Nuova tecnologia aumenta l'affidabilità del segnale in fibra ottica

Immaginate veicoli su un'autostrada che gradualmente perdono potenza durante il loro viaggio, finendo per non raggiungere la loro destinazione. La comunicazione in fibra ottica affronta una sfida simile: l'attenuazione. Essendo la spina dorsale della comunicazione moderna, le prestazioni della fibra ottica hanno un impatto diretto sull'efficienza e sulla qualità della trasmissione dei dati. Tuttavia, come i cavi in rame, anche la fibra ottica subisce l'attenuazione del segnale durante la trasmissione, portando alla perdita di informazioni. Comprendere e affrontare l'attenuazione della fibra è fondamentale per mantenere una comunicazione stabile e ad alta velocità.

Questo articolo esplora le cause, gli effetti e le strategie di mitigazione dell'attenuazione della fibra ottica, fornendo approfondimenti sui meccanismi fondamentali della comunicazione ottica e su come ottimizzare la progettazione e la manutenzione della rete.

L'attenuazione della fibra si riferisce alla perdita di energia dei segnali ottici durante la trasmissione attraverso i cavi in fibra. Questa perdita si manifesta come una riduzione della potenza ottica, che influisce direttamente sulla distanza di comunicazione e sulla qualità del segnale. La comprensione dei tipi e dei fattori che influenzano l'attenuazione consente di adottare misure efficaci per ridurre al minimo il degrado del segnale e migliorare le prestazioni del sistema in fibra ottica.

L'attenuazione della fibra deriva da molteplici fenomeni fisici che agiscono in combinazione. Le tre cause principali sono lo scattering, l'assorbimento e le perdite per flessione.

Lo scattering costituisce la principale fonte di attenuazione della fibra, rappresentando dal 95% al 97% della perdita totale del segnale. Quando la luce viaggia attraverso la fibra, interagisce con le strutture microscopiche e le particelle presenti nel materiale della fibra, causando la dispersione dei raggi in varie direzioni. Questa dispersione devia alcuni segnali ottici dal loro percorso previsto, con conseguente perdita di energia.

Il fenomeno di scattering dominante è lo scattering di Rayleigh, descritto per la prima volta dal fisico britannico Lord Rayleigh alla fine del XIX secolo. Lo scattering di Rayleigh è correlato alla lunghezza d'onda della luce e alle dimensioni delle particelle: le lunghezze d'onda più corte si disperdono più facilmente. Questo spiega perché il cielo appare blu: le lunghezze d'onda blu della luce solare si disperdono più facilmente attraverso le particelle atmosferiche.

Nella fibra ottica, le lunghezze d'onda infrarosse subiscono meno scattering rispetto alla luce visibile a causa delle loro lunghezze d'onda maggiori, rendendole ideali per la comunicazione ottica.

L'assorbimento rappresenta tipicamente dal 3% al 5% dell'attenuazione totale della fibra. Anche il vetro altamente trasparente assorbe un po' di luce. I livelli di assorbimento dipendono dal tipo di materiale della fibra e dalla lunghezza d'onda del segnale. Similmente a come gli occhiali da sole assorbono determinate frequenze di luce, le impurità nella fibra ottica assorbono l'energia del segnale, convertendola in calore.

Contaminanti come particelle metalliche o umidità ostacolano la trasmissione del segnale attraverso l'assorbimento di energia. La riduzione al minimo dell'assorbimento richiede vetro ad alta purezza, droganti specializzati e una rigorosa eliminazione delle impurità durante la produzione.

La perdita per flessione si verifica quando la curvatura della fibra altera il percorso della luce, impedendo ad alcuni segnali di soddisfare le condizioni di riflessione interna totale. Ciò fa sì che la luce esca dalla fibra, con conseguente perdita di energia. La perdita per flessione si presenta in due forme: microflessione e macroflessione.

• Perdita per microflessione: Deformazioni impercettibili su piccola scala (raggi di curvatura inferiori a 1 cm) causate da fluttuazioni di temperatura, pressione o sollecitazioni meccaniche. Queste microcurve disperdono la luce, degradando la qualità della trasmissione. Sebbene invisibili ad occhio nudo, le microcurve modificano l'angolo di incidenza della luce, causando la riflessione delle modalità di ordine superiore ad angoli che impediscono la propagazione continua, portando all'assorbimento del rivestimento.
• Perdita per macroflessione: Curve visibili su larga scala (raggi superiori a 1 cm) dovute a variazioni significative di temperatura, variazioni di pressione o sollecitazioni meccaniche come la flessione o la tensione del cavo. Simile alla microflessione, ma con raggi maggiori, le macrocurve alterano gli angoli di incidenza in modo tale che parte della luce si riflette all'esterno del nucleo della fibra, venendo assorbita dal rivestimento.

Progettazioni di cavi specializzate e tecniche di installazione riducono al minimo gli effetti della flessione, comprese misure protettive come morsetti o vassoi per cavi per proteggere le fibre da sollecitazioni esterne.

L'attenuazione è misurata in decibel per chilometro (dB/km), convertibile in valori di perdita (in dB) per lunghezze di cavo specifiche.

• Impatto della lunghezza d'onda: Le lunghezze d'onda più corte subiscono un assorbimento maggiore, rendendo l'attenuazione della fibra monomodale inferiore a quella della fibra multimodale a lunghezze uguali.
• Impatto della lunghezza: Le fibre più lunghe subiscono una maggiore perdita di energia dovuta allo scattering e all'assorbimento. La fibra monomodale mantiene un'attenuazione inferiore rispetto alla multimodale su distanze identiche.
• Impatto ambientale: L'attenuazione aumenta leggermente con la temperatura, ma diminuisce con l'umidità quando i nuclei dei cavi rimangono asciutti.
• Impatto della struttura della fibra: I centri dei cavi mostrano un'attenuazione maggiore rispetto ai bordi durante i calcoli.

Le fibre monomodali e multimodali dimostrano caratteristiche di attenuazione distinte. Mentre la fibra multimodale mostra una perdita maggiore rispetto alla monomodale a lunghezze uguali, nelle applicazioni a lunga distanza (oltre i 100 metri), l'attenuazione della multimodale diventa relativamente inferiore a quella della monomodale sulle rispettive distanze ottimali.

L'attenuazione è una considerazione critica nella progettazione e nell'implementazione della rete in fibra, che determina le distanze massime di trasmissione prima di richiedere l'amplificazione o la rigenerazione del segnale. La riduzione al minimo dell'attenuazione prevede l'utilizzo di cavi e componenti in fibra di alta qualità, tipicamente installati all'interno di guaine protettive per ridurre gli impatti ambientali dovuti alla temperatura e all'umidità. Una comprensione completa dell'attenuazione della fibra consente una migliore pianificazione della rete.

Sebbene l'attenuazione della fibra sia inevitabile nella comunicazione ottica, una conoscenza approfondita delle sue cause e dei fattori che la influenzano consente strategie di mitigazione efficaci per migliorare le prestazioni del sistema. La selezione di lunghezze d'onda ottimali, l'impiego di materiali di alta qualità, l'ottimizzazione della progettazione e dell'installazione dei cavi e il controllo delle condizioni ambientali contribuiscono tutti alla riduzione dell'attenuazione. Solo padroneggiando i principi dell'attenuazione possiamo costruire reti in fibra ottica stabili e affidabili che costituiscono le fondamenta della moderna società dell'informazione.