Caratterizzazione della fibra ottica

Caratterizzazione
della fibra ottica
La qualità di una fibra ottica per la trasmissione
d’informazioni è caratterizzata dai 2 dati
essenziali:
• L’attenuazione che limita in modo fondamentale la
distanza di trasmissione (in assenza di amplificazione)
• La dispersione degli impulsi che limita, per una data
distanza di propagazione, la velocità (bit rate)
dell’informazione
Il fenomeno della DISPERSIONE
• Dispersione intermodale e fibre multimodo
Il segnale ottico è costituito da una serie di impulsi che
rappresentano i bits d’informazione
P
1 0 1 1 1 0 1
Portante
Nel corso della propagazione, gli impulsi si allargano: e’ il
fenomeno della dispersione. Ne risulta il rischio di
deteriorare i dati trasmessi
Facciamo adesso un breve calcolo per stimare la dispersione nelle
fibre multimodo

Caratterizzazione
della fibra ottica
Nelle fibre multimodo, la dispersione proviene essenzialmente dal
fatto che i raggi che si propagano con degli angoli θ diversi,
impiegano dei tempi diversi per attraversare una lunghezza
L di fibra
n cosθ′ = n
t
θ
θ’
ϕ
• La distanza percorsa da un raggio θ i è pari a ~L/cosθ i e il
ritardo corrispondente è t(θ)=n n L/(c cos(θ))
• L’angolo θ varia fra 0 e θ’=arccos(n m /n n )
• I tempi di transito nella fibra vanno da
n
mantello
m
nucleo
θ=0…..θ=θ’
τ (0) =
cioe'
nnL
e τ ( θ ') =
c
nnL
⎛ n
Δ =
n
τ
c
⎜1
−
⎝ nm
n
n
2
n
m
L
c
⎞
⎟ ≅ Δn
⎠
L
c
In quanto si ha che n n ~n m

Caratterizzazione
della fibra ottica
La dispersione considerata possiede due caratteristiche
fondamentali:
• Δτ è proporzionale alla distanza di propagazione
• Δτ è proporzionale alla diferenza d’indice fra nucleo e
mantello
• Perciò la dispersione aumenta con l’apertura numerica della
fibra
AN
2
n
= sin = n − n ≅ 2nΔn
θ max
(Esempio: Δn=0,01 corrisponde a )
Per tale distanza di propagazione, bisogna separare gli impulsi
iniziali di un tempo pari ad almeno 2 volte questo
allargamento, cioè di almeno 67 ns
La banda passante (BP) vale dunque 1/(2Δτ)=15 MHz, perciò il bit
rate massimo è di 15 Mb/s, sempre per 1 km
Per 2 km, la BP è di solo 7,5 MHz. Si può quindi caratterizzare la
fibra tramite una BP di 15 MHzxkm
Tale tipo di dispersione è detta DISPERSIONE INTERMODALE e
proviene dalla diversa propagazione di ogni modo nella fibra
multimodo
La dispersione multimodale è piuttosto elevata, il che conferisce
una debole BP alle fibre multimodo a salto d’indice
2
m
AN =
1000
Δτ ( per 1 km)
= 0,01×
33ns
8
3×
10
=
2×
1,45×
0,01 ≈ 0,1

Caratterizzazione
della fibra ottica
Dispersione intermodale nelle fibre MULTIMODO
Si mostrano le costanti di propagazione dei diversi
modi in funzione di V (frequenza normalizzata)

Caratterizzazione
della fibra ottica
Per sviluppare un sistema di trasmissione ad alta
frequenza di cifra, è dunque indispensabile di poter
ridurre la dispersione:
A tale scopo, esistono due soluzioni differenti:
• L’impiego delle fibre multimodo a GRADIENTE d’INDICE
• L’impiego delle fibre MONOMODO
Le fibre multimodo a GRADIENTE d’INDICE
In una fibra a gradiente d’indice, l’indice del nucleo decresce
in modo continuo dall’asse della fibra verso il mantello, ad
esempio seguendo una legge di tipo parabolico

Caratterizzazione
della fibra ottica
Quando l’indice varia in modo continuo, i raggi non si
propagano più in linea retta: tale è ad esempio l’effetto
ottico del miraggio
FIBRE A SALTO D’INDICE
FIBRE A GRADIENTE D’INDICE

Caratterizzazione
della fibra ottica
Un piccola lunghezza di fibra è equivalente ad una lente
convergente
A A’
Tutti i raggi che partono da A convergono dopo la lente nel
punto A’, avendo percorso lo STESSO CAMMINO OTTICO:
n(
s)
ds = Const
(In applicazione del principio FERMAT)
A
Ne consegue che tutti questi raggi hanno IMPIEGATO LO
STESSO TEMPO per andare da A a A’
τ =
1
c
A′
∫
A
n(
s)
ds
=
cst
Nello stesso modo, i diversi raggi che si propagano in una
fibra a GRADIENTE D’INDICE IDEALE impiegano lo
STESSO TEMPO di percorso
τ =
n c
L
c
SI NOTI che, come una lente sferica puo’ presentare delle
ABERRAZIONI (lo stigmatismo non e’ mai perfetto), una
fibra a profilo d’indice parabolico non conduce
rigorosamente agli stessi tempi di percorso per tutti i
raggi ottici
A′
∫

Caratterizzazione
della fibra ottica
Si può mostrare che nelle fibre a gradiente d’indice esiste comunque
una dispersione intermodale al secondo ordine in Δn:
2
Δn
L
Δτ =
4c
A.N.: Δn=0.01 Δt=83 ps/km B.P. ~1/(2Δt)~6 GHz x km
PROBLEMA: la realizzazione pratica di un profilo d’indice che segue
una legge parabolica è molto difficile (problema tecnologico nella
fabbricazione delle fibre)
• Dispersione intramodale e fibre monomodo
Non permettendo che la propagazione di UN SOLO MODO, si
sopprime completamente la dispersione INTERMODALE!
Ricordiamo che in tal caso una descrizione in termini di raggi
luminosi non è più valida: in effetti, se si volesse conservare
l’immagine dei raggi, la propagazione monomodo sarebbe la
seguente:
sinθ
=
A.
N.
=
2 2
n n
− nm
θ
In quanto la fibra conserva la sua apertura numerica finita, mentre
il tempo di propagazione della luce nelle fibra è unico, e non
distribuito su un continuo di angoli. L’approccio della teoria dei
raggi conduce quindi ad un paradosso, e dunque deve essere
abbandonato, per adottare l’approccio ondulatorio

Caratterizzazione
della fibra ottica
Domanda: cos’è un impulso ottico
Se si lanciano degli impulsi, ogni impulso
corrisponde a un insieme di componenti spettrali
di lunghezza d’onda λ che viaggiano insieme:
E(t)
2
T.F.
E(ω)
2
Δω
Δt
E( ) = A(
t)cosω
t
t
0
t
+∞
∫
−∞
~
E(
ω ) = E(
t)
e
−iωt
dt
E(λ)
2
ω 0
Δλ
In notazione complessa
λ 0
0
E(
t)
= A(
t)
e
E l’intensità è
I(
t)
=
E(
t)
2
=
A
2
iω
t
( t)
=
2E
2
( t)
Anche senza calcolare la trasformata di Fourier (TF),
delle argomentazioni basate sul principio
d’indeterminazione di Heisenberg permettono di
stimare la relazione fra Δt e Δλ

Caratterizzazione
della fibra ottica
Relazione fra larghezza temporale e spettrale
ΔEΔt
≈ h⎫
1
⎬ ⇒ ΔωΔt
≈ 1cioe' Δω
≈
E = hω
⎭
Δt
Δλ
oppure, Δω
= 2πc
in valore assoluto, da
2
λ
Δλ
~
2
λ0
2πcΔt
0
cui
La larghezza spettrale Δλ è inversamente
proporzionale alla durata temporale dell’impulso Δt
Per ottenere la relazione esatta fra Δλ e Δt, bisogna
tenere conto della FORMA esatta dell’impulso Δt
(nel tempo: ad esempio, è tale forma gaussiana,
lorentziana, secante iperbolica), e sapere anche
quale è la definizione della sua larghezza spettrale
(ad esempio a metà altezza, larghezza quadratica
media, etc..)

Caratterizzazione
della fibra ottica
Spettro di un impulso Gaussiano
E(
t)
= E
0
e
I(
t)
= E(
t)
2
2
t
−
2
2τ
=
e
iω
t
I
0
0
e
2
t
−
2
τ
ω
0
:"frequenza centrale"
Si noti: il campo elettrico è reale, dunque si considera il
campo E come complesso solo per comodità di calcolo
Campo fisico:
{ }
E(t) = Re E(t) = E
t
cos _
2
2τ
0
ω0t
e
2
Δt(FWHM)
I 0
−τ
ln 2
τ
ln 2
t

Trasformata di Fourier di un impulso Gaussiano
Si noti: dal momento che non ci sono poli,
Caratterizzazione
della fibra ottica
τ
τ
ω
ω
τ
π
τ
τ
ω
ω
ω
τ
τ
ω
ω
τ
ω
ω
ω
ω
τ
ω
ω
τ
ω
ω
τ
τ
ω
ω
τ
ω
2
,
2
)
(
2
dove
2
2
)
(
)
(
~
0
2
)
(
0
2
)
(
2
)
(
2
)
(
0
2
)
(
2
)
(
2
0
)
(
2
0
2
0
2
0
0
2
2
0
2
2
0
2
2
0
0
2
2
dt
dz
i
t
z
e
E
dz
e
e
E
dt
e
e
E
dt
e
E
dt
e
t
E
E
i
i
z
i
t
it
t
t
i
=
−
+
=
=
=
=
=
=
−
−
−
+∞+
−
−∞+
−
−
−
∞
−∞
−
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
+
−
−
−
−
∞
−∞
∞
−∞
−
∫
∫
∫
∫
∫
∫
∫
+∞
−∞
−
−
+∞+
−
−∞+
−
=
⇒
= dt
e
dz
e
t
i
i
z
2
0
0
2
2
)
(
2
)
(
0
τ
ω
ω
τ
ω
ω

Caratterizzazione
della fibra ottica
Intensità spettrale:
~
E(
ω)
=
~
I ( ω)
=
2
( ω−ω0
) τ
−
2
2π
E0τe
~ 2
2
E(
ω)
= 2πτ
I e
0
2
0
2
−(
ω−ω
) τ
2
Larghezza a metà altezza
Δω (FWHM)
t
Δω
Δt
ω 0
1
FWHM
= 2 ln 2
τ
FWHM
Δω
FWHM
= 4ln 2 = 2,77
2ln 2
tFWHM
Δν
FWHM
= = 0,44
π
2
2ln 2λ
t Δλ
≈ 0
FWHM FWHM
se Δλ

Caratterizzazione
della fibra ottica
Per degli impulsi Gaussiani, lo spettro è anch’esso Gaussiano.
Fisicamente, ecco cosa rappresenta l’intensità spettrale
“Un reticolo (lente) effettua una T.F. temporale (spaziale)”
E(
t)
I(t)
Temporale
Fascio collimato
~ I ( ω
)
λ>λ 0
t
λ reticolo
0
T.
F.
Spettro
~ 2
reticolo I(
ω)
= E(
ω)
λ

Caratterizzazione
della fibra ottica
Si può applicare il principio d’indeterminazione al dominio
spaziale: in un primo tempo, per vedere come un’onda
piana viene diffratta da un’apertura
x
2a
θ
Δ
p x
Δx
≈ h
variabili coniugate
Cioe’ per θ

