La caratterizzazione delle fibre ottiche

Con una serie di test e misure secondo precisi standard è possibile garantire che una rete a fibre ottiche possa operare al rate di trasmissione previsto, e che possa mantenere le corrette funzionalità nel tempo

Le reti a fibre ottiche rappresentano le fondamenta su cui sono costruite le reti per telecomunicazioni ad alta velocità.

Premessa
Le reti a fibre ottiche, le cui prime realizzazioni risalgono agli anni sessanta, rappresentano le fondamenta su cui sono costruite le reti per telecomunicazioni ad alta velocità. Sono individuabili tipologie diverse di reti, per esempio reti per lunghe distanze, oltre 1000 Km, oppure di trasporto, da 100 a 600 Km circa, e infine di accesso, con ciò intendendo la connessione finale verso un utente. La trasmissione delle informazioni avviene tramite segnali ottici, con la luce che forma una portante elettromagnetica che viene opportunamente modulata. Le fibre ottiche utilizzate per queste reti sono di due tipologie: fibre multi mode, o multimodali, e single mode, o monomodali. Su queste due tipologie di fibre ottiche abbiamo già proposto su Tecnologie del Filo articoli e approfondimenti, per cui ci si limita in questa sede a un breve sunto delle caratteristiche base, partendo dal ricordare che un cavo in fibra ottica prevede due cilindri concentrici di materiale vetroso (ma esistono anche fibre in plastica, non usate per le reti vere e proprie).

Nel mondo delle telecomunicazioni si parla di fibre ottiche ma in un contesto di “infrastruttura”, dove intervengono molteplici fattori che possono alterare le performance rispetto a quanto teoricamente impostato.

La parte interna, o core, ha un diametro di poche decine di nanometri, mentre quella esterna, mantello o cladding, ha un diametro fisso di 125 µm e un indice di rifrazione più basso di quello del core: sfruttando questa differenza fisica è possibile far rimbalzare il segnale sulla superficie interna del mantello, con mantenimento all’interno del core e con bassa attenuazione. A protezione da usura e fattori atmosferici sono presenti due ulteriori strati concentrici: il buffer, più interno, e il jacket o rivestimento, più esterno, entrambi in materiale plastico. Le fibre multimodali, per trasmissione contemporanea di più fasci di luce laser, hanno un core più grande delle monomodali, in genere tra i 50 e i 100 µm, più precisamente come standard a parità di cladding da 125 µm, si hanno 62,5 µm o 50 µm, e queste dimensioni permettono l’utilizzo di dispositivi di supporto alla trasmissione, quali trasmettitori, ricevitori e connettori, meno precisi e di conseguenza meno costosi; come difetto, si ha una dispersione modale: i segnali luminosi entrano nella fibra con diverse angolazioni, da cui percorsi di diversa lunghezza e tempi diversi di arrivo a destinazione, con limiti alla banda di trasmissione e alla lunghezza del collegamento. Lo standard ISO 11801 definisce queste fibre con 4 gradi a prestazioni crescenti, denominate: OM1 (oramai obsoleta), OM2, OM3 e OM4, quest’ultima consolidata per lo standard Ethernet a 40 gigabit. Le fibre monomodali, con core tra 8,3 µm e 10 µm (tipicamente 9 µm), hanno un solo modo di propagazione del segnale luminoso, che coincide con l’asse del core, da cui collegamenti più lunghi e prestazioni superiori, ma componenti e connettori sono più costosi.

