Tecniche di produzione delle fibre ottiche
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Corso <strong>di</strong> Comunicazioni OtticheAnno accademico 2003-2002004<strong>Tecniche</strong> <strong>di</strong> <strong>produzione</strong> p<strong>delle</strong> <strong>fibre</strong><strong>ottiche</strong>
In<strong>di</strong>ce (1)• Famiglie <strong>di</strong> <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong>:– <strong>fibre</strong> monomodali;– <strong>fibre</strong> multimodali.• Materiali per le <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong>:– <strong>fibre</strong> in vetro;– <strong>fibre</strong> plastiche.• Produzione <strong>delle</strong> <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong>:– preparazione della preforma:• tecnica OVD;• tecnica VAD;• tecnica MCVD;• tecnica PCVD.
In<strong>di</strong>ce (2)– filatura della preforma;– filatura <strong>di</strong>retta.• Test e misure:– meccanici;– ottici;– geometrici.• Cavi ottici:– cavi tight-jacket;– cavi loose-tube;– cavi ribbon;– cavi sottomarini.
Fibre <strong>ottiche</strong> monomodali (SMF)• La fibra monomodale è la scelta preferita per comunicazioni<strong>ottiche</strong> a lunga <strong>di</strong>stanza ad alto bitrate con o senzarepeaters.• L’elevata capacità trasmissiva è dovuta al <strong>di</strong>ametro delnucleo piccolo (≈9µm)() rispetto alla lunghezza d’onda dellaluce propagante.• Questo permette la propagazione ad un solo modo guidato,con conseguente minimizzazione della <strong>di</strong>storsione degliimpulsi e aumento della massima <strong>di</strong>stanza <strong>di</strong> trasmissione.• Applicazioni:– reti <strong>ottiche</strong> sottomarine;– reti terrestri WAN a elevato bitrate.
Fibre <strong>ottiche</strong> multimodali (MMF)• La fibra multimodale è la scelta preferita per comunicazionia breve <strong>di</strong>stanza e con molte connessioni.• Il <strong>di</strong>ametro del nucleo è grande rispetto alla lunghezzad’onda della luce trasmessa, permettendo la propagazione<strong>di</strong> più mo<strong>di</strong> guidati.• Si hanno quin<strong>di</strong> manutenzione e connettorizzazione piùsemplici rispetto alle <strong>fibre</strong> monomodali.• Applicazioni:– LAN;– MAN e WAN (a bitrate o <strong>di</strong>stanze minori rispetto alle monomodali);– installazioni locali.
Materiali per le <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong>• Ci sono molti materiali <strong>di</strong>sponibili per la <strong>produzione</strong> <strong>di</strong> <strong>fibre</strong><strong>ottiche</strong>, ma solo alcuni rispettano tutti i requisiti necessari.• Il materiale deve essere:– adatto a realizzare strutture lunghe, sottili e flessibili;– trasparente alle lunghezze d’onda <strong>di</strong> interesse;– fisicamente compatibile con altri materiali con in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> rifrazioneioneleggermente <strong>di</strong>verso per realizzare nucleo e mantello;– economico e abbondante in natura.• Due materiali comunemente usati che hanno tutte questecaratteristiche sono materie plastiche e vetro (includendovetri ossi<strong>di</strong>,alogenuri e calcogenuri).
Vetri per <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong>• Vetri ossi<strong>di</strong>:– è la categoria <strong>di</strong> vetro più usata per la <strong>produzione</strong> <strong>di</strong> <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong>;– il più comune e usato è la silice vetrosa (SiO 2 ), poiché il materialegrezzo <strong>di</strong> partenza è la sabbia;– la silice si ottiene fondendo composti <strong>di</strong> ossi<strong>di</strong> <strong>di</strong> metallo, solfuri eseleniuri in appositi forni;– la principale <strong>di</strong>fficoltà nel processo produttivo sta nella elevatapurezza necessaria per minimizzare l’attenuazione della fibra;– principali caratteristiche:• resistenza alla deformazione anche a temperature superiori a 1000°C;0°C;• bassa espansione termica e quin<strong>di</strong> bassa probabilità <strong>di</strong> rottura per pshock termici;• ottima stabilità chimica nel tempo;• elevata trasparenza nelle regioni del visibile e dell’infrarosso.
