Capacità di trasmissione
Il cavo in fibra ottica trasporta una quantità notevolmente maggiore di dati rispetto a un conduttore in rame di dimensioni comparabili.
LA TECNOLOGIA ALLA BASE DI FOTAS
OPTICS · ELECTRONICS · COMPUTER SCIENCEFOTAS è un sensore acustico distribuito in fibra ottica. Comprendere questo sistema è possibile solo comprendendo le tecnologie alla base di esso.
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DISTRIBUTED ACOUSTIC SENSING PLATFORM
FOTAS: soluzioni avanzate nel rilevamento acustico distribuito
La tecnologia Distributed Acoustic Sensing (DAS) utilizza cavi in fibra ottica come sensori per rilevare i segnali acustici. FOTAS combina questa tecnologia con laser, ingegneria della fibra ottica e intelligenza artificiale.
L'intelligenza artificiale aiuta ad analizzare e interpretare le grandi quantità di dati raccolti da DAS. Ciò rende il sistema efficace in settori quali la sicurezza e il monitoraggio delle infrastrutture.
Le sezioni seguenti spiegano come funziona la tecnologia, partendo dalla fibra ottica stessa e proseguendo attraverso i laser, il rilevamento acustico distribuito e la riflettometria ottica nel dominio del tempo.
THE SENSING MEDIUM
Fibra ottica
La fibra ottica è un sottocampo dell'ottica. Mentre l'ottica è il campo della luce in generale, la fibra ottica si occupa solo dei fenomeni ottici all'interno delle fibre di vetro. "Fibra" significa filo, quindi la fibra ottica si riferisce ai fili di vetro che consentono alla luce di attraversarli.
La maggior parte delle infrastrutture di telecomunicazione oggi si basa su cavi in fibra ottica. Sono i discendenti dei cavi elettrici in rame, ma se i cavi elettrici esistevano già, perché vengono utilizzati invece i cavi in fibra ottica?
I precedenti cavi di telecomunicazione standard erano realizzati in rame o altri metalli conduttivi. Questi cavi trasportano gli elettroni da un'estremità all'altra e, con l'aiuto di altri dispositivi, questa corrente trasporta dati preziosi. Le precedenti linee telefoniche e poi le linee Internet venivano costruite con questo tipo di cavo.
Con l’aumento dei volumi di dati trasferiti, i cavi basati sulla corrente hanno cominciato a non essere all’altezza. Nel 1990 c'erano circa 2,6 milioni di utenti Internet; nel 2016 quel numero aveva raggiunto 3,406 miliardi. I cavi elettrici convenzionali non potevano far fronte a questa richiesta e la fibra ottica ha preso il loro posto.
WHY FIBER REPLACED COPPER
Cavo in fibra ottica vs cavo in rame
I cavi in fibra ottica possono trasmettere molti più dati rispetto ai cavi in rame: la differenza è approssimativamente dell'ordine di 10 a 1000 volte. La capacità fa avanzare la fibra ottica, ma i vantaggi non si fermano qui.
Perdita di dati
La trasmissione ottica preserva la qualità del segnale su distanze molto più lunghe prima che sia necessaria l'amplificazione.
Velocità di trasferimento
I dati vengono trasportati dai fotoni che viaggiano attraverso il nucleo di vetro, non dagli elettroni in un conduttore metallico.
Resistenza EMI
Cavi leggeri e resistenti non risentono delle interferenze elettromagnetiche lungo i percorsi all'aperto.
Il componente principale di un cavo in fibra ottica è la fibra ottica stessa. Le fibre ottiche sono realizzate in vetro o materiali simili e il loro scopo è trasportare la luce, quindi il materiale deve essere trasparente. La luce che viaggia nel cavo è generata da dispositivi laser.
Al di là della trasparenza, il materiale dovrebbe essere durevole, flessibile, economico e facile da produrre. Il vetro è sorprendentemente flessibile con un diametro di 9 micrometri e l'umanità ha migliaia di anni di esperienza industriale e artigianale con esso. Una preforma di vetro viene trafilata fino a diventare sempre più sottile, finché il nucleo raggiunge circa 9 micrometri.
Un cavo in fibra ottica non è costituito solo dal nucleo di vetro. La luce che si propaga attraverso un nucleo non protetto si disperderebbe in direzioni casuali, quindi ha bisogno di una guida d'onda e di strati protettivi per raggiungere la posizione target con la minima perdita.
LIGHT PROPAGATION
Come viaggiano i fotoni all'interno della fibra ottica
La luce viaggia all'interno del nucleo e rimbalza sulle pareti della fibra mentre procede. I cavi in fibra ottica sono progettati in modo tale che i raggi luminosi non possano propagarsi verso l'esterno, tuttavia alcuni di essi riescono a fuoriuscire. Questo fenomeno è chiamato perdita ottica.
La legge fisica che fa rimbalzare la luce e rimane all'interno del cavo è la legge di Snell. Quando la luce rimane all'interno del cavo senza perdite durante il rimbalzo, il fenomeno è chiamato Riflessione Interna Totale.
Snell's Law
Governs refraction at the boundary between core and
cladding, redirecting light back into the core.
