Più volte, nel corso dei capitoli precedenti, abbiamo accennato che i problemi maggiori nell'uso delle fibre ottiche per sistemi di comunicazione a lunga distanza si trovano nell'accoppiamento della fibra ottica con la sorgente luminosa, il rivelatore, e, soprattutto, nella giunzione di più tratti di fibra. Per questo motivo a fianco delle aziende produttrici di componenti optoelettronici sono sorte aziende specializzate nella progettazione e realizzazione di tutti quei componenti marginali ma che, nel caso delle trasmissioni su fibra ottica, assumono un ruolo particolare (connettori, adattatori, convertitori, ecc.).
Nel seguito faremo un breve accenno ai vari tipi di accessori che possono far parte di un sistema di comunicazione su fibra ottica con particolare riferimento alle tecnologie utilizzate per l'intefacciamento dei diversi sistemi di comunicazione attualmente in funzione.
Durante il percorso tra trasmettitore e ricevitore ci sono punti di connessione tra più tratti di fibra. Ciascuna connessione contribuisce alla perdita totale di potenza sperimentata dal segnale. Esistono, sostanzialmente, due tipi di connessione: la giuntura (splice), che consente una connessione permanente tra due tratti di fibra, e l'unione tramite connettore, tra due tratti o con un apparato fisso alla terminazione della linea, che consente la riutilizzazione della linea (configurabilità). La funzione del connettore (giunto) è permettere un meccanismo di accoppiamento meccanico che attraverso l'esatto allineamento degli assi delle due fibre minimizzi le perdite.
Le perdite possono essere contenute agendo su tre fattori:
Bisogna, comunque, dire che per quanto riguarda il problema delle perdite di potenza del segnale si sono fatti grandi passi avanti se si pensa che nei primi anni di utilizzo delle fibre ottiche una perdita di 1.5 dB era considerata accettabile; i connettori utilizzati oggi, infatti, causano perdite di 0.3 dB ben al di sotto dei 0.75 dB degli standard comunemente accettati.
Nel corso degli anni l'attenzione si è spostata, dunque, dal problema delle perdite di potenza agli obiettivi di facilità d'uso, basso costo e standardizazzione.
8.1.1 - Precisione della rifinitura
Nel caso dei connettori usati nelle fibre monomodali occorre tenere in considerazione le riflessioni del segnale all'interfaccia. Quando due fibre sono separate da un gap d'aria, una parte dell'energia ottica viene riflessa verso la sorgente. Queste riflessioni, dette di Fresnel, si hanno sia all'interfaccia vetro/aria quando la luce lascia la prima fibra che all'interfaccia aria/vetro quando la luce entra nella seconda fibra. La luce viene riflessa direttamente nel centro della fibra (nucleo), dove può propagare sino alla sorgente luminosa.
Fig. 8.1 - Riflessione dovuta alla variazione dell'indice di rifrazione.
Un gap d'aria tra due terminazioni può causare una maggiore riflessione.
Questa energia riflessa è presa in considerazione tramite il termine di perdita per riflessione. In un'interconnessione di fibre monomodali con terminazione piatta, questa perdita può ammontare a -11 dB, il che vuol dire che il raggio riflesso ha un'energia pari a 11 dB inferiore a quella del raggio incidente. Se, per esempio, 500 
W di energia raggiungono la terminazione della fibra, 40 W saranno riflessi verso la sorgente; questo livello di energia è sufficiente per interferire con l'emissione di un diodo laser e causare errori. Arrotondando la terminazione della fibra durante la rifinitura, la perdita per riflessione può essere abbassata al di sotto di -30 dB (tornando all'esempio precedente, di 500 W ora vengono riflessi solo 0.5 W verso la sorgente). In questo modo infatti:
- le due fibre possono toccarsi nel punto di interconnessione, abbassando la riflessione di Fresnel dovuta ai disadattamenti per variazione dell'indice di rifrazione tra aria e fibra. Solo riflessioni minori possono aversi a causa di tolleranze differenti delle fibre e piccole imperfezioni nel vetro.