Vetri per <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong>• Vetri alogenuri:– i vetri derivanti dai fluoruri hanno per<strong>di</strong>te <strong>di</strong> trasmissione molto basseper lunghezze d’onda comprese tra 0.2 e 8mm;– la stessa caratteristica vale per gli alogenuri da metalli pesanti, chesono combinazioni <strong>di</strong> metalli pesanti e elementi non metallici delsettimo gruppo;– la ricerca si è quin<strong>di</strong> focalizzata su questi composti, al fine <strong>di</strong> dprodurre <strong>fibre</strong> con attenuazione notevolmente inferiore rispetto aquelle standard in silice vetrosa;– teoricamente, il minimo <strong>di</strong> attenuazione per questi materiali è pari pa0.003 dB/km rispetto ai 0.2 dB della silice vetrosa.– I vetri fluoruri si <strong>di</strong>vidono in due classi: sistemi binari e ternari; isistemi ternari hanno migliori proprietà <strong>ottiche</strong>, chimiche e bassasatossicità.
Vetri per <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong>• Vetri calcogenuri:– le <strong>fibre</strong> prodotte con vetri calcogenuri contengono arsenico,germanio, fosforo, zolfo, selenio o tellurio;– i processi produttivi per queste <strong>fibre</strong> sono molto complessi e questole rende non particolarmente usate;• un metodo usato è il raffinamento a zona;– teoricamente, l’attenuazione minima raggiungibile per questimateriali è pari a 0.01 dB/km.
Droganti• Al fine <strong>di</strong> produrre materiali simili aventi in<strong>di</strong>ci <strong>di</strong> rifrazioneleggermente <strong>di</strong>versi per nucleo e mantello, la silice vienedrogata con ossi<strong>di</strong> classificabili in due categorie:– droganti che aumentano l’in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> rifrazione all’aumentare dellapercentuale molare (es. titanio, germanio, fosforo);– droganti che <strong>di</strong>minuiscono l’in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> rifrazione all’aumentare della dpercentuale molare (es. boro, fluoro).• Si riportano in tabella tre esempi <strong>di</strong> droganti utilizzati perprodurre <strong>fibre</strong> monomodali e multimodali:NucleoGeO 2-B 2O 3-SiO2GeO 2-SiO2SiO 2MantelloB 2O 3- P 2O 5-SiO2F- P 2O 5-SiO2F- P 2O 5-SiO2TipologiaMMFSMFSMF
Reazioni chimiche• L’obiettivo è la <strong>produzione</strong> della preforma, cioè una barra <strong>di</strong>vetro solido, punto <strong>di</strong> partenza per la <strong>produzione</strong> della fibra.• Composti chimici purissimi (principalmente tetracloruro <strong>di</strong>silicio SiCl 4 e tetracloruro <strong>di</strong> germanio GeCl 4 ) sono usati nelprocesso <strong>di</strong> <strong>produzione</strong> della preforma, variandone leproporzioni in modo da ottenere i <strong>di</strong>fferenti tipi desiderati.• Le reazioni chimiche che stanno alla base della <strong>produzione</strong>del vetro per applicazioni <strong>ottiche</strong> sono:– SiCl 4 (gas) + O 2SiO 2 (solido) + 2Cl 2 (in presenza <strong>di</strong> calore)– GeCl 4 (gas) + O 2GeO 2 (solido) + 2Cl 2 (in presenza <strong>di</strong> calore)
Reazioni chimiche• La composizione del nucleo della maggior parte <strong>delle</strong> <strong>fibre</strong>per telecomunicazioni consiste principalmente <strong>di</strong> silicevetrosa e <strong>di</strong> germanio aggiunto come drogante peraumentare l’in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> rifrazione al livello desiderato.• Le <strong>fibre</strong> monomodali (SMF) tipicamente richiedono menogermanio al fine <strong>di</strong> minimizzare l’attenuazione e sonocaratterizzate da profilo <strong>di</strong> in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> rifrazione uniforme nelnucleo.• Le <strong>fibre</strong> multimodali (MMF) sono caratterizzate da maggiorepresenza <strong>di</strong> germanio e quin<strong>di</strong> in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> rifrazione piùelevato, inoltre il profilo <strong>di</strong> in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> rifrazione nel nucleo èparabolico per combattere la <strong>di</strong>spersione modale.
Fibre <strong>ottiche</strong> plastiche• Le <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong> plastiche sostituiscono quelle in silice perbrevi <strong>di</strong>stanze (fino a 100m) o in ambienti in cui sianecessaria resistenza meccanica superiore.• Sono adatte inoltre per illuminazione, applicazioni me<strong>di</strong>che,automobilistiche, strumentazione e sensori che necessitano<strong>di</strong> cortissimi spezzoni <strong>di</strong> fibra.• Negli ultimi anni c’è un rinnovato interesse per le <strong>fibre</strong>plastiche, poiché la ricerca ha portato le performance alivelli competitivi con le <strong>fibre</strong> in silice.• Esempi <strong>di</strong> composti usati in <strong>fibre</strong> plastiche:– nucleo: polystirene,polymethyl methacrylate;– mantello: methyl methacrylate, copolymer.
