Sezione 16.3: Collegamenti radio Su  Capitolo 16: Collegamenti e mezzi trasmissivi Sezione 16.5: Appendici 

16.4  Collegamenti in fibra ottica

Una fibra ottica è realizzata in vetro o silicio fuso, ovvero qualunque materiale dielettrico trasparente alla luce, tanto che può essere realizzata anche in plastica. Il suo utilizzo è quello di trasportare energia luminosa in modo guidato. Una caratteristica che deriva direttamente dalla sua natura è l’immunità della fibra ottica ai disturbi di natura elettromagnetica; tale proprietà impedisce fenomeni di interferenza (diafonia), così come non permette di prelevare segnale dall’esterno (intercettazione).
Il segnale luminoso
Infrarosso   →  Ultravioletto
10 − 4   →  5010 − 9 λ [metri]
31012   →  61015 f [Hz]
Le lunghezze d’onda delle radiazioni elettromagnetiche nel campo del visibile sono comprese tra circa 100 μm dell’infrarosso e 50 nm dell’ultravioletto (1 nm=10 − 9 metri), che corrispondono a frequenze (ricordando ancora che f  = (c)/(λ)) che vanno da 3⋅1012 fino a 6⋅1015 Hz. Questi valori individuano una banda passante veramente notevole se comparata ad altri mezzi trasmissivi: supponiamo infatti di effettuare una modulazione che occupi una banda pari allo 0.1% della frequenza portante. Se f0 = 1 GHz, si ha 1 MHz di banda; ma se f0  = 1013, si ha una banda di 10 GHz!

16.4.1  Trasmissione ottica

Anche se sono teoricamente possibili schemi di modulazione analogica, le fibre ottiche sono usate per trasportare informazione di natura binaria secondo lo schema di fig. 16.41↓, in cui la luce emessa da una sorgente è accesa o spenta, ovvero modulata in ampiezza, con uno schema detto on-off keying o ook[798]  [798] Indicata anche come intensity modulation and direct detection (imdd). In realtà è anche possibile adottare tecniche di modulazione numerica come psk e qam, che richiedono una detezione coerente (vedi ad es. https://doi.org/10.1364/OE.16.000753), ma tali sistemi sono tuttora in fase sperimentale, e l’esposizione prosegue per il caso universalmente adottato.. All’altro estremo della fibra, un fotorivelatore effettua una rivelazione incoerente dell’energia luminosa, che viene nuovamente convertita in un segnale elettrico. Le prime fibre ottiche risalgono al 1970, e fornivano attenuazioni dell’ordine di 20 dB/Km. Attualmente si sono raggiunti valori di attenuazione di 0.2 dB/Km, pari ad un quarto di quella dei migliori cavi coassiali. D’altra parte, a differenza del rame, il materiale utilizzato per le fibre (vetro o silicio) è largamente disponibile in natura. Inoltre, a parità di diametro, una fibra ottica trasporta un numero anche 1000 volte maggiore di comunicazioni rispetto ad un cavo coassiale, fornendo quindi anche un risparmio di spazio.
trasmissione in fibra ottica
Figura 16.41 Schema di trasmissione in fibra ottica
Propagazione luminosa e indice di rifrazione
Lo spazio libero è il mezzo di propagazione in cui la luce viaggia più velocemente. Il rapporto tra c  = 3⋅108 m/sec, e la velocità di propagazione v in un mezzo trasparente, è l’indice di rifrazione[799]  [799] Vedi http://it.wikipedia.org/wiki/Indice_di_rifrazione, ma anche il video https://www.youtube.com/watch?v=k7ohfaMmTKg. n del mezzo stesso: n  = cν, risultando n ≥ 1. Esempio Se n  = 2 allora la velocità di propagazione della luce nel nuovo mezzo è la metà di quella che avrebbe nello spazio.
indice di rifrazione
Quando un raggio luminoso incontra una superficie di separazione tra mezzi con diverso indice n (ad esempio, da n1 ad n2 < n1) una parte di energia si riflette con angolo θi uguale a quello incidente, e la restante parte continua nell’altro mezzo, ma con diverso angolo θr  < θi. La relazione tra gli angoli è nota come legge di Snell
(16.140) cosθr  = (n1)/(n2)cosθi
e dunque il raggio rifratto è più inclinato nel mezzo con n inferiore (dove viaggia più veloce). Quando θr si azzera, la (16.140↑) è pari ad uno, ed a ciò corrisponde un valore critico θc di θi per il quale cosθc = (n2)/(n1), mentre per θi  < θc = arccos(n2)/(n1) non si verifica rifrazione, ma tutto il raggio viene riflesso. La capacità della fibra ottica di trasportare energia luminosa si fonda proprio su questo fenomeno[800] [800] Qui descritto in termini di ottica geometrica, approssimazione valida per un diametro del core ben maggiore di quello della λ incidente. Per dimensioni comparabili, occorre invece ricorrere alla teoria di propagazione delle onde, su cui non ci avventuriamo., che a sua volta ne determina la struttura, costituita da un nucleo (core) centrale con indice di rifrazione n1, circondato da un rivestimento (cladding) con indice n2  < n1[801] [801] I diversi valori di n sono ottenuti drogando differentemente la sezione della fibra.; entrambi racchiusi in una guaina (jacket) di materiale opaco, raffigurati in fig. 16.43↓a.
a)Struttura della fibra ottica       b)modi di propagazione
Figura 16.43 Struttura della fibra ottica (a) e modi di propagazione (b)
Applicando la (16.140↑) anche all’interfaccia tra sorgente luminosa (con indice di rifrazione n0 < n1) e fibra, si definisce apertura numerica[802]  [802] Vedi ad es. https://en.wikipedia.org/wiki/Numerical_aperture il valore Δ = (n21 − n22) = n0sinθMax0, dove θMax0 è il massimo angolo θ0 (vedi fig. 16.43↑b) con cui può entrare energia nella fibra, e quindi continuare a propagarsi mediante riflessione totale. Pertanto si ottiene θMax0  = arcsin(Δ)/(n0), e notiamo che quanto più Δ è piccola, ovvero n1 ed n2 sono simili, tanto più θMax0 si riduce, e dunque si riduce la potenza luminosa che viene immessa nella fibra ottica, ma... si ottiene il beneficio illustrato di seguito.
Quando un raggio luminoso attraversa la fibra, l’energia si propaga mediante diversi modi di propagazione, uno per ogni angolo θ0 < θ0c con cui entra la luce incidente[803] [803] In realtà questa interpretazione data in chiave di ottica geometrica è una semplificazione, ed in effetti i modi di propagazione sono quelli che risultano dalla applicazione delle equazioni di Maxwell alla propagazione in fibra.. Il modo principale è quello che si propaga lungo l’asse rettilineo, mentre i modi secondari sono quelli con angolo θi  < θc che si riflettono completamente al confine tra core e cladding. I modi associati ad angoli più elevati di θc vengono progressivamente assorbiti dalla guaina, e dunque non si propagano.
Dispersione modale
Questo fenomeno è dovuto al fatto che i modi di propagazione relativi agli angoli di incidenza più elevati percorrono di fatto più strada, e dunque impiegano più tempo per giungere a destinazione: pertanto, ogni singolo impulso luminoso presente in ingresso produce in uscita più impulsi distanziati nel tempo, uno per ogni modo di propagazione. Dato che inoltre avviene un continuo scambio di energia tra i diversi modi, si ottiene che l’uscita sarà un segnale con una maggiore estensione temporale, come esemplificato in figura.
L’entità della dispersione temporale (differenza tra ritardo max e min) è tanto maggiore quanto più il collegamento è lungo, e quanti più modi partecipano alla propagazione:
Dispersione modale
un suo valore tipico è dell’ordine di 10 nsec/Km. La conseguenza di questo fenomeno è la limitazione della massima frequenza con cui gli impulsi luminosi possono essere posti in ingresso alla fibra; impulsi troppo vicini causano infatti interferenza intersimbolica (isi) in uscita, rendendo gli impulsi praticamente indistinguibili. Pertanto la massima frequenza di segnalazione in una fibra ottica, dipende dalla sua lunghezza.
Si indicano come multimodo le fibre ottiche in cui sono presenti più modi di propagazione. Queste sono del tipo step index se n cambia in modo brusco, o graded index se il core ha un indice graduato. Nel secondo caso la dispersione temporale è ridotta; infatti quando i modi secondari attraversano la sezione periferica del core, incontrano un indice di rifrazione n ridotto, e quindi viaggiano più veloci. Una diversa (e drastica) soluzione al problema della dispersione temporale, è fornita dalle fibre ottiche monomodo: queste sono realizzate con un core di diametro così piccolo[804]  [804] Si passa dai 50 μm per le fibre multimodo, a circa 8 μm nel caso monomodo., da consentire alla sorgente luminosa di immettere luce nella fibra solo con angolo di incidenza nullo, e quindi permettere la propagazione del solo modo principale.
Ovviamente le ultime due soluzioni (graded index e fibra monomodo) sono state rese possibili grazie ai progressi nei processi di fabbricazione.
Attenuazione
In modo simile ai cavi elettrici, anche le fibre ottiche sono mezzi dissipativi, in quanto parte dell’energia in transito viene assorbita dalla fibra stessa e trasformata in calore. I fenomeni di assorbimento che si manifestano sono quelli di natura intrinseca del materiale silicio, quelli legati allo scattering per disomogeneità della densità e del diametro della fibra, e quelli legati alla presenza di impurità chimiche[805]  [805] Ovvero molecole e ioni di altri elementi. Ad esempio, lo ione oh- è quello che determina il picco di assorbimento a 1.39 μm. , che possono ridurre la trasparenza oppure avere dimensioni (a livello molecolare) comparabili con le lunghezze d’onda in gioco.
La caratteristica comune ai fenomeni di assorbimento è una marcata dipendenza da λ, cosicché la loro combinazione determina la caratteristica di attenuazione chilometrica A0 mostrata in fig. 16.45↓, dove possono essere individuati 3 intervalli di lunghezze d’onda (detti finestre) per i quali l’assorbimento è ridotto, ed in cui sono effettuate le trasmissioni ottiche. La prima finestra (con attenuazione maggiore) è stata l’unica disponibile agli inizi, a causa dell’assenza di trasduttori affidabili a frequenze inferiori, ed è tuttora usata per collegamenti economici e scarsamente critici. La seconda finestra ha iniziato ad essere usata assieme alle fibre monomodo, grazie all’evoluzione tecnologica dei trasduttori, mentre l’uso della III finestra si è reso possibile dopo essere riusciti a limitare la dispersione cromatica delle fibre (vedi appresso).
Tra le fonti di attenuazione supplementare troviamo quella causata dalle giunzioni tra tratte in fibra ottica: l’uso di connettori produce una perdita di 0.4 ÷ 1 dB, ed i giunti meccanici 0.2 dB oppure anche 0,05 dB se ottimizzati per via strumentale. Inoltre, le fibre si possono fondere tra loro, con perdite tra 0,01 e 0,1 dB. Una ulteriore fonte di perdite localizzate può essere costituita dalle curve che devono avere un raggio non troppo stretto, altrimenti parte dell’energia non subisce riflessione totale, e viene assorbita dal jacket.
attenuazione della fibra ottica         
Finestra λ [μm] Ad [dB/Km]
I 0.8÷0.9 1.2 (monomodo)


