Fibra ottica

Se ai manager di rete viene chiesto cosa pensano della tecnologia a fibra ottica, è molto probabile che rispondano: troppo costosa, troppo impegnativa, o troppo rischiosa da mantenere senza costanti interventi di impostazione. La realtà è del tutto diversa: la fibra è economica, estremamente affidabile, offre la flessibilità richiesta all’interno di una rete ed è aggiornabile a qualsiasi velocità dati. Se si è lavorato su cavi UTP (Unshielded Twisted Pair - doppino ritorto non schermato) di Categoria 5, o anche cavi coassiali, con un piccolo sforzo si possono acquisire le tecniche e i dati necessari per lavorare con la fibra. Il soggetto della tecnologia della fibra ottica è eccessivamente vasto e tecnico, per poter essere compreso in un solo articolo. Pertanto, qui vengono dapprima descritte le ragioni di utilizzo della fibra come parte di una rete a cablaggio misto, quindi la topologia della rete, le specifiche di fibra, il numero di conduttori di fibra e cavi misti, i connettori, i pannelli di connessione e le giunzioni, per concludere con una succinta descrizione degli strumenti di test delle reti in fibra.

Il perché di una scelta
Perché impiegare la fibra invece del rame? Il cavo a fibra ottica supporta una larghezza di banda estremamente elevata. La fibra presenta una qualità trasmissiva superiore, maggiori capacità di trasporto dei dati, facilità di upgrade a velocità dati più alte e immunità ai disturbi elettromagnetici e radio. Un conduttore a fibra è costituito da un’anima attiva denominata nucleo (core) e da uno strato di vetro protettivo esterno chiamato rivestimento (cladding) che serve come strato riflettente per il mantenimento del flusso dei segnali luminosi all’interno del nucleo. Un cavo a fibra può consistere in un singolo conduttore, ma in genere è formato da più conduttori. L’assieme dei conduttori è protetto da una guaina morbida, a sua volta racchiusa in una protezione rigida. Relativamente al rivestimento, è stato adottato dall’industria della fibra un diametro di 125 micron (un micron è un milionesimo di metro). Le dimensioni del nucleo delle fibre più diffuse sono 50 e 62,5 micron per la fibra multimode e 8 micron per la fibra a single-mode. Le dimensioni del rivestimento e delle fibre sono combinate e utilizzate per definire le caratteristiche fisiche della fibra. Per esempio, un riferimento tipico di fibra può essere 50/125, 62,5/125 o 8/125. Siccome l’industria della fibra ottica ha adottato una misura standard per il rivestimento, il riferimento a 50 micron, 62,5 micron, od 8 micron, definisce interamente le specifiche di dimensioni della fibra. I segnali luminosi che scorrono attraverso la fibra ottica vengono trasmessi e ricevuti mediante apparati elettronici posti alle estremità terminali della fibra. Questa tipologia di apparati elettronici, denominati apparati di terminazione fibra (fiber termination equipment), converte i segnali elettrici in segnali ottici e viceversa. Uno dei principali vantaggi ottenibili grazie all’impiego della fibra è rappresentato dalla possibilità di eseguire l’upgrade di reti basate su fibra a velocità dati superiori, semplicemente modificando l’apparato elettronico presente sui terminali della fibra. Le fibre multimode e single-mode differiscono sia nelle modalità di trasmissione della luce attraverso la fibra sia per la capacità di larghezza di banda di ciascun tipo di fibra. La diversità più ovvia è la reale dimensione fisica del nucleo ottico del conduttore a fibra. In particolare, la fibra multimode è in grado di trasmettere più percorsi luminosi indipendenti a varie lunghezze d’onda o fasi, ma il maggiore diametro del nucleo rende più probabili riflessioni sulle superfici interne del nucleo stesso, con conseguente dispersione e relativa limitazione della larghezza di banda e della distanza di trasmissione fra i ripetitori. In altre parole, la larghezza di banda della fibra multimode è di circa 2,5 Gbps. La fibra single-mode può trasmettere luce soltanto su un singolo percorso luminoso, ma il diametro inferiore diminuisce la dispersione, con il risultato di più estese distanze di trasmissione. Il problema è che i prezzi della fibra single-mode sono più alti, sia per la stessa fibra che per l’elettronica di trasmissione e ricezione del flusso luminoso. Una fibra single-mode presenta un nucleo alquanto ridotto (diametro di 10 micron o inferiore), progettato per trasmettere dati a larghezza di banda elevata su lunghe distanze. Grazie al piccolo diametro, sono meno probabili riflessioni sulle superfici interne del nucleo e, conseguentemente, si hanno minori dispersioni. La fibra single-mode è in grado di trasmettere solo un singolo segnale di portante luminosa. La larghezza di banda della fibra single-mode è superiore ai 10 Gbps.