- le estremità arrotondate fanno si che la luce non sia riflessa direttamente verso la sorgente (l'angolo di riflessione è uguale all'angolo del raggio incidente) e di solito è perso nella fibra. La terminazione arrotondata prima limita la quantità di luce riflessa e, poi, la reinstrada così che non raggiunga il diodo laser.
Ci si può domandare perchè non si usa una terminazione piatta e non si fanno combaciare le fibre per eliminare le riflessioni di Fresnel. Il fatto è che realizzare due terminazioni perfettamente piatte e perfettamente perpendicolari è molto difficile. Nella maggior parte dei casi, probabilmente, una o entrambe le fibre avranno un aspetto leggermente sconnesso, ma sufficiente affinché i nuclei delle fibre non si tocchino. Con terminazioni arrotondate le fibre possono sempre toccarsi nella zona del nucleo della fibra; si può, dunque, teoricamente supporre che le fibre si tocchino e il gap d'aria sia eliminato.
Le riflessioni possono essere ulteriormente diminuite accentuando l'arrotondamento PC (terminazione APC) cosicchè l'angolo di riflessione è tale per cui il raggio è riflesso direttamente nel mantello piuttosto che nel nucleo.
Fig. 8.2 - Terminazioni PC e APC che consentono di ridurre l'energia riflessa verso la sorgente.
Diversi sono i tipi di terminazioni PC ed APC e, quindi, diverse le possibili perdite per riflessione; solitamente si adotta la seguente classificazione: se la potenza rilfessa è > -30 dB la terminazione è detta Super, se è > -40 dB è detta Ultra.
Nel caso di connettori PC la purezza della fibra ottica è una caratteristica particolarmente importante. Una piccola impurità, all'apice dalla curvatura della terminazione, può impedire il contatto delle fibre, l'indice di rifrazione subisce una modifica ed aumenta la perdita per riflessione: da -11 a -16 dB invece che da -30 a -40 dB.
In passato i connettori in ceramica avevano prestazioni nettamente superiori rispetto ai connettori in polimero ed in acciaio purificato e il polimero era considerato un materiale di basso costo e basse prestazioni; grazie all'evoluzione dei processi di controllo per la fabbricazione dei connettori in polimero, le prestazioni ottenute con questi sono simili alle prestazioni ottenute con connettori in ceramica ed anche la differenza di costo tra la fabbricazione in ceramica o in polimero è, ormai, ininfluente. Il risultato è che si ha più possibilità di scelta con minori differenze tra le diverse proposte. La durata, tuttavia, rimane una differenza sostanziale. L'acciaio purificato offre una durata maggiore rispetto alla ceramica ed al polimero a parità di prestazioni.
Per quanto riguarda la classificazione dei connettori possiamo dire che il connettore tipo ST era usato alla fine degli anni '80 per i primi cablaggi e, benchè sostituito dal connettore di tipo SC, trova ancora largo uso in alcuni tipi di reti locali e in acuni apparati di analisi.
Il connettore SC emerge come il connettore general-purpose per cablaggi di fabbricati e applicazioni di rete, utilizza un meccanismo push-pull per l'accoppiamento e, nella sua costruzione di base, consiste di un insieme tra una spina ed una ghiera. Un vantaggio del connettore SC è il fatto che molte spine possono essere riunite insieme per formare un connettore multiplo. Questa capacità di connettere più fibre è particolarmente utile per la costruzione di connettori tipo duplex (due posizioni); una fibra può portare informazioni in una direzione mentre l'altra fibra può portare informazioni nell'altra direzione. I connettori sono adattati per prevenire eventuali accoppiamenti di crossover tra i segnali transitanti nelle due direzioni.
Un primo esempio ci è fornito nella figura seguente in cui è mostrato un cavo di connessione che consente il passaggio da una trasmissione full-duplex su singolo cavo ad una su doppio cavo (e viceversa).
Fig. 8.3 - Passaggio di trasmissione full-duplex da singolo cavo a doppio cavo, e viceversa.