2 (multimodo)
II 1.2÷1.3 0.35
III 1.5÷1.7 0.2
   Figura 16.45 Dipendenza della attenuazione chilometrica dalla lunghezza d’onda
Dispersione cromatica
Dopo aver ridotto od eliminato il fenomeno di dispersione modale, è emersa una ulteriore causa di dispersione temporale dell’energia immessa nella fibra ottica: il problema si verifica se il segnale di ingresso non è perfettamente monocromatico, ovvero se in esso sono presenti diverse lunghezze d’onda. Dato che il valore dell’indice di rifrazione dipende dalla lunghezza d’onda, λ diverse si propagano con velocità differenti e raggiungono l’altro estremo della fibra in tempi successivi[806] [806]  Il fenomeno descritto viene detto dispersione da materiale o DM, oltre al quale ne interviene anche un altro detto dispersione di guida d’onda o DW, che dipende da fattori geometrici come la dimensione del core e l’apertura numerica.. La dispersione cromatica nominale D0 della fibra si misura in (psec)/(Kmnm), e dà luogo ad una effettiva dispersione temporale D  = D0L⋅Δλ, che è direttamente proporzionale alla lunghezza L della fibra ed alla estensione della gamma cromatica Δλ della sorgente[807] [807] Il fenomeno della dispersione cromatica è l’equivalente ottico della distorsione di fase (o distorsione di ritardo) introdotta al § 7.2↑ per i segnali elettrici.. Per ridurre il fenomeno è possibile:
Dispersione del modo di polarizzazione
Indicata come pmd, è una conseguenza della non perfetta simmetria cilindrica del core, che causa il fenomeno della birifrangenza[809]  [809] https://it.wikipedia.org/wiki/Birifrangenza; dato che queste variazioni geometriche sono causali e disperse su tutta la fibra, ciò determina un continuo scambio di energia tra le componenti a polarizzazione verticale ed orizzontale del segnale in transito, a cui si associa una dispersione temporale che dipende dalla radice della lunghezza della fibra, in una proporzione compresa tra 0.1 e 0.01 ps(Km). Normalmente questo fenomeno ha conseguenze trascurabili, ma può incidere sulle prestazioni di collegamenti lunghi ed a velocità elevata.
Effetti non lineari
Nascono dall’interazione tra la luce ed il materiale in cui si propaga, e dipendono dalla intensità del fascio ottico, ovvero da quanto questo è concentrato spazialmente. Causano perdite di intensità del segnale, rumore, interferenza intercanale nel wdm, e dispersione temporale, ma è anche possibile trarne vantaggio, come nel caso dell’amplificazione ottica, della conversione di lunghezze d’onda e della compensazione di dispersione. Possiamo distinguere due categorie di effetti non lineari:
Sono in genere fenomeni di lieve entità, ma il loro effetto si accumula durante la propagazione, e dunque come per la dispersione, dipende dalla lunghezza del tratto percorso. Ne rimandiamo la descrizione a quando saranno citati nel seguito.

