazioni come impulsi di luce lungo un filo o una fibra di vetro o plastica. Un cavo in fibra ottica può contenere un numero variabile di queste fibre di vetro, da pochi fino a un paio di centinaia. Intorno al nucleo di fibra di vetro c’è un altro strato di vetro chiamato rivestimento. Uno strato noto come un tubo tampone protegge il rivestimento e uno strato di rivestimento funge da strato protettivo finale per il singolo filo.

Come funziona la fibra ottica

Le fibre ottiche trasmettono dati sotto forma di particelle di luce – o fotoni – che pulsano attraverso un cavo in fibra ottica. Il nucleo in fibra di vetro e il rivestimento hanno ciascuno un diverso indice di rifrazione che piega la luce in entrata ad un certo angolo. Quando i segnali luminosi vengono inviati attraverso il cavo in fibra ottica, riflettono il nucleo e il rivestimento in una serie di rimbalzi a zig-zag, aderendo a un processo chiamato riflessione interna totale. I segnali luminosi non viaggiano alla velocità della luce a causa degli strati di vetro più densi, raggiungono circa il 70% della velocità della luce. Per rinnovare o potenziare il segnale durante il suo viaggio, la trasmissione della fibra ottica a volte richiede dei ripetitori per rigenerare il segnale ottico convertendolo in un segnale elettrico, elaborato e ritrasmettesso come segnale ottico.

Tipi di cavi in fibra ottica

La fibra multimodale e la fibra monomodale sono i due tipi principali di cavo in fibra ottica.

La fibra monomodale viene utilizzata per distanze maggiori a causa del diametro più piccolo dell’anima in fibra di vetro, che riduce la attenuazione della potenza del segnale. L’apertura più piccola isola la luce in un singolo raggio, che offre un percorso più diretto e consente al segnale di percorrere una distanza maggiore. La fibra monomodale ha anche una larghezza di banda notevolmente superiore rispetto alla fibra multimodale. La sorgente luminosa utilizzata per la fibra monomodale è in genere un laser. La fibra monomodale è solitamente più costosa perché richiede calcoli precisi per produrre la luce laser in un’apertura più piccola.

La fibra multimodale viene utilizzata per distanze più brevi poiché l’apertura del nucleo più ampia consente ai segnali luminosi di rimbalzare e riflettere maggiormente lungo il percorso. Il diametro maggiore consente di inviare più impulsi luminosi attraverso il cavo in una volta, il che si traduce in una maggiore trasmissione dei dati. Ciò significa anche che esistono maggiori possibilità di perdita, riduzione o interferenza del segnale. Le fibre ottiche multimodali utilizzano in genere un LED per creare l’impulso luminoso.

Mentre i cavi in rame erano la scelta tradizionale per le telecomunicazioni, le reti e le connessioni via cavo per anni, la fibra ottica è diventata un’alternativa comune. La maggior parte delle linee telefoniche a lunga distanza sono ora realizzate con cavi in fibra ottica. La fibra ottica trasporta più informazioni rispetto al filo di rame tradizionale, grazie alla maggiore ampiezza di banda e alle velocità più elevate. Poiché il vetro non conduce elettricità, le fibre ottiche non sono soggette a interferenze elettromagnetiche e le perdite di segnale sono ridotte al minimo.

Inoltre, i cavi in fibra ottica possono essere immersi nell’acqua e utilizzati in ambienti più a rischio come i cavi sottomarini, sono anche più resistenti, più sottili e leggeri dei cavi in rame e non devono essere sottoposti a manutenzione o sostituzione. Il filo di rame è spesso più economico delle fibre ottiche, tuttavia, ed è già installato in molte aree in cui il cavo in fibra ottica non è stato installato.

Utilizzo di fibre ottiche

La rete di computer è un caso di uso comune delle fibre ottiche, a causa della capacità della fibra ottica di trasmettere dati e fornire un’elevata larghezza di banda. Allo stesso modo, le fibre ottiche sono frequentemente utilizzate nelle trasmissioni e nell’elettronica per fornire connessioni e prestazioni migliori.

Anche le industrie militari e spaziali utilizzano la fibra ottica come mezzo di comunicazione e trasferimento del segnale, oltre alla sua capacità di fornire il rilevamento della temperatura, sono utili grazie al loro minore peso e alle dimensioni più ridotte.