Caratterizzazione
della fibra ottica
2w 0
Seguito: comprendere come varia la divergenza naturale
di un fascio laser
θ
Seguendo lo stesso ragionamento, si arriva a
θ ≈
λ
w 0
Il calcolo ESATTO per un fascio LASER di PROFILO
GAUSSIANO trasversale conduce a
θ ≈
λ
πw
⎧ ⎛ r
⎪E(
r)
≈ exp
⎜ −
⎪ ⎝ w
⎨
⎪ ⎛ r
⎪
I(
r)
≈ exp
⎜ −
⎩ ⎝ w
Infine, si deve capire il legame fra l’Apertura
Numerica AN e il parametro senza dimensioni V
(frequenza normalizzata)…
2
2
0
0 2
2
2
0
⎟ ⎞
⎠
⎞
⎟
⎠

Caratterizzazione
della fibra ottica
Per una fibra monomodo:
2θ
2a A.
N.
= sinθ
≈ θ oppure : θ ≈
πa
In quanto il profilo trasverso del fascio è prossimo al profilo
gaussiano
1
dunque A.
N.
× ≈1,
θ
2πa
A.
N.
× ≈ 2,
λ
cioe'
Si ritrova V~2 per una fibra monomodo!
λ
πa
A.
N.
× ≈1,
λ
⎛
⎜V
⎝
2 2
πa
2
⎞
= nn
− nm
= ka A.
N.
⎟
λ
⎠
Per una lunghezza d’onda più grande, il campo è meno
confinato nel nucleo e si estende nel mantello!

Caratterizzazione
della fibra ottica
Per una lunghezza d’onda più grande, il campo è
meno confinato nel nucleo e si estende nel
mantello:
I(r)
2a
2w=diametro del modo
≈ λ
θ
πw ≈
A.N.
2θ
1
A.
N.
× ≈1,
θ
2πa
A.
N.
× ≈
λ
2
cioe'
a
w
<
2,
A.
N.
×
2πw
λ
≈
2,
Si ha che
AN ≈ 2nΔn
Rimane costante se λ aumenta, dunque
necessariamente w aumenta posto che AN=θ resti
costante

Caratterizzazione
della fibra ottica
Larghezza spettrale e coerenza temporale sono
intrinseche alla sorgente
Un impulso è composto da un insieme di lunghezze d’onda
diverse. Come abbiamo visto, più un impulso è corto, più si
allarga la sua banda spettrale. Questa condizione fisica e’
inevitabile.
Inoltre, per una data durata temporale dell’impulso, la
larghezza spettrale reale dipenderà dalla qualità della
sorgente emettitrice: tale qualità è detta COERENZA
TEMPORALE.
Dato che la sorgente non è mai perfettamente coerente,
anche nel funzionamento in continua, senza modulazione,
la sua larghezza spettrale è diversa da zero.
Si possono così classificare le sorgenti secondo il loro grado di
coerenza:
Sorgente termica Diodo elettro- Diodo laser
« lampada bianca » luminescente LED (non stabilizzato)
Δλ~200 nm a Δλ~10 nm a Δλ~0,1 nm a
400 nm 50 nm 1 nm
Diodo laser DFB
100 kHz
(10 -6 nm)

Caratterizzazione
della fibra ottica
Come stabilire il legame fra larghezza spettrale della sorgente
e coerenza temporale
Ad esempio, con un interferometro di Michelson
Spettro
S(ω)
Il Michelson esegue una T.F.
dello spettro
*
S ( ω)
T.
F.
I(
τ ) = ∫ E ( t)
E(
t + τ ) dt
Funzione di autocorrelazione
Δl
I(τ)
Differenza di cammino ottico: Δx=2Δl Tempo di ritardo
τ=Δx/c
I ( τ ) = ∫ S(
ω)(1
+ cosωτ
) dω
I/2I 0
τ
Δτ: durata della coerenza temporale