La caratterizzazione della fibre prevede tecniche di test standard, dai cui risultati i gestori di rete possono attivare interventi di correzione e adeguamento a garanzia di performance e funzionalità nel tempo dell’infrastruttura

Un’interessante innovazione per le reti in fibra ottica sono le fibre multicore costituite da un cavo di fibra da 125 µm all’interno del quale sono alloggiati più core monomodali; in una recente sperimentazione proprio di quest’anno, un cavo con 12 core, ciascuno capace di supportare la trasmissione di 100 differenti fasci laser da 100 gigabit ognuno, si è ottenuta una velocità di connessione di 1,44 petabit al secondo (1,44 milioni di gigabit). Le fibre multicore si ritiene che saranno alla base di connessioni veloci e affidabili per applicazioni come la gestione a distanza dei famosi Big Data di cui tanto si parla. Ma, per concludere questa premessa, quanto qui esposto, al di là dei dati di base senz’altro corretti, non coincide necessariamente con ciò che si ottiene nella pratica, dove si parla certamente di fibre ma in un contesto di “infrastruttura”, dove intervengono molteplici fattori che possono alterare le performance rispetto a quanto teoricamente impostato. Detto diversamente, occorre essere certi delle performance e dei limiti di un’infrastruttura in fibra per avere la garanzia che le metriche ipotizzate siano raggiunte: si ritiene che in quasi un terzo delle reti in fibra ottica attualmente operative sia necessario procedere con verifiche e aggiustamenti, soprattutto per la crescente larghezza di banda e velocità oggi richieste. E qui interviene la “fiber characterization”, insieme di test da effettuare su un collegamento già operativo, con l’obiettivo di valutare la sua qualità generale e la sua specifica capacità di supportare una particolare applicazione.

Lo scattering è una diffusione in direzioni diverse del segnale ottico, in pratica una deviazione della luce rispetto alla direzione iniziale di propagazione, e l’entità del fenomeno dipende dalla lunghezza d’onda.

Metodi di test e standard
La caratterizzazione delle fibre ottiche, insieme di test da effettuare su un link già installato, è ben diversa dal testare le fibre in quanto tali. In termini “storici” quando furono attivati i primi collegamenti con fibre ottiche monomodali, era pratica comune verificare il degrado di segnale con riferimento a sole due lunghezze d’onda, quelle dei 1310nm e dei 1550nm. In termini generali, i valori di 850, 1300 e 1550nm sono stati individuati come quelli che garantiscono perdite minori nel trasporto del segnale; in particolare, le fibre ottiche multimodali sono progettate per operare con luce laser tra 850 e 1300nm, mentre le monomodali sono ottimizzate per lunghezze d’onda tra 1310 e 1550nm. La spiegazione di questi valori nasce dal fatto che le perdite nelle fibre sono determinate da assorbimento e diffusione (scattering). Il primo fenomeno si manifesta in concominatanza di alcune specifiche lunghezze d’onda, ed è causato dal vapore acqueo nel materiale vetroso che assorbe l’energia della luce, e per questo alcune lunghezze d’onda sono denominate “water bands” (1360nm – 1460nm).

Con le tecnologie WDM, finalizzate a ottimizzare il link ottico, i sistemi hanno iniziato a operare in range più ampi di lunghezze d’onda, da cui la necessità di verificarne la capacità operativa con queste overwavelenght.

Per quanto riguarda lo scattering, da premettere che un fascio di luce quando attraversa un corpo viene o assorbito, o riflesso o diffuso; l’effetto scattering si manifesta con una diffusione in direzioni diverse del segnale, in pratica una deviazione della luce rispetto alla direzione iniziale di propagazione; la quantità del fenomeno dipende proprio dalla lunghezza d’onda, in particolare più corte sono le lunghezze d’onda maggiori sono i livelli di scattering. La scelta migliore è quindi evitare water bands e scattering, e le lunghezze d’onda di 1310nm e di 1550nm sono diventate standard globale. Ma ci potrebbe chiedere: perché non usare per esempio solo 1550nm? Prima di tutto i laser per 1550nm, lunghezza d’onda che fornisce le performance migliori, sono più complessi da realizzare e più costosi di quelli per 1310nm, e poi in collegamenti brevi fino a 10Km con 1310nm si ottengono buone prestazioni, mentre per lunghezze superiori è d’obbligo passare a 1550nm.

I vendor di fibre ottiche garantiscono performance precise, ma i problemi che si possono avere nascono soprattutto dal fatto che le reti sono costituite da tipologie diverse di fibre, di differente età e qualità.