Tale tipo di connessione (ovviamente non consente il trasferimento del segnale tra diversi protocolli ma solo un diverso instradamento) è compatibile con più tipi di protocolli di trasmissione (Fast Ethernet, Fibre Channel, ATM) ed opera, tipicamente, a 850 nm e 1300 nm.
Il connettore FDDI è un dispositivo a due canali che usa due ghiere ed un meccanismo che funge da chiavistello. Una copertura rigida protegge le ghiere da danni accidentali mentre un'interfaccia mobile assicura un accoppiamento costante senza strappi. I connettori FDDI non sono utilizzati esclusivamente in applicazioni FDDI. Il connettore FDDI MIC, per esempio, è un dispositivo a due canali usato sia in applicazioni FDDI che non FDDI. Nella figura seguente è riportata la foto di un connettore FDDI (MIC) (sulla sinistra) insieme ad un esempio di montaggio del medesimo connettore su di un cavo duplex.
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Fig. 8.4 - Connettore FDDI (MIC) e montaggio su cavo duplex.
Il connettore ESCON, usato nell'Enterprise System Controller di IBM, è simile al connettore FDDI ma ha come caratteristica un rivestimento retrattile.
Nel corso del Cap. 1 abbiamo visto che esistono, fondamentalmente, due tipi di fibra: monomodale e multimodale. Poichè entrambi i tipi vengono utilizzati, in quanto soddisfacenti ciascuno a diverse esigenze, si rende necessario anche poter interfacciare i due mezzi per consentire il trasferimento dei segnali trasmessi da un supporto all'altro e, considerando anche il fatto che su di uno stesso supporto possono coesistere più tecniche di trasmissione come FDDI (Fiber Distributed Data Interface), CDDI (Copper Distributed Data Interface), ATM (Asyncronous Transfer Mode), è facile immaginare che la conversione e, quindi, il trasferimento dei segnali da un mezzo ad un altro è tutt'altro che semplice.
Con il progredire delle reti ottiche il bisogno della distribuzione multipla di segnali ottici è diventato cruciale. Fonti di segnale condivise, o combinate, sono utilizzate in tutti i moduli di trasmissione video/dati come, per esempio, la topologia basata su tecnologia FITL. La capacità di riunire architetture di vario genere consente anche la condivisione di più servizi, sullo stesso mezzo portante, con la conseguenza di una riduzione dei costi complessivi per servizio effettivamente disponibile.
Un esempio di interconnessione di reti è fornito nella figura seguente in cui è riportato lo schema (semplificato) di una possibile condivisione di risorse tra una rete FDDI e una CDDI. Ciò può essere effettuato con l'ausilio di un convertitore FDDI/CDDI riportato più sotto con un esempio di montaggio.
Fig. 8.5 - Schema semplificato di una posssibile condivisione di risorse tra una rete FDDI e una CDDI.
Fig. 8.6 - Convertitore FDDI/CDDI e suo schema montaggio tramite cavo
con passaggio da simplex (connettore SC Duplex) a duplex (connettore FDDI FSD).
Per ottenere questa condivisione di segnali ottici sono necessari dei dispositivi capaci di separare i raggi luminosi, con la minima perdita, nel passaggio da una a due fibre oppure, nel caso opposto, a combinare i raggi nel passaggio dalla doppia fibra alla singola (nel seguito, come nella letteratura specifica, ci riferiremo a tali passaggi indicando la doppia fibra come duplex, intendendo che un solo cavo contiene due fibre ottiche, e la singola fibra come simplex, intendendo che un cavo contiene una sola fibra ottica); tali dispositivi sono indicati come spillatori (splitter). Questi dispositivi vengono utilizzati sia nel normale e corretto funzionamento della rete, sia come strumento per l'analisi del traffico e, quindi, delle prestazioni della rete stessa mediante appositi apparati di misura (visti più oltre).
