Introduzione a fibre ottiche, dB, attenuazione e misure

Introduzione

Questo documento di rapida consultazione contiene alcune formule e informazioni importanti relative alle tecnologie ottiche. Nel documento si parla di decibel (dB), decibel per milliwatt (dBm), attenuazione e misurazioni e viene spiegata in breve la struttura della fibra ottica.

Prerequisiti

Requisiti

Nessun requisito specifico previsto per questo documento.

Componenti usati

Il documento può essere consultato per tutte le versioni software o hardware.

Le informazioni discusse in questo documento fanno riferimento a dispositivi usati in uno specifico ambiente di emulazione. Su tutti i dispositivi menzionati nel documento la configurazione è stata ripristinata ai valori predefiniti. Se la rete è operativa, valutare attentamente eventuali conseguenze derivanti dall'uso dei comandi.

Convenzioni

Per ulteriori informazioni sulle convenzioni usate, consultare il documento Cisco sulle convenzioni nei suggerimenti tecnici.

Cos'è il decibel?

Il decibel (dB) è un'unità di misura utilizzata per esprimere le differenze relative nella potenza del segnale. Un decibel è espresso come logaritmo in base 10 del rapporto tra la potenza di due segnali, come mostrato qui:

dB = 10 x Log₁₀ (P1/P2)

dove Log₁₀ è il logaritmo in base 10, P1 e P2 sono le potenze da confrontare.

Nota: il logaritmo in base 10 (Log₁₀) è diverso dal logaritmo naturale in base e (Ln o LN).

Il decibel può essere usato anche per esprimere l'ampiezza del segnale. La potenza è proporzionale al quadrato dell'ampiezza del segnale. Pertanto, dB è espresso come:

dB = 20 x Log₁₀ (V1/V2)

dove V1 e V2 sono le ampiezze da confrontare.

1 bel (attualmente non in uso) = Log₁₀ (P1/P2)

1 decibel (dB) = 1 bel / 10 = 10 * Log₁₀ (P1/P2)

dBr = dB (relativo) = dB = 10 * Log₁₀ (P1/P2)

Regole dei logaritmi in base 10

• Log₁₀ (AxB) = Log₁₀ (A) + Log₁₀ (B)

• Log₁₀ (A/B) = Log₁₀ (A) - Log₁₀ (B)

• Log₁₀ (1/A) = - Log₁₀ (A)

• Log₁₀ (0,01) = - Log₁₀ (100) = -2

• Log₁₀ (0,1) = - Log₁₀(10) = - 1

• Log₁₀ (1) = 0

• Log₁₀ (2) = 0,3

• Log₁₀ (4) = 0,6

• Log₁₀ (10) = 1

• Log₁₀ (20) = 1,3

  Log₁₀ (2 x 10) = Log₁₀ (2) + Log₁₀ (10) = 1 + 0,3

• Log₁₀ (100) = 2

• Log₁₀ (1000) = 3

• Log₁₀ (10000) = 4

DB

In questa tabella sono elencati i rapporti di potenza espressi in logaritmi e decibel (dB):

Rapporto di potenza	dB = 10 x Log10 (rapporto di potenza)
AxB	x dB = 10 x Log10(A) + 10 x Log10(B)
A/B	x dB = 10 x Log10(A) - 10 x Log10(B)
1/A	x dB = + 10 x Log10 (1/A) = - 10 x Log10 (A)
0,01	- 20 dB = - 10 x Log10(100)
0,1	- 10 dB = 10 x Log10 (1)
1	0 dB = 10 x Log10 (1)
2	3 dB = 10 x Log10 (2)
4	6 dB = 10 x Log10 (4)
10	10 dB = 10 x Log10 (10)
20	13 dB = 10 x (Log10 (10) + Log10 (2))
100	20 dB = 10 x Log10 (100)
1000	30 dB = 10 x Log 10 (1000)
10000	40 dB = 10 x Log10 (10000)

Decibel in milliwatt (dBm)

dBm = dB milliwatt = 10 x Log₁₀ (potenza in mW / 1 mW)

Potenza	Rapporto	dBm = 10 x Log10 (potenza in mW / 1 mW)
1 mW	1 mW/1mW=1	0 dBm = 10 x Log10 (1)
2 mW	2 mW/1mW=2	3 dBm = 10 x Log10 (2)
4 mW	4 mW/1mW=4	6 dBm = 10 x Log10 (4)
10 mW	10 mW/1mW=10	10 dBm = 10 x Log10 (10)
0,1 W	100 mW/1mW=100	20 dBm = 10 x Log10 (100)
1 W	1000 mW/1mW=1000	30 dBm = 10 x Log10 (1000)
10 W	10000mW/1mW=10000	40 dBm = 10 x Log10 (10000)

Decibel riferito al Watt (dBW)

dBW = dB Watt = 10 x Log10 (potenza in W / 1 W)

Potenza	Rapporto	dBm = 10 x Log10 (potenza in mW / 1 mW)
1 W	1 W / 1 W = 1	0 dBW = 10 x Log10 (1)
2 W	2 W / 1 W = 2	3 dBW = 10 x Log10 (2)
4 W	4 W / 1 W = 4	6 dBW = 10 x Log10 (4)
10 W	10 W / 1 W = 10	10 dBW = 10 x Log10 (10)
100 mW	0,1 W / 1 W = 0,1	-10 dBW = -10 x Log10 (10)
10 mW	0,01 W / 1 W = 1/100	-20 dBW = -10 x Log10 (100)
1 mW	0,001W/1W=1/1000	-30 dBW = -10 x Log10 (1000)

Guadagni di potenza/tensione

In questa tabella sono messi a confronto i guadagni di potenza e di tensione:

DB	Rapporto di potenza	Rapporto di tensione	DB	Rapporto di potenza	Rapporto di tensione
0	1,00	1,00	10	10,00	3,16
1	1,26	1,12	11	12,59	3,55
2	1,58	1,26	12	15,85	3,98
3	2,00	1,41	13	19,95	4,47
4	2,51	1,58	14	25,12	5,01
5	3,16	1,78	15	31,62	5,62
6	3,98	2,00	16	39,81	6,31
7	5,01	2,24	17	50,12	7,08
8	6,31	2,51	18	63,10	7,94
9	7,94	2,82	19	79,43	8,91
10	10,00	3,16	20	100,00	10,00

Con queste informazioni, è possibile definire le formule per l'attenuazione e il guadagno:

Attenuazione (dB) = 10 x Log₁₀(P in/P out) = 20xLog₁₀(V in/V out)

Guadagno (dB) = 10 x Log₁₀(P out/P in) = 20 x Log₁₀(V out/V in)

Struttura della fibra ottica

La fibra ottica è un mezzo per trasmettere le informazioni; composta da vetro a base di silice, è costituita da un nucleo rivestito da un mantello. La parte centrale della fibra, chiamata nucleo, ha un indice di rifrazione pari a N1. Il mantello che riveste il nucleo ha un indice di rifrazione inferiore pari a N2. Quando la luce penetra nella fibra, il mantello la confina nel nucleo e la luce si propaga lungo la fibra per riflessione interna fra i confini del nucleo e del mantello.

Figura 1 – Struttura della fibra ottica

Tipo di fibra

Le principali fibre ottiche prodotte e commercializzate oggi sono le fibre monomodali (SM) e le fibre multimodali (MM). Nella Figura 2 vengono illustrati entrambi i tipi di fibra ottica.

Figura 2 – Fibre monomodali (SM) e multimodali (MM)

Lunghezza d'onda

Nella fibra penetra una piccola quantità di luce, con lunghezza d'onda visibile (da 400 nm a 700 nm) e lunghezza d'onda del vicino infrarosso tra 700 nm e 1700 nm nello spettro elettromagnetico (vedere la Figura 3).

Figura 3 – Lo spettro elettromagnetico

Sono disponibili quattro lunghezze d'onda specifiche per la trasmissione in fibra ottica con basso livello di attenuazione, elencate in questa tabella:

Windows	Lunghezza d'onda	Attenuazione
1a lunghezza d'onda	850 nm	3 dB/km
2a lunghezza d'onda	1310 nm	0,4 dB/km
3a lunghezza d'onda	1550 nm (banda C)	0,2 dB/km
4a lunghezza d'onda	1625 nm (banda L)	0,2 dB/km

Potenza ottica

Per misurare l'attenuazione ottica, è possibile usare due unità di misura, dBm e dB. Mentre dBm è il livello di potenza effettivo espresso in milliwatt, dB (decibel) misura la differenza tra le potenze.

Figura 4 – Come misurare la potenza ottica

Se la potenza ottica in ingresso è P1 (dBm) e la potenza ottica in uscita è P2 (dBm), la perdita di potenza è P1 - P2 dB. Per verificare la perdita di potenza tra potenza in ingresso e potenza in uscita, fare riferimento al valore dB in questa tabella di conversione:

DB	Potenza in uscita in valore % della potenza in ingresso	% di potenza persa	Osservazioni
1	79%	21%	-
2	63%	37%	-
3	50%	50%	1/2 della potenza
4	40%	60%	-
5	32%	68%	-
6	25%	75%	1/4 della potenza
7	20%	80%	1/5 della potenza
8	16%	84%	1/6 della potenza
9	12%	88%	1/8 della potenza
10	10%	90%	1/10 della potenza
11	8%	92%	1/12 della potenza
12	6.3%	93.7%	1/16 della potenza
13	5%	95%	1/20 della potenza
14	4%	96%	1/25 della potenza
15	3.2%	96.8%	1/30 della potenza

Ad esempio, quando la potenza ottica in ingresso in linea diretta (LD) nella fibra è 0 dBm e la potenza in uscita è -15 dBm, la perdita ottica della fibra viene calcolata come segue:

Input   Output    Optical Loss 
0dBm -  (-15dBm)  =15dB 

Nella tabella di conversione della potenza, 15 dB di attenuazione ottica equivalgono al 96,8 percento di perdita di potenza ottica. Pertanto, propagandosi nella fibra ottica, rimane solo il 3,2 percento di potenza ottica.

Informazioni sulla perdita per inserzione

In qualsiasi collegamento in fibra ottica si verifica una perdita di potenza. La perdita per inserzione di un connettore o un giunto è la differenza di potenza rilevabile dopo aver inserito il dispositivo nel sistema. Ad esempio, prendere un tratto di fibra e misurarne la potenza ottica. Prendere nota del valore rilevato (P1). Tagliare ora la fibra a metà, terminare le fibre e collegarle, quindi misurare nuovamente la potenza. Prendere nota del secondo valore rilevato (P2). La differenza tra il primo valore (P1) e il secondo valore (P2) è la perdita per inserzione ovvero la perdita di potenza ottica che si verifica quando si inserisce il connettore nella linea. Questa differenza viene misurata con la formula:

IL (dB) = 10 Log₁₀ (P2 / P1)

È necessario comprendere due aspetti importanti sulla perdita per inserzione:

• La perdita per inserzione riguarda fibre identiche.

  Se il diametro del nucleo (o NA) del lato trasmissione della fibra è maggiore del diametro del nucleo del lato ricezione, si verificano ulteriori perdite.

  Ldia = 10 Log₁₀ (diar/diat)²

  LNA = 10 Log₁₀ (NAr/NAt)²

  dove:

  • Ldia = diametro della perdita

  • diar = diametro sul lato ricezione

  • diat = diametro sul lato trasmissione

  • LNA = perdita sulla fibra ottica

  Ulteriori perdite possono verificarsi a causa delle riflessioni di Fresnel. Queste si verificano quando si separano due fibre creando una discontinuità nell'indice di rifrazione. Se due fibre di vetro separate da un traferro, la riflessione di Fresnel è pari a 0,32 dB.