16.4.2  Bilancio di collegamento

Trasduttori elettro-ottici
Sorgente λ (nm) WdT (dBm) Δλ (nm)
Si led 850 -16 50
Ge led 1300 -19 70
InGaAsP led 1300 -10 120
DFB laser 1300 -5 1
DFB laser 1550 -5 0.4
IL/DFB laser 1550 +2 0.8
Table 16.2 Caratteristiche delle sorgenti luminose
I primi ad essere usati sono stati gli economici led (Light Emitting Diode), che richiedono una circuiteria di interfaccia semplice, sono poco sensibili alle condizioni ambientali, e risultano affidabili. D’altra parte, i led raggiungono frequenze di segnalazione limitate al centinaio di Mbps, immettono nella fibra una potenza ridotta, ed emettono luce su di una gamma cromatica Δλ  > 50 nm.
Per ridurre la dispersione cromatica (e quindi raggiungere frequenze di segnalazione più elevate) occorre ricorrere ai Diodi Laser (ld)[811] [811] In particolare, con laser detti distributed feedback (dfb) si riesce ad eccitare un solo modo di emissione, producendo una luce di fatto monocromatica, la cui effettiva λ può anche essere variata in tutta la gamma che va dalla II alla III finestra., che forniscono anche una maggiore potenza, e dunque divengono indispensabili per coprire distanze maggiori[812]  [812] La potenza emessa da un laser non può aumentare a piacimento: oltre un certo valore intervengono infatti fenomeni non lineari, e la luce non è più monocromatica, causando pertanto un aumento della dispersione cromatica.; d’altra parte i ld sono più costosi, hanno vita media ridotta rispetto ai led, e richiedono condizioni di lavoro più
Dispersione nominale
Figura 16.46 Dispersione nominale per alcuni tipi di fibra
controllate. Notiamo inoltre come una fibra ottica posta inizialmente in opera mediante sorgenti led, possa essere potenziata (in termini di banda) semplicemente sostituendo il led con il laser.
L’uso di sorgenti che operano in III finestra, che (presentando una attenuazione ridotta) permette di operare con tratte più lunghe, obbligherebbe però a ridurre la frequenza di segnalazione, a causa della maggiore dispersione cromatica. Ma questa limitazione è stata superata da un particolare tipo di fibra, detta dispersion shifted (vedi fig. 16.46↑), che presenta il minimo[813] [813] La presenza di valori di dispersione negativi in fig. 16.46↑ può destare una leggittima curiosità. Ma non si tratta di un fenomeno anticausale! Come indicato dall’unità di misura (ps)/(Kmnm) di D0, la dispersione cromatica rappresenta la derivata di un ritardo rispetto a λ, derivata che dipende essa stessa da λ. Dunque, come i suoi valori positivi indicano che il ritardo aumenta con λ, e quindi le frequenze più basse (con λ maggiore) arrivano dopo di quelle più alte, i valori negativi di D0 individuano il fenomeno inverso, ovvero che il ritardo aumenta con il diminuire di λ, ovvero le frequenze più alte arrivano dopo (di quelle basse). della dispersione cromatica nominale in III finestra anziché in II, e che raggiunge valori migliori di 3.5 psec/Kmnm.
Prodotto banda-lunghezza
Come anticipato, la dispersione cromatica D risulta proporzionale alla lunghezza del collegamento L ed all’estensione cromatica Δλ della sorgente. Se pensiamo di
Prodotto banda-lunghezza
effettuare una trasmissione con codici nrz e periodo Tb  = 1fb, ed imponiamo che la dispersione temporale sia non maggioredi (1)/(4)Tb, deve risultare
(16.141) D  = D0L⋅Δλ ≤ 0.25⋅Tb
in cui D0 è la dispersione cromatica nominale [psec/Kmnm], L è la lunghezza [Km], Δλ è l’estensione cromatica della sorgente [nm], e Tb è la durata di un bit [psec]. Associando ora il concetto di banda B alla frequenza di segnalazione fb = (1)/(Tb), la relazione (16.141↑) può essere riscritta in modo da evidenziare il prodotto della banda per la lunghezza PBL, che è pari al valore
(16.142) PBLNRZ  = fbL  = (.25)/(D0⋅Δλ) [TbpsKm]
che è una grandezza dipendente dalla coppia fibra-sorgente[814]  [814] In questo senso, il prodotto banda-lunghezza costituisce un parametro di sistema che tiene conto di un concorso di cause. Un po come il concetto di tenuta di strada di una autovettura, che dipende da svariati fattori, come il peso, i pneumatici, la trazione, il fondo stradale...., e che rappresenta la relazione tra fb ed L necessaria ad ottenere D = (1)/(4)Tb. Inserendo dunque i valori di Δλ (della sorgente) e D0 (della fibra) nella (16.142↑), si ottiene una costante da usare per calcolare la banda (frequenza) massima trasmissibile per una data lunghezza (o viceversa). Qualora si usi un codice rz, i cui simboli hanno durata metà del periodo di bit Tb, la dispersione temporale tollerabile può essere elevata al 50% di Tb, e quindi in questo caso il prodotto banda-lunghezza risulta doppio[815]  [815] Tuttavia, il dimezzamento della durata di un bit causa una perdita di potenza di 3 dB, in base alle considerazioni riportate a pag. 1↓. rispetto al caso precedente:
PBLRZ = (.5)/(D0⋅Δλ)  = 2⋅PBLNRZ
In fig. 16.48↓-b) sono mostrati i valori di PBL (per il caso NRZ) associati alle accoppiate fibra-sorgente indicate.

a)