Nella maggior parte dei casi il rapporto di divisione (split ratio) è pari a 50/50 ma, in alcuni casi, può arrivare anche a 90/10 per ridurre il rischio di malfunzionamenti del ricevitore 20. Un esempio di splitter, per trasmissioni FDDI, è mostrato sulla sinistra della figura seguente (descritto in
), in cui è mostrato anche un esempio di possibili connessioni contemporanee con dispositivi di diverso tipo; sulla destra, della stessa figura, è mostrato un esempio di splitter per rete ATM (descritto in). Quest'ultimo tipo di connettore, come si vede, consente la connessione di due tipi di analizzatori differenti per la valutazione prestazionale dei due tipi di trasmissioni, selle due linee principali, in modo indipendente l'una dall'altra.
Fig. 8.7 - Splitter FDDI e ATM.
Tali dispositivi, naturalmente, sono realizzati in modo tale da minimizzare il tempo di interruzione della rete quando l'analizzatore non è presente.
Una volta risolto il problema della interconnessione fisica dei diversi tipi di fibre e cavi, resta il problema di interfacciamento delle tecniche di trasmissione. Per questo scopo sono stati realizzati convertitori trasparenti per le maggiori tecniche di trasmissione (ATM, FDDI, 100 BASE Ethernet e SONET), sia su piccole che lunghe distanze, senza la necessità di re-locking.
Una descrizione dettagliata dei tipi di convertitori in commercio è al di fuori delle linee base su cui ci si è basati fino ad ora, tanto più che sarebbe impossibile descriverne anche uno solo in poche righe. Si rimanda, perciò, alla letteratura specifica, o alle risorse che è possibile trovare in internet, per un approfondimento; in questa sede ci limitiamo a dire che i più moderni convertitori offrono molte caratteristiche rileventi tra cui, possiamo citare, la capacità di controllo della lunghezza dei pacchetti, la rilevazione delle collisioni. il controllo della corretta connessione di un cavo ed altre.
Esistono, fondamentalmente due tipi di analizzatori (apparati di misura): analizzatori hardware e analizzatori software. I primi consentono la verifica del funzionamento dei dispositivi fisici, come la corretta quantità di potenza emessa dalla sorgente luminosa (LED, LASER), e possono essere del tipo portatili a basso costo (figura seguente) per le misure di base; richiedono, però, degli adattatori per la connessione ai diversi tipi di fibre ottiche.
Fig. 8.8 - Misuratori di potenza otiica.
Questo tipo di analizzatori, spesso, si differenziano a seconda del tipo di collegamento da analizzare (voce, dati, video o combinazioni di essi). Alcuni di questi apparecchi sono specifici per la ricerca di rotture o incurvature della fibra ottica, in corrispondenza delle giunture, ed operano a lunghezza d'onda fissa (tipicamente 650 nm per fibre del tipo 9/125 m). Di questa categoria di apparati di misura fanno parte anche altri dispositivi, anche se non strettamente connessi con la verifica del funzionamento della connessione, come l'identificatore di fibra ottica. Questo apparecchio serve per identificare i segnali passanti in una fibra monomodale senza interrompere il collegamento, o danneggiare la fibra ottica, prevenendo incisioni accidentali durante la manutenzione, l'installazione o le riparazioni di emergenza; consentono, inoltre, di identificare la direzione del segnale.
Gli analizzatori software non sono altro che programmi per computer, opportunamente interfacciati per la connessione con le fibre ottiche, che servono per verificare il corretto funzionamento del protocollo utilizzato in un particolare collegamento.
Se una rete subisce cambi significativi, come una crescita rapida in utenti, apparecchiature e circolazione di dati, è particolarmente suscettibile ai problemi. La larghezza di banda, in particolare, sembra essere una spina nel fianco per i gestori delle reti nella totalità dei casi, non è mai abbastanza. Per ridurre questi problemi, molti gestori hanno convertito le loro reti in Fast Ethernet. Comunque, apparecchiature più veloci non sono il rimedio per tutte le difficoltà, e non è sempre conveniente aspettare un avanzamento della tecnologia di trasmissione.
Un modo per migliorare le prestazioni della rete consiste nella valutazione del protocollo di gestione, mediante un analizzatore, cercando di ottimizzarne il funzionamento. Con l'aiuto dell'analizzatore del protocollo si possono identificare problemi come collisioni dei pacchetti di traffico nella rete e cattura di pacchetti rappresentativi per l'analisi. L'analizzatore può, anche, suggerire soluzioni relative ai problemi riscontrati. Alcuni tipi di analizzatori hanno anche funzioni preventive, esaminano la rete e generano allarmi quando le soglie di guardia predefinite vengono superate.
Fig. 8.9 - Connettore utilizzabile per l'analisi di rete (descritto in).
Analizzatori di questo tipo possono esaminare fino a 8 segnali alla volta e, inoltre, hanno spesso la capacità della ridondanza che permette alla rete di operare a flusso continuo mentre l'analizzatore non è operativo. Attualmente gli analizzatori di questo tipo lavorano (in concordanza con i seguenti standard: ATM, FIBER CHANNEL, FDDI, Fast Ethernet, SONET) a 1300 nm in fibra multimodo o 1310 nm in fibra monomodo, con velocità trasmissive che giungono fino ai 155 Mbps ma presto potrebbero essere disponibili analizzatori in grado di raggiungere il Gbps.
Nei sistemi ottici, come in tutti i sistemi di comunicazione, sono necessari dispositivi in grado di operare una soppressione controllata dei segnali ottici; tali dispositivi sono gli attenuatori variabili. La funzione di questi attenuatori in un sistema ottico è simile a quella di una resistenza variabile in un circuito elettrico ed assume il doppio ruolo di adattatore/controllore tra due connettori. Le caratteristiche di riflettività di un attenuatore variabile dipendono dal tipo di connettori con cui viene utilizzato. Per minimizzare la riflessione in un collegamento ottico monomodale, è raccomandato l'uso di due connettori FC/ APC accoppiati. La riflessione di un siffatto attenuatore è -60 dB massimi.
Fig. 8.10 - Attenuatore variabile.
Nei casi in cui il controllo della quantità di segnale in fibra debba essere effettuato più a monte della terminazione finale sono stati messi a punto i cosiddetti attenuatori variabili in linea (figura seguente).
Fig. 8.11 - Attenuatore variabile in linea.
Questi attenuatori sono progettati secondo le specifiche Bellcore per garantire la massima stabilità a variazioni di temperatura ed umidità e sono forniti di due basi d'appoggio, formando una sorta di sandwich, ciascuna fornita di una lente ed un connettore femmina in grado di accettare i connettori disponibili in commercio, come ST, FC, SC. L'attenuatore viene allineato per una maggiore efficienza dell'accoppiamento. La vite radiale è usata per bloccare il raggio tra le due lenti per cui ruotare la vite significa cambiare la sua posizione tra le due lenti variando, così, il livello di potenza del raggio accoppiato alla fibra del ricevitore. Poiché l'attenuatore lavora direttamente sull'intero fascio luminoso risulta insensibile alla polarizzazione del raggio stesso. Gli attenuatori forniti di fibra guida (pigtail) hanno, inoltre, una bassa riflessione (25, 40 o 60 dB) e garantiscono una piccola perdita di inserzione. Di seguito viene riportata una tabella con le caratteristiche più importanti relative ad un attenuatore variabile in linea B17.
| Perdita d'inserzione: | 4 dB per attenuatori monomodali, 2 dB per attenuatori multimodali. |
| Riflessione: | 15 dB. |
| Range di attenuazione: | da 2 a 80 dB con risoluzione di 0.01 dB fino a 10 dB e 0.1 dB fino a 34 dB. |
| Affidabilità al variare della lunghezza d'onda: |
variazione di 0.3 dB in perdita d'inserzione a 1300 nm e 1550 nm. |
| Lunghezze d'onda disponibili: | da 400 a 1600 nm. |
| Temperatura di lavoro: | da -35 ºC a 70 ºC con perdite ± 0.3 dB in variazioni d'attenuazione. |
| Umidità: | ± 0.2 dB di variazione nell'intervallo 10% - 90% d'umidità. |
| Sensibilità alla polarizzazione: | Inferiore a 0.05 dB per tutti gli stati di polarizzazione d'ingresso. |
Tab. 8.1 - Caratteristiche tipiche di un attenuatore variabile in linea.
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