Oggi, i cavi in fibra ottica sono ampiamente utilizzati per trasmettere dati. Hanno completamente sostituito le tradizionali linee di comunicazione basate sul metallo in alcuni campi dell'informatica. I cavi in fibra ottica sono particolarmente efficaci nelle applicazioni in cui grandi quantità di dati devono essere trasmesse su lunghe distanze.
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Basi fisiche delle fibre ottiche
Le fibre ottiche si basano sul principio fisico della riflessione totale. Se prendiamo due mezzi con diversi indici di rifrazione n1 e n2, dove n2< n1 (per esempio aria e vetro o vetro e plastica trasparente) e proiettare un fascio di luce con un angolo α sull'interfaccia, si verificheranno due eventi.
Il raggio (segnato in rosso nella figura), proiettato dall'alto a sinistra (freccia) si rifrangerà parzialmente e viaggerà lungo il mezzo con indice di rifrazione n2 con un angolo α1<α - questa parte del fascio è indicata dalla linea tratteggiata. L'altra parte del fascio rifletterà dall'interfaccia con lo stesso angolo. Se lasciamo che il raggio cada con un angolo più lento β (il raggio verde nella figura), accadrà la stessa cosa - riflessione parziale e rifrazione parziale con un angolo β1.
Se l'angolo incidente α è ulteriormente ridotto (raggio blu nella figura), allora la parte rifratta del fascio "scivolerà" quasi parallelamente all'interfaccia (linea tratteggiata blu). Un'ulteriore diminuzione dell'angolo di incidenza (fascio verde incidente con un angolo β) causerà un salto qualitativo - la parte rifratta sarà assente. Il fascio sarà completamente riflesso dall'interfaccia tra i due media. Questo angolo è chiamato angolo di riflessione totale e il fenomeno è chiamato riflessione totale. Lo stesso si osserva quando l'angolo di incidenza diminuisce ulteriormente.
Costruzione di una fibra ottica
Le fibre ottiche si basano su questo principio. Consiste in due strati coassiali di diversa densità ottica.
Se un fascio di luce entra nell'estremità aperta di una fibra con un angolo maggiore dell'angolo di riflessione della luce, sarà riflesso completamente dalla superficie di contatto di due mezzi con diversi indici di rifrazione, con poca attenuazione ad ogni "salto".
La parte esterna della fibra ottica è fatta di plastica. L'interno può anche essere fatto di plastica trasparente, quindi può essere piegato ad angoli abbastanza grandi (anche arrotolato in un anello, e la luce che entra passerà ancora da un'estremità all'altra con attenuazione, a seconda delle proprietà ottiche della plastica e la lunghezza della guida di luce). Per i cavi a lunga distanza, dove la flessibilità non è così importante, il nucleo interno è di solito fatto di vetro. Questo riduce l'attenuazione e il costo della fibra ottica, ma diventa sensibile alla flessione.
Per aumentare la capacità di una linea ottica, la fibra è disponibile in versione dual-mode o multi-mode. A questo scopo, la sezione del nucleo è aumentata a 50 µm o 62,5 µm (rispetto ai 10 µm per il monomodo). Due o più segnali possono essere trasmessi simultaneamente attraverso questa fibra ottica.
Questa linea di trasmissione ottica ha alcuni svantaggi. Uno di questi è la dispersione della luce causata dal diverso percorso di ogni segnale. Hanno imparato a combatterlo facendo un nucleo con un indice di rifrazione gradiente (che cambia dal centro ai bordi). Questo corregge i percorsi dei diversi raggi.
I cavi in fibra ottica multimodali sono usati soprattutto per le reti locali (all'interno di un edificio, un'azienda, ecc.) e i cavi in fibra ottica monomodali sono usati per le reti a lunga distanza.
Progettazione di una linea in fibra ottica
I cavi in fibra ottica trasportano un segnale luminoso prodotto da un LED o da un laser. Nell'unità di trasmissione viene generato un segnale elettrico. Anche il dispositivo finale ha bisogno del segnale sotto forma di impulsi elettrici. Pertanto, sarà necessario convertire i dati grezzi due volte. Uno schema semplificato di una linea in fibra ottica è mostrato in figura.
Il segnale dal dispositivo di trasmissione viene convertito in impulsi di luce e trasmesso sulla linea ottica. La potenza degli emettitori sul lato trasmittente è limitata, quindi i dispositivi che compensano l'attenuazione - amplificatori ottici, rigeneratori o ripetitori - sono posti a certi intervalli sulle linee lunghe. Sul lato di ricezione c'è un altro convertitore che trasforma il segnale ottico in un segnale elettrico.