Ciò detto, con l’avvento delle tecnologie DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), utilizzata per aumentare la quantità di banda disponibile su un canale, e CWDM (Coarse WDM), in cui la separazione tra le lunghezze d’onda usate è maggiore che nel DWDM in modo da poter utilizzare componenti ottici meno sofisticati e quindi meno costosi, i sistemi hanno iniziato a operare in range più ampi di lunghezze d’onda, e si è imposta la necessità di verificare la capacità dei sistemi a operare con queste over-wavelenght. Inoltre, con l’incremento dei data rate da 2,5GB/s a 10GBb/s e poi a 40Gb/s, le caratteristiche di dispersione delle fibre ottiche sono diventate un fattore estremamente più critico, da cui la necessità di test addizionali, per esempio relativi a dispersione cromatica e dispersione dei modi di polarizzazione. La complessità di questi test ha sollecitato più enti normatori a individuare degli standard di test, per esempio la ITU-T (International Tensions Union – Telecoms division) con lo standard G.650.3, oppure la IEC (International Electro-technical Commission), con la serie di standard 61 280-4-x, diversamente finalizzati a specifiche caratterizzazioni, arrivando a una buona armonizzazione con altre organizzazioni preposte allo standard, per esempio British Standards Institution, ANSI negli USA e CENELEC in Europa.

Le fibre sono interconnesse con tecniche a fusione o meccaniche, e variazioni sia nel tipo di fibre a seconda del produttore e nel tipo di tecnica possono determinare perdite importanti di segnale.

I test per la caratterizzazione delle fibre
Si potrebbe affermare che i vendor di fibre ottiche garantiscono performance precise, ma i problemi potenziali che si possono avere nascono soprattutto dal fatto che le reti sono costituite da tipologie diverse di fibre, di differente età e qualità, oltre che provenienza da vendor diversi. Per esempio, alcune reti in fibra ottica sono operative da più di 25 anni e questi sistemi non erano stati certo progettati per sopportare un carico di dati come quello attuale. Poi le condizioni ambientali di operazione, con polveri, sporco, particelle elettrostaticamente cariche, liquidi oleosi, possono nel tempo aver inciso pesamente sui connettori delle fibre. Ancora, le fibre sono generalmente interconnesse con tecniche a fusione o meccaniche, e variazioni sia nel tipo di fibre a seconda del produttore e nel tipo di tecnica possono determinare perdite di segnale importanti. Da non dimenticare infine il bending, o piegatura delle fibre, che non deve superare un determinato raggio di curvatura per essere accettabile secondo precisi standard industriali. Alla fine, i test riguardano, secondo la denominazione standard originale, cinque caratterizzazioni fondamentali: Bidirectional Optical Time-Domain Reflectometer (OTDR), Optical Insertion Loss (OIL), Optical Return Loss (ORL), Chromatic Dispersion (CD), Polarization Mode Dispersion (PMD).

Le condizioni ambientali, con polveri, sporco, particelle elettrostaticamente cariche, liquidi oleosi, possono nel tempo incidere sul corretto funzionamento dei connettori.