Fibre <strong>ottiche</strong> plastiche• Le <strong>fibre</strong> plastiche (POF) sono <strong>di</strong> tipo step-index con<strong>di</strong>ametro tipico <strong>di</strong> 1mm.• Queste <strong>di</strong>mensioni rendono semplice e efficiente l’accoppiamento <strong>di</strong> luce dalla sorgente ed economici iconnettori (10-20% in meno rispetto a quelli standard).
Fibre <strong>ottiche</strong> plastiche• La terminazione si effettua semplicemente a mano tagliandocon una lama!• La natura plastica rende queste <strong>fibre</strong> robuste, facili dainstallare, leggere e poco costose.• Le proprietà <strong>ottiche</strong> <strong>delle</strong> POF convenzionali sonodecisamente peggiori rispetto alle <strong>fibre</strong> in silice:– attenuazione 0.15-0.2 0.2 dB/m @650nm;– elevata apertura numerica;– bitrate limitato dalla <strong>di</strong>spersione modale.
Fibre <strong>ottiche</strong> plastiche• Recentemente la ricerca ha portato a nuove <strong>fibre</strong> GI-POF,caratterizzate da bassa apertura numerica, profilo d’in<strong>di</strong>cegraduale e elevato bitrate a <strong>di</strong>stanze <strong>di</strong> 100m.– utilizzo per connessioni in LAN: installazione rapida, strumentazionesemplice, prezzo competitivo con il rame.
Produzione <strong>delle</strong> <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong>• Si prende in considerazione il processo produttivo per <strong>fibre</strong><strong>ottiche</strong> in silice vetrosa, che ad oggi occupano ancorabuona parte del mercato.• Esistono due tecniche fondamentali per la <strong>produzione</strong> <strong>di</strong><strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong> in silice vetrosa:– filatura <strong>di</strong>retta a partire da un crogiolo contenente silice pura;– ossidazione da fase <strong>di</strong> vapore e filatura della preforma.• La filatura <strong>di</strong>retta non consente <strong>di</strong> ottenere <strong>fibre</strong> pure eomogenee, quin<strong>di</strong> la seconda tecnica è la più usata.• I processi comunemente usati si <strong>di</strong>vidono quin<strong>di</strong> in due fasi:– preparazione della preforma;– filatura della fibra.
Preparazione della preforma• I processi <strong>di</strong> <strong>produzione</strong> moderni partono da una preforma,in modo da filare un materiale sufficientemente puro, conbassa concentrazione <strong>di</strong> ioni OH - , bassa concentrazione <strong>di</strong>ioni metallici contaminanti e poco costoso.• Di seguito si illustrano alcune <strong>delle</strong> più comuni tecniche perla preparazione <strong>delle</strong> preforme, che si <strong>di</strong>fferenzianoprincipalmente per come vengono depositati gli strati:– Outside vapor deposition (OVD);– Vapor phase axial deposition (VAD);– Mo<strong>di</strong>fied chemical vapor deposition (MCVD);– Plasma chemical vapor deposition (PCVD).
Tecnica OVD• La tecnica OVD, chiamata anche “processo soot”, è statasviluppata dalla Corning, ed ha permesso <strong>di</strong> realizzare leprime <strong>fibre</strong> con attenuazione minore <strong>di</strong> 20dB/km.• I tre passi principali del processo sono:– deposizione;– consolidamento;– filatura.
Tecnica OVD• Durante la deposizione, , materiali quali SiCl 4 , GeCl 4 , BCl 3 ,O 2 vengono fatto reagire a temperature elevate producendoil cosiddetto “soot” (solide particelle submicrometriche), cheè depositato su una barra ceramica rotante.• Inizialmente avviene la formazione del nucleo, quin<strong>di</strong> quelladel mantello; il soot si deposita sulla barra e, strato perstrato, si costruisce una preforma cilindrica.• Il processo prevede il controllo accurato in tempo reale <strong>di</strong>composizione del vetro, in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> rifrazione e <strong>di</strong>mensioni <strong>di</strong>nucleo e mantello.