Costruzione del cavo ottico
Le singole fibre sono utilizzate come parte di un cavo ottico per creare una linea in fibra ottica. La sua costruzione dipende dallo scopo della linea di trasmissione e dal metodo di posa, ma in generale contiene diverse fibre con un rivestimento protettivo individuale (contro graffi e danni meccanici). Questa protezione è di solito fatta in due strati - prima una guaina di composto e poi un ulteriore rivestimento di plastica o vernice sopra. Le fibre sono racchiuse in una guaina comune (simile ai cavi elettrici convenzionali), che determina l'applicazione del cavo e viene scelta in base alle influenze esterne a cui la linea sarà esposta durante il funzionamento.
Quando si installa in vaschette per cavi c'è un problema di protezione delle linee contro i roditori. In questo caso è necessario scegliere un cavo con guaina esterna rinforzata con nastro d'acciaio o armatura di filo. Le fibre di vetro sono anche usate come protezione contro i danni.
Se il cavo è posato in un tubo, la guaina rinforzata non è necessaria. Il tubo di metallo protegge in modo affidabile dai denti di topi e ratti. La guaina esterna può essere resa più leggera. Questo rende più facile tirare il cavo all'interno del tubo.
Se la linea deve essere posata nel terreno, la protezione è sotto forma di armatura di filo protetto dalla corrosione o di barre di fibra di vetro. Questo fornisce un'alta resistenza non solo alla compressione ma anche alla trazione.
Se il cavo deve essere installato in zone di mare, sopra fiumi o altri ostacoli d'acqua, su terreni paludosi, ecc., si utilizza una protezione aggiuntiva con un nastro in alu-polimero. In questo modo, il cavo è protetto dalla penetrazione dell'acqua.
Molti cavi contengono anche all'interno della loro guaina comune:
- Barre di rinforzo che servono a dare alla struttura una maggiore resistenza quando è esposta a sollecitazioni meccaniche esterne e quando la linea è allungata termicamente
- filler - filamenti di plastica che riempiono gli spazi vuoti tra le fibre e altri elementi
- aste di potenza (il loro scopo è quello di aumentare il carico di trazione).
Nelle lunghe campate la linea è sospesa su un cavo, ma ci sono cavi autoportanti. Il cavo metallico di supporto è incorporato direttamente nella guaina.
Come un tipo separato di linea in fibra ottica dovremmo menzionare il patch cord ottico. Questo cavo contiene una o due fibre (monomodali o bimodali) racchiuse in una guaina comune. Entrambi i lati del cavo sono dotati di connettori per il collegamento. Questi cavi sono molto corti e sono utilizzati per collegare apparecchiature su brevi distanze o per il cablaggio all'interno di un armadio.
Vantaggi e svantaggi dei cavi ottici
Tra gli indubbi vantaggi dei cavi in fibra ottica che hanno portato alla loro grande diffusione vi sono:
- alta immunità alle interferenze - il segnale luminoso non è influenzato dalle radiazioni elettromagnetiche domestiche e industriali, e la linea stessa non emette alcuna radiazione (questo rende difficile l'accesso non autorizzato alle informazioni trasmesse e non crea problemi di compatibilità elettromagnetica);
- isolamento galvanico completo tra il lato ricevente e quello trasmittente;
- bassa attenuazione - molto più bassa di quella delle linee metalliche;
- lunga durata;
- alta capacità di trasmissione.
Nella realtà di oggi, è anche importante che il cavo non attiri i ladri di metallo.
L'ottica non è priva di svantaggi. Prima di tutto è una complessità di installazione e connessione, che richiede attrezzature speciali, strumenti e materiali, così come impone requisiti più elevati per la qualificazione del personale, coinvolto nell'installazione e manutenzione delle linee. La maggior parte dei guasti nei cavi in fibra ottica sono causati da errori di installazione, che possono non manifestarsi immediatamente. Inizialmente, anche il costo della linea stessa era elevato, ma i progressi della tecnologia hanno permesso di ridurre questo svantaggio a livelli competitivi.
Le linee ottiche hanno guadagnato una quota significativa nel mercato delle comunicazioni. Nessuna alternativa seria è in vista per il prossimo futuro, a meno che non ci sia una svolta tecnologica.
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