Fibra Ottica Tutorial – Fibra Ottica – Comunicazione in Fibra

Termini di Base

Rifrazione della luce

Come un raggio di luce passa da un mezzo trasparente ad un altro, cambia direzione; questo fenomeno è chiamato rifrazione della luce. Quanto quel raggio di luce cambia la sua direzione dipende dall’indice di rifrazione dei medium.

Indice di rifrazione

Indice di rifrazione è la velocità della luce nel vuoto (abbreviato c, c=299,792.458 km/secondo) diviso per la velocità della luce in un materiale (abbreviato v). Indice di rifrazione misura quanto un materiale rifrange la luce. Indice di rifrazione di un materiale, abbreviato come n, è definito come

n=c/v

la Legge di Snell

Nel 1621, un fisico olandese di nome Willebrord Snell derivato il rapporto tra le diverse angolazioni di luce passa da un mezzo trasparente ad un altro. Quando la luce passa da un materiale trasparente all’altro, si piega secondo la legge di Snell che è definita come:

n1sin(θ1) = n2sin(θ2)

dove:
n1 è l’indice di rifrazione del mezzo che la luce è di lasciare
θ1 è l’angolo di incidenza tra il fascio di luce e il normale è di 90° per l’interfaccia tra due materiali)
n2 è l’indice di rifrazione del materiale, la luce entra
θ2 è l’angolo di rifrazione tra il raggio di luce e la normale

Nota:

Per il caso di θ1 = 0° (cioè, un raggio perpendicolare all’interfaccia) la soluzione è θ2 = 0° indipendentemente dai valori di n1 e n2. Ciò significa che un raggio che entra in un mezzo perpendicolare alla superficie non viene mai piegato.

Quanto sopra è valido anche per la luce che va da un materiale denso (n superiore) a un materiale meno denso (n inferiore); la simmetria della legge di Snell mostra che gli stessi percorsi del raggio sono applicabili in direzione opposta.

Riflessione interna totale

Quando un raggio di luce attraversa un’interfaccia in un mezzo con un indice di rifrazione più alto, si piega verso il normale. Al contrario, la luce che viaggia attraverso un’interfaccia da un mezzo di indice di rifrazione più alto a un mezzo di indice di rifrazione più basso si piega lontano dal normale.

Questo ha un’implicazione interessante: ad un certo angolo, noto come angolo critico θc, la luce che viaggia da un mezzo con indice di rifrazione più alto a un mezzo con indice di rifrazione più basso verrà rifratta a 90°; in altre parole, rifratta lungo l’interfaccia.

Se la luce colpisce l’interfaccia a qualsiasi angolo più grande di questo angolo critico, non passerà attraverso il secondo mezzo a tutti. Invece, tutto sarà riflesso nel primo mezzo, un processo noto come riflessione interna totale.

L’angolo critico può essere calcolato dalla legge di Snell, inserendo un angolo di 90° per l’angolo del raggio rifratto θ2. Questo dà θ1:

Dal

θ2 = 90°

Così

peccato(θ2) = 1

Poi

ωc = θ1 = arcsin(n2/n1)

Per esempio, con la luce cercando di emergere in vetro con n1=1.5 in aria (n2 =1), l’angolo critico ωc è arcsin(1/1.5), o il 41,8°.

Per qualsiasi angolo di incidenza maggiore dell’angolo critico, la legge di Snell non sarà in grado di essere risolta per l’angolo di rifrazione, perché mostrerà che l’angolo rifratto ha un seno maggiore di 1, il che non è possibile. In tal caso tutta la luce viene totalmente riflessa dall’interfaccia, obbedendo alla legge della riflessione.

Come funziona la fibra ottica

Le fibre ottiche si basano interamente sul principio della riflessione interna totale. Questo è spiegato nella figura seguente.

La fibra ottica è un filo lungo e sottile di vetro molto puro del diametro di un capello umano. Le fibre ottiche sono disposte in fasci chiamati cavi ottici e utilizzati per trasmettere segnali luminosi su lunghe distanze.

La struttura di una fibra ottica

Le fibre ottiche tipiche sono composte da nucleo, rivestimento e rivestimento tampone.

