Collegamenti in fibra ottica: come la luce trasporta i dati

Ogni materiale di questa documentazione finisce nello stesso punto: un filo di vetro spesso un decimo di millimetro che trasporta impulsi di luce infrarossa. Un collegamento in fibra ottica è il trasmettitore che genera gli impulsi, l’impianto in fibra che li trasporta e il ricevitore che li riconverte in bit, più tutto ciò che sta in mezzo: connettori, pannelli di permutazione, giunzioni, splitter e filtri. Questa sezione spiega la fisica e l’ingegneria alla base di questa catena, con il livello di dettaglio necessario per progettare, collaudare e risolvere i problemi di un collegamento: perché la luce resta nella fibra, cosa la indebolisce e la disperde, quanto lontano può arrivare un dato modulo ottico, di cosa è fatto l’impianto passivo, come si misura e come si guasta.

Perché la fibra

La catena

Un collegamento è una serie di elementi, ciascuno con una perdita e alcuni con una distorsione:

1. Trasmettitore — laser o VCSEL nel ricetrasmettitore, che emette da −8 a +4 dBm di luce a 850, 1310 o 1550 nm (Laser).
2. Bretella ottica — giunto da 1–5 m dal modulo a un pannello di permutazione; due facce del connettore.
3. Pannello di permutazione / ODF — adattatore dove la bretella incontra un pigtail giuntato al cavo.
4. Cavo — interno, esterno o ibrido, da metri a decine di chilometri, una o centinaia di fibre (Impianto passivo).
5. Giunzioni, splitter, filtri — giunzioni a fusione lungo il percorso; splitter PON o multiplexer WDM dove la topologia lo richiede.
6. Pannello e bretella lato remoto — l’immagine speculare.
7. Ricevitore — fotodiodo nel ricetrasmettitore remoto, che richiede da −12 a −28 dBm a seconda del tipo (Ricevitori).

Il bilancio di potenza è l’aritmetica che somma le perdite da 2 a 6, le confronta con la differenza tra 1 e 7, e lascia un margine (Ingegneria del bilancio di potenza).

Le quattro cose che limitano un collegamento

La fibra in un paragrafo

La luce resta nel nucleo perché l’indice di rifrazione del nucleo è leggermente più alto di quello del mantello: riflessione interna totale. Una fibra monomodale (nucleo da 9 µm) trasporta un solo percorso di luce e raggiunge decine di chilometri; una fibra multimodale (nucleo da 50 µm) trasporta centinaia di percorsi che arrivano in momenti leggermente diversi, il che la limita a centinaia di metri ma le permette di funzionare con VCSEL economici a 850 nm. I dettagli (modi, apertura numerica, perdita per curvatura, gradi di fibra OM1–OM5 e OS2) sono in Come si propaga la luce e Connettori e tipi di fibra.

Generazioni di collegamenti in fibra

Il lato ricetrasmettitore di questa storia: Cos’è un ricetrasmettitore.

