Che cosa sono le fibre ottiche e come le lunghezze d'onda influenzano le loro prestazioni

Come componente importante delle moderne reti di comunicazione, la fibra ottica collega l'intera Internet. Senza fibra ottica, non ci sarebbe comunicazione di rete. La lunghezza d'onda, come parametro fondamentale nella comunicazione in fibra ottica, influisce direttamente sull'efficienza di trasmissione e sulla qualità del segnale dei segnali ottici nelle fibre ottiche. Quindi, che cos'è la fibra ottica e in che modo la lunghezza d'onda ne influenza le prestazioni? Questo articolo fornirà le risposte.

Che cos'è la fibra ottica e come funziona

La fibra ottica è una tecnologia di comunicazione che utilizza la trasmissione della luce attraverso mezzi trasparenti. I suoi componenti principali sono realizzati con materiali altamente trasparenti come fibre di vetro o plastica. Fibra ottica è composta da tre parti: il nucleo, il cladding e il rivestimento. Il nucleo viene utilizzato per la trasmissione del segnale luminoso, il cladding limita il segnale luminoso al nucleo attraverso il principio della riflessione interna totale, e il rivestimento protegge il nucleo.

Il principio fondamentale della comunicazione in fibra ottica è l'effetto di riflessione interna totale. Quando la luce entra nel rivestimento a basso indice di rifrazione dal nucleo ad alto indice di rifrazione, purché l'angolo di incidenza superi l'angolo critico, la luce continuerà a riflettersi tra nucleo e rivestimento, consentendo una trasmissione del segnale efficiente, a bassa perdita e su lunghe distanze.

Le fibre ottiche possono essere classificate in due tipi in base alla loro modalità di trasmissione:

Fibra ottica monomodale: La fibra ottica monomodale ha un diametro del nucleo più piccolo, tipicamente compreso tra 8 e 10 micrometri, e consente un solo percorso luminoso. Ciò elimina la dispersione modale. Presenta bassa perdita, elevata larghezza di banda ed è tipicamente utilizzata per la trasmissione a lunga distanza, con lunghezze d'onda di 1310 nm o 1550 nm.

Fibra ottica multimodale: La fibra multimodale ha un diametro del nucleo maggiore, in genere 50 o 62,5 micrometri, e può trasmettere simultaneamente più modi di luce. La fibra multimodale viene in genere utilizzata per la trasmissione a breve distanza, con lunghezze d'onda di 850 nm o 1300 nm.

Quando si seleziona la fibra, è necessario considerare fattori come le interfacce dei moduli e la distanza di trasmissione. In genere, per connessioni inferiori a 2 km è richiesta la fibra multimodale, mentre per connessioni superiori a 2 km è richiesta la fibra monomodale.

L'impatto della lunghezza d'onda sulle prestazioni della fibra ottica

Sebbene la lunghezza d'onda sia uno dei parametri più basilari nella comunicazione in fibra ottica, influisce direttamente sull'efficienza di trasmissione dei segnali ottici nelle fibre ottiche. Questo perché i segnali ottici di diverse lunghezze d'onda presentano caratteristiche diverse in termini di attenuazione, dispersione e distanza di trasmissione.

Attenuazione

Man mano che i segnali ottici si propagano attraverso le fibre ottiche, si indeboliscono gradualmente a causa dell'assorbimento da parte delle impurità presenti nella fibra. Questi effetti di assorbimento sono particolarmente pronunciati in regioni specifiche, e le regioni intermedie sono note come finestre di trasmissione, cioè gli intervalli di lunghezze d'onda con la minore attenuazione. Le lunghezze d'onda delle finestre comunemente utilizzate includono 850 nm, 1310 nm, 1550 nm e 1625 nm. La lunghezza d'onda di 850 nm presenta un'attenuazione maggiore, tipicamente 3 dB/km, rendendola adatta alla trasmissione su fibra multimodale a breve distanza. A 1310 nm, l'attenuazione è inferiore, tipicamente 0,35 dB/km, e presenta una bassa dispersione, rendendola adatta alla trasmissione a media e lunga distanza. A 1550 nm, l'attenuazione è ancora più bassa, tipicamente 0,2 dB/km, rendendola la scelta preferita per la trasmissione a lunga distanza. Quanto a 1625 nm, viene utilizzata principalmente per le lunghezze d'onda di monitoraggio e manutenzione e non viene utilizzata per la trasmissione dei segnali aziendali primari.

Dispersione

La dispersione è la causa dell'allargamento degli impulsi ottici, limitando la larghezza di banda e la distanza di trasmissione. A 1310 nm, una fibra monomodale ha una dispersione quasi nulla, rendendola adatta a segnali ad alta velocità e a trasmissioni su distanze medie. Mentre 1550 nm ha una bassa attenuazione, presenta un'elevata dispersione, quindi in genere richiede una tecnologia di compensazione della dispersione, come EDFA.