Il nucleo è la parte interna della fibra, che guida la luce. Il rivestimento circonda completamente il nucleo. L’indice di rifrazione del nucleo è superiore a quello del rivestimento, quindi la luce nel nucleo che colpisce il confine con il rivestimento con un angolo meno profondo dell’angolo critico verrà riflessa nel nucleo dalla riflessione interna totale.

Per i tipi più comuni della fibra di vetro ottica, che comprende le fibre del singolo modo 1550nm e le fibre miste 850nm o 1300nm, il diametro di centro varia da 8 ~ 62.5 µm. Il diametro del rivestimento più comune è di 125 µm. Il materiale del rivestimento tampone è solitamente plastica morbida o dura come acrilico, nylon e con diametro varia da 250 µm a 900 µm. Il rivestimento tampone fornisce protezione meccanica e flessibilità di piegatura per la fibra.

Modalità fibra ottica

Qual è la modalità fibra?

Una fibra ottica guida le onde luminose in modelli distinti chiamati modalità. La modalità descrive la distribuzione dell’energia luminosa attraverso la fibra. I modelli precisi dipendono dalla lunghezza d’onda della luce trasmessa e dalla variazione dell’indice di rifrazione che modella il nucleo. In sostanza, le variazioni dell’indice di rifrazione creano condizioni al contorno che modellano il modo in cui le onde luminose viaggiano attraverso la fibra, come le pareti di un tunnel influenzano il modo in cui i suoni risuonano all’interno.

Possiamo dare un’occhiata alle fibre di step-index di grandi dimensioni. I raggi di luce entrano nella fibra a una gamma di angoli e i raggi a diverse angolazioni possono viaggiare stabilmente lungo la lunghezza della fibra purché colpiscano l’interfaccia del rivestimento del nucleo con un angolo più grande dell’angolo critico. Questi raggi sono modalità diverse.

Le fibre che trasportano più di una modalità a una specifica lunghezza d’onda della luce sono chiamate fibre multimodali. Alcune fibre hanno un nucleo di diametro molto piccolo che possono trasportare solo una modalità che viaggia come una linea retta al centro del nucleo. Queste fibre sono fibre monomodali. Questo è illustrato nella figura seguente.

Fibra ottica Indice profilo

Indice profilo è la distribuzione di indice di rifrazione attraverso il nucleo e il rivestimento di una fibra. Una certa fibra ottica ha un profilo di indice di punto, in cui il centro ha un indice uniformemente distribuito ed il rivestimento ha un indice uniformemente distribuito più basso. L’altra fibra ottica ha un profilo graduato di indice, in cui l’indice di rifrazione varia gradualmente come funzione della distanza radiale dal centro della fibra. I profili Graded-index includono i profili power-law index e i profili parabolic index. La figura seguente mostra alcuni tipi comuni di profili di indice per fibre monomodali e multimodali.

Apertura numerica della fibra ottica (NA)

La fibra ottica mista propagherà solo la luce che entra nella fibra all’interno di un determinato cono, noto come cono di accettazione della fibra. Il mezzo angolo di questo cono è chiamato angolo di accettazione, θmax. Per la fibra multimodale step-index, l’angolo di accettazione è determinato solo dagli indici di rifrazione:

Dove
n è l’indice di rifrazione della luce media è in viaggio prima di entrare in fibra
nf è l’indice di rifrazione del nucleo della fibra
nc è l’indice di rifrazione del rivestimento

Come Calcolare il Numero di Modi in Fibra?

Le modalità sono talvolta caratterizzate da numeri. Le fibre monomodali portano solo la modalità di ordine più basso, assegnato il numero 0. Le fibre miste portano anche modalità di ordine superiore. Il numero di modi che possono propagarsi in una fibra dipende dall’apertura numerica della fibra (o dall’angolo di accettazione), nonché dal suo diametro del nucleo e dalla lunghezza d’onda della luce. Per un passaggio indice di fibra multimodale, il numero di tali modalità, Nm, viene approssimata da

Dove
D è il diametro del nocciolo
λ è la lunghezza d’onda operativa
NA è l’apertura numerica (o angolo di accettazione)

Nota: questa formula è solo un’approssimazione, e non funziona per le fibre che trasportano solo un paio di modi.