Le fibre ottiche sono frequentemente utilizzate in una varietà di strumenti medici per fornire un’illuminazione precisa. Inoltre aiutano nelle procedure mediche minimamente invasive. Poiché la fibra ottica non è soggetta a interferenze elettromagnetiche, è ideale per vari test come le scansioni in risonanza magnetica. Altre applicazioni mediche per fibre ottiche comprendono l’imaging a raggi X, l’endoscopia, la terapia della luce e la microscopia chirurgica.

L’uso dei moderni tipi di cavi in fibra ottica è radicata nella ricerca degli anni ’50. In quegli anni, la ricerca e lo sviluppo nella trasmissione di immagini visibili attraverso fibre ottiche portarono ad un certo successo nel mondo della medicina, dove veniva utilizzato negli strumenti di illuminazione e visualizzazione a distanza. Nel 1966 Charles Kao e George Hockham proposero la trasmissione di informazioni su fibra di vetro e si resero conto che, per renderlo una proposta pratica, erano essenziali perdite molto più basse nei cavi. Questa è stata la forza trainante degli sviluppi per ridurre le perdite ottiche nella produzione di fibre. Oggi, quelle perdite sono significativamente inferiori rispetto agli obiettivi originali stabiliti da Kao e Hockham.

I vantaggi dell’utilizzo di fibre ottiche

A causa delle proprietà a bassa perdita e con larghezza di banda elevata del cablaggio in fibra ottica, può essere utilizzato su distanze maggiori rispetto ai cavi in rame. Nelle reti di dati, possono essere fatte tratte fino a 2 chilometri senza l’uso di ripetitori. La leggerezza e le piccole dimensioni li rendono anche ideali per le applicazioni in cui i cavi in rame funzionanti sarebbero poco pratici; utilizzando multiplexer, una fibra può sostituire centinaia di cavi in rame. Questo è piuttosto impressionante per un piccolo filamento di vetro.

Oggi ci sono tre dimensioni standard utilizzate nelle comunicazioni dati: 50/125, 62,5/125 e 8,3/125. I cavi multimode da 50/125 e 62,5 / 125 micron sono i più utilizzati nelle reti dati; sebbene, recentemente, il 62.5 sia diventato la scelta più popolare,benchè il 50/125 sia l’opzione migliore per le applicazioni gigabit Ethernet è una tecnologia di telecomunicazione che offre velocità di trasmissione dati fino a 10 miliardi di bit al secondo .

Propagazione della luce

La luce viaggia lungo un cavo in fibra mediante un processo chiamato riflessione interna totale ; ciò è reso possibile dall’uso di due tipi di vetro che hanno indici di rifrazione diversi. Il nucleo interno ha un alto indice di rifrazione e il rivestimento esterno ha un indice basso. Questo è lo stesso principio del riflesso che si vede quando si guarda in uno stagno. L’acqua nello stagno ha un indice di rifrazione maggiore rispetto all’aria, e se la guardi lateralmente, vedrai un riflesso dell’area circostante; tuttavia, se guardi direttamente in acqua, puoi vedere il fondo dello stagno.

Ad un angolo specifico tra questi due punti di vista, la luce smette di riflettere sulla superficie dell’acqua e passa attraverso l’interfaccia aria-acqua, consentendo di vedere il fondo dello stagno.

 

Nelle fibre multimodali, come suggerisce il nome, esistono molteplici modalità di propagazione per i raggi di luce. Queste vanno dalle modalità di basso ordine, che prendono la rotta più diretta direttamente nel mezzo, alle modalità di alto ordine, che prendono il percorso più lungo, mentre rimbalzano da una parte all’altra lungo tutta la fibra. Questo ha l’effetto di diffondere il segnale perché i raggi di un impulso di luce arrivano all’estremità in momenti diversi; questo è noto come dispersione intermodale , a volte indicata come ritardo della modalità differenziale o DMD. Per facilitare il problema, sono state sviluppate fibre con indice graduato. A differenza dei tipi di cavi in fibra ottica che hanno una barriera tra il nucleo e il rivestimento, questi hanno un alto indice di rifrazione al centro che gradualmente si riduce a un basso indice di rifrazione alla periferia. Ciò rallenta le modalità di ordine inferiore, consentendo ai raggi di avvicinarsi più lontano, riducendo la dispersione intermodale e migliorando la forma del segnale.

