Con lo sviluppo delle moderne reti industriali e locali (LAN), le esigenze in termini di velocità di trasmissione dati sono aumentate costantemente. Oggi, le reti industriali e le LAN operano a velocità di trasferimento dati fino a 10 Gbit/s. I sistemi di trasmissione convenzionali, con i loro emettitori LED economici e una velocità di trasferimento dati massima di 622 Mbit/s, non sono quindi più adeguati alle attuali esigenze di trasferimento dati. Per raggiungere le elevate velocità di trasferimento dati delle moderne reti industriali e locali, gli emettitori LED sono stati sostituiti dagli emettitori laser. Questo passaggio dai LED ai laser ha avuto un impatto decisivo sulla produzione di fibre ottiche. Le fibre multimodali con diodi laser a 850 nm (VCSEL) sono considerate la soluzione più conveniente per le reti industriali e le LAN e sono quindi comunemente utilizzate in queste tipologie di reti. Nell'ambito di questa transizione del mercato dai LED ai laser, alla fine degli anni '90 è emersa una nuova generazione di fibre multimodali ottimizzate per il laser. Questo articolo evidenzia le differenze tra le fibre multimodali convenzionali e le fibre multimodali ottimizzate per il laser. Inoltre, sottolinea l'importanza cruciale di selezionare fibre multimodali di alta qualità, ottimizzate per il laser, al fine di ottenere elevate velocità di trasferimento dati nelle reti industriali e nelle LAN.

Trasmissione in fibra ottica con LED e laser:
quando la luce viene accoppiata in una fibra multimodale, percorre diversi percorsi lungo il nucleo della fibra. Ciascuno di questi percorsi è chiamato modo, da cui il nome "fibra multimodale". La luce emessa da un LED (diodo a emissione di luce) si differenzia dal fascio molto stretto di un laser per via del suo ampio angolo di emissione (Figura 1). Quando accoppiato a una fibra multimodale, il fascio altamente divergente di un LED "riempie" il nucleo della fibra, eccitando così molti modi. In condizioni simili, un laser in una fibra multimodale eccita solo pochi modi, che sono, in linea di principio, solo quelli che attraversano la regione centrale del nucleo della fibra.

Fibra multimodale ottimizzata per il laser:
la regione centrale della fibra ottica ha un elevato indice di rifrazione e costituisce il percorso ottico attraverso il quale la luce può propagarsi per riflessione interna totale. Nelle fibre multimodali, l'indice di rifrazione diminuisce gradualmente con l'aumentare della distanza dal centro della fibra, creando un profilo di indice a gradiente (Figura 2). Il profilo di indice a gradiente garantisce che tutta la luce arrivi simultaneamente all'estremità del sistema di fibre, indipendentemente dal percorso di trasmissione modale utilizzato. Le aberrazioni nel tempo di arrivo sono definite dispersione modale. La capacità di trasmissione di una fibra multimodale è valutata in termini di larghezza di banda o velocità massima di trasferimento dati e portata, ed è espressa in MHz·km. La larghezza di banda è inversamente proporzionale alla dispersione modale.
Quando un laser viene accoppiato a una fibra multimodale, la luce laser si diffonde su una regione molto sottile del nucleo della fibra, tipicamente la regione centrale. La capacità delle fibre di trasmettere laser dipende in gran parte dall'omogeneità del profilo di gradiente dell'indice di rifrazione del nucleo della fibra in questa regione. Il profilo dell'indice di rifrazione del nucleo di una fibra multimodale convenzionale presenta un'anomalia lungo l'asse centrale, come mostrato in Figura 2.
Chiaramente, tale anomalia al centro del profilo dell'indice di rifrazione ha un effetto maggiore sul fascio sottile e concentrato di un laser rispetto alla luce altamente divergente di un LED. Per supportare i moderni sistemi di trasmissione con elevate velocità di trasferimento dati, è preferibile utilizzare i laser anziché i LED. Le anomalie dell'indice di rifrazione lungo l'asse centrale si manifestano nei segnali laser come distorsioni nel segnale trasmesso e come elevati tassi di errore di bit. Pertanto, la velocità massima di trasmissione dati è limitata nel sistema e, paradossalmente, la combinazione di un trasduttore laser e una fibra multimodale convenzionale non è adatta a sistemi di trasmissione con una velocità di trasferimento dati di 10 Gbit/s.
Per risolvere questo problema, è necessario ottimizzare il profilo dell'indice di rifrazione al centro di una fibra multimodale per le trasmissioni laser. Sebbene ciò comporti costi relativamente elevati, l'obiettivo dovrebbe essere quello di eliminare tutte le anomalie al centro del profilo dell'indice di rifrazione. Secondo i loro stessi dati, nel 1998 Corning è stata la prima azienda produttrice di fibre ottiche a introdurre una nuova generazione di fibre multimodali ottimizzate per le trasmissioni laser. Il profilo ideale dell'indice di rifrazione di una fibra multimodale ottimizzata per il laser è mostrato in Figura 2. Si può notare che tutte le anomalie lungo l'asse centrale sono state eliminate, escludendo così limitazioni di sistema o distorsioni del segnale causate da cali anomali lungo l'asse.

Ottimizzazione laser e metodi di produzione:
Studi recenti dimostrano che la qualità delle fibre multimodali, in particolare l'omogeneità del loro profilo di indice di rifrazione, varia a seconda del metodo di produzione. Test effettuati su fibre ottimizzate al laser di fornitori leader, prodotte con metodi MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) e PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition) a 10 Gbit/s con lunghezze di 150, 300 e 500 metri e una lunghezza d'onda di 850 nm, hanno rivelato che circa il 50% delle fibre testate presentava una diminuzione anomala dell'asse centrale (Figura 3a). Inoltre, tutte le fibre interessate hanno subito errori nella determinazione del centro laser. Al contrario, secondo gli esperti, il metodo di produzione di fibre OVD (Outside Vapor Deposition) raggiunge un'omogeneità ottimale nel profilo dell'indice di rifrazione, in modo tale che le fibre multimodali ottimizzate al laser prodotte con questo metodo non presentino praticamente alcuna deflessione dell'asse centrale (Figura 3b).
Un'altra sfida significativa, specifica dei metodi MCVD e PCVD, consiste nel garantire una larghezza di banda omogenea lungo l'intera lunghezza della fibra. Questo problema può manifestarsi quando alcune sezioni della fibra presentano una larghezza di banda diversa da quella determinata per l'intera lunghezza. Dato l'elevato grado di fluttuazione che si verifica nell'ottimizzazione laser delle fibre multimodali, è fondamentale sottoporre tutte le fibre multimodali destinate all'uso in sistemi di trasmissione laser di alta qualità a rigorose procedure di test e classificazione.

Classificazione delle prestazioni di LED e laser:
l'elevata velocità di trasferimento dati (determinata dalla larghezza di banda e dalla portata) di una data fibra è determinata dal ritardo tra i modi eccitati e dalla condivisione di energia tra i modi. Per questo motivo, le prestazioni delle fibre multimodali convenzionali (per l'uso con i LED) devono essere classificate secondo il metodo di misurazione della larghezza di banda OFL (Overfilled Launch), che simula le condizioni di accoppiamento di un LED. Le condizioni di accoppiamento per i laser sono completamente diverse. Pertanto, per la nuova generazione di fibre multimodali sono necessari nuovi metodi di classificazione delle prestazioni che tengano conto delle particolari condizioni di accoppiamento di un laser.
Esistono diversi metodi di classificazione: DMD, RML e minEMBc. La larghezza di banda RML (Restricted Mode Launch) è stato il primo indice standardizzato per le fibre ottimizzate per laser secondo lo standard TIA-455-204. Questo metodo è adatto per previsioni di larghezza di banda fino a 1 Gbit/s. Per i sistemi di trasmissione con velocità di trasmissione dati fino a 10 Gbit/s, è richiesto il metodo più recente e preciso per determinare la capacità di trasmissione delle fibre multimodali con larghezze di banda elevate: il metodo minEMBc (minimum calculated Effective Modal Bandwidth). Il metodo minEMBc è supportato dagli standard TIA/EIA 455-220 e IEC 60793-1-49 e, nel settore della fibra ottica, è considerato l'unica misurazione di riferimento per larghezze di banda elevate, basata su DMD e intrinsecamente scalabile per la previsione di diverse velocità di trasmissione e lunghezze. Al contrario, altri metodi di misurazione forniscono solo un risultato di superamento/fallimento per 10 Gbit/s su 300 metri.
Per una fibra multimodale ottimizzata per laser a 10 Gbit/s che non è classificata secondo i metodi di misurazione della larghezza di banda più moderni e precisi, non è possibile offrire una garanzia completa sulle prestazioni. In particolare, per le fibre multimodali prodotte con metodi MCVD o PCVD, i dati forniti dai produttori possono presentare alcune fluttuazioni dovute all'eterogeneità della larghezza di banda assiale o al fatto che la caduta anomala dell'indice di rifrazione lungo l'asse centrale non è stata completamente eliminata.