Per approfondire

• Come si propaga la luce nella fibra — indice di rifrazione e riflessione interna totale, apertura numerica, modi, monomodale contro multimodale, diametro di campo modale, lunghezza d’onda di cutoff, perdita per curvatura, gradi di fibra.
• Attenuazione e finestre di trasmissione — diffusione e assorbimento di Rayleigh, il picco dell’acqua, finestre a 850/1310/1550 nm, dB/km per fibra e lunghezza d’onda, perdite di connettori e giunzioni.
• Dispersione e larghezza di banda — dispersione modale, cromatica e di polarizzazione, prodotto larghezza di banda–distanza, portata limitata dalla dispersione, compensazione.
• Tipi di fibra — monomodale ITU-T G.652–G.657, gradi multimodale OM1–OM5, fibre speciali, perdite di giunzione tra fibre diverse, identificare la fibra installata.
• Effetti non lineari — SPM, XPM, FWM, diffusione di Brillouin e di Raman, dove contano, potenza di lancio ottimale, mitigazione.
• Riflessioni e perdita di ritorno — riflessione di Fresnel, riflettanza contro ORL, valori tipici per componente, cosa richiedono gli standard, misura, mantenere basse le riflessioni.
• Come si produce la fibra — materiali, preforme MCVD/OVD/VAD/PCVD, trafilatura e rivestimento, prova di trazione e QA, fibre speciali, cosa significa questo sul campo.
• Affidabilità e invecchiamento — resistenza e fatica statica, regole di curvatura e deformazione, meccanismi di invecchiamento, vita utile di ogni parte, fibra per epoca, progettare per l’invecchiamento.
• Ingegneria del bilancio di potenza — l’equazione, margini di perdita, penalità, politica dei margini, esempi svolti, sovraccarico del ricevitore e attenuatori.
• Impianto passivo — cavi, pannelli di permutazione, pigtail, giunzioni, attenuatori, splitter, filtri WDM, contenitori e i loro margini di perdita.
• Costruzione del cavo — strati, famiglie di cavi dal tubo allentato all’OPGW e al nastro arrotolabile, classi antincendio, codici colore, leggere una scheda tecnica del cavo, scegliere il cavo.
• Topologie di rete in fibra — punto-punto, anelli, maglie, alberi PON, WDM; cablaggio strutturato, modelli di data center, FTTx, pianificazione del conteggio delle fibre, protezione.
• Percorsi e installazione dei cavi — condotti, interramento diretto, aereo, percorsi interni; limiti di curvatura e tensione, pianificazione del percorso, chiusure, etichettatura, collaudo.
• Documentazione ed etichettatura — l’insieme dei documenti, schemi di identificazione, etichette, standard, strumenti, il processo e i suoi errori comuni.
• Infrastruttura ottica attiva — passivo contro attivo, la mappa degli elementi attivi, dove vanno i decibel, proprietà e demarcazione, ciclo di vita.
• Ricetrasmettitori nel collegamento — far corrispondere il modulo a fibra e distanza, il bilancio dal lato del modulo, connettori e polarità, compatibilità, diagnostica, mismatch comuni.
• Amplificatori e rigenerazione — quando finisce il bilancio, EDFA/Raman/SOA/OEO, posizionamento, il bilancio OSNR, gestire una linea amplificata, amplificare o rigenerare o passare al coerente.
• Apparati di trasporto e accesso — media converter, transponder, ROADM, OLT/ONU, commutatori di protezione, alimentazione e siti, gestione, insidie.
• Monitoraggio e gestione — livelli di visibilità, allarmi e il loro significato, riferimenti e tendenze, protocolli e strumenti, correlare i dati di modulo e fibra.
• Giunzione e terminazione — il processo di giunzione a fusione, giunzioni meccaniche, pigtail e connettori da campo, criteri di accettazione e difetti.
• Test e misura — sorgente di luce e misuratore di potenza, OTDR, perdita di ritorno, ispezione della faccia del connettore, certificazione, usare il DDM come strumento di misura.
• Leggere una traccia OTDR — parametri di configurazione, il catalogo degli eventi, zone morte e range dinamico, media bidirezionale, distanza sul percorso, letture errate, fibra in servizio e PON.
• Ispezione e pulizia della faccia del connettore — cosa provoca la contaminazione, zone e criteri IEC 61300-3-35, attrezzatura e tecnica, tipi di contaminazione, metodi di pulizia, la procedura.
• Caratterizzazione della fibra — quando serve, i test, limiti per servizio, leggere i risultati per identità ed età della fibra, procedura e reportistica.
• Guasti dell’impianto in fibra — curvature, sporco, mismatch, giunzioni difettose, riflessioni, acqua: sintomi, segnature, soluzioni.
• Manutenzione e ripristino — ciclo preventivo, monitoraggio, scorte, il processo di ripristino, cause profonde dei guasti, ciclo di vita dell’impianto.
• Sicurezza e manipolazione — classi laser e livelli di pericolo, regole per la fibra in servizio, vetro e sostanze chimiche, pericoli del sito, gestione di moduli e bretelle.
• Mappa degli standard — documenti ITU-T, IEC, TIA/ISO, Telcordia, IEEE/OIF e nazionali per ente e per compito, designazioni affiancate.
• Glossario della fibra ottica — i termini della luce, della fibra e dei tipi di cavo, componenti passivi, connettori, installazione, test e funzionamento.
• Valori tipici — attenuazione, margini di perdita, riflettanza, geometria, dispersione, limiti meccanici, lunghezze d’onda, valori OTDR, bilanci di interfaccia, potenza e sicurezza.
• Formule e calcoli — decibel, attenuazione, parametri di guida, dispersione, bilancio di potenza, riflessioni, OTDR, latenza, meccanica e conteggi di pianificazione, ciascuno con un esempio svolto.

In CodingBox

Il DDM del ricetrasmettitore è il misuratore di potenza integrato nel collegamento: potenza di lancio su un lato, potenza ricevuta sull’altro, e la differenza è la perdita dell’impianto, che CodingBox legge al banco e lo switch legge in servizio (DDM nell’app, Potenza Rx e bilancio di potenza).