figure f12.24.png                 
b)
Fibra Sorgente λ [nm] PBL [GbpsKm]
Multimodo led 820 0.013
Graded Index led 820 2
Monomodo laser 1300 250
Monomodo laser 1550 36.8
Monomodo DS laser 1550 179
Figura 16.48 a) codice di linea; b) prodotto banda-lunghezza per tipiche coppie sorgente-fibra
EsercizioDeterminare la lunghezza massima di un collegamento in fibra ottica monomodo, operante con λ=1.3 μm, e che garantisca una velocità fb=417 Mbps, assumendo un guadagno di sistema di 42 dB (ovvero disponendo di una potenza di trasmissione 42 dB maggiore della minima potenza necessaria in ricezione).
SoluzioneDal grafico di fig. 16.45↑ si trova che per λ=1300 nm, l’attenuazione chilometrica è di 0,35 dB/Km, che determina una Ad = 0, 35⋅LKm [dB]. Imponendo ora Ad  = Gs = 42 dB, si ottiene una lunghezza pari a L = (Ad)/(0.35) = (42)/(0.35) = 120 Km, che identifica il Limite di Attenuazione del collegamento. Verifichiamo quindi che non intervenga un limite più stringente a causa della dispersione cromatica. Supponendo di utilizzare la sorgente laser in grado di conseguire un PBL di 250 GbpsKm, si ottiene una lunghezza massima pari a L = (PBL)/(fb) = (250.000)/(417) = 600 Km, che costituisce il Limite di Dispersione.
Massima lunghezza di tratta
L’esercizio svolto ha lo scopo di mostrare la metodologia di progetto per un collegamento in fibra ottica, in cui vengono calcolati entrambi i limiti di Attenuazione e di Dispersione, e la massima lunghezza del collegamento è determinata dal vincolo più stringente. Nel caso dell’esercizio, la lunghezza è determinata dal limite di attenuazione, ed il progetto può essere rivisto utilizzando una sorgente più potente per aumentare il guadagno di sistema, e di conseguenza migliorare il limite di attenuazione. In questo caso può essere opportuno prestare attenzione al fatto che, aumentando la potenza di emissione, la purezza cromatica della sorgente può degradare (in quanto si verifica un aumento di Δλ dovuto a fenomeni non lineari) con un conseguente peggioramento del limite di dispersione; è pertanto possibile ricercare la soluzione di migliore compromesso tra potenza di emissione e purezza spettrale. Qualora non si riesca a rientrare nelle specifiche di progetto con una unica tratta, occorrerà suddividere il collegamento in più segmenti, collegati da ripetitori rigenerativi (§ 15.3.2↑), oppure ripartire la banda su più fibre poste in parallelo; d’altra parte l’affermazione delle tecniche discusse al § 16.4.3↓ come wdm, amplificazione ottica e controllo della dispersione, consentono di attuare soluzioni ancora diverse.
Trasduttori ottico-elettrici
Sono i dispositivi che effettuano la conversione del segnale luminoso uscente dalla fibra ottica in uno elettrico, e per i quali, come per le sorgenti, non entriamo nei dettagli tecnologici. Il trasduttore utilizzato fin dall’inizio, economico ed affidabile, è il diodo p-i-n[816] [816] Che sta per p-intrinseco-n riferito al tipo di drogaggio del semiconduttore - vedi http://it.wikipedia.org/wiki/Diodo_PIN. Un secondo tipo di trasduttore molto usato è il diodo apd[817] [817] http://it.wikipedia.org/wiki/Fotodiodo_a_valanga (Avalanche Photo Detector), caratterizzato da un effetto valanga che lo rende più sensibile di 10-15 dB rispetto ai p-i-n; d’altra parte gli apd sono più delicati, e più sensibili alla temperatura. La tabella 16.3↑ riporta i valori di sensibilità WR (ossia la minima potenza che è necessario ricevere) di diversi fotorivelatori, necessaria a conseguire[818] [818] La consuetudine del dimensionamento dei collegamenti in fibra ottica porta a considerare ogni bit in transito nella sua purezza, senza cioè confidare (o meno) nella presenza di elaborazioni terminali come la codifica di canale, e/o il numero di bit/simbolo. In tale prospettiva, si ritiene che un valore di Pe  = 10 − 11 sia più che sufficiente a qualunque tipo di trasmissione: un errore ogni 100.000 miliardi di bit! una probabilità di errore per bit Pe  = 10 − 11.

λ WR fb
Fotorivelatore [nm] [dBm] [Mbps]
Si p-i-n 850 -48 50
Si apd 850 -58 50
InGaAs p-i-n 1310 -35 420
InGaAs apd 1310 -43 420
InGaAs p-i-n 1550 -37 1200
InGaAs apd 1550 -37.5 678
Table 16.3 Valori di sensibilità dei fotorivelatori
Sensibilità e frequenza di segnalazione
Nella tabella 16.3↑ è riportato anche il valore della frequenza di segnalazione fb a cui si riferisce la sensibilità, ma occorre tenere presente che quest’ultima peggiora all’aumentare di fb. Infatti, le prestazioni conseguite dal decisore che si trova a valle del trasduttore dipendono (pag. 1↑) da (Eb)/(N0), in cui Eb è l’energia per bit che vale Eb  = WRTb = (WR)/(fb). Pertanto, i trasduttori dimezzano la sensibilità (che aumenta di 3 dB) se la velocità fb raddoppia, in quanto si dimezza l’energia per bit Eb. La sensibilità a frequenze diverse da quelle in tabella può quindi essere calcolata come[819] [819] Questo metodo di calcolo è approssimato, in quanto nei trasduttori avvengono fenomeni non-lineari che legano il livello di potenza del rumore, alla potenza di segnale ricevuta. Trascurando questo effetto, si può applicare l’espressione (16.143↓).
(16.143) WR(fb)[dBm] = WR(fb)[dBm] + 10log(fb)/(fb)

16.4.3  Seconda generazione

Quanto finora esposto può considerarsi una prima generazione[820]  [820] Anche se, relativamente a queste prime fasi, si è soliti distinguere tre generazioni, corrispondenti all’uso delle corrispettive finestre, vedi fig. 16.45↑. di sistemi in fibra ottica (anni ’90), e per la quale assumendo un valore PBL  = 200 (fig. 16.48↑), si ottiene una lunghezza di tratta di 80 Km a 2,5 Gbps e di soli 20 Km a 10 Gbps. Da allora, si sono rese possibili nuove tecniche che consentono di aumentare di molto il PBL, che ora sono brevemente illustrate.