Il layout fisico della rete
Come per il cablaggio UTP, quello a fibra comporta topologie fisiche e logiche. La topologia fisica è l’installazione del cavo a fibra ottica fra vari edifici (interbuilding) e all’interno di ciascun edificio (intrabuilding) per realizzare una struttura di supporto di una topologia logica flessibile, logica perché le fibre sono interconnesse in un sistema di comunicazione. Una delle migliori, se non addirittura la migliore in assoluto, fonti informative inerenti installazioni fisiche di impianti cavi è il manuale Telecommunications Distribution Method (TDM) BICSI del 1995. Il TDM descrive, in linguaggio facilmente comprensibile, i fondamenti di un layout fisico di impianti cavi per cavo a fibra ottica conforme agli standard universali. Il TDM e il Commercial Building Telecommunications Cabling Standard (ANSI/TIA/EIA-568A) consigliano una topologia fisica a stella per l’interconnessione di dorsali di cavo a fibra sia interbuilding che intrabuilding. Naturalmente, sono spesso il layout fisico dei vari edifici e il cablaggio esistente a determinare la topologia fisica. Quindi, sebbene una topologia a stella gerarchica offra la più elevata flessibilità fisica, se si interviene su una struttura esistente occorre valutare i costi di nuovo cablaggio. Anche una topologia in cui un anello fisico è il solo metodo di cablaggio possibile si dimostra in definitiva migliore della mancata adozione di un cablaggio di dorsale a fibra.

Numero di fibre e cavi ibridi
Il numero dei conduttori a fibra in un cavo è denominato fiber count. Sfortunatamente, non sono state pubblicate normative che indicano quanti conduttori a fibra sono richiesti per specifici cavi. Pertanto, il progettista deve decidere indipendentemente il numero di fibre in ciascun cavo e quante di tali fibre devono essere single-mode. Un cavo a fibra ibrido è un cavo che comprende sia fibre multimode che fibre single-mode. Si tenga presente, nella selezione del numero di fibre e della combinazione di fibre single-mode e multimode, che i relativi produttori tendono a costruire e immagazzinare cavi con un numero di fibre multiplo di 6 e 12. I cavi che i produttori tengono a magazzino sono molto meno costosi di quelli prodotti specificatamente con peculiare fiber count. E’ regola generale disporre di un numero di fibre per cablaggi interbuilding e intrabuilding il cui valore non supera il budget che è possibile supportare. Ma qual’è, in pratica, il fiber count minimo? Si calcoli quante fibre occorrono veramente per supportare le applicazioni a fibra dal giorno uno, quindi si raddoppi quel numero ottenendo il fiber count minimo. Per esempio, se inizialmente, per collegare due edifici, è necessario un cavo con 31 fibre, si aumenti il fiber count al prossimo multiplo di sei (perché, come accennato in precedenza, i cavi a fibra vengono normalmente prodotti in multipli di sei fibre), ottenendo 36. Raddoppiando questo numero si prevengono richieste future. In questa situazione ipotetica, è quindi necessario installare un cavo che comprenda almeno 72 fibre. Altro parametro da considerare è la combinazione tra fibre multimode e single-mode all’interno di un cavo. In generale, si consiglia che nel cavo vi sia il 25 per cento di fibre single-mode. Riprendendo l’esempio del cavo a 72 fibre, 18 delle fibre di quel cavo dovranno essere single-mode e 54 multimode. Se in precedenza si era utilizzato cavo UTP, 72 conduttori a fibra possono sembrare molti. Si rammenti tuttavia, che un cavo a 72 fibre non costa il doppio di un cavo a 36 fibre. Rispetto a quest’ultimo, il costo di un cavo a 72 fibre è superiore del 20 per cento e nell’esempio precedente il cavo a 36 fibre rappresentava il minimo assoluto necessario per soddisfare le richieste a partire dal primo giorno. Non si dimentichi inoltre che la facilità di installazione e i relativi costi di un cavo a 72 fibre sono quasi gli stessi di un cavo a 36 fibre. Si possono installare fibre per utilizzo futuro e lasciarle prive di terminazione fin quando occorre metterle in funzione.

Le specifiche
Esistono centinaia di specifiche di fibra che riguardano qualsiasi aspetto, dalla dimensione fisica alla larghezza di banda, dalla resistenza alla rottura del cavo al colore del trattamento superficiale della guaina. Il trattamento superficiale della guaina fornisce un’ulteriore protezione al nucleo del conduttore a fibra e al rivestimento e la sua colorazione è di solito codificata, per agevolarne l’identificazione. Tuttavia, nella pratica le richieste specifiche sono normalmente relative a lunghezza, diametro, finestra ottica (lunghezza d’onda), attenuazione, larghezza di banda e grado della fibra. Nelle specifiche di fibra, la lunghezza viene indicata in metri e chilometri. Si consiglia vivamente di specificare la lunghezza sia in metri/chilometri che in piedi/miglia, quando si esprime la lunghezza di un cavo a fibra a un acquirente o produttore (2 Km equivalgono a 1,3 miglia). Durante un ordine di un cavo a fibra, occorre avere la garanzia che il cavo venga consegnato in lunghezze utilizzabili. Per esempio, se è richiesto un cavo di 200 metri e due cavi di 400 metri, per un totale di 1.000 metri, e si ricevono due rotoli da 500 metri, dopo aver installato un cavo di 200 metri e uno da 400 metri, si resta con due "avanzi" di 300 metri e 100 metri, ossia 400 metri, di cavo inutilizzabile. Per evitare un simile problema, è necessario ordinare la fibra in tre parti, una di 220 metri e due di 420 metri (la lunghezza extra può compensare errori nelle stime di estensione dei cavi). Si può inoltre scegliere di ordinare una bobina extra di fibra da tenere nel locale di terminazione, affinché, se richiesto, si possa riterminare il cavo o spostare il telaio di terminazione all’interno del locale. Sono disponibili diversi diametri di fibra ottica multimode, ma le dimensioni più comuni sono 62,5/125 micron. Le dimensioni di fibra di 62,5/125 sono specificate negli standard ANSI/TIA/EIA-568A relativi al cablaggio di edifici. Il diametro di base della fibra ottica single-mode è uno solo: 9 micron (più o meno un micron). Si tenga presente che se l’apparato di terminazione di fibra richiede fibra con un diametro speciale e se si intende utilizzare quell’apparato, si deve fornire quel diametro al fornitore. Dimensioni spaiate implicano in genere apparati meno recenti che è probabile non possano operare senza fibra a diametro speciale. Con "finestra" ottica di fibra ci si riferisce alla lunghezza d’onda della luce trasmessa con attenuazione minima. La lunghezza d’onda si misura in nanometri (nm). Comunemente vengono utilizzate quattro lunghezze d’onda: 850 nm, 1.300 nm, 1.310 nm e 1.550 nm. La gran parte delle fibre presentano finestra doppia - ossia, prevedono due lunghezze d’onda ottiche di trasmissione luminosa. Per quanto concerne le fibre multimode, queste lunghezze d’onda sono 850 nm e 1.310 nm, mentre le lunghezze d’onda delle fibre single-mode sono 1.310 nm e 1.550 nm. L’attenuazione di fibra misura la quantità della perdita di segnale; ed è analoga alla resistenza nei cavi di rame. L’attenuazione viene misurata in decibel di perdita per chilometro (dB/Km). Perdite di attenuazione tipiche per la fibra single-mode sono 0,5 dB/Km a 1.310 nm e 0,4 dB/Km a 1.550 nm, mentre per la fibra multimode sono 3,0 dB/Km a 850 nm e 1,5 dB/Km a 1.300 nm. La fibra single-mode più sottile consente distanze molto maggiori con perdita di segnale equivalente a quella della fibra multimode. Si noti che i cavi a fibra si devono specificare con il valore massimo consentito di perdita di attenuazione (cioè il caso peggiore), non con il valore tipico. Le fibre single-mode presentano valori di massima attenuazione di 1,00/0,75 dB/Km, 3,75/1,5 dB/Km le fibre multimode. Per entrambe le fibre, la più estesa finestra ottica di lunghezza d’onda presenta la perdita di attenuazione minore. Esempi di indicazioni di perdita di attenuazione in ordini a fornitore possono essere: "L’attenuazione massima modo singolo sarà uguale 0,5 dB/Km con finestra di 1.310 nm", "L’attenuazione massima multimodo con finestra ottica 850-1300 nm sarà uguale a 3,75-1,5 dB/Km". La larghezza di banda, ossia la quantità di capacità di trasporto segnale di un conduttore a fibra ottica, è inversamente proporzionale all’attenuazione del conduttore. In altre parole, minore è l’attenuazione (dB/Km) e maggiore risulta la capacità di larghezza di banda espressa in MHz. Il valore minimo accettabile di larghezza di banda per fibra multimode è 160/500 MHz a 850//1.300 nm con attenuazione massima di 3,75/1,5 nm. Questi valori sono conformi agli standard FDDI, TIA/EIA-568 per cavo a fibra Ethernet e Token Ring. In funzione delle prestazioni richieste per la trasmissione ottica, sono disponibili diversi gradi di fibra. I gradi di fibra tipici sono tre: standard, high-grade e premium; il prezzo varia corrispondentemente alle prestazioni. E’ possibile utilizzare una fibra di grado più elevato per soddisfare specifiche richieste di distanza e di attenuazione.

Connettori di fibra
Il connettore di fibra che è specificato nelle norme ANSI/TIA/EIA-568A, Commercial Building Telecommuni-cations Cabling Standard, è il connettore a scatto duplex SC, ma quello più usato sul pannello di connessione fibra è il connettore con innesto a baionetta ST compatibile di AT&T. Grazie alla estesa base di installato del connettore per fibra ST compatibile, lo standard 568A ne prevede l’utilizzo, nonostante sia proprietario. Se si sta installando un impianto a fibra, occorre usare il connettore duplex SC perché la progettazione SC offre una caratteristica di "a prova di strappo" sul connettore e una tecnica di controllo di adattamento della polarità della fibra sui pannelli di connessione della fibra. Sebbene il connettore per fibra sia standardizzato nel pannello di connessione, sono disponibili numerosi connettori per fibra sull’apparato terminatore di fibra. I produttori di tali apparati possono offrire diverse opzioni di connettore per consentire la normalizzazione del conduttore di fibra, ma ci deve attendere il peggio, quando si arriva alla standardizzazione del connettore. Se il connettore di apparato di terminazione fibra non è adatto al connettore scelto per il pannello di connessione, è necessario acquisire derivazioni di fibra duplex che dispongono dei richiesti connettori di fibra - e immagazzinare una quantità di cavi di derivazione.

Pannelli di connessione
Si consiglia caldamente di utilizzare dei pannelli di connessione per la terminazione di cavi a fibra sia interbuilding che intrabuilding. Vi sono numerosi produttori di pannelli di connessione per fibra con molti stili differenti di pannelli, ma indipendentemente dal pannello utilizzato, si deve adottare soltanto un tipo di connettore di fibra per tutti i pannelli di connessione dello specifico impianto. Se è possibile, si adotti lo stesso connettore di fibra anche per tutti gli apparati di terminazione. Nella scelta del pannello di connessione per fibra, si consideri il lato umano dell’equazione. E’ corretto, tenere concentrati connettori a 72 fibre in uno spazio di 200 mm per 500 mm - o lo è finché un tecnico deve rimuovere un connettore in mezzo alla selva di 72 derivazioni di fibra. Certo, si tratta di rimuovere quel preciso connettore senza danni per gli altri 71. Ma ci passano le dita in uno spazio tanto angusto fra i connettori di fibra sul pannello? Qualcuno con mani grandi non avrebbe qualche problema? Accoppiamenti, paratie o manicotti di interconnessione forniscono la connessione fra due connettori di fibra ottica e sono utilizzati sui pannelli di connessione per consentire il collegamento delle derivazioni di fibra con l’impianto.

Le giunzioni
E’ inevitabile che giunga il momento di unire due conduttori a fibra. Le giunzioni prevedono due tecniche, metallica e per fusione, entrambe con i propri avvocati difensori. Una giunzione meccanica viene realizzata tramite un dispositivo che fa combaciare le estremità della fibra, bloccandole una contro l’altra. Nella giunzione per fusione, le fibre vengono saldate assieme. L’investimento iniziale delle attrezzature di giunzione per fusione può essere notevole - ma il risultato è una traccia quasi inavvertita sul quadrante di un OTDR (Optical Time Domain Reflectometer). Una buona giunzione meccanica con gel di adattamento può avvicinarsi a tale risultato, ma non può raggiungerlo. La giunzione sulla fibra multimode non è critica quanto quella su fibra single-mode, perché la larghezza di banda dei segnali trasportati lungo la fibra multimode tende a diminuire (al di sotto dei 200 MHz) e i segnali non sono molto sensibili alla riflettanza causata dalle giunzioni metalliche. Un’applicazione di fibra multimode alquanto sensibile alla riflessione è quella relativa alla TV via cavo a banda larga. La giunzione per fusione è la tecnica di giunzione da adottare nel caso in cui la specifica applicazione sia sensibile alla riflettanza.

Gli strumenti di test
Quando si lavora con la fibra, occorre prevedere l’utilizzo di un misuratore della potenza ottica. Gli strumenti di misura della potenza ottica richiedono una taratura, sia del livello di potenza che della sensibilità della lunghezza d’onda, per garantire la precisione, nelle misure. I misuratori di fascia alta forniscono lunghezze d’onda selezionabili per le misure della potenza. Per la generazione del segnale ottico del misuratore della potenza ottica, è necessaria una sorgente ottica di appropriata lunghezza d’onda. Questa sorgente, come ci si può attendere, produce energia luminosa a lunghezza d’onda e livello di potenza prestabiliti. E’ necessario garantire che la sorgente ottica produca luce della medesima lunghezza d’onda dell’apparato di terminazione perché diversamente la perdita ottica misurata non uguaglia la corretta perdita ottica del sistema a fibra finale. Per l’installazione occorre un ODTR. Se non è possibile acquistare un ODTR, è comunque necessario procurarsene uno per l’installazione della fibra. L’ODTR visualizza le prestazioni della fibra fornendone una rappresentazione grafica delle caratteristiche ottiche. Si immagini l’ODTR alla stregua di un radar ottico: invia impulsi ottici e misura il periodo di tempo e l’ampiezza del segnale riflesso. Si consideri che, sebbene gli strumenti ODTR offrano valori di perdita per la fibra in dB, è possibile che i valori tendano a una inaccuratezza. Per la misura della perdita di fibra, si deve utilizzare un misuratore della potenza ottica e una sorgente ottica di lunghezza d’onda nota, sull’appropriata lunghezza d’onda. Infine, semplici adattatori di fibra forniscono temporanee connessioni di fibra all’apparato di test e offrono una veloce interfaccia di connessione e sconnessione fra una estremità di fibra spezzata e lo strumento di test ottico. Questi adattatori sono disponibili su diversi tipi di connettore ottico. Non prevedono un adattamento perfetto con la fibra, ma consentono il controllo del cavo a fibra utilizzando un ODTR prima della terminazione della fibra nei connettori ottici.

Conclusioni
L’obiettivo di questo articolo era rendere familiare ai professionisti della rete la tecnologia a fibra ottica. La fibra presenta numerose altre peculiarità, quali i raggi di curvatura, i materiali usati dai produttori del cavo e la scelta fra i vari apparati di terminazione. In ogni caso, il mondo della fibra ottica in realtà non è diverso dal più familiare regno del rame coassiale e UTP.

CONSIGLI PRATICI PER L'INSTALLAZIONE DI RETI SU FIBRA OTTICA
Sicurezza! Non sottovalutare mai la fibra! Mantenere un atteggiamento di forte rispetto nei riguardi della fibra e dei trasmettitori ottici. La diffusione di energia ottica di qualsiasi lunghezza d’onda comunemente usata non è visibile all’occhio umano, ma potrebbe distruggere irreparabilmente la retina. Sicurezza! I frammenti quasi invisibili di fibra risultanti dallo spezzare la fibra sono piccolissimi pezzi di vetro, che facilmente possono perforare l’epidermide o arrivare agli occhi. Prestare attenzione estrema nel controllo di queste particelle di fibra. Documentazione del test della fibra. L’iniziale test sulla fibra eseguito nel corso dell’installazione fornisce dati importanti. Conservare copie delle misure della perdita e delle lunghezze d’onda dell’ODTR (Optical Time Domain Reflectometer) per la risoluzione di eventuali problemi futuri. Attenuazione della fibra. Verificare e annotare l’attenuazione di ciascuna fibra installata alla lunghezza d’onda di utilizzo. Se l’apparato terminatore di fibra utilizza 780 nm, controllare l’attenuazione della fibra a 780 nm - a 850 nm l’attenuazione è diversa. Numero di fibre (fiber count). Prevedere quante più possibili fibre nei cavi a fibra tra vari edifici e all’interno di ciascun edificio. Margine di potenza. Prevedere almeno un margine di potenza ottica di 2 dB al di sopra e al di sotto della quantità stabilita per annullare l’attenuazione ottica sulla fibra; fare in modo che le previsioni di spesa possano comprenderlo. Non fumare. Non fumare nelle operazioni di suddivisione della fibra, perché le particelle di fumo possono danneggiare il conduttore. Disegno del circuito ottico. Eseguire uno schema di ciascun circuito ottico dall’inizio alla fine, registrando la potenza ottica di lancio, la perdita di fibra, la posizione del pannello di connessione, il tipo di connettore rinvenuto su ciascuna connessione e la potenza ottica del ricevitore sul connettore dell’apparato di terminazione fibra. Connettori fibra single-mode. Se nell’impianto si utilizzano fibre sia multimode che single-mode, mantenere i connettori single-mode e i relativi accoppiatori separati. I componenti single-mode sono più costosi e la sostituzione di un componente multimode con un componente single-mode esige una interminabile ricerca di eventuali guasti. Topologia a stella. Quando possibile, per l’installazione di cablaggi a fibra utilizzare la topologia fisica a stella. Punti di attraversamento TX / RX. Annotare sullo schema circuitale il punto di incrocio da TX a RX della fibra. Una connessione da TX a TX sull’apparato di terminazione equivale a un’interruzione della fibra: non funziona. Fibra 62,5/125. Utilizzare fibra multimode a 62,5/125 micron per applicazioni interne agli edifici. Le dimensioni di fibra 62,5/125 sono quelle consigliate dagli standard ANSI/TIA/EIA-568A.