Tecnica OVD• La preforma così ottenuta è rimossa dalla barra ceramica eposta in un forno <strong>di</strong> consolidamento, , dove vienesinterizzata; l’alta temperatura rimuove ogni traccia <strong>di</strong> vaporeacqueo e si ottiene un solido e denso vetro bucato.• Il prodotto è quin<strong>di</strong> sottoposto a filatura all’interno <strong>di</strong>apposite torri; durante questo passo, descritto più in dettagliopiù avanti, il buco nel tubo collassa e si forma una fibraperfettamente simmetrica.
Tecnica VAD• Nella tecnica VAD, le particelle <strong>di</strong> SiO 2 sono formate nellostesso modo visto per l’OVD.• Le particelle sono deposte all’estremità <strong>di</strong> una barra <strong>di</strong> vetrocollegata a un motore: una “pulling machine” ruota la barraverso l’alto crescendo assialmente una preforma porosa .• La preforma è quin<strong>di</strong> trasformata in barra solida me<strong>di</strong>antefusione a zona ed è pronta per la filatura.• Vantaggi rispetto all’OVD:– prevede l’uso <strong>di</strong> una camera <strong>di</strong> deposizione con atmosfera pulita;– non si crea nessun buco centrale;– si realizzano preforme <strong>di</strong> lunghezze continue;– costi contenuti.
Tecnica VAD
Tecnica MCVD• La tecnica MCVD è stata sviluppata dai Bell Labs dellaAT&T nel 1970; il suo successo ha portato AT&T alladecisione <strong>di</strong> cominciare, a partire dal 1980, la <strong>produzione</strong> alivello <strong>di</strong> massa <strong>delle</strong> <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong>.• Secondo il “Journal of Lightwave Technology” questometodo consente <strong>di</strong> produrre le <strong>fibre</strong> <strong>di</strong> miglior qualità sottocon<strong>di</strong>zioni <strong>di</strong> lavoro industriali.• MCVD è un processo semplice e imme<strong>di</strong>ato per produrre<strong>fibre</strong> <strong>di</strong> elevata qualità sod<strong>di</strong>sfacendo <strong>di</strong>verse specifiche <strong>di</strong>progetto usando sempre la stessa attrezzatura.• L’uso massiccio a livello industriale rende necessario lostu<strong>di</strong>o <strong>di</strong> ogni passo <strong>di</strong> processo in dettaglio.
Tecnica MCVD• Nella tecnica MCVD, la miscela <strong>di</strong> composti chimici illustrataprecedentemente è introdotta all’interno <strong>di</strong> un tubo rotante<strong>di</strong> vetro (in particolare puro SiO 2 sintetico).• Il tubo è quin<strong>di</strong> montato su un tornio equipaggiato con unaspeciale fiamma riscaldante.• Il gas che fluisce nel tubo reagisce con il calore formando ilsoot nelle vicinanze della zona riscaldata.• Il soot generato si deposita quin<strong>di</strong> sulla parete interna deltubo.• Mentre la fiamma si muove lungo il tubo, il calore trasformale bianche e solide particelle del soot in puro e trasparentevetro (vetrificazione(vetrificazione)
Tecnica MCVD• Il materiale depositato andrà a formare il nucleo della fibra.• Il processo viene ripetuto per molte ore; per ogni passaggiodella fiamma è possibile mo<strong>di</strong>ficare composizione, viscosità espessore dello strato deposto al fine <strong>di</strong> rispettare le specifiche<strong>di</strong> progetto.• La possibilità <strong>di</strong> produrre un’ampia gamma <strong>di</strong> <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong>deriva proprio da questo fattore, unitamente alla capacità <strong>di</strong>cambiare la velocità <strong>di</strong> movimento del bruciatore e latemperatura della fiamma.• Tutti i parametri critici <strong>di</strong> processo sono monitorati e controllatda calcolatori, in particolare è fondamentale il controlloaccurato della composizione chimica della miscela.
Tecnica MCVD• Dopo la deposizione della quantità desiderata <strong>di</strong> materiale ilflusso <strong>di</strong> reagenti è arrestato, si <strong>di</strong>minuisce la velocità delbruciatore e si incrementa la temperatura della fiamma.• Il tubo quin<strong>di</strong> collassa fino a formare una barra solida, cheviene separata da un operatore e preparata per il passosuccessivo.• L’in<strong>di</strong>ce <strong>di</strong> rifrazione della preforma è misurato usando unanalizzatore <strong>di</strong> preforma, che confronta i parametrisperimentali con le specifiche <strong>di</strong> progetto fornendo i risultatiall’operatore.• Si può notare come l’intero processo sia altamenteautomatizzato e richieda solo minimo intervento umano.
Tecnica MCVD• Il tubo <strong>di</strong> silice pura da cui è partito il processo è <strong>di</strong>ventatoalla fine parte della regione che costituisce il mantello dellapreforma.• Lo spessore del mantello è ulteriormente aumentatome<strong>di</strong>ante il processo <strong>di</strong> “sleeving” o “overcollapse”: un altrotubo <strong>di</strong> silice pura viene fatto collassare all’esterno dellapreforma originale, portando le <strong>di</strong>mensioni della preforma arispettare le specifiche.
Tecnica MCVD
Tecnica MCVDTELAIO ORIZZONTALE PER PREFORMATELAIO VERTICALE PER PREFORMA
Tecnica PCVD• La tecnica PCVD è stata ideata dagli scienziati della PhilipsResearch.• A <strong>di</strong>fferenza dell’MCVD, si deposita vetro puro all’interno <strong>di</strong>un tubo <strong>di</strong> silice e si usa plasma non isotermico nel range<strong>delle</strong> microonde (2.45GHz) al posto della fiamma.• Il plasma provoca la reazione chimica alla temperatura <strong>di</strong>1000-1200 1200 °C, minore rispetto all’MCVD.• Questa tecnologia permette <strong>di</strong> produrre <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong> <strong>di</strong>elevatissima qualità, con ottime capacità trasmissive eper<strong>di</strong>te molto basse.• L’efficienza <strong>di</strong> deposizione del processo è molto elevata(vicino al 100% per la silice vetrosa)
Tecnica PCVD• Vantaggi (rispetto all’MCVD):– alta efficienza e accuratezza della deposizione;– bassa temperatura <strong>di</strong> deposizione;– deposizione <strong>di</strong> strati più sottili;– più semplice trattamento dei gas <strong>di</strong> reazione;– processo estremamente versatile;• Svantaggi:– il processo è molto più lento rispetto all’MCVD, e questo costituisceun grosso problema per applicazioni industriali.
Filatura della preforma• Il secondo passo nella <strong>produzione</strong> è convertire la preformain una fibra ottica avente le <strong>di</strong>mensioni <strong>di</strong> un capello (fiberdrawing) all’interno della cosiddetta draw tower.• Un’estremità della preforma è posta in un forno al quarzo, incui sono iniettati gas purissimi al fine <strong>di</strong> creare un’atmosferapulita e termicamente conduttiva.• Nel forno la temperatura deve essere accuratamentecontrollata (circa 1900°C) fino a far raggiungere lo statopastoso all’estremità della preforma.• A questo punto la forza <strong>di</strong> gravità prevale e il vetro vienestirato fino ad ottenere un filo sottile.
Filatura della preforma• L’operatore infila questo filo <strong>di</strong> fibra attraverso una serie <strong>di</strong>stampi ricoprenti (“threa<strong>di</strong>ng step”) e il processo <strong>di</strong> filaturavero e proprio può cominciare.• La fibra viene tirata da un <strong>di</strong>spositivo a cinghia posto nellaparte inferiore della draw tower e quin<strong>di</strong> avvolta su appositebobine.• Durante la filatura, la preforma viene riscaldata ad unatemperatura ottima per ottenere la tensione <strong>di</strong> drawingideale.• In campo industriale si possono raggiungere velocità <strong>di</strong>filatura <strong>di</strong> 10-20 metri al secondo.
Filatura della preforma• Il <strong>di</strong>ametro della fibra è continuamente monitorato me<strong>di</strong>antemicrometri laser; tipicamente, si richiede un valore <strong>di</strong> 125µmcon una tolleranza <strong>di</strong> 1µm.• Il micrometro laser campiona il valore del <strong>di</strong>ametro oltre 750volte al secondo; il valore reale è confrontato con il target <strong>di</strong>125µm, e l’errore lviene convertito in variazioni della velocità<strong>di</strong> filatura della fibra dal sistema <strong>di</strong> controllo:– se il <strong>di</strong>ametro è maggiore del target, si incrementa la velocità;– se il <strong>di</strong>ametro è minore del target, si <strong>di</strong>minuisce la velocità.• In ambito industriale si ottiene il valore desiderato <strong>di</strong> 125µm±1µm m in un intervallo statistico pari a 6σ 6 (più del 99%).
Filatura della preforma• Il passo conclusivo prevede l’applicazione sulla fibra <strong>di</strong> duestrati protettivi: uno interno più morbido e uno esterno piùduro e resistente.• Questo duplice rivestimento protettivo fornisce soli<strong>di</strong>tàmeccanica consentendo <strong>di</strong> maneggiare la fibra senzadanneggiarla, inoltre ne protegge la superficie dall’ambienteesterno.• I due rivestimenti sono infine trattati con raggi ultravioletti.• Il processo <strong>di</strong> filatura è molto bene automatizzabile e nonrichiede nessun intervento umano dopo il “threa<strong>di</strong>ng step”.
Filatura della preforma
Filatura della preformaLa torre mostrata in figura è alta 9 metri ed èequipaggiata per il trattamento termico e UV<strong>di</strong> rivestimenti protettivi per <strong>fibre</strong> speciali.La torre in figura è usata per filatura adalta velocità (2000 metri/min).
Filatura <strong>di</strong>retta• Una tipica tecnica a filatura <strong>di</strong>retta è il metodo a doppiocrogiolo, che può essere usato per <strong>fibre</strong> a silice e alogenuri.• La tecnica è semplice e imme<strong>di</strong>ata: si realizzano due barre<strong>di</strong> vetro a partire da polveri <strong>di</strong> silice, una per il nucleo e unaper il mantello.• Le barre sono usate per rifornire due crogioli concentrici:quello interno contiene il nucleo fuso, l’altro il mantello.• In un processo continuo, la fibra viene filata a partire dallostato fuso.• Lo svantaggio del metodo, inutilizzabile a livello industriale,è il rischio <strong>di</strong> introdurre contaminanti durante la fusione.
Test e misure• La fibra filata viene accuratamente esaminata: tutti iparametri ottici e geometrici sono verificati al fine <strong>di</strong> rispettarele stringenti specifiche previste.• Si realizzano tre tipi <strong>di</strong> test:– meccanici;– ottici;– geometrici;
Test e misure• Viene verificata innanzitutto la resistenza a trazione: : ognifibra viene sottoposta a carichi <strong>di</strong> prova che assicurino unaresistenza minima <strong>di</strong> 100.000 libbre al pollice quadrato; lafibra viene quin<strong>di</strong> riavvolta in bobine e tagliata secondo lalunghezza specificata.• La fibra è quin<strong>di</strong> testata al fine <strong>di</strong> in<strong>di</strong>viduare <strong>di</strong>fetti puntualime<strong>di</strong>ante un OTDR (Optical Time Domain Reflectometer),che permette <strong>di</strong> localizzare le anomalie lungo la fibraanalizzando la luce retro-scatterata.
Test e misure• Una serie <strong>di</strong> parametri ottici è verificata a <strong>di</strong>verse lunghezzed’onda:– attenuazione;– prodotto bitrate per lunghezza del collegamento (in particolare per<strong>fibre</strong> multimodali);– apertura numerica (angolo <strong>di</strong> accettanza per la luce in ingresso);– lunghezza d’onda <strong>di</strong> taglio (per <strong>fibre</strong> monomodali delimita la regione<strong>di</strong> monomodalità);– <strong>di</strong>ametro modale (<strong>di</strong>ametro del modo fondamentale, importante perle interconnessioni);– <strong>di</strong>spersione cromatica (principale fattore limitante per le <strong>fibre</strong>monomodali).
Test e misure• I seguenti parametri geometrici sono verificati:– <strong>di</strong>ametro del mantello;– eccentricità del mantello;– <strong>di</strong>ametro del rivestimento esterno;– eccentricità del rivestimento esterno;– concentricità dei rivestimenti;– concentricità nucleo-mantello;– eccentricità del nucleo;– <strong>di</strong>ametro del nucleo.• I costruttori devono garantire la calibrazione degli strumenti<strong>di</strong> test; perio<strong>di</strong>che misure round-robin robin con clienti e altriproduttori assicurano accuratezza, consistenza e ripetibilità.
Test e misure• I seguenti test meccanici e ambientali sono realizzatiperio<strong>di</strong>camente per assicurare che la fibra mantenga l’integritàottica e meccanica secondo le specifiche dei clienti:– forza necessaria per lo strappo del rivestimento;– range operativo <strong>di</strong> temperatura;– <strong>di</strong>pendenza dell’attenuazione dalla temperatura;– cicli temperatura-umi<strong>di</strong>tà;umi<strong>di</strong>tà;– invecchiamento accelerato;– immersione in acqua.• I meto<strong>di</strong> <strong>di</strong> test che consentono <strong>di</strong> ottenere misure consistentisono pubblicati dalla Telecommunications Industry Associatio(Arlington,VA) che fissa gli standard USA per le <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong>.