Fenomeni temporali:
la dispersione
Fibra monomodo e dispersione intramodale
La dispersione intramodale è determinata da due diverse
origini: è in ogni caso una dispersione di tipo
CROMATICO (cioé che proviene dalle diverse lunghezze
d’onda o colori del segnale)
• La dispersione del materiale (la silice)
• La dispersione geometrica (dovuta alla struttura) della
guida d’onde
DISPERSIONE DEL MATERIALE
• Proviene dalla variazione dell’indice di rifrazione del
materiale in funzione della lunghezza d’onda n(λ)
• Le diverse componenti spettrali della sorgente
corrispondono a diverse velocità di gruppo, da cui ne
consegue l’allargamento temporale nel corso della
propagazione, o dispersione
• Per valutare tale dispersione, consideriamo una onda
piana che si propaghi con la costante di propagazione
(vettore d’onda)
2π
β ( λ)
= n(
λ)
λ
λ: lunghezza d’onda nel vuoto

Fenomeni temporali:
la dispersione
La velocità di gruppo è definita come
1
=
v ( λ)
g
dβ
=
dω
2
dβ
dλ
λ
= −
dλ
dω
2πc
dβ
2π
⎛ dn 1 ⎞
= ⎜ − n(
λ)
⎟
dλ
λ ⎝ dλ
λ ⎠
⎛
ωn(
λ)
⎞
⎜ β = k0n(
λ)
= ⇒ ⎟
⎜
c
⎟
⎜ dβ
1 ⎛ dn ⎞ 1 ⎛ dn ⎞⎟
⎜ = ⎜n
+ ω ⎟ = ⎜n
− λ ⎟⎟
⎝ dω
c ⎝ dω
⎠ c ⎝ dλ
⎠⎠
dn
Si denota spesso N(
λ)
= n(
λ)
− λ
dλ
detto anche indice di GRUPPO
1 N(
λ)
c
= ⇒ vg
=
v ( λ)
c N(
λ)
g
Per analogia con la velocità di fase
c
v
ϕ
=
n(λ)
dβ
dλ

Fenomeni temporali:
la dispersione
Il tempo di propagazione di un pacchetto d’onde con
frequenze centrate attorno a λ 0 vale
t
L
λ
0)
= =
v ( λ )
g
N(
λ ) L
c
(
0
0
Dato che, nello spettro dell’impulso, è presente tutta una
successione di pacchetti d’onde
S(λ)
λ
λ a
λ b ....
λ d
Ogni pacchetto λ i si sposta alla sua propria velocità di
gruppo
c
vg
( λ
i
) =
N(
λ )
i
Impiegando un tempo di propagazione a percorrere la
distanza L pari a :
t
i
N(λi
) L
=
c

Fenomeni temporali:
la dispersione
Per unità di lunghezza percorsa, due pacchetti d’onda vicini
hanno un tempo di propagazione che differisce di
dt N(
λ + dλ)
N(
λ)
1 dN
= − = dλ
L c c c dλ
2
dN d ⎛ dn ⎞ d n
dove : = ⎜n
− λ ⎟ = −λ
2
dλ
dλ
⎝ dλ
⎠ dλ
2
1 dt λ d n
cioé : = − = D
2 λ
L dλ
c dλ
DISPERSIONE DEL MATERIALE
La dispersione del materiale è proporzionale alla derivata
seconda dell’indice e alla lunghezza d’onda
Applicazione: l’allargamento temporale di una sorgente
impulsiva di larghezza spettrale Δλ nel corso della
propagazione su una distanza L vale:
Δτ
=
D
λ
⋅ Δλ
⋅ L
Unità tradizionali: ps = ps/nm/km nm km