16.4.3.1  Amplificazione ottica

Consiste nell’aumento della dinamica (e quindi della potenza) del segnale ottico in transito, senza effettuare la conversione in segnale elettrico e viceversa, come invece accade con un ripetitore rigenerativo (§ 15.3.2↑), la cui realizzazione nel caso dei sistemi wdm (che si stavano affermando nello stesso periodo) è particolarmente complessa. In tal modo si riescono a realizzare collegamenti con i rigeneratori intervallati da circa 500 km ed amplificatori ottici ogni circa 100 Km. Il funzionamento di questi ultimi si basa sulla emissione stimolata di fotoni legata alla λ in transito, causata da un segnale di pompa elettrico o luminoso, che ne determina il guadagno.
Amplificatore in fibra drogata all’erbio
In questo caso il mezzo attivo corrisponde ad un tratto di qualche decina o centinaio di metri di fibra (appunto, drogata) in cui vengono miscelati il segnale in transito e quello di pompa. Il drogaggio a base di erbio è il tipo più diffuso in terza finestra, in quanto presenta un guadagno massimo in corrispondenza della banda c (1525 - 1565
figure EDFA.jpg
nm) e della banda l (1570 - 1610 nm). Il guadagno può raggiungere i 30 dB con un segnale di pompa di 15 mW, e dipende (in modo inverso) anche dalla potenza del segnale in transito, presentando un effetto di saturazione; inoltre il guadagno può essere non uniforme su tutta la banda (in termini di λ), ma questo fenomeno può essere compensato mediante filtri ottici. L’amplificatore edfa[821] [821] Erbium doped fiber amplifier. presenta inoltre un fattore di rumore[822] [822] La natura del rumore è ottica anziché elettrica, ed è indicato come emissione spontanea amplificata (ase) in quanto ha origine dai fotoni che si producono in modo spontaneo (anziché stimolato come nei laser), e che poi interagiscono con gli ioni di drogante producendone l’amplificazione. di 4 - 8 dB, che pone un limite al massimo numero di tratte amplificate otticamente, dopodiché occorre intercalare un ripetitore rigenerativo.
Amplificazione a semiconduttore e Raman
L’amplificatore ottico a semiconduttore (soa) è di piccole dimensioni, viene pilotato da un segnale di pompa elettrico, è più economico dell’edfa, ed opera su un ampio intervallo di λ. Di contro, il soa è più rumoroso, presenta un guadagno inferiore a quello dell’edfa, ed è affetto da fenomeni non lineari. Viene anche utilizzato come interruttore ottico nei dispositivi di multiplazione e conversione di λ.
Anche l’amplificazione Raman utilizza un segmento di fibra per mescolare il segnale in transito con quello (ottico) di pompaggio, ma a differenza dell’edfa, il guadagno non dipende dal drogaggio, ma dal verificarsi dello scattering di Raman[823] [823] https://it.wikipedia.org/wiki/Scattering_Raman che richiede un pompaggio maggiore, anche di 0.5 - 1 W, ed una lunghezza maggiore, anche alcuni km. Dato che non è necessario drogare la fibra, il metodo è applicabile ad impianti già in esercizio, ed il guadagno può essere reso uniforme su ampi intervalli di λ.

16.4.3.2  Multiplazione a divisione di lunghezza d’onda - WDM

figure f12.25.png
Il successivo passo verso l’incremento della capacità di trasporto della fibra viene compiuto applicando alle trasmissioni ottiche il principio della multiplazione a divisione di frequenza, ovvero immettendo sulla stessa fibra più di un segnale ottico, ognuno con la sua propria λ. In questo caso si parla di wdm (Wavelength Division Multiplex), che viene realizzata mediante lo schema di principio[824] [824] I dispositivi reali basano il loro funzionamento su fenomeni di diffrazione e interferenza. dei rifrattori prismatici, realizzando un circuito ottico del tipo illustrato alla figura precedente[825] [825] Si sfrutta il principio “dell’arcobaleno” (ma che a me ricorda The dark side of the moon...), in quanto uno stesso materiale (il prisma) presenta indici di rifrazione differenti per lunghezze d’onda diverse, e quindi è in grado di focalizzare più sorgenti di diverso colore in un unico raggio.. I dispositivi di multiplazione wdm sono passivi e reversibili, dato che non necessitano di alimentazione, ed lo stesso apparato può indifferentemente svolgere una funzione e la sua inversa. Nondimeno, spesso al multiplatore è fatto seguire uno stadio di amplificazione ottica.
figure f12.255.png
Nella figura a lato si illustra come le diverse portanti ottiche vengano disposte nelle regioni a bassa attenuazione[826]  [826] Sono anche prodotte delle fibre prive dello ione oh responsabile del picco di assorbimento a 1.4 μm, dette dry fibre, per le quali è possibile allocare portanti in una regione veramente estesa!. In funzione di quante portanti vengano utilizzate, si distingue tra il caso di coarse wdm o cwdm, con al massimo 16 λ, e quello di dense wdm o dwdm. Nel dwdm sono previste 40 portanti spaziate di 100 GHz nella banda c[827] [827] Le portanti sono centrate attorno f0  = 193 THz. Ricordando che λ  = vf0 e ponendo vc = 3⋅108 m/sec, otteniamo che alla f0 corrisponde λ = 3⋅108193⋅1012  = 1554 nm, mentre una spaziatura tre le f0 di 100 GHz equivale ad un Δλ = c(1f2 − 1f1)≃0.8 nm; pertanto, 40 portanti occupano un intervallo di 32 nm, e dunque entrano perfettamente nei 1565 - 1525 = 40 nm della banda c., oppure 80 portanti spaziate di 50 GHz, su ognuna delle quali inviare un segnale con velocità 10 Gbps, per una capacità complessiva da 400 ad 800 Gbps; capacità che può ulteriormente raddoppiare, qualora venga utilizzata allo stesso tempo anche la banda l.
I sistemi dwdm necessitano di dispositivi dotati di notevole stabilità in frequenza, dotati di controllo della temperatura, e dato che il loro uso è in pratica relegato alle dorsali ad alta velocità, soffrono di un prezzo elevato a causa del mercato ristretto. L’amplificazione dei collegamenti dwdm viene tipicamente svolta mediante edfa, che a differenza dei soa non produce effetti di intermodulazione tra canali; d’altra parte, devono esser prese contromisure rispetto alle irregolarità del guadagno tra le diverse portanti[828] [828] Ancor più grave se l’irregolarità si ripete uguale su diverse sezioni consecutive di amplificazione, e che può essere affrontata interponendo filtri ottici progettati in modo da compensare le differenze di guadagno., e tener presente che l’amplificazione della banda l necessita di una lunghezza di fibra maggiore rispetto alla banda c, svolta pertanto su due tratte consecutive. Inoltre, livelli eccessivi di potenza (che per il dwdm è moltiplicata per il numero di λ attive) intensificano i fenomeni non lineari (pag. 1↑) che possono portare ad interferenza tra canali.
Un importante risultato della trasmissione dwdm è che, ospitando differenti tributari ad alta velocità su diverse λ, decadono quelle esigenze di sincronizzazione tipiche dei sistemi tdm, e si realizza una sorta di trasparenza in quanto scompaiono i dispositivi strettamente legati al tipo di segnale trasportato.

