Conoscenza

I cavi in ​​fibra ottica trasportano informazioni inviando segnali luminosi lungo fili ultrasottili di fibra di vetro o plastica, offrendo velocità, capacità e raggio di trasmissione significativamente maggiori rispetto ai tradizionali cavi in ​​rame. Costruiti da tre strati chiave - un nucleo interno, un rivestimento circostante e un rivestimento protettivo esterno - questi cavi fungono da spina dorsale delle moderne reti a banda larga, infrastrutture di telecomunicazioni e sistemi di comunicazione industriale. Comprensionecome funzionano le fibre ottichepuò aiutare molto a risolvere alcuni problemi impegnativi.

Cos'è la fibra ottica

Fibra otticaè un conduttore di comunicazione che utilizza la luce come vettore di informazioni e il vetro o la plastica come mezzo di trasmissione. Il processo di base funziona come segue: i segnali elettrici vengono convertiti in impulsi luminosi, trasmessi ad alta velocità attraverso fili di vetro estremamente sottili e quindi riconvertiti in segnali elettrici all'estremità ricevente. Una fibra di comunicazione standard ha un diametro di circa 125 micrometri - più o meno lo stesso di un capello umano. Nonostante questa sezione trasversale incredibilmente sottile-, l'interno presenta una struttura concentrica multi-strato di precisione, in cui ogni strato svolge una funzione indipendente.

È importante distinguere tra fibra ottica e cavo in fibra ottica. UNcavo in fibra otticaè un cavo assemblato completo che ospita una o più fibre ottiche insieme ad elementi di rinforzo e rivestimenti protettivi, progettato per trasmettere dati come impulsi di luce su lunghe distanze.

La struttura fisica a quattro-strati del cavo in fibra ottica

Per capiredi cosa è fatto un cavo in fibra ottica, diamo un'occhiata più da vicino ai suoi quattro strati-di ingegneria di precisione dall'interno verso l'esterno.

Nucleo

Situato proprio al centro, il nucleo ha un diametro compreso tra 8 e 62,5 micrometri e funge da canale vero e proprio attraverso il quale viaggiano i segnali luminosi. Il nucleo è costituito da biossido di silicio (SiO₂) di elevata purezza, drogato con tracce di germanio (Ge) per aumentarne l'indice di rifrazione. La purezza del nucleo determina direttamente la distanza di trasmissione del segnale e i livelli di perdita. La fibra di grado - comunicazione- richiede una purezza del vetro pari o superiore al 99,99%.

Rivestimento

ILrivestimento del cavo in fibra otticacirconda il nucleo con un diametro uniforme di 125 micrometri. Anch'esso è costituito da biossido di silicio, ma con una formula di drogaggio diversa che gli conferisce un indice di rifrazione leggermente inferiore rispetto al nucleo. Questa differenza di indice di rifrazione è il prerequisito fisico che consente la trasmissione del segnale luminoso - senza di essa, la luce fuoriuscirebbe semplicemente dalla fibra.

Rivestimento (buffer)

Uno o due strati di acrilato polimerizzato ai raggi UV-rivestimentovengono applicati sul rivestimento, portando il diametro totale delle fibre a 250 micrometri. Il rivestimento protegge il vetro nudo da microflessioni, graffi e infiltrazioni di umidità. Il degrado del rivestimento è una delle cause principali del calo delle prestazioni delle fibre dopo un utilizzo a lungo termine.

Giacca

La struttura protettiva più esterna è generalmente realizzata in polietilene (PE) o cloruro di polivinile (PVC), con alcune applicazioni specializzate che utilizzano materiali LSZH (Low Smoke Zero Halogen). Il rivestimento può anche contenere fibre di aramide (Kevlar), filo di acciaio o aste di plastica rinforzata con fibra di vetro (FRP) come elementi di rinforzo per resistere alle sollecitazioni di trazione, compressione e flessione durante l'installazione.

Insieme, questi quattro strati - nucleo in silice ad elevata- purezza, rivestimento in silice drogata, rivestimento in acrilato e rivestimento polimerico - costituiscono l'elemento essenzialemateriali in fibra otticapresente in ogni cavo-di comunicazione.

Nelle implementazioni reali, da decine a migliaia di fibre ottiche vengono raggruppate insieme in un cavo ottico. Cavo ottico e fibra ottica sono due concetti diversi: la fibra è il mezzo di trasmissione; il cavo è il prodotto completo comprendente fibre, elementi di rinforzo e rivestimenti protettivi.

