Tipi di fibre ottiche
Il principale responsabile delle perdite causate nelle fibre ottiche è
l’indice di rifrazione. Tale parametro fondamentale può essere in qualche
modo manipolato al fine di limitare e ridurre al minimo le perdite dovute
soprattutto alla dispersione modale, cioè alla dispersione dovuta ai diversi
tempi di transito dei raggi luminosi che possono compiere percorsi più o meno
lunghi. E’ ovvio che questo tipo di dispersione si verifica solo nelle fibre
multimodali.
Si può quindi variare l’indice di rifrazione in modo da distribuirlo
diversamente nel nucleo.
Il modo con cui viene distribuito nel nucleo l’indice di rifrazione, a partire
dal centro del core verso l’esterno, viene chiamato profilo dell’indice
di rifrazione il quale definisce il tipo di fibra.
Si possono distinguere i seguenti tipi di fibre:
-
fibre monomodo step index (indice a
gradino)
- fibre multimodo step index
( indice a gradino )
graded index ( indice a variazione graduale )
Fibre monomodo step index
Le fibre
monomodali con profilo d’indice a gradino presentano un profilo costante nel core,
il cui diametro è molto ridotto (circa 4 – 10m ), e decrescente
bruscamente con un gradino ( step ) nel mantello dove ancora rimane costante. Il
salto dell’indice è dovuto al passaggio dal valore n1 a valore n2.
Il diametro del cladding è di 125m. Il raggio si propaga in un unico
modo perché è costretto, dal diametro molto piccolo del core, a
propagarsi quasi parallelamente all’asse della fibra.
I vantaggi di questo tipo di fibra sono:
Gli svantaggi si limitano fondamentalmente in due punti :
I numerosi vantaggi permettono attualmente di utilizzare ampiamente
questo tipo di fibra nel campo delle telocomunicazioni.
La realizzazione di queste fibre si ottiene rendendo molto prossimi gli indici
del core e del cladding, con conseguente diminuzione dell’N. A
,riducendo il diametro della fibra, secondo la formula
Fibre multimodo step index
Il profilo
dell’indice di rifrazione è come quello già visto per le fibre monomodo
l’unica differenza è che in questo caso il diametro del core è di
50-60 mm, mentre il diametro del cladding può assumere dimensioni tra
125-750 mm.
La propagazione dei raggi di luce nel core avviene per ripetute
riflessioni (a zig-zag) e siccome hanno la stessa velocità e l’indice di
rifrazione è costante , arrivano all’estremità più lontana in tempi diversi
(alta dispersione modale).
Il materiale di base per la realizzazione di questo tipo di fibre è la silice
che presenta buone caratteristiche meccaniche , adatte per la lavorazione , buon
comportamento nello spettro visibile ed infrarosso e bassa attenuazione. Per
aumentare il suo indice di rifrazione , quello relativo al core, si
aggiungono delle impurità (drogaggio) quali ossido di fosforo o di boro.
Per quello del cladding invece si aggiunge ossido di fluoro.
Le fibre multimodali step-index non trovano applicazione a causa dell’alta
dispersione modale(Bt=Bm) e delle perdite di potenza.
L’attenuazione per questo tipo di fibra si aggira intorno ai 5 dB/Km con una
lunghezza di banda di 50 MHz/Km. Questi dati si riferiscono ad una lunghezza
d’onda di l=820nm.
L’allargamento temporale dovuto alla dispersione modale assume i seguenti
valori tipici:
Il problema della dispersione modale è stato in parte risolto cercando
di controllare la velocità dei raggi luminosi in modo da ottenere lo stesso
ritardo per tutti i raggi e farli giungere all’uscita nello stesso istante.
Per questo scopo allora è stato realizzato un profilo con indice di rifrazione
del core variabile. In particolare l’indice di rifrazione diminuisce
gradualmente dal centro del core fino alla superficie di separazione e rimane
costante nel cladding.
L’effetto che si ottiene con l’indice del core decrescente è di ottenere
per tutti i modi di propagazione percorsi non più rettilinei ma elicoidali: i
raggi si riflettono allontanandosi dall’asse del core perchè passano da un
mezzo più denso ad uno meno denso. In questo modo i raggi che si allontanano
maggiormente dall’asse, cioè quelli che compiono percorsi più lunghi
viaggiano in un mezzo con indice di rifrazione minore e quindi con velocità più
alta; quelli invece che si avvicinano maggiormente all’asse viaggiano in un
mezzo con indice di rifrazione maggiore e quindi velocità più bassa. Pertanto
i percorsi più lunghi vengono compensati da una velocità di propagazione
maggiore, i percorsi più brevi vengono compensati da una velocità di
propagazione minore.
All’uscita della fibra la dispersione modale risulta ridotta e i modi arrivano
quasi contemporaneamente.