Attenuazione della fibra ottica

L'attenuazione è ogni tipo di fenomeno che causa la diminuzione della potenza del segnale propagato, ma non influenza la sua forma.

Il parametro di attenuazione unitaria a viene utilizzato nella descrizione matematica delle perdite di potenza nella fibra ottica, causate dall'attenuazione, ed è misurato su una distanza di 1 km. È espresso in dB/km e definito dalla seguente formula:

P(l₁) i P(l₂) – potenza ottica misurata nella fibra ottica nei punti l₁ e l₂ distanti tra loro di L

L'attenuazione aumenta esponenzialmente all'aumentare della lunghezza della fibra, riducendo così la gamma di trasmissione. L'aumento dell'attenuazione di 3 dB corrisponde alla caduta della potenza del segnale propagato del 50%.

Le perdite di potenza causate dall'attenuazione comprendono i fenomeni basati su materiale, relativi alle proprietà fisiche del materiale del nucleo e le perdite di guida d'onda derivanti dalla struttura della fibra ottica (fig. 1). Le perdite di materiale includono tutti i tipi di assorbimenti e dispersione (scattering). Le perdite di guida d'onda sono le perdite di energia causate da, per esempio: micropiegature e macropiegature, non uniformità della distribuzione dell'indice di rifrazione della luce al confine nucleo-mantello o fluttuazioni del diametro o la forma di questo confine.

L'assorbimento è un fenomeno che consiste nel trasmettere l'energia di un'onda elettromagnetica al materiale del centro dove l'onda viene propagata (fig. 2). Questa energia viene poi dissipata in forma di oscillazione delle particelle (principalmente oscillazioni termiche) o attraverso l'emissione. L'energia può essere assorbita da una particella solo in porzioni strettamente determinate (quanti) che sono determinate dalla frequenza dell'onda elettromagnetica ν. Con l'assorbimento del fotone viene trasferita l'energia necessaria per indurre una particella al livello energetico superiore, riducendo così il flusso luminoso.

In fibre ottiche per telecomunicazioni e multimediali, l'assorbimento attraverso l'inquinamento, in particolare ioni -OH, gioca il ruolo più importante. L'assorbimento nell'infrarosso e l'assorbimento nella gamma UV sono meno significativi.

Per le onde con una lunghezza di 0,95 μm e 1,38 μm, le perdite ottiche sono particolarmente influenzate dalla presenza di ioni -OH per cui vi sono, rispettivamente, la terza e la seconda armonica di oscillazioni. Per la lunghezza d'onda di 1,23 μm, si sovrappongono le oscillazioni di ioni -OH con legami Si-O, Cu²⁺, Fe²⁺, Cr³⁺ e H₂ (fig. 1 – B). La presenza di ioni -OH è il residuo dopo la contaminazione con il vapore acqueo durante il processo di fabbricazione. Aggiungendo gli additivi appropriati, è possibile influenzare non solo la variazione dell'indice di rifrazione della luce n, ma anche l'aumento dell'assorbimento (fig. 3).

Fig. 3 Dipendenza dell'attenuazione unitaria [a] dalla variazione dell'indice di rifrazione della luce Δn in una fibra ottica monomodale in quarzo con una lunghezza d'onda di 1 μm

L'assorbimento nell'ultravioletto raggiunge il valore massimo alla lunghezza d'onda di 0,2 μm. Ciò è dovuto all'espulsione di elettroni di valenza da fotoni alla banda di conducibilità. Per onde superiori a 0,8 μm, l'assorbimento in UV è trascurabile (fig. 1 – C).

Le proprietà del vetro di quarzo dimostrano che quando la lunghezza d'onda cresce sopra 1,6 μm, aumenta anche l'assorbimento nell'infrarosso (fig. 1 – D). Con la lunghezza d'onda di 9 μm le strutture cristalline Si0₂ sono esposte alla risonanza, di conseguenza, l'attenuazione raggiunge il valore massimo e la fibra ottica cessa di essere trasparente.

La dispersione (scattering) è un cambiamento della direzione della radiazione propagata causato dalla non uniformità del materiale a livello molecolare.
Una funzione prevalente in fibre ottiche per telecomunicazioni e multimediali viene eseguita dallo scattering di Rayleigh; vi è anche lo scattering di Mie e lo scattering forzato di Raman e Brillouin.

