La fibra ottica, tutto quello che devi sapere

La fibra ottica, tutto quello che devi sapere

Storia della fibra ottica
Come è fatta una fibra ottica
Come funziona una fibra ottica
Sistemi di accesso alla rete
Trasmissione dati su un collegamento a fibra ottica
Fisica della fibra ottica

Storia della fibra ottica

Era il 1970 che fu presentato il primo prototipo di cavo in fibra di vetro per le telecomunicazioni commerciali.

Era costruito in silicio drogato con titanio e aveva una attenuazione (cioè una perdita di prestazioni) di 17 dB per chilometro, un valore cento volte peggiore alle migliori fibre ottiche di oggi, ma era l’inizio di una rivoluzione.

Tutti i giganti del web stanno stendendo sul fondo degli oceani migliaia e migliaia di chilometri di enormi cavi in fibra ottica per collegare i continenti con nuove e velocissime dorsali Internet.

La Fibra Ottica è una tecnologia che permette di trasmettere grandi quantità di dati ad altissima velocità, quando ci si connette a Internet. 

I Dati nella fibra ottica vengono trasmessi attraverso impulsi luminosi.

L’anno di nascita della prima fibra ottica è il 1956 quando venne brevettata a uso medico per la costruzione di un gastroscopio. Il suo impiego era limitato perché i dati che si trasmettevano all’interno della fibra sotto forma di impulso luminoso riuscivano a percorrere solo brevi distanze per poi dissolversi.
La svolta arrivò qualche anno più tardi, negli anni ’60, quando un ricercatore dello Standard Telecommunication Laboratory, Charles Kao, teorizzò che si poteva usare una soluzione simile a quella inventata dal Dr. Roth e dal Prof. Reuss per far viaggiare le diverse frequenze dei raggi laser su lunghe distanze, limitandone la dissipazione.
Nel 1966 pubblicò un articolo che cambiò per sempre la storia delle fibre ottiche e ne aprì l’impiego nel campo della telefonia.

I laser applicano energia a miliardi di atomi, eccitando i loro elettroni e spingendoli ad emettere fotoni. Questi fotoni rimbalzano, tornano indietro e fanno sì che gli atomi eccitati emettano ancora più fotoni. Se si permette ad alcuni di questi fotoni di sfuggire il risultato è un fascio di luce amplificato e concentrato, il cosiddetto “raggio laser“.

La luce generata dal laser ha una frequenza, che oscilla milioni di milioni di volte al secondo e ciascuna di queste oscillazioni può essere modulata (“pilotata”, e quindi modificata a piacere) e usata per trasportare dati, che viaggiano quindi alla velocità della luce.

Tramite il laser, quindi, è possibile trasportare dati da un punto A ad un punto B.

Il problema è attraverso quale materiale farlo, perché la luce sia incanalata ma non assorbita.
E’ necessario, infatti, che le onde luminose del laser mantengano il più possibile intatta la loro energia (la loro “forza”) affinché le informazioni che trasportano, codificate in variazioni di altezza o frequenza di queste onde, arrivino a destinazione.

Dal 1970 in poi la ricerca per sviluppare fibre ottiche sempre più potenti e raffinate non si è mai fermata. Il 1988 è l’anno in cui fu posato il primo cavo transatlantico che impiegava la tecnologia della fibra ottica. Mentre nel 1991, grazie agli studi nel campo dei led a cristalli fotonici, iniziarono a svilupparsi le prime fibre a cristalli fotonici che vennero però commercializzate solo a partire dal 1996. 

Oggi gli sforzi della ricerca stanno cercando di trovare una soluzione al problema del “collo di bottiglia” causato dall’uso dei doppini in rame che rallenta la pur velocissima trasmissione di dati.

Com’è fatta la fibra ottica

Un cavo di Fibra Ottica non è altro che un insieme di sottilissimi filamenti trasparenti di fibra di vetro estremamente puro o polimeri plastici, delle dimensioni approssimative di un capello umano, tenuti assieme da una guaina protettiva in gomma. 
Tale guaina ha il compito di non far uscire e di riflettere verso il centro del cavo la luce

Ogni singolo filamento è composto da due strati concentrici di materiale trasparente ed estremamente puro: un cilindro centrale, chiamato anche core, ed un mantello, o cladding, che lo abbraccia. Il nucleo ha un diametro che varia da circa 8 µm a 50 µm, mentre il mantello ha un diametro di circa 125 µm.

Come ulteriore caratteristica il mantello (buffer) deve avere uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell’onda, caratteristica della luce trasmessa in modo da catturare la luce che non viene riflessa nel core.
All’esterno della fibra vi è una guaina protettiva polimerica detta jacket che serve a dare resistenza agli stress fisici e alla corrosione ed evitare il contatto fra la fibra e l’ambiente esterno.

Una fibra di vetro adatta alla trasmissione di segnali ottici si produce tramite delle fiammate di gas che depositano fuliggine di vetro drogato con altri elementi chimici su un’asta di ceramica, secondo uno schema ben preciso, depositando diversi strati uno sull’altro.