• La perdita dipende dalla fibra di lancio.

  La perdita per inserzione dipende dalla lunghezza della fibra di lancio e dalle condizioni delle due fibre che vengono collegate. Se la fibra di lancio è corta, la fibra può ricevere tutta l'energia ottica trasportata sia dal mantello sia dal nucleo. Su lunghe distanze, questa energia in eccesso si perde finché la fibra non raggiunge una condizione di distribuzione equilibrata, nota con l'acronimo EMD (Equilibrium Mode Distribution). Quando si usano fibre di lancio lunghe, la distribuzione equilibrata viene raggiunta già lungo la fibra, quindi l'energia in eccesso è già compensata e non arriva al connettore.

  La luce che attraversa la giunzione di collegamento tra fibre può nuovamente sovraccaricare la fibra con l'energia in eccesso dei modi di propagazione del mantello, destinata a perdersi rapidamente. Su distanze di ricezione brevi, se si misura la potenza in uscita della fibra, è possibile rilevare l'energia in eccesso. Poiché tale energia in eccesso non può propagarsi su una lunga distanza, il valore rilevato è errato. Analogamente, se la fibra di ricezione è sufficientemente lunga da permettere la distribuzione equilibrata (EMD), la perdita per inserzione può essere più alta, ma dipende comunque dalle condizioni dello scenario effettivo.

  È possibile simulare facilmente l'EMD (fibre di lancio lunghe e ricezione). A tal fine, avvolgere la fibra attorno a un mandrino cinque volte. Ciò permette di sopprimere i modi di propagazione del mantello.

Calcolo di un budget energetico

È possibile effettuare una stima approssimativa del budget energetico del collegamento. A tal fine, è necessario prevedere 0,75 dB per ciascun collegamento tra fibre e presumere che la perdita della fibra sia proporzionale alla lunghezza della fibra stessa.

Per un tratto di 100 metri con tre patch panel e fibra ottica 62,5/125 con una perdita di 3,5 dB/km, la perdita totale è di 2,6 dB, come mostrato qui:

Fibra: 3,5 dB/km = 0,35 dB per 100 metri

Patch panel 1 = 0,75 dB

Patch panel 2 = 0,75 dB

Patch panel 3 = 0,75 dB

Totale = 2,6 dB

La perdita misurata è normalmente inferiore. Ad esempio, la perdita per inserzione media di un connettore AMP SC è 0,3 dB. In questo caso, la perdita del collegamento è 1,4 dB. Indipendentemente dal fatto che si utilizzi Ethernet a 10 Mbps o ATM a 155 Mbps, la perdita è la stessa.

Il riflettometro ottico nel dominio del tempo, o OTDR (Optical Time-Domain Reflectometry), è uno strumento usato comunemente per certificare i sistemi in fibra ottica. Il riflettometro OTDR inietta la luce nella fibra ottica, quindi visualizza graficamente i risultati della luce retroriflessa rilevata. Il riflettometro OTDR misura il tempo di transito della luce riflessa per calcolare la distanza dai diversi eventi. Il display permette di verificare la perdita per unità di lunghezza, di valutare giunti e connettori e di individuare i guasti. Il riflettometro OTDR permette di ingrandire determinate ubicazioni per vedere da vicino le varie porzioni del collegamento.

Sebbene sia possibile usare i misuratori di potenza e gli iniettori di segnale per molte certificazioni e valutazioni dei collegamenti, i riflettometri OTDR rappresentano un potente strumento diagnostico per avere un quadro completo del collegamento. Ricordare tuttavia che il riflettometro OTDR richiede competenze approfondite e una certa abilità per interpretare i risultati visualizzati.

Informazioni correlate

• Pagina di supporto dei prodotti ottici
• Documentazione e supporto tecnico – Cisco Systems