Il motivo per il verificarsi dello scattering di Rayleigh (RR) è la non uniformità del materiale del nucleo (causata dall'imperfezione della struttura del vetro) con le dimensioni notevolmente inferiori a 0,03 λ. RR è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda della luce (fig. 1 - A), determinando così il limite di utilizzabilità di fibre ottiche di quarzo per le onde inferiori a 0,7 μm. L'attenuazione dipendente da RR (a_R) è descritta dalla seguente formula:

k – è una costante del materiale compresa nell'intervallo da 0,7 a 0,8 (a seconda della quantità di additivi)

RR avviene nel modo seguente: la componente elettrica dell'onda elettromagnetica incidente induce il momento dipolo elettrico oscillante alla frequenza dell'onda. Il dipolo assorbe il quanto di luce e lo emette immediatamente alla frequenza pari alla frequenza di oscillazione del dipolo e, così, dell'onda incidente (fig. 4). La direzione dell'onda dispersa è casuale, ma è meno probabile che siano emesse le onde parallele all'asse del dipolo.

Lo scattering di Mie (RM) si verifica quando l'onda di luce viene dispersa su particelle o aggregati di molecole con la dimensione comparabile o maggiore della lunghezza d'onda. Questo processo non è direttamente correlato alla lunghezza d'onda dispersa, ma al quoziente della dimensione della particella e la lunghezza d'onda. È descritto con il parametro α.

r – raggio della particella

Quando la dimensione della particella è paragonabile alla lunghezza d'onda, la dispersione è (approssimativamente) uniforme in tutte le direzioni. Con l'aumento del valore del quoziente r/λ aumenta l'asimmetria nella dispersione osservata (fig. 5). Quando r>>λ, la dispersione nella direzione coerente con l'onda dispersa è prevalente (scattering in avanti), e la variazione della lunghezza d'onda incidente è praticamente trascurabile.

Fig. 5 Scattering di Mie. Scattering sulle imperfezioni del materiale del nucleo della fibra ottica: A) – paragonabili/maggiori della lunghezza d'onda della luce, B) – molto maggiori della lunghezza d'onda della luce

Attraverso il miglioramento del processo tecnologico di fabbricazione di fibre ottiche, sono state eliminate (in gran parte) le bolle di gas, così come le aggregazioni di elementi additivi o cristalliti, riducendo così le perdite di potenza causate da RM al valore di 0,03 dB/km.

Lo scattering forzato di Brillouin (SBS) e lo scattering forzato di Raman (SRS) sono fenomeni non lineari. L'interazione tra l'onda elettromagnetica e il materiale del centro avviene dopo aver superato il valore limite della potenza ottica.

SBS si verifica quando in cavi di fibra ottica ci sono modi con una potenza ottica di diversi mW. Quindi è formata un'onda inversa e l'energia dei fotoni viene trasferita attraverso la materia del centro ai fotoni acustici. Inoltre, la frequenza del modo viene spostata di:

n – indice di rifrazione della luce
ν – velocità dell'onda sonora nel centro

SRS si verifica dopo aver superato la potenza ottica di 1 W e consiste nell'impatto dei modi con vibrazioni molecolari del materiale del centro. La luce, pur essendo dispersa, trasferisce il quanto di energia del fotone alla particella disperdente e cambia la sua frequenza. Di conseguenza, è ridotta la potenza ottica dei modi con maggiore frequenza (modi di sondaggio) e aumenta la potenza (pompaggio) dell'onda con frequenza minore della frequenza di Stokes. Nelle fibre ottiche di silicio, ogni due onde con la differenza di frequenza di 15 THz verranno accoppiate attraverso SRS.

Un'altra fonte di perdite sono lepiegature della fibra, sia quelle macro sia quelle micro.

Un'onda che si propaga lungo la fibra ottica e incontra una piegatura incide sul confine tra il mantello e il nucleo a un angolo diverso da quello su un tratto dritto della fibra ottica. Quando l'angolo di incidenza è inferiore all'angolo limite, non si verificano i fenomeni di riflessione interna totale. I modi condotti sono sono parzialmente convertiti ai modi radianti, di conseguenza, avviene la rifrazione al di là del nucleo della fibra ottica e anche oltre il mantello (fig. 4). Una parte dell'energia è persa.

Le perdite che si formano sulle piegature sono inevitabili, possono essere minimizzate tramite la riduzione del numero di piegature, e nei luoghi in cui sono necessarie, utilizzando le piegature con il più grande raggio di curvatura possibile. Ogni produttore di fibre ottiche specifica il raggio di piegatura minimo che deve essere preso in considerazione durante la posa del cavo. Questo è un parametro che non deve essere modificato per non deteriorare significativamente i parametri del cavo.

Le micropiegature sono formate nella fase di produzione di fibre. Questo concetto comprende tutti i tipi di irregolarità della forma del confine tra il nucleo e il mantello, che sono accidentali (microfessure, aggregazioni di additivi, bolle di gas) e ciclici (ad esempio, modifiche del diametro o la geometria del nucleo o microfessure dovute all'aumento periodico della tensione durante l'avvolgimento della fibra sul tamburo).

Le micropiegature in fibre ottiche multimodali causano l'accoppiamento dei modi e la conversione dell'energia dei modi condotti ai modi radianti. In fibre ottiche monomodali esse causano la sfocatura dei modi.