Come funzionano i cavi in ​​fibra ottica

Riflessione interna totale

Il principio fondamentale dietrocome i cavi in ​​fibra ottica trasmettono i datiè la Riflessione Interna Totale (TIR). Quando la luce viaggia da un mezzo con un indice di rifrazione più alto a uno con un indice di rifrazione più basso e l'angolo di incidenza supera l'angolo critico, la luce viene riflessa al 100% nel lato con indice di rifrazione più alto invece di passare attraverso l'interfaccia. La fibra ottica sfrutta esattamente questo principio: l'indice di rifrazione del nucleo (circa 1,467) è superiore a quello del rivestimento (circa 1,460), quindi i segnali luminosi rimbalzano continuamente sull'interfaccia del nucleo-rivestimento con angoli radenti poco profondi, propagandosi lungo la fibra.

Un parametro chiave qui è l'apertura numerica (NA). NA descrive l'intervallo angolare massimo entro il quale la fibra può accettare la luce in entrata, determinato dalla differenza dell'indice di rifrazione tra nucleo e rivestimento. Un NA più grande fornisce una maggiore tolleranza di accoppiamento, rendendo più semplice l'allineamento con una sorgente luminosa, ma aumenta anche la dispersione e degrada la qualità del segnale. Questo è uno dei compromessi principali-nella progettazione delle fibre.

Il collegamento completo di comunicazione ottica

Per capirecome funziona il cavo in fibra otticain un sistema del mondo reale-, dobbiamo esaminare le tre fasi principali di uncomunicazione in fibra otticacollegamento.

Trasmettitore:I segnali elettrici vengono prima codificati in una sequenza di impulsi digitali (0 e 1), quindi una sorgente luminosa li converte in impulsi ottici. Esistono due tipi di sorgenti luminose: diodi laser (LD) e diodi emettitori di luce (LED). I diodi laser offrono una potenza di uscita maggiore, un'ampiezza spettrale più ristretta e velocità di modulazione più rapide, rendendoli adatti per scenari a lunga-distanza e ad alta-velocità. I LED hanno un costo-inferiore ma hanno un'ampiezza spettrale più ampia, adatta per applicazioni a breve-distanza.

Fibra (segmento di trasmissione):Una volta che gli impulsi ottici entrano nella fibra, si propagano lungo il nucleo. Nella trasmissione a lunga-distanza, gli amplificatori ottici vengono posizionati a intervalli regolari per compensare l'attenuazione del segnale. Multiplexing moderno a divisione di lunghezza d'onda densa (DWDM) tecnologia della fibra otticapuò trasportare simultaneamente da 80 a 160 canali di diversa lunghezza d'onda in un'unica fibra, ciascuno dei quali trasporta dati in modo indipendente, consentendo una capacità della singola-fibra a livello di terabit-al-secondo.

Ricevitore:Un fotorilevatore (tipicamente un fotodiodo PIN o un fotodiodo da valanga, APD) converte gli impulsi ottici ricevuti in segnali elettrici, che vengono poi ripristinati ai dati originali attraverso il recupero dell'orologio e i circuiti decisionali.

Attenuazione del segnale

La trasmissione della luce attraverso la fibra non è un processo senza perdite. L'attenuazione del segnale è il vincolo principalecomunicazione in fibra otticaprogettazione del sistema.

L’attenuazione proviene da tre fonti principali. Il primo è l'assorbimento del materiale - gli ioni idrossile residui (OH⁻) nel vetro creano picchi di assorbimento a lunghezze d'onda specifiche (intorno a 1383 nm), motivo per cui le moderne fibre di comunicazione utilizzano principalmente le finestre a bassa perdita-di 1310 nm e 1550 nm. Il secondo è lo scattering di Rayleigh -: le interazioni tra la luce e le irregolarità della densità microscopica nel vetro causano perdite per scattering, il meccanismo di perdita dominante a lunghezze d'onda più corte. Il terzo è la perdita di curvatura - raggi di curvatura eccessivamente piccoli della fibra causano la fuoriuscita di segnali luminosi dal nucleo.

Per riferimento, l'attuale fibra tradizionale G.652D monomodale- ha un'attenuazione tipica di 0,35 dB/km a 1310 nm e 0,20 dB/km a 1550 nm. Ciò significa che a 1550 nm, la potenza del segnale scende all'1% del livello originale dopo aver percorso 100 km. Di conseguenza, le linee urbane a lungo-distanza richiedono amplificatori ottici ogni 80-100 km per la rigenerazione del segnale.