16.4.3.3  Controllo della dispersione

Con l’avvento degli amplificatori ottici, la massima lunghezza di un collegamento in fibra non è più limitata dalla sua attenuazione, ma solo dai fenomeni di dispersione temporale, e da quelli non lineari. In realtà l’amplificazione ottica peggiora i fenomeni di dispersione, dato che in assenza di uno stadio di rigenerazione, queste degradazioni si accumulano di amplificatore in amplificatore; per questo motivo, sono state sviluppate le tecniche di gestione della dispersione. Alcune di queste agiscono al trasmettitore od al ricevitore, rispettivamente in modo da predistorcere il segnale, oppure di equalizzarlo, facendo ricorso a tecniche di demodulazione coerente, od a tecniche non lineari. In tal modo però non si riesce ad andare oltre un semplice raddoppio del PBL.
Fibre compensatrici
Il fenomeno della dispersione cromatica può essere tenuto sotto controllo anche per collegamenti di migliaia di chilometri inserendo lungo gli stessi alcune tratte di fibra con un coefficiente di dispersione D0 negativo, e quindi in grado di invertire l’effetto prodotto sulle diverse componenti cromatiche[829]  [829] Facendo riferimento alla fig. 16.46↑, notiamo come per una fibra normale D0 in terza finestra sia positivo, ed aumenti con λ. Per invertire questo fenomeno, la fibra compensatrice oltre ad avere un D0 negativo, deve anche variarne il valore con un andamento complementare a quello della fibra da compensare, in particolar modo nel caso di trasmissione dwdm..
figure DCF.png
Tipicamente occorre inserire qualche km di fibra compensatrice (detta dcf) ogni cinquantina di km di collegamento, applicando la relazione D0L0  + DDCFLDCF = 0 in cui il pedice DCF individua dispersione e lunghezza della fibra compensatrice. E’ una soluzione sempre più diffusa, anche in virtù della progressiva riduzione della perdita di potenza che ne caratterizzava le prime realizzazioni.
Filtri ottici
E’ una soluzione che evita di allungare il collegamento con le dcf, ed opera inserendo filtri interferometrici, o basati su reticolo[830]  [830] Traduzione di grating, con cui si descrive una alterazione periodica di un parametro fisico, vedi ad es. https://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_Bragg_grating. , subito dopo gli amplificatori ottici, sia per motivi logistici, che per compensare le perdite introdotte dai filtri; questi possono inoltre svolgere anche una funzione di controllo del rumore e di normalizzazione del guadagno dell’amplificatore ottico.

16.4.4  Sistemi in fibra ottica

Fin qui le fibre ottiche sono state descritte come mezzo trasmissivo per un collegamenti punto-punto ad alta velocità, mentre il loro utilizzo si è esteso alla rete di accesso e distribuzione, e sono stati sviluppati dispositivi in grado di interconnettere i nodi di rete e svolgere le operazioni di instradamento operando direttamente a livello ottico, senza dunque dover passare dal dominio elettrico, con evidenti vantaggi e semplificazioni da un punto di vista realizzativo.