Cavi ottici• La fibra ottica presenta elevata resistenza a trazione mabassa resistenza a sollecitazioni ra<strong>di</strong>ali quali le piegature;nasce quin<strong>di</strong> la necessità <strong>di</strong> inserire la fibra all’interno <strong>di</strong>strutture protettive formando i cosiddetti cavi ottici.• Il cavo si realizza “attorcigliando” le <strong>fibre</strong> le une contro lealtre al fine <strong>di</strong> ottenere una lunghezza <strong>di</strong> cavo minore <strong>di</strong>quella <strong>di</strong> fibra, minimizzando l’effetto <strong>delle</strong> micropiegature.• Il cablaggio non deve alterare le caratteristiche trasmissivedel mezzo a fronte <strong>di</strong> sollecitazioni chimiche e fisicheesterne <strong>di</strong>pendenti dall’ambiente <strong>di</strong> posa e dalproce<strong>di</strong>mento <strong>di</strong> installazione.
Cavi ottici• Fattori <strong>di</strong> danneggiamento della fibra ottica:– sollecitazioni a trazione: : lo stress indotto dalla posa o dal vento per icavi in sospensione degenera le caratteristiche trasmissive;– piegatura: : rischio <strong>di</strong> spezzare il mezzo trasmissivo o aumentarel’attenuazione ;– umi<strong>di</strong>tà: : l’infiltrazione <strong>di</strong> acqua amplifica l’attenuazione dovuta agliioni ossidrile e può creare microfratture;– fulmini: : il cavo deve essere isolato elettricamente se contiene iconduttori per l’alimentazione dei repeaters;– danneggiamento causato da ro<strong>di</strong>tori o termiti, , dal transito <strong>di</strong> mezzipesanti per cavi interrati o da imbarcazioni e animali marini per cavisottomarini.
Cavi ottici• Ogni tipologia <strong>di</strong> cavo è caratterizzata da numero <strong>di</strong> <strong>fibre</strong>,materiale <strong>di</strong> isolamento e armatura <strong>di</strong> protezione adattiall’ambiente <strong>di</strong> impiego.• Si <strong>di</strong>stinguono in particolare:– cavi interrati per brevi e lunghe <strong>di</strong>stanze;– cavi sospesi inseriti nelle linee <strong>di</strong> massa dei tralicci dell’alta a tensione;– cavi per gli e<strong>di</strong>fici;– cavi sottomarini per collegamenti a lunga <strong>di</strong>stanza.• Esistono configurazioni elementari per realizzare cavi:– tight jacket cable;– loose tube cable;– ribbon cable.
Cavi ottici tight jacket• Tight jacket cable:– è lo sta<strong>di</strong>o minimo <strong>di</strong> ricoprimento, costituito da un rivestimento o <strong>di</strong>materiale plastico colorato <strong>di</strong> 250µm m <strong>di</strong> <strong>di</strong>ametro ricavato perestrusione <strong>di</strong>retta sul ricoprimento primario; è utilizzabile solo o inlaboratorio, mentre per uso industriale si aggiunge un rivestimentosecondario del <strong>di</strong>ametro <strong>di</strong> 900µm;– la struttura tight jacket ha grande resistenza a urti e rotture, è moltosensibile agli stress dovuti alle variazioni <strong>di</strong> temperatura ma permette p<strong>di</strong> progettare strutture leggere e semplici;– se il cavo tight jacket è inserito in strutture twisted o ad elevatacurvatura, le per<strong>di</strong>te eccedono quelle dovute a micropiegature;– una tipologia più raffinata è il cavo breakout: : ogni fibra singola tightjacket è avvolta da una guaina <strong>di</strong> PVC, quin<strong>di</strong> queste singole unitàvengono protette da una copertura comune.
Cavi ottici loose tube• Loose tube cable:– le <strong>fibre</strong> con rivestimento primario vengono inserite in tubi in laminato l<strong>di</strong> alluminio o polietilene del <strong>di</strong>ametro <strong>di</strong> 2mm; i tubi contengono o unafibra o gruppi <strong>di</strong> 6-126attorcigliate, libere in aria o gel sintetico;– più tubi possono essere attorcigliati su un elemento <strong>di</strong> trazione inacciaio nel caso <strong>di</strong> cavi multifibra, al fine <strong>di</strong> minimizzare stress,ss,elongazioni e contrazioni;– variando il numero <strong>di</strong> <strong>fibre</strong> all’interno del tubo si può controllarel’effetto <strong>delle</strong> variazioni <strong>di</strong> temperatura sull’attenuazione;– la configurazione loose-tube minimizza l’attenuazione dovuta allemicropiegature e permette <strong>di</strong> ottenere elevato isolamento dagliagenti esterni: sotto stress meccanico continuo, si ottengonocaratteristiche trasmissive più stabili.