Tipi di cavi in ​​fibra ottica:Modalità-singola e modalità-multipla

Le fibre ottiche sono classificate in due categorie principali in base al numero di modalità di trasmissione. Questitipi di cavi in ​​fibra otticadifferiscono fondamentalmente nei parametri fisici, nelle specifiche prestazionali e nelle applicazioni adatte.

Fibra-monomodale (SMF)

La fibra monomodale- ha un diametro del nucleo compreso tra 8 e 10 micrometri e consente la propagazione di una sola modalità fondamentale (LP01). Eliminando la dispersione intermodale, la fibra mono-modale raggiunge un prodotto di larghezza di banda-distanza di gran lunga superiore a quello della fibra multi-modale, rendendola la scelta standard per le comunicazioni a media- e lunga-distanza.

Le lunghezze d'onda operative tipiche sono 1310 nm e 1550 nm, utilizzando diodi laser a feedback distribuito (DFB-LD) come sorgenti luminose. La distanza di trasmissione può raggiungere decine o centinaia di chilometri (estendibile a migliaia di chilometri con amplificatori ottici). Il codice colore della giacca esterna è giallo.

Le designazioni degli standard principali includono ITU-T G.652 (modalità singola-standard), G.655 (non-dispersione spostata a zero) e G.657 (insensibile alla piegatura-, progettato per l'implementazione FTTH).

Fibra multi-modale (MMF)

La fibra multi-modale ha un diametro del nucleo di 50 o 62,5 micrometri, consentendo da centinaia a migliaia dimodalità della fibra otticapropagarsi contemporaneamente. Modalità diverse viaggiano a velocità diverse, arrivando al ricevitore in tempi diversi - un fenomeno chiamato dispersione intermodale - che limita direttamente la distanza di trasmissione e la larghezza di banda della fibra multi-modale.

Le lunghezze d'onda operative tipiche sono 850 nm e 1300 nm, utilizzando VCSEL (Laser a emissione superficiale a cavità verticale) o LED come sorgenti luminose. Le distanze di trasmissione sono generalmente di poche centinaia di metri. Per l'identificazione del colore della giacca: OM3/OM4 utilizza l'acqua, OM5 utilizza il verde lime e OM1/OM2 utilizza l'arancione.

Criteri di selezione

Tra idiversi tipi di cavi in ​​fibra, il fattore decisivo è la distanza di trasmissione. Per distanze inferiori a 300 metri - come le interconnessioni intra-data-center e i cablaggi in-edifici, la fibra - multi-modalità offre un vantaggio in termini di costi, poiché i suoi moduli ottici compatibili sono significativamente meno costosi degli equivalenti monomodali-. Oltre i 500 metri - dorsali di campus, reti metropolitane e linee urbane a lungo-raggio - la fibra monomodale-è l'unica opzione praticabile. All'interno dei rispettivi intervalli di distanza ottimali, nessuno dei due tipi è universalmente superiore; una soluzione multi-modalità spesso garantisce un costo totale di proprietà inferiore.

Come sono realizzati i cavi in ​​fibra ottica

I cavi in ​​fibra ottica sono composti principalmente da vetro di silice ultra-puro (biossido di silicio), che viene trascinato in filamenti più sottili di un capello umano per la trasmissione di segnali ottici. Un tipico cavo in fibra ottica è costituito da diversi componenti chiave: un nucleo centrale che trasporta i segnali luminosi, un rivestimento di vetro circostante che consente la riflessione interna, un rivestimento protettivo polimerico che protegge la fibra da danni fisici e elementi di rinforzo rinforzanti, come Kevlar o acciaio, che migliorano la durata meccanica del cavo..Produzione di fibra otticasi trova all'intersezione tra ingegneria chimica di precisione e scienza ottica. L'intero processo è diviso in due fasi: fabbricazione della preforma e trafilatura della fibra.

Fabbricazione di preforme

Una preforma è una bacchetta di vetro ad elevata purezza-di circa 10-20 centimetri di diametro e lunga circa 1 metro, con il profilo dell'indice di rifrazione del rivestimento-del nucleo già stabilito internamente. Esistono quattro metodi di fabbricazione principali: MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition), OVD (Outside Vapor Deposition), VAD (Vapor Axial Deposition) e PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition).

Prendendo come esempio il processo OVD: i gas di tetracloruro di silicio (SiCl₄) e tetracloruro di germanio (GeCl₄) ad elevata purezza subiscono reazioni di ossidazione in una fiamma di idrogeno-ossigeno. Le particelle SiO₂ e GeO₂ risultanti si depositano su un'asta bersaglio rotante, accumulandosi strato dopo strato per formare un corpo di vetro poroso (chiamato "preforma di fuliggine"), che viene poi disidratato ad alta temperatura, sinterizzato e collassato in una preforma solida e trasparente.