Breve storia delle fibre ottiche

Fin dall’epoca romana, il vetro è stato trasformato in fibre. Nel 1790 i fratelli Chappe inventarono il primo “telegrafo ottico”. Era un sistema costituito da una serie di luci montate su torri in cui gli operatori avrebbero trasmesso un messaggio da una torre all’altra.

Nel 1954, il “maser” fu sviluppato da Charles Townes e dai suoi colleghi alla Columbia University. Maser sta per “amplificazione a microonde mediante emissione stimolata di radiazioni”.

Il laser fu introdotto nel 1958 come efficiente fonte di luce.Il concetto è stato introdotto da Charles Townes e Arthur Schawlow per dimostrare che i maser potrebbero essere fatti per operare in regioni ottiche e infrarosse. Fondamentalmente, la luce viene riflessa avanti e indietro in un mezzo energizzato per generare luce amplificata rispetto a molecole eccitate di gas amplificato per generare onde radio, come nel caso del maser. Laser sta per “amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni”.

Un laser a gas elio-neon (He-Ne) viene testato in un ambiente di laboratorio. Il tubo laser è realizzato in vetro al piombo, lo stesso vetro utilizzato nelle insegne al neon.

Nel 1960, il primo laser a gas elio-neon a funzionamento continuo è stato inventato e testato. Nello stesso anno è stato inventato un laser operabile che utilizzava un cristallo rubino sintetico rosa come mezzo e produceva un impulso di luce.

Nel 1970 Morton Panish e Izuo Hayashi dei Bell Laboratories, insieme a un gruppo dell’Istituto Fisico Ioffe di Leningrado, hanno dimostrato un laser a diodo semiconduttore in grado di emettere onde continue a temperatura ambiente.

Gli scienziati militari hanno utilizzato la tecnologia laser per una varietà di applicazioni militari.

Nel 1973, Bell Laboratories ha sviluppato un processo di deposizione chimica a vapore modificato che riscalda i vapori chimici e l’ossigeno per formare un vetro ultra-trasparente che può essere prodotto in serie in fibra ottica a bassa perdita. Questo processo rimane lo standard per la produzione di cavi in fibra ottica.

L’amplificatore a fibra drogata con erbio, che ha ridotto il costo dei sistemi di fibre a lunga distanza eliminando la necessità di ripetitori ottico-elettrici-ottici, è stato inventato nel 1986 da David Payne dell’Università di Southampton e Emmanuel Desurvire presso Bell Labratories. Basato sulla tecnologia di amplificazione laser ottimizzata di Desurvire, il primo cavo telefonico transatlantico è entrato in funzione nel 1988.

Il primo cavo a fibre ottiche, TPC-5, che utilizza amplificatori ottici è stato installato nell’Oceano Pacifico nel 1996. L’anno successivo il collegamento a fibra ottica Around the Globe (FLAG) è diventato la rete a cavo singolo più lunga del mondo e ha fornito l’infrastruttura per la prossima generazione di applicazioni Internet.

Da poco nei Tv Samsung top di gamma, è stato inserito un minuscolo cavo in fibra ottica con un potenziale di trasferimento di 12,5 GBPS ed un diametro esterno di 1,8mm (quasi invisibile), in grado di trasportare tutte le informazioni necessarie alla visualizzazione di immagini in 4K 3D oltre all’audio.

Capace di mantenere fino a 15m di distanza tutti gli ingressi del Tv da mettere in posizione tale da non modificare l’estetica della stanza.

I cavi in fibra ottica sottomarini oramai forniscono il 99,8% di tutte le comunicazioni intercontinentali come Principali arterie di Internet Il resto è storia dei giormi nostri.

Amilcare

 

 

VOTO
1 commento
  1. gvsoft
    gvsoft dice:

    Sempre preciso, Amilcare
    Ma pensa ho usato le connessioni in fibra ottica ancora negli anni 90 per connettere ad un computer centrale un serie di terminali (PC con funzione di terminale). La connessione partiva dal sistema via LAN e si inseriva un convertitore LAN/FIBRA in testa a alla fine del cavo in fibra un altro convertitore FIBRA/LAN. Con questo sistema si potevano connettere gruppi di terminali distanti centinaia di metri dal sistema e senza alcun rallentamento nelle risposte da e verso il sistema.
    Ciao
    Giovanni

    Approvazioni

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