Fenomeni temporali:
la dispersione
Esempio: per la silice a λ=0,87 μm, D=-80ps/nm/km
(sistema di 1 a generazione)
• Per un diodo elettroluminescente (LED) di larghezza
spettrale Δλ= 50 nm, l’allargamento vale
D Δλ = 4 ns / km
λ
L=100 km implica Δτ=0,4 μs
• Per un diodo laser di larghezza spettrale Δλ= 1 nm,
l’allargamento vale
D Δλ = 80 ps / km
λ
L=100 km implica Δτ=8 ns
IMPORTANZA DELLA PUREZZA
SPETTRALE/COERENZA DELLA SORGENTE

Fenomeni temporali:
la dispersione
Dispersione geometrica della guida d’onda
Ecco la sua interpretazione fisica
2a
Profili d’intensità
λ b
>λ a
λ a
Piu’ aumenta le lunghezza d’onda del campo, meno il
campo è confinato in una fibra a salto d’indice.
Il parametro V misura questo confinamento: più λ
diminuisce, più aumenta V e più il campo è
confinato (se V>2,405, il confinamento permette di
lanciare un secondo modo di propagazione)
Un confinamento minore quando aumenta λ indica
che il campo si estende in maniera maggiore nel
mantello, il cui indice di rifrazione è ridotto

Fenomeni temporali:
la dispersione
Conseguenza: (oltre al fatto che le perdite tendono ad
aumentare) l’indice medio effettivo visto dal campo
diminuisce quando λ aumenta
1 dN
guida eff
Dg = < 0
c dλ
perché N(
λ)
diminuisce quando λ aumenta
Per una fibra a salto d’indice, la dispersione della guida
contribuisce a spostare verso il basso la curva della
dispersione totale
D
D materiale
λ 0
D totale
=D materiale+
D guida
Giocando con dei profili più elaborati del semplice
salto d’indice, si arriva a spostare quasi a volontà
la curva di dispersione (ad esempio: fibre a
profilo W, etc…)

Fenomeni temporali:
la dispersione
Evoluzione della dispersione cromatica in funzione di λ
Per la silice
N(λ)
dN(
λ)
dλ
≈
dN0 ( λ)
≈ 0
dλ
n(λ)
2
d n(
λ)
2
dλ
≈
0
1,27 μm
Inoltre (–c/λ)d 2 n/dλ 2
D(λ)
D = D M
+ D W

Fenomeni temporali:
la dispersione
Aspetti temporali: la dispersione può essere regolata
aggiustando la dispersione della guida D w
Fibre principali:
• Fibra standard (SMF)
• Fibra a dispersione spostata (dispersion shifted)
• Fibra a dispersione ridotta (dispersion flattened)

Fenomeni temporali:
la dispersione
Regimi di dispersione
• Quando D λ 0 significa: « il blu va più veloce del rosso »
GESTIONE DELLA DISPERSIONE
• A una lunghezza d’onda fissata, la dispersione del materiale è
anch’essa fissata, ma esiste anche un’altra disperisione
cromatica, quella della guida, che dipende dalla sua
geometria. E’ dunque possibile di avere a λ=1,55 μm una
dispersione totale che sia
• Vicina allo zero : fibra a dispersione spostata (DSF)
• Anormale: fibra standard (SMF)
• Normale: fibra compensatrice (DCF)
ESEMPIO DI GESTIONE DI DISPERSIONE
SMF
DCF

Caratterizzazione
della fibra ottica
Caratteristiche di una fibra telecom monomodo
standard
• Per una fibra telecom « standard », cioé la fibra di
trasmissione più usata, impiegata lungo la linea per delle
decine di km per essere utilizzata a λ=1,55 μm
Come è dimensionata questa fibra
• Primo obbiettivo: ridurre le perdite al minimo =< 0,2
dB/km
• Limitare la concentrazione dei drogaggi, che possono
aumentare le perdite per diffusione
• Δn debole(~4x10 -4 ) A.N. piccola (~0,1)
• Importante per l’utilizzatore: accoppiamento della luce
favorito dal grande diametro 2a~da 8 a 10 μm
(compatibile con AN piccola e regime monomodo) ,
perché A.N.x2a~costante in quanto V=A.N.xka~2
(questa condizione implica che si può avere allo stesso
tempo 2a grande e AN piccolo)
• DISPERSIONE a λ=1,55 μm
Dispersione silice ~+23 ps/nm/km
Dispersione guida~ -6 ps/nm/km
Dispersione totale~+17 ps/nm/km
La dispersione della guida è imposta dalla geometria del
profilo d’indice (Δn e 2a), e resta relativamente piccola
finché il campo rimane ben confinato nel nucleo (V~2)

Fenomeni temporali:
la dispersione
Limitazione al bit rate in funzione della distanza di
trasmissione
Δt 0
L
Δt
disp
=
D
λ
⋅ Δλ
⋅ L
Limite pratico : quando
Δt
disp
≈ Δt
0
3,53
cioé Δt0
= Dλ
⋅ ⋅ L (in nm ⋅ ps)
Δt0
2
Δt
0
⇒ Lottima
≈
3,53Dλ
1 1
⇒ B ≈ ≈
2Δt0
14Dλ
Lottima
⎛per un impulso gaussiano con Δt
⎜
2
⎜ 1 2ln 2λ0
⎜ Bmax
≈ ; Δλ
≈
⎝ 2Δt0
πcΔt0
0
, ⎞
⎟ ⎟⎟ ⎠

Fenomeni temporali:
la dispersione
Paragone tra fibre multi e monomodo:
• Per una fibra multimodo, abbiamo una dispersione
intermodale elevata, il che limita la banda passante in
maniera proporzionale a
1
L
⎛
⎜B
≈
⎝
1 c ⎞
≈ ⎟
2Δτ
2ΔnL
⎠
Per una fibra a salto d’indice: ~20 MHz per 1 km, ~2 MHz
per 10 km
• Per una fibra monomodo, la dispersione cromatica è
relativamente debole a 1,55 μm, e limita la B.P. secondo
la legge
1 ⎧L
= 1 km ⇒ B ≈ 64 GHz oppure Gb / s
⎨
L ⎩L
= 100 km ⇒ B ≈ 6,4 GHz oppure Gb / s
• Se si vuole conservare una B.P. elevata su molte migliaia
di km, la dispersione cromatica ha l’immenso vantaggio di
poter essere sia positiva che negativa, grazie allo
spostamento prodotto dalla dispersione della guida. Si
può, ad esempio alla fine di 60 km, utilizzare una fibra a
compensazione di dispersione (10 km di fibra con D=-100
ps/nm/km), ovvero si può decidere di impiegare
esclusivamente della fibra a dispersione spostata (D~1
ps/nm/km); ma questa fibra è più difficile da fabbricare, e
le sue perdite sono leggermente superiori a quelle della
SMF + inconveniente: sensibilità agli effetti non lineari
(mescolamento a 4 onde limitazione nei sistemi WDM

Fenomeni temporali: la
dispersione di
polarizzazione
Grado di libertà dovuto allo stato di polarizzazione:
La birifrangenza della fibra è dovuta alla variazione con z
del diametro del nucleo della fibra: birifrangenza
modale
B
m
=
n
x
− n
y
,
n
x
, n
y
: indici dei
2 modi ortogonali
Periodo dello scambio di potenza fra i modi
L
B
λ
=
B
m
LUNGHEZZA DI BATTIMENTO
Tipicamente :B
m
~ 10
−7
, L
B
~ 10 m per λ ~ 1 μm

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delle fibre
Processi di fabbricazione
• La difficiltà è la seguente: realizzare un profilo d’indice
determinato n(r) , uniforme sulla scala del μm, per parecchi
km di fibra, e il tutto con un minimo di impurezze per
garantire perdite ridotte. La fibra deve inoltre possedere una
resistenza meccanica elevata
• La fibra ottica è ottenuta a partire da una PREFORMA, che si
presenta sotto la forma di un CILINDRO di SILICE il cui profilo
d’indice rappresenta quello della fibra che si vuole realizzare, a
parte il fattore di scala. Le caratteristiche tipiche di una
preforma sono:
• Diametro da 7 a 25 mm (ricerca) e fino a 90 mm (produzione)
• Lunghezza da 20 cm a 1 m
• Il profilo d’indice è realizzato drogando la silice con certe
impurezze la cui concentrazione è accuratamente controllata
• Tra i drogaggi utilizzati, certi fra loro AUMENTANO l’indice
(Germanio, Fosforo, Alluminio)
• Altri contibuiscono ad ABBASSARE l’indice: Boro, Fluoro.
• Il profilo d’indice è controllato dalla concentrazione di questi
drogaggi; si vedranno in seguito le diverse tecniche messe in
opera per la realizzazione della preforma

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Differenti profili d’indice per le fibre
Fibre standard
Fibre a dispersione spostata

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Procedure di fabbricazione
• Per ottenere una fibra a partire dalla preforma, quest’ultima
viene riscaldata fino a che divenga abbastanza molle per
essere tirata: a temperatura fissata, il diametro della fibra
tirata dipende dalla tensione applicata (velocita’ di rotazione)

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• Per ottenere un diametro regolare con una precisione di 0,1
μm, il diametro stesso viene misurato continuamente tramite
un metodo ottico in modo da asservire la tensione applicata
alla fibra
• Viene deposto un rivestimento di protezione in silicone, e la
fibra finale è avvolta su una bobina.
• Tutte queste operazioni sono svolte in modo continuo: a
partire da una preforma, si ottengono così da 10 a 500 km di
fibra

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Realizzazione della preforma:
• 2 classi di processi:
• Deposizione interna per ossidazione (MCVD)
• Deposizione esterna per idrolisi (OVD,VAD)
Processo MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)
Reagenti (SiCl 4 +O 2
GeCl 4 , POCl 3 …

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Procedura MCVD:
Pellicola in corso di elaborazione:
• Reazione SiCl 4 +O 2 SiO 2 + 2Cl 2
• Deposito di una pellicola porosa
• Fusione-vetrificazione della
pellicola
La preforma finale e’ ottenuta per restringimento del tubo dopo
che tutte le pellicole volute sono state deposte

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Processo OVD « Outside Vapor Deposition »
Barra d’alluminio
Pellicola corrente Pellicole precedenti
(supporto temporaneo)
SiCl 4
GeCl 4
POCl 3
Torcia a idrogeno: H 2
+(1/2)O 2
H 2
O gas
rotazione
Per la pellicola in corso di elaborazione:
4
+ 2H
2O
⇒ SiO2
+
SiCl 4HCl
Reazione di idrolisi
Le microparticelle di SiO 2 cosi’ formate si depositano sul
materiale in rotazione, formando una pellicola porosa
In seguito: Dopo la costituzione di tutte le pellicole, il cilindro
poroso che si e’ formato e’ trattato a 800 °C in una
atmosfera riduttrice SiOCl 2 per ridurre in modo significativo
il tasso di [OH - ] presenti nel vetro.
Infine, il cilindro e’ vetrificato a 1500°C, e ristretto per
eliminare il buco centrale lasciato dalla barra d’alluminio.

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Vantaggi e svantaggi delle tecnologie:
MCVD:
• Messa in opera + semplice
• Funziona nell’atmosfera ambiente (non
necessaria una camera pulita)
• Versatilità
• Problemi: Temperatura di restringimento
elevata (evaporazione, diffusione possono
cambiare il profilo d’indice)
OVD
• Si presta bene alla produzione, buon
rendimento in termini di materiale, può
produrre delle preforme molto grandi

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Cavi per applicazioni standard
Cavi ad alte prestazioni