16.4.4.1  Dalle fibre ottiche alle reti ottiche

figure Wavelength-routed-network.jpg
La trasmissione wdm permette di realizzare lo schema di rete ottica mostrato in figura e detta wavelength routed optical network, in cui ad ogni tributario è assegnata una λ che lo identifica da estremo ad estremo; in realtà ciò che viene realizzato è uno schema di instradamento del tipo a circuito virtuale (pag. 1↓), e l’effettiva λ associata ad un circuito cambia di nodo in nodo. A tal fine, sono stati sviluppati i seguenti dispositivi, che permettono di realizzare in forma completamente ottica le funzioni svolte da quelli descritti al § 19.6.1↓.
Multiplatori e demultiplatori
passivi che rispettivamente convogliano più λ in unica fibra, oppure le estraggono,
figure ADM-fibra.png
oppure ancora che combinati assieme ad un commutatore a due vie permettono la funzionalità optical add and drop (vedi § 19.3.4.2↓) o oadm, come mostrato nella figura a fianco.
Accoppiatori a stella
(o star copulers) che assemblano le λ provenienti da sorgenti diverse in un unico flusso wdm, che viene quindi inoltrato a molteplici ricevitori mediante altrettante fibre di uscita[831] [831] In questo modo si realizza una rete di tipo broadcast (ovvero non switchata) qualora ogni nodo terminale emetta su di una sua propria λ, e riceva quelle emesse dagli altri nodi..
Convertitori di lunghezza d’onda
basati su effetti non lineari[832]  [832] Come la cross gain modulation che si manifesta nei soa, il cui il guadagno satura con la potenza in transito. Quando al segnale ook in arrivo con λ1 è mescolato quello (debole e continuo) di pompa con λ2, il guadagno satura nei periodi di bit di λ1, mentre invece quando λ1 è spenta, λ2 viene amplificato. Un filtro ottico rimuove λ1, e la sua informazione è stata trasferita su λ2, con segno invertito; altri schemi risolvono anche questo aspetto. Altri dispositivi fanno uso dell’effetto fwm, in cui la presenza di λ1 e λp = 2(λ1λ2)/(λ1  + λ2) (di pompa) produce la comparsa di λ2 in uscita., che pur se più costosi di altri componenti, permettono (come discutiamo sotto) di realizzare instradamenti non bloccanti.
Optical cross-connects
(oxc) che svolgono la funzione di commutazione ed instradamento dei segnali ottici, di cui è possibile distinguere, in ordine di complessità e di costo, tra:
(a)figure switch-ottico.png (b)figure wave-router.png
Figura 16.55 (a) commutatore di lunghezza d’onda; (b) wavelength router;

16.4.4.2  Rete ottica di trasporto

Al § 19.4↓ viene descritta la rete sdh, che offre un servizio di trasporto a divisione di tempo per tributari di diverso tipo: ma l’architettura descritta al § 19.6↓ prevede la fibra solo come mezzo trasmissivo tra dispositivi, che invece operano in modalità elettronica, e necessitano di una conversione elettro-ottica ad ogni porta di i/o. Una rete ottica (otn) come quella sopra descritta, al contrario, svolge tutte le funzioni direttamente nel dominio ottico, ed a questo fine sono stati definiti gli standard necessari a permettere l’interconnessione dei dispositivi ed il loro controllo. D’altra parte, non si è ancora in grado di evitare del tutto le forme di degradazione legate al rumore introdotto dagli amplificatori ottici e dai fenomeni non lineari; pertanto, convivono isole di trasparenza ottica, interconnesse tra loro mediante stadi di completa rigenerazione.
L’approfondimento necessario a descrivere l’architettura di una otn, e le modalità atte ad ospitare traffico eterogeneo (sdh, Ethernet, atm, ip) travalica i limiti di questo testo, per cui si rimanda ad alcune risorse Internet[835] [835]  .

16.4.4.3  Rete passiva di distribuzione

Nella maggior parte dei casi il collegamento in fibra termina presso la propria centrale telefonica, dove sono alloggiati i dslam (§ 19.9.4↓) che inviano il segnale adsl all’utente finale mediante un collegamento in rame, con la velocità consentita da questa tecnologia. Ma attualmente il collegamento in fibra ottica si avvicina sempre più alla residenza dell’utente finale, e viene classificato con una sigla del tipo fttx, che sta per fiber to the “x”, in cui la x indica appunto fin dove arriva la fibra. In tal senso, possiamo distinguere tra
Nell’ultimo caso la fibra ottica entra direttamente in casa; per ridurre complessità e costi, quest’ultima tratta è priva di
figure FTTx.png
apparati attivi[836] [836] Che per questo motivo prende il nome di passive optical network o pon, vedi anche https://it.wikipedia.org/wiki/FTTx e , e si basa sullo splitting del segnale ottico, che raggiunge in broadcast tutti gli utenti serviti dalla stessa fibra, i quali si avvalgono poi di meccanismi di indirizzamento e crittografici per recuperare solo ciò che è effettivamente indirizzato loro.

16.4.5  Ridondanza e pericoli naturali

Le fibre vengono normalmente interrate, e per questo sono esposte ai pericoli di essere attaccate da roditori, o di essere interrotte a causa di lavori stradali od agricoli. Quelle sottomarine sono a rischio per via di squali e reti a strascico. E’ più che opportuno prevedere una adeguata ridondanza (vedi § 19.6.3↓), in modo che in caso di interruzione di un collegamento sia possibile deviarne il traffico su di un altro.
  Sezione 16.3: Collegamenti radio Su  Capitolo 16: Collegamenti e mezzi trasmissivi Sezione 16.5: Appendici 
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