Total Internal Reflection
Keeps the light guided along the fiber over long distances
with minimum loss.
Optical Loss
The small portion of light that escapes or is absorbed as
the pulse propagates.
THE LIGHT SOURCE
Laser
La parola laser è l’acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. I sistemi DAS e molti altri sistemi si basano sulla tecnologia laser. Il sistema FOTAS utilizza la luce laser per ottenere dati sull'intrusione: la luce laser viaggia attraverso il cavo in fibra ottica e si disperde al suo interno, e la luce diffusa viene raccolta dall'unità OTDR.
Un laser può sembrare una normale sorgente luminosa, ma non lo è affatto. La luce laser è collimata, coerente e polarizzata: tre proprietà che rendono possibili Phase-OTDR e FOTAS.
Luce collimata
Tutti i raggi laser sono paralleli e unidirezionali. Viaggiano nella stessa direzione senza incrociarsi, quindi non viene persa quasi nessuna potenza nel percorso verso la posizione target.
La divergenza esiste ancora, ma è minuscola rispetto a una lampadina o LED, che è esattamente ciò che rende possibili lunghe distanze di rilevamento.
Coerenza e fase
I fotoni in un laser condividono la stessa fase, direzione e polarizzazione. "Fase" deriva dalla parola greca "apparenza", quindi una differenza di fase significa che un'onda corre davanti o dietro un'altra.
La fase uguale concentra l'energia, come combinare molti colpi di martello deboli in un unico colpo efficace. L'uguaglianza di fase è ciò che consente a Phase-OTDR e FOTAS di funzionare.
Polarizzazione
Polarizzazione significa che le oscillazioni di un'onda hanno una direzione definita rispetto alla sua propagazione. Le onde elettromagnetiche sono onde trasversali i cui campi elettrici e magnetici oscillano perpendicolarmente alla direzione di viaggio.
La direzione della polarizzazione è definita parallela al campo elettrico. Un esempio familiare e quotidiano sono gli occhiali 3D, in cui la rotazione della testa modifica la luminosità percepita.
Come funziona un laser
I laser funzionano sulla base dell'emissione stimolata. Gli atomi hanno livelli energetici quantizzati per i loro elettroni: i livelli esistono a valori discreti. Gli elettroni tendono a rimanere ai livelli più bassi, ma quando assorbono energia si spostano a quelli più alti.
Poiché i livelli energetici più elevati non sono energeticamente stabili, gli elettroni tendono a emettere quell’energia extra e a ricadere. Nella maggior parte dei casi ciò avviene spontaneamente, fenomeno chiamato emissione spontanea.
In un laser, questa emissione è controllata in modo che le emissioni vengano invece stimolate. Quando un fotone viene assorbito da un elettrone già eccitato, l'elettrone emette due fotoni identici. Quei fotoni vengono assorbiti da altri elettroni, che ne emettono molti di più: il principio di funzionamento di base del laser.
TURNING FIBER INTO A SENSOR
Rilevamento acustico distribuito
Il Distributed Acoustic Sensing (DAS) è una tecnologia che rileva i segnali acustici. La forza che viaggia attraverso i materiali provoca spostamenti di pressione nel mezzo che attraversa: aria, terra, acqua e così via. Questi fenomeni di spostamento sono chiamati onde acustiche e le onde sonore ne sono l'esempio più comune.
I sensori a punto singolo rilevano i segnali in un solo punto, come la punta di un ago. Nei sensori distribuiti, invece, la struttura di rilevamento è continua. FOTAS utilizza cavi in fibra ottica per il rilevamento acustico distribuito: le onde luminose che si propagano nel cavo sono influenzate dalle onde acustiche e la luce interessata viene rilevata da dispositivi come la riflettometria nel dominio del tempo ottico (OTDR).
Il rilevamento acustico distribuito si riferisce a un sistema di prodotti optoelettronici che eseguono controllo e misurazione in tempo reale attraverso cavi in fibra ottica che si estendono attraverso i confini target.
Il modo più semplice per comprendere la tecnologia FOTAS è immaginare qualcuno che cammina su un tapis roulant. Mentre si muovono contro la direzione della cintura, le onde sonore si diffondono intorno a loro. Qualcuno a una certa distanza può capire che una persona si trova sul tapis roulant attraverso il monitoraggio in tempo reale, anche senza trovarsi nella stessa stanza.
Durante tutto questo processo, i segnali acustici vengono misurati in ogni punto lungo il cavo in fibra. A differenza dei sensori che misurano in punti fissi determinati, il sistema DAS utilizza come sensore il cavo stesso. In altre parole, un sensore acustico distribuito trasforma il cavo in fibra in microfoni.
Sensori a punto singolo
Il rilevamento avviene solo dove è stato posizionato un sensore fisico.
- Un punto di rilevamento per dispositivo
- Spazi non monitorati tra i sensori
- Più dispositivi e connessioni da campo
- Visibilità limitata lungo percorsi lunghi
Rilevamento distribuito FOTAS
La struttura di rilevamento è continua lungo l'intero percorso della fibra installata.
- Misurazione in ