Come si propaga la luce: riflessione, modi, apertura numerica

Una fibra è una guida d’onda: un nucleo di vetro circondato da vetro con un indice di rifrazione leggermente inferiore, così che la luce che incontra il confine con un angolo poco marcato viene riflessa indietro anziché sfuggire. Da questo unico fatto derivano le differenze tra fibra monomodale e multimodale, l’angolo di accettazione che decide quanta luce di una sorgente entra, il motivo per cui una curvatura stretta lascia fuoriuscire luce, e i gradi OM1–OM5 e OS2 a cui fanno riferimento le schede tecniche. Questa pagina copre questa fisica con la profondità usata nella progettazione dei collegamenti.

Struttura di una fibra

Strato	Diametro	Materiale	Funzione
Nucleo	9 µm (monomodale), 50 o 62,5 µm (multimodale)	silice drogata con germanio (indice maggiore)	porta la luce
Mantello	125 µm	silice pura o drogata con fluoro (indice minore)	confina la luce per riflessione interna totale
Rivestimento	250 µm (o 200 µm)	acrilato	protezione meccanica; codificato a colori nei cavi
Buffer / guaina	buffer stretto da 900 µm, o tubo allentato	plastica	movimentazione; non fa parte dell’ottica

La differenza di indice di rifrazione tra nucleo e mantello è minima (circa lo 0,3–0,5 %), ma è sufficiente perché la luce viaggia quasi parallela all’asse.

Riflessione interna totale e apertura numerica

La luce che passa da un mezzo più denso a uno meno denso si allontana dalla normale; oltre l’angolo critico viene riflessa totalmente. In una fibra questo significa che i raggi all’interno di un cono attorno all’asse restano intrappolati. Il semiangolo di quel cono in aria è fissato dall’apertura numerica:

Fibra	NA	Semiangolo di accettazione	Significato
Monomodale G.652	≈ 0,12–0,14	≈ 7–8°	si accoppia solo un fascio stretto e ben diretto: solo sorgenti laser
Multimodale 50 µm (OM2–OM5)	0,20	≈ 11,5°	accettazione ampia: VCSEL e LED si accoppiano facilmente
Multimodale 62,5 µm (OM1)	0,275	≈ 16°	la più ampia; precedente

NA maggiore = accoppiamento più facile ma più modi e più dispersione modale.

Modi

Un modo è una distribuzione di campo stabile che può propagarsi lungo la guida. Quanti ne esistono dipende dalla dimensione del nucleo, dalla NA e dalla lunghezza d’onda (il numero V):

Fibra	Modi a 850 nm	Modi a 1310 nm	Conseguenza
Monomodale 9 µm	— (sarebbe a pochi modi)	1	nessuna dispersione modale; la portata è fissata da attenuazione e dispersione cromatica
Multimodale 50 µm	centinaia	~100	la dispersione modale limita il prodotto larghezza di banda × distanza (Dispersione e larghezza di banda)
Multimodale 62,5 µm	~1 000	—	la peggiore dispersione modale

La fibra monomodale è monomodale solo al di sopra della sua lunghezza d’onda di cutoff (≈ 1 260 nm per G.652): a 850 nm trasporta diversi modi, motivo per cui un modulo SR a 850 nm su fibra monomodale non funziona correttamente, e motivo per cui «monomodale a 1310/1550» è l’abbinamento consueto (Incompatibilità fisiche).

Indice a gradino e indice graduale

Profilo	Forma dell’indice	Usato in	Effetto
Indice a gradino	indice del nucleo costante, gradino brusco verso il mantello	fibra monomodale	irrilevante per un solo modo
Indice graduale	parabolico: massimo sull’asse, decrescente verso il mantello	tutto il multimodale per telecomunicazioni (OM1–OM5)	i raggi esterni percorrono una distanza maggiore ma più velocemente (indice minore), così i modi arrivano quasi insieme: la dispersione modale si riduce di 100 volte rispetto all’indice a gradino

La qualità del profilo graduale è ciò che separa OM3 (2 000 MHz·km) da OM4 (4 700 MHz·km): la stessa geometria, una curva di indice più precisa.