Iniziando con il test OTDR, questo consiste nell’invio di un impulso di luce nella fibra, con misura della potenza del segnale di ritorno e del tempo intercorso dall’invio; scopo del test è verificare lo “stato di salute” complessiva del cavo, compresi connettori e giunzioni, e in caso si manifestino valori anomali si può intervenire con una pulizia dei connettori o con un rifacimento della giunzioni. Con OIL si misura la perdita di potenza ottica che si verifica quando due cavi sono connessi tra loro: in sostanza la “insertion loss” è la quantità di luce che si perde, e su lunghe distanze questa perdita può determinare un indebolimento della potenza del segnale. Altro test finalizzato a verificare bontà di connettori e giunzioni è l’Optical Return Loss, in cui è fondamentale il fattore lunghezza, nel senso che le reti ottiche possono essere transoceaniche o solo di tipo metropolitano, e in ogni implementazione, indipendentemente dalla lunghezza della tratta, il degrado del segnale per riflessione deve mantenersi sotto una certa soglia. Il test consiste nell’invio di un impulso luminoso nella fibra con successiva misura della quantità di luce che torna: una certa quantità si perde ai connettori e alle giunzioni, e una connettorizzazione poco accurata può essere causa di scattering o di riflessioni; tecnicamente, il “return loss” è il rapporto tra la luce riflessa e qualla lanciata nella fibra, con valutazione in decibel. Il test di Chromatic Dispersion misura la quantità di dispersione nella fibra, e si parla di dispersione monomodale in quanto le fibre di questa tipologia sono quelle comunemente usate nelle reti per lunghe distanze e di trasporto. L’aggettivo “cromatica” richiama il concetto di colore, e al riguardo si può ricordare che la luce bianca non è monocromatica, ma somma di più colori, ciascuno con propria frequenza e lunghezza d’onda. Iniettando un segnale liminoso non monocromatico in una fibra ottica, le sue componenti di colore, inizialmente unite, si propagano con velocità diverse a seconda della loro specifica lunghezza d’onda, finendo per separarsi in modo più o meno sensibile, dando origine al cosiddetto spreading che, se eccessivo, porta a una perdita dell’informazione trasportata dalla luce.

Il test OTDR consiste nell’invio di un impulso di luce nella fibra, con misura della potenza del segnale di ritorno e del tempo intercorso dall’invio, allo scopo di verificare lo “stato di salute” complessiva del cavo.

Il test sulla dispersione cromatica non è di tipo fail/pass, ma fornisce valori sulla base dei quali porre in atto delle tecniche di compensazione, per esempio tramite specifici moduli (DCM, Dispersion Compensation Modules). Come regola generale, la quantità di dispersione cromatica che un sistema può tollerare è inversamente proporzionale al quadrato del bit rate: con una velocità di trasmissione elevata i bit slot sono più piccoli e molto più sensibili allo spreading degli impulsi vicini. Vi è però anche un altro tipo di dispersione da verificare, la Polarization Mode Dispersion, che è molto più complessa da definire e investigare, e dipende da caratteristiche intrinseche del materiale che inducono dei ritardi “polarization-dependent” di propagazione degli impulsi luminosi, da cui velocità diverse con fenomeni di diffusione random degli impulsi ottici.

Il concetto di dispersione cromatica: la luce bianca è somma di più colori, ciascuno con propria frequenza e lunghezza d’onda.

Il riferimento alla polarizzazione riguarda il fatto che nella luce, in quanto radiazione elettromagnetica, il campo elettrico e il campo magnetico si spostano nello spazio restando tra loro perpendicolari rispetto alla direzione di propagazione della luce stessa, e la polarizzazione è definita in termini del campo elettrico. Polarizzazioni anche diverse possono viaggiare a velocità uguali, ma si vengono a determinare differenze per imperfezioni e asimmetrie casuali del mezzo trasmissivo, per esempio il core che non è perfettamente cilindrico. La Polarization Mode Dispersion, pur non portando, al limite, a una perdita dell’informazione, introduce un fattore di degrado che limita il data rate di trasmissione.

Conclusione
La caratterizzazione della fibre ottiche prevede tecniche di test secondo protocolli e parametri standard, e dai risultati di queste indagini è possible attivare interventi di correzione e adeguamento a garanzia delle reali performance e della corretta funzionalità nel tempo di una rete in fibra.

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1 commento a questo articoloInvia il tuo
  1. Purtroppo, quello che giustamente è stato descritto sopra in Italia non è applicato.
    E’ raro che qualche gestore di TLC faccia questi test in modo regolare.
    Anche le giunzioni a fusioni, non sempre hanno caratteristiche di attenuazione da anno 2017, variano da 0,04 dB, a 0,22 dB, cosa assurda, rispetto alle moderne giuntatrici che permettono facilmente 0,00 dB.
    La tecnologia è andata avanti, non è stato così per la qualità, e per la formazione dei tecnici.

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