Una singola preforma può produrre centinaia di chilometri di fibra. La qualità della preforma determina tutte le caratteristiche prestazionali ottiche della fibra - inclusi i parametri di attenuazione, dispersione e lunghezza d'onda di taglio - che sono bloccati nella fase della preforma e non possono essere corretti durante il processo di disegno.

Disegno della fibra

La preforma viene alimentata in una torre di trafilatura, una struttura verticale alta circa 20-30 metri. L'estremità inferiore della preforma viene riscaldata a circa 2.000 gradi per ammorbidire il vetro, che viene poi trascinato sotto controllo di gravità e tensione in una fibra con un diametro di 125 micrometri. La velocità di disegno può raggiungere da 1.000 a 2.500 metri al minuto.

Durante il processo di trafilatura, la fibra passa attraverso un misuratore di diametro laser in linea per il monitoraggio in tempo reale- con una precisione di ±0,1 micrometri, quindi entra immediatamente nella fase di rivestimento - due strati di acrilato vengono polimerizzati sotto lampade UV, portando il diametro della fibra a 250 micrometri. L'intero processo, dall'ammorbidimento al rivestimento, polimerizza in meno di un secondo.

Dopo la trafilatura, la fibra viene sottoposta a test di prova, generalmente sottoposta a una tensione di 0,69 GPa (circa 1%) per eliminare le sezioni contenenti microfessure, garantendo che l'affidabilità meccanica della fibra spedita soddisfi i requisiti di durata di servizio di 25 anni.

Vantaggi del cavo in fibra ottica rispetto al rame

Confrontando la fibra con il rame, ilvantaggi della fibra otticadiventare subito chiaro. La tabella seguente evidenzia perché la fibra è diventata il mezzo preferito per le reti moderne.

Fibra e rame sono complementari, non competitivi. L'attuale architettura di rete tradizionale segue il principio "fibra-to-the-edge" - la dorsale e i livelli di aggregazione utilizzano la fibra, mentre il livello di accesso (le ultime decine di metri fino ai dispositivi finali) continua a utilizzare il rame. Non si prevede che questo modello architettonico cambierà radicalmente nei prossimi 5-10 anni.

Applicazioni della fibra ottica

ILusi per la fibra otticaabbracciano quasi tutti i settori, dalle telecomunicazioni alla medicina. Ecco le principali aree di applicazione.

Dorsale di telecomunicazioni e Internet

L’internet globale funziona grazie alla fibra. I cavi sottomarini in fibra ottica e i cavi terrestri a lungo raggio-collegano i continenti. 5Le reti fronthaul e midhaul delle stazioni base G si basano anch'esse sulla fibra, con ciascuna stazione base che richiede da 6 a 12 core in fibra. A questa scala, ilutilizzo del cavo in fibra ottica nelle reticostituisce la spina dorsale della connettività globale.

Centri dati

I data center utilizzano internamente la fibra multimodale OM3/OM4-per interconnessioni ad alta-velocità a breve{3}}distanza. Tra i data center viene utilizzata la fibra mono-modale con tecnologia di comunicazione ottica coerente, con velocità per-lunghezza d'onda che già raggiungono le implementazioni di 400G e 800G in corso.

FTTH (Fibra a casa)

FTTH porta la fibra direttamente agli utenti residenziali, utilizzando la tecnologia PON (Passive Optical Network) per distribuire segnali ottici a più utenti finali, ottenendo un accesso a banda larga di classe gigabit- a basso costo.

Industriale e di rilevamento

I sensori in fibra ottica vengono utilizzati per il monitoraggio della temperatura e della deformazione e sono ampiamente utilizzati negli oleodotti e nei gasdotti, nei cavi elettrici, nei sistemi di allarme antincendio nei tunnel e nel monitoraggio dello stato strutturale su larga-scala.

Medico

Applicazione in fibra otticain medicina continua ad espandersi - endoscopi, laser chirurgici e sistemi di imaging si affidano tutti a fibre ottiche per l'illuminazione, l'imaging e il supporto chirurgico di precisione.

Militare e aerospaziale

La fibra ottica sostituisce il rame nelle comunicazioni militari, nei bus dati e nei sistemi aerospaziali, offrendo immunità EMI e resistenza alle intercettazioni. I giroscopi a fibra ottica sono ampiamente utilizzati nei sistemi di guida di aerei e missili.