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Cavi in Fibra Ottica

Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce (propagazione guidata), e che trovano importanti applicazioni in telecomunicazioni, diagnostica medica e illuminotecnica.

La fibra ottica è una  guida d’onda dielettrica capace di confinare e guidare la luce.   Essa consiste essenzialmente in un nucleo interno trasparente (core) circondato da un altro mezzo  dielettrico con indice di rifrazione più basso:  mantello (cladding).   La sezione della fibra è circolare. Le guide d’onda ottiche hanno delle proprietà che le rendono adatte  all’impiego nelle telecomunicazioni.  La loro bassa attenuazione e la loro banda passante sono particolarmente rilevanti per collegamenti  su lunghe distanze e ad elevate velocità di cifra (bit rate).  Esse offrono anche altri vantaggi, quali l’immunità alle interferenze elettromagnetiche, la piccola  dimensione, il basso peso e l’alta sicurezza contro l’accesso non autorizzato alle informazioni  (riservatezza).

Oggi sono  disponibili vari tipi di fibra ottica con caratteristiche a volte radicalmente differenti. 

Storicamente le primissime fibre adatte per le telecomunicazioni avevano un nucleo con dimensioni  dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d’onda della luce (diametro di pochi micron), ed  erano perciò “monomodali”.

La preoccupazione per i problemi di accoppiamento con le sorgenti e di giunzione, portò allo sviluppo  di fibre dotate di core multimodale, dalle dimensioni di alcune decine di micron.  Queste fibre furono le prime a diffondersi a livello commerciale grazie al contemporaneo sviluppo di  sorgenti laser all’arseniuro di gallio funzionanti a lunghezze d’onda di 800 – 900 nm (prima finestra).   Successivamente ulteriori ricerche dimostrano che attenuazioni inferiori e bande superiori potevano  essere ottenute a lunghezza d’onda attorno a 1300 nm (seconda finestra).  Corrispondentemente veniva sviluppata una nuova famiglia di diodi laser al fosfo–arseniuro di  gallio–indio (InGaAsP) capaci di emettere nell’infrarosso appunto a 1300 nm.  Ulteriori sforzi hanno consentito lo sviluppo di fibre e componenti monomodali per terza finestra  (1550 nm) dove è collocato il minimo assoluto dell’attenuazione delle fibre. Attualmente si producono fibre monomodali che possono lavorare alla lunghezza d’onda di 1625 nm.

Il mezzo materiale di base di cui è costituita una fibra ottica è il vetro.
Vetro è un termine generico che indica in realtà ben definiti composti a base di ossidi per esempio  ossido di silicio (SiO2), di fosforo (P2O5), di germanio (GeO2).  Il materiale di base, che allo stato attuale è SiO2, viene poi drogato con piccolissime quantità di GeO2  e P2O5 per differenziare l’indice di rifrazione tra core e cladding. A questo punto la struttura guidante, completamente dielettrica, sarebbe pronta ma, allo scopo di  fornirle la resistenza meccanica necessaria per poterla manipolare e avvolgere per una certa  lunghezza su bobine viene rivestita con resine acriliche (coating)

In conclusione la produzione delle fibre ottiche parte dalla realizzazione di una preforma e si  completa per mezzo di una opportuna torre di filatura nella quale la preforma,  portata ad oltre 2000 °C collassa e viene tirata fino a raggiungere il diametro di 125 micron.  Sulla stessa torre viene deposto l’acrilato che porta il diametro finale a 250 micron 

Informazioni

  • Viale G. Marconi, 31 25020 Dello - Brescia
  • +39 030 9771911
  • +39 030 9971260
  • info@mbcavi.it
Come già accennato le fibre ottiche si suddividono in due gruppi principali: fibre ottiche multimodali e fibre ottiche monomodali.

Le fibre ottiche multimodali hanno la caratteristica di trasportare un grandissimo numero di modi guidati, hanno  diametro di core dell’ordine del centinaio di micron quelle con profilo a salto d’indice, mentre sono  state unificate con diametro di 50 micron e 62,5 micron quelle con profilo graduale.  L’apertura numerica tipica è pari a 0.2, mentre le lunghezze d’onda utilizzate sono 850 nm  oppure 1300 nm. 