Tight-jacket vs. Loose tubeCableCable structureParameterLoose tube Tight buffer BreakoutBend ra<strong>di</strong>usDiameterLargerLargerSmallerSmallerLowerLargerLargerHigherHigherTensile Strength HigherImpact ResistanceLower HigherCrush ResistanceLowerHigher HigherAttenuation vs. Temp LowerHigherHigher
Cavi ottici tight-jacket e loose tube• Una volta effettuata la scelta tra cavo tight-jacket e loosetube il progettista del sistema ha implicitamente scelto uncompromesso tra per<strong>di</strong>te per micropiegature e flessibilità.• Nell’installazione del cavo, sono molto importanti proprietàmeccaniche quali resistenza a trazione, urti, flessione epiegature.• Specifiche ambientali riguardano principalmente resistenzaa umi<strong>di</strong>tà, agenti chimici e vari tipi <strong>di</strong> agenti atmosferici.• Se le con<strong>di</strong>zioni <strong>di</strong> posa del cavo creano sforzi <strong>di</strong> trazioneinaccettabili, si possono avere per<strong>di</strong>te per micropiegature,rotture e affaticamento del cavo.
Cavi ottici tight-jacket e loose tube• Per contrastare queste tensioni aggiuntive, è possibileaggiungere al cavo elementi <strong>di</strong> trazione, che conferiscono alcavo ottico la stessa resistenza dei cavi elettronici,proteggendo le <strong>fibre</strong> da stress, elongazioni e contrazioni.• In alcuni casi, l’elemento <strong>di</strong> trazione agisce anche comestabilizzatore meccanico in temperatura.• E’ importante notare come le <strong>fibre</strong> <strong>ottiche</strong> si deforminopochissimo prima della rottura, quin<strong>di</strong> l’elemento <strong>di</strong> trazionedeve avere bassa elongazione in corrispondenza del caricoprevisto.• Gli elementi <strong>di</strong> trazione tipicamente usati nei cavi ottici sonocavi <strong>di</strong> acciaio, FGE (fiberglass epoxy rod) e Aramid.
Cavi ottici tight-jacket e loose tube• L’Aramid è cinque volte più resistente dell’acciaio; quando èrichiesta la costruzione <strong>di</strong> una struttura interamente<strong>di</strong>elettrica, Aramid e FGE sono la scelta obbligata.• Acciaio e FGE devono essere scelti quando quando sirichiede il funzionamento a basse temperature, poichépresentano maggiore stabilità.Fiberglass epoxy rodSteelAramidLoadto breakDiameter ElongationinchesbreakWeight per1000ft480lbs .045 3.5% 1.4lbs480lbs .062 0.7% 7.5lbs944lbs .093 2.4% 1.8lbs
Cavi ottici tight jacket (tight buffer)
Cavi ottici loose tube
Cavi ottici ribbon• Ribbon cable:– è una variazione sullo schema generale dei cavi tight-jacket: ungruppo <strong>di</strong> <strong>fibre</strong> rivestite viene <strong>di</strong>sposto in parallelo e ricoperto o conplastica fino a formare un nastro multifibra;– la principale <strong>di</strong>fferenza rispetti ai cavi tight-jacket sta nel fatto che unrivestimento plastico ricopre la serie <strong>di</strong> <strong>fibre</strong> parallele;– i ribbon tipici contengono da 5 a 12 <strong>fibre</strong>; si possono impilare fino a12 ribbon per formare il nucleo del cavo ottico;– la struttura del ribbon permette installazione semplice sul campo o efacilità <strong>di</strong> connettorizzazione, fattori che sono una necessità per pmolteplici applicazioni.
Cavi ottici ribbon
Cavi ottici sottomarini• Contengono tipicamente poche <strong>fibre</strong> (4-20) e vengonorealizzati in configurazione tight-jacket o loose-tube con gel<strong>di</strong> riempimento.• Sono caratterizzati da armatura <strong>di</strong> protezione in acciaioinossidabile, da una guaina interna in rame contro l’umi<strong>di</strong>tà eogni parte vuota del cavo è riempita con polimeri.• Devono resistere alle forti pressioni e alle basse temperaturedei fondali oceanici, inoltre l’elemento <strong>di</strong> trazione è in acciaioper resistere alle sollecitazioni <strong>di</strong> posa e <strong>di</strong> recupero.
Cavi ottici sottomarini