Ogni filo di vetro è formato pertanto da migliaia di strati di minuscole particelle e la purezza del vetro dipende dalla “ricetta” chimica della fuliggine, per questo non tutti i cavi in fibra ottica sono uguali.
Le aste rivestite dai vari strati di particelle di silicio e altri elementi chimici vengono inserite in una fornace, dove il calore estrae tutta l’acqua ancora presente e il materiale subisce delle pesanti modifiche chimico-fisiche. Dalla fornace esce un altro materiale più puro, trasparente.

Lo step successivo avviene in un macchinario che assomiglia ad un alto silos, una sorta di torre che riscalda nuovamente la fibra e la ammorbidisce. Il vetro cola verso il basso e si stira, si allunga. Finché è ancora caldo viene stirato fino allo spessore desiderato per la singola fibra ottica, che viene poi rivestita di polimeri protettivi. Tutto questo processo deve essere eseguito con estrema precisione, secondo tempi prestabiliti e sempre uguali, o il prodotto finale non sarà utilizzabile. E non si tratta di una cosa facile, visto che ogni filo di vetro deve avere uno spessore uniforme di 125 micron.

la fase successiva consiste nel verificare il diametro di ogni filo di vetro, perché quando si dovranno congiungere due fili per crearne uno più lungo essi dovranno essere perfettamente identici, o il passaggio della luce al loro interno si interromperà.

Ogni singolo cavo usato nelle telecomunicazioni è solitamente composto da 576 fili di vetro sottilissimi, raccolti in 24 tubi contenenti ciascuno 24 filamenti di purissima fibra ottica.

Idealmente, le fibre ottiche sono un mezzo di trasmissione perfetto. Infatti, oltre a non risentire in nessun modo di disturbi elettromagnetici o di diafonia, se strutturate adeguatamente per garantire la riflessione totale del segnale d’ingresso,

Come funziona una fibra ottica

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Per capire meglio sarebbe come prendere uno specchio e poi curvarlo su se stesso fino a farlo diventare un tubo: così facendo otterremmo un oggetto in grado di riflettere la luce che transita al suo interno tenendola “intrappolata” evitando nel contempo che della luce dall’esterno possa penetrarvi. Questo fa si che ogni impulso luminoso che viene immesso nella sezione interna si propaghi su lunghe distanze, rimbalzando continuamente tra le pareti a specchio, senza interferenze esterne e senza disperdersi all’esterno.

La luce che entra nel nucleo, viaggia grazie a una serie di riflessioni tra i due materiali del nucleo e del mantello. In questo modo i dati vengono trasportati tra i diversi dispositivi che devono ricevere e trasmettere i dati: i modem, i router, i server e le infrastrutture degli operatori telefonici.

I cavi in fibra di vetro o in polimeri della fibra ottica sono capaci di sfruttare una banda di frequenze molto elevata. Questo consente di trasferire dati, sotto forma di segnali di luce, con una enorme velocità di trasmissione. Tutti i più importanti operatori telefonici offrono pacchetti che includono la fibra ottica e consentono di navigare fino a 2.5 Giga in download.

Le fibre ottiche si suddividono in multimodali e monomodali.
Le fibre multimodali permettono l’uso di dispositivi più economici, ma subiscono il fenomeno della dispersione intermodale, per cui i diversi modi si propagano a velocità leggermente diverse, e questo limita la distanza massima a cui il segnale può essere ricevuto correttamente.
Le fibre monomodali di contro hanno un prezzo molto più elevato rispetto alle multimodali, ma riescono a coprire distanze e a raggiungere velocità nettamente superiori.

Le fibre multimodali possono essere divise ulteriormente in fibre step index e graded index:
nelle fibre step index l’indice di rifrazione è costante lungo tutta la sezione del core e cambia improvvisamente allorquando si incontra il cladding
nelle fibre graded index l’indice di rifrazione cambia gradualmente dal core al cladding, permettendo l’uso di luce multicromatica.

Sistemi di accesso alla rete

La velocità di navigazione dipende da diversi fattori. Prima di tutto bisogna considerare la tipologia di architettura di rete utilizzata.

Una rete di tipo ADSL, ad esempio, utilizza cavi in rame, i cosiddetti “doppini“, che coprono il percorso dalla centrale di trasmissione al router di casa per intero. Questo tipo di rete può offrire una velocità di connessione massima di 20 Mbps in condizioni ottimali. Altre soluzioni, come quelle fibra/rame, offrono prestazioni migliorate e possono toccare anche i 400 Mbps in download. Il rame, infatti, non è in grado di conservare intatta la potenza del segnale su tutta la lunghezza del cavo e subisce dispersioni man mano che la distanza da percorrere aumenta.

Le architetture di rete che utilizzano la fibra ottica sono di solito identificate con una sigla, FTTx, che identifica il tipo di copertura, cioè fin dove arriva il cavo in fibra ottica

  • FTTN

FTTN – (Fiber-to-the-node o anche Fiber-to-the-exchange (FTTE) (letteralmente “fibra fino al nodo” o “fibra fino allo scambio“). In questo caso, il cavo in fibra ottica copre la distanza compresa tra la centrale di trasmissione e un punto di snodo, piuttosto distante dalle abitazioni. È una soluzione che offre pochi vantaggi sostanziali rispetto alle vecchie connessioni ADSL, poiché la distanza coperta dal cavo in rame è solitamente molto alta.