Le fibre ottiche monomodali sono progettate per trasportare un solo modo, il fondamentale e  perciò hanno diametro di core sensibilmente più piccolo, (meno di una decina di micron) e apertura  numerica dell’ordine di 0.1. Le lunghezze d’onda di lavoro sono 1310 e 1550 nm. Le fibre di ultima generazione prevedono una lunghezza d’onda di lavoro anche a 1625 nm. La trasmissione delle informazioni su fibra ottica avviene attraverso la propagazione di energia  luminosa inviata in fibra sottoforma di impulsi confinati nel nucleo (core).  

Il meccanismo di trasmissione di un segnale luminoso attraverso una fibra ottica è quello della  propagazione guidata secondo il fenomeno della riflessione e della rifrazione.

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Tecnologie di fabbricazione dei cavi otticia

I cavi ottici riuniscono in un’unica struttura un insieme di più fibre, garantendone le prestazioni per un  tempo sufficientemente lungo nelle condizioni ambientali previste per l’impiego.
All’interno del cavo le fibre devono risultare protette dalle sollecitazioni esterne originate dalle  operazioni di costruzione, di installazione e di esercizio del cavo.
L’assenza di sollecitazioni sulle fibre è un requisito indispensabile per la conservazione delle loro  proprietà meccaniche e trasmissive e quindi per la loro durata. Le sollecitazioni possono essere sia di natura meccanica sia termica. 
Quelle di natura meccanica, nascono in sede di costruzione e di posa del cavo, quelle di natura  termica sono causate dalle escursioni di temperatura cui il cavo è sottoposto.  Esse si traducono in sollecitazioni meccaniche di trazione e compressione dovuta ai movimenti dei  materiali plastici contenuti nel cavo al variare della temperatura.
Il comportamento termico della plastica è assai diverso da quello della silice avendo la plastica un  coefficiente di dilatazione termica superiore a quello delle silice. Le richieste condizioni di equilibrio si ottengono con la adozione di elementi di rinforzo aventi il  compito di contrastare le sollecitazioni assiali sia di trazione che di compressione che agiscono  sulle fibre. Tali elementi sono in genere costituiti da tondini di vetroresina, o da filati sintetici ad elevata  resistenza meccanica.

La scelta e il dimensionamento dei materiali impiegati nella costruzione di cavo ottico sono fra gli  aspetti più rilevanti della progettazione del cavo stesso.

Gli elementi costitutivi di un cavo ottico sono: 
• elemento centrale di supporto (per i cavi a più tubetti);
• fibre ottiche;
• elemento periferico di tiro;
• guaina esterna.

A seconda delle condizioni di installazione si possono distinguere in:

• cavi in fibra ottica per posa direttamente interrata;
• cavi  in fibra ottica per posa in canalizzazione;
• cavi  in fibra ottica per posa aerea;
• cavi  in fibra ottica subacquei e sottomarini;
• cavi  in fibra ottica per interno di edifici.

Installazione dei cavi ottici  

L’avvento dei cavi ottici ha prodotto lo sviluppo di diverse tecniche di posa per ottimizzare i tempi di  installazione ed i costi.
Si è cercato innanzitutto di ridurre il peso e le dimensioni dei cavi curando gli aspetti di flessibilità senza  penalizzare eccessivamente le resistenza a schiacciamento ad agli stressi casuali. Si sono prodotti quindi cavi adatti ad essere tirati oppure spinti con diversi metodi (con aria o acqua),  cavi per posa direttamene interrata oppure in tubi di contenimento cavi per posa aerea, sia su lunghe che  brevi campate.
Inoltre, particolarmente in ambito metropolitano, sono state sviluppate tecniche di posa poco invasive che  consentono di installare i cavi ottici rapidamente minimizzando i disagi verso l’ambiente esterno. In fig. 12 bis viene riportato un esempio tipico di installazione di un cavo ottico in tubazione dedicata.


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