Conclusione:
Le moderne reti industriali e LAN devono consentire la trasmissione di dati a 12 Gbit/s e superiori per supportare i protocolli Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet e Fibre Channel. Di conseguenza, i LED, la cui velocità di trasferimento dati è limitata a 622 Mbit/s, sono stati sostituiti in tali reti dai laser, in particolare dai VCSEL con una lunghezza d'onda di 850 nm, come sorgenti luminose. Inoltre, le fibre multimodali ottimizzate per laser hanno soppiantato le fibre multimodali convenzionali, consentendo sistemi di trasmissione laser ad alte prestazioni ed economicamente vantaggiosi. Tuttavia, esistono differenze tra le fibre ottimizzate per laser a seconda del metodo di produzione. Le fibre prodotte con il metodo OVD non presentano una diminuzione anomala dell'indice di rifrazione lungo l'asse centrale e hanno una buona omogeneità assiale. Al contrario, le fibre prodotte con i metodi MCVD o PCVD presentano limitazioni a questo riguardo. Per garantire le prestazioni di un gran numero di VCSEL standard, la capacità di throughput della fibra a 10 Gbit/s deve essere determinata utilizzando l'indice minEMBc. Corning produce le sue fibre multimodali (Infinicor) utilizzando il metodo OVD e si avvale dell'indice minEMBc per classificare i suoi prodotti a 10 Gbit/s.

I test a campione non sono sufficienti.
Questo fornitore di fibra ottica, infatti, misura la larghezza di banda laser di ogni metro di ogni bobina di fibra perché, secondo quanto da loro stessi dichiarato, ritengono che i soli test a campione non siano sufficienti. L'obiettivo è garantire che tutte le fibre soddisfino al 100% le specifiche del produttore. In questo contesto, il controllo qualità riveste un'importanza fondamentale.

 

Maggiori informazioni o un preventivo

 

Bibliografia
- P. Bell, Todd Wiggs, “Fibra multimodale e processo di produzione a deposizione di vapore”, Corning Optical Fiber Guidelines, pubblicazione web, volume 10, luglio 2005 www.corning.com/opticalfiber/guidelines_magazine/eguidelines/vol10/view.aspx?article=2&page=1&region=na&language=en

Fonti tecniche
- Guida alla selezione delle fibre ottiche (Premesse per la selezione delle fibre ottiche nelle reti industriali) http://www.corning.com/docs/opticalfiber/WP1160.pdf
- Evoluzione della fibra 50/125 mm dalla pubblicazione di IEEE 802.3ae (Evoluzione della fibra 50/125 mm dalla pubblicazione di IEEE 802.3ae) http://www.corning.com/docs/opticalfiber/WP4253.pdf
- Con EMB calcolato, SR 10G è garantito (Il calcolo EMB garantisce SR 100 ) http://www.com.ng.com/docs/opticalfiber/r3716.pdf

 

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