  • FTTC

FTTC – (Fiber-to-the-cabinet o Fiber-to-the-curb o Fiber-to-the-street (letteralmente “fibra fino all’armadio” o “fibra fino al cordolo del marciapiede“) è una delle soluzioni più comuni nei territori in cui il cablaggio della rete in FIBRA non è ancora stato effettuato. Offre prestazioni ridotte rispetto alla rete in fibra ottica ma comunque migliori dell’ADSL. Il cavo in fibra ottica collega la centrale telefonica a un armadio stradale, detto Cabinet, una sorta di punto di smistamento che può rifornire circa 200 unità immobiliari, posizionato a una distanza massima di circa 300 mt dalle abitazioni.
In questo modo al rame è affidato soltanto quello che in gergo viene definito ultimo miglio, e le problematiche legate a dispersioni, usura e agenti esterni saranno limitate a quella tratta.

  • FTTB

FTTB – (Fiber-to-the-building o Fiber-to-the-basement (letteralmente “fibra fino all’edificio” o “fibra fino alle fondamenta”): il collegamento in fibra ottica raggiunge il limite del palazzo o alla schiera. Il collegamento finale con l’appartamento rimane su filo di rame o tecnologia ethernet (reti locali).

  • FTTW

FTTW –  (Fiber-to-the wireless o Fiber-to-the-radio (letteralmente “fibra fino alla base radio”):  la fibra arriva fino a un ponte radio detto anche BTS e viene ricevuta da un’antenna; questa tecnologia viene spesso usata per portare la fibra ottica dove non è possibile arrivare con il cavo.

  • FTTH

FTTH (Fiber-to-the-home. letteralmente “fibra fino a casa”):Le prestazioni più elevate sono garantite dalle reti di tipo FTTH, ossia fibra fino a casa. L’intero percorso dalla centrale al router di casa è realizzato in fibra ottica. Questo tipo di rete mantiene pressoché intatta la potenza del segnale dalla fonte all’utente finale e garantisce le stesse velocità di trasmissione sia in download che in upload.
Le connessioni FTTH, le uniche a utilizzare la fibra ottica per la totalità del percorso, dalla centrale al router di casa.

Trasmissione dati su un collegamento a fibra ottica

La fibra ottica viene utilizzata per trasferire informazioni di natura binaria, dove la luce che viene emessa da una sorgente è accesa o spenta e modulata in ampiezza ASK(Amplitude Shift Keying: modulazione a spostamento di ampiezza) con un sistema detto On-off.

La presenza di una portante per un tempo specifico rappresenta un uno binario, mentre la sua assenza, per la stessa durata temporale, rappresenta uno zero,

All’altro estremo della fibra il componente principale di un convertitore ottico è il fotorivelatore che converte la luce in elettricità attraverso l’effetto fotoelettrico. atto a potersi collegare al proprio Modem..
Il convertitore elettro-ottico è tipicamente accoppiato con un amplificatore allo scopo di produrre un segnale digitale come quello del segnale ottico in ingresso, che può risultare attenuato e distorto dopo l’attraversamento del canale.

Fisica della fibra ottica

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Per comprendere i fenomeni di riflessione che avvengono nelle fibre ottiche consideriamo un raggio di luce che colpisce una superficie di separazione, chiamato raggio incidente (Ri); esso si divide in:

  • Un raggio che si propaga ancora nel primo mezzo, chiamato raggio riflesso (Rr);
  • Un raggio che si propaga nel secondo mezzo, con direzione diversa da quella del raggio incidente, chiamato raggio rifratto (Rt).

Gli angoli formati dai raggi Ri e Rr (φiφr) per la legge di riflessione sono uguali. ovvero: φi = φr

La luce si propaga nel nucleo della fibra per ripetute riflessioni tramite la superficie di separazione dei due materiali, ed è per questo motivo che il mantello non deve far disperdere la luce verso l’esterno.

Ora sapendo come è strutturata una fibra, cerchiamo di capire in che modo la luce si deve propagare senza avere perdite d’informazione.

Se il messaggio è contenuto nella radiazione luminosa, dovremo necessariamente avere una propagazione di tipo guidata e non irradiata.
Per poter effettuare questo tipo di propagazione, non dovremo avere raggi rifratti ma solo quelli riflessi.

Ciò avviene solo in un particolare caso, ovvero quando l’angolo di incidenza φi corrisponde all’angolo limite φL, di conseguenza avremo che quello rifratto jr sarà esattamente a 90° e avremo una propagazione di tipo guidato e non irradiato. .

Per poter calcolare quest’angolo utilizziamo la legge di Snell che lega gli indici di rifrazione (n1, n2) del nucleo e del mantello con i rispettivi angoli.

n1 sen φi = n2 sen φt

per φi = φL e φt = 90° si ottiene

n1 sen φL = n2 ovvero: sen φL = n2/n1 da cui:

φL = sen-1 n2/n1

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