Effetti non lineari

A livelli di potenza elevati, la lunghezza d'onda influisce sull'entità degli effetti non lineari. In generale, più lunga è la lunghezza d'onda, più pronunciati diventano gli effetti non lineari su lunghe distanze. Gli effetti non lineari si riferiscono al fenomeno per cui l'indice di rifrazione della luce non rimane più costante mentre si propaga attraverso la fibra, ma varia invece con i cambiamenti della potenza ottica. A livelli di potenza bassi, la fibra si comporta linearmente, con la luce influenzata solo da attenuazione e dispersione. Tuttavia, a livelli di potenza elevati o su lunghe distanze, il segnale luminoso interagisce con il materiale della fibra e con altri segnali luminosi, portando a distorsione della forma d'onda, spostamenti spettrali e persino diafonia tra segnali.

L'impatto della tecnologia WDM sulla fibra ottica

Tecnologia WDM influisce anche sulla trasmissione in fibra ottica ed è vincolato dalle caratteristiche della fibra ottica e da vari effetti di trasmissione.

Senza posare ulteriori fibre ottiche, la tecnologia WDM può aumentare la capacità delle reti in fibra ottica perché può trasmettere più segnali ottici di diverse lunghezze d'onda su una singola fibra ottica.

CWDM supporta fino a 18 canali con una spaziatura di 20nm, rendendolo adatto ad applicazioni a breve distanza e a basso costo.

DWDM supporta più canali, fino a 160 canali con una spaziatura di 0,8 nm tra i canali, rendendolo adatto a reti core, reti metropolitane e altre applicazioni.

La tecnologia WDM ha i seguenti effetti sui cavi in fibra ottica:

Aumento del rischio di effetti non lineari

Quando più lunghezze d'onda vengono trasmesse simultaneamente, le loro interazioni possono facilmente generare segnali di interferenza, specialmente nelle fibre con piccoli intervalli tra le lunghezze d'onda e bassa dispersione. Le variazioni della potenza ottica di un canale possono influire anche su altri canali, causando diafonia. L'energia dei segnali a lunghezza d'onda corta può inoltre essere trasferita ai segnali a lunghezza d'onda lunga, con conseguente distribuzione non uniforme della potenza del segnale.

Effetto di accumulo della dispersione

Poiché i valori di dispersione per ciascuna lunghezza d'onda differiscono, la trasmissione a lunga distanza può comportare diversi gradi di allargamento del segnale, aumentando la difficoltà della compensazione della dispersione.

Non linearità del guadagno dell'amplificatore

I sistemi DWDM utilizzano tipicamente EDFA, ma i valori di guadagno possono variare tra diverse lunghezze d'onda, richiedendo l'uso di equalizzatori di guadagno per il bilanciamento. In caso contrario, ciò può portare a differenze nell'SNR tra i canali.

Altri fattori che influenzano la fibra ottica

Oltre alla lunghezza d'onda, vi sono altri fattori che possono influire sulle prestazioni di trasmissione della fibra ottica, tra cui la perdita dei connettori e delle giunzioni a fusione, il raggio di curvatura della fibra, la purezza del materiale e i fattori ambientali esterni.

Quando si collegano le fibre ottiche, si verifica una perdita di inserzione. Anche un lieve disallineamento o la contaminazione del connettore può degradare significativamente la qualità del segnale.

Quando il raggio di curvatura supera il raggio minimo di curvatura della fibra, può verificarsi una perdita dal nucleo, con conseguente perdita di segnale o guasto.

Anche la purezza del materiale del nucleo influisce sulla trasmissione del segnale. La fibra ad alta purezza può ridurre al minimo l'impatto delle impurità metalliche e dell'umidità sulla trasmissione del segnale, ridurre i picchi di assorbimento e migliorare la stabilità della larghezza di banda.  

Infine, le variazioni di temperatura, umidità e forza di trazione esterna possono influire sulla vita utile della fibra, portando a un degrado prematuro delle sue prestazioni.  

Conclusione

In generale, la lunghezza d'onda è uno dei parametri chiave che influiscono sulle prestazioni della fibra ottica. Comprendendo la dispersione, l'attenuazione e gli effetti non lineari delle diverse lunghezze d'onda, la selezione della banda di lunghezza d'onda appropriata per l'applicazione giusta può garantire la stabilità della trasmissione. Comprendendo questi fattori che influiscono sulle prestazioni della fibra ottica, è possibile implementare una rete di comunicazione più stabile ed efficiente.