Diametro di campo modale e perdita di accoppiamento

Nella fibra monomodale la luce non è confinata al nucleo di 9 µm; il suo diametro di campo modale (MFD) è ≈ 9,2 µm a 1310 nm e ≈ 10,4 µm a 1550 nm. Due fibre con MFD diversi, oppure uno spostamento laterale in un connettore, perdono luce:

Disadattamento	Perdita
Spostamento laterale di 1 µm (SMF)	≈ 0,2 dB
Spostamento laterale di 2 µm	≈ 0,8 dB
MFD 9,2 contro 10,4 µm (G.652 verso G.657.B o DSF)	≈ 0,1–0,3 dB
Nucleo da 50 µm in uno da 62,5 µm	≈ 0 dB (la perdita si verifica nell’altro senso)
Nucleo da 62,5 µm in uno da 50 µm	2–4 dB
SMF in MMF	≈ 0 dB alla giunzione, ma si eccitano modi → rumore modale
MMF in SMF	> 10 dB

Da qui le regole «mai mescolare 50 e 62,5» e «mai mescolare monomodale e multimodale» (Connettori e tipi di fibra).

Perdita per curvatura

Tipo di curvatura	Causa	Effetto
Macrocurvatura	raggio sotto ~30 mm (SMF standard), fascette strette, porte	la luce sfugge dal mantello; la perdita cresce bruscamente con la lunghezza d’onda: un collegamento a posto a 1310 nm fallisce a 1550 nm, e una prova a 1625 nm individua curvature che 1310 nm non rileva
Microcurvatura	deviazioni microscopiche dell’asse da tensione del cavo, freddo, schiacciamento	aumento di perdita a banda larga
Fibra insensibile alle curvature G.657.A1/A2/B3	profilo di indice assistito da trincea	raggio ammesso 10–7,5–5 mm; usata in interni, nelle derivazioni FTTH e nei pannelli densi

Il multimodale tollera meglio le curvature, ma perde per primi i modi di ordine superiore, il che ne cambia la larghezza di banda.

I gradi di fibra in un’unica tabella

Grado	Nucleo	Lunghezza/e d’onda	Larghezza di banda (EMB a 850 nm)	Attenuazione	Norma
OM1	62,5 µm	850 / 1300	200 MHz·km	3,5 / 1,5 dB/km	ISO 11801, TIA-492AAAA
OM2	50 µm	850 / 1300	500	3,5 / 1,5	TIA-492AAAB
OM3	50 µm	850 (ottimizzata per il laser)	2 000	3,0 / 1,5	TIA-492AAAC
OM4	50 µm	850	4 700	3,0 / 1,5	TIA-492AAAD
OM5	50 µm	850–953 (banda larga)	4 700 a 850, 2 470 a 953	3,0 / 1,5	TIA-492AAAE
OS1 / OS1a	9 µm	1310 / 1550	—	1,0 / 1,0 (interno, buffer stretto)	ISO 11801
OS2	9 µm	1310 / 1383 / 1550	—	0,4 / 0,4 / 0,4 (tubo allentato, basso picco d’acqua)	ISO 11801; ITU-T G.652.D
G.657.A/B	9 µm	come OS2	—	come OS2	insensibile alle curvature
G.655 / G.654	9 µm	1550	—	0,2 / 0,17	NZ-DSF per DWDM; perdita ultrabassa per lungo raggio

Portata per PMD e grado: Tabelle delle portate.

Cosa significa questo per il ricetrasmettitore

Il tipo di connettore e di fibra del modulo deve corrispondere all’impianto: SR/SR4 su OM3/OM4, tutto il resto su OS2.
La condizione di lancio di un laser (flusso circoscritto per i VCSEL) è definita dagli standard affinché i valori di larghezza di banda del multimodale reggano: un modulo fuori specifica dà una portata più corta di quella promessa dalle tabelle.
I moduli monomodali su fibra multimodale (con una bretella di condizionamento del modo) erano un trucco del 1G (1000BASE-LX su OM1); non si estende al 10G e oltre.

In CodingBox

Il modulo indica all’host per quale fibra è pensato: codice del connettore, lunghezza d’onda e i campi di lunghezza per SMF, OM1, OM2, OM3 e OM4, gli stessi gradi di sopra. CodingBox li mostra così che la questione della fibra sia risolta prima che il modulo lasci il banco (Check transceiver, Mappa della memoria).

Le fibre standardizzate che questi principi producono: ITU-T G.652 fino a G.657, i gradi multimodale OM1–OM5, fibre speciali, perdite di giunzione tra fibre dissimili e come identificare ciò che è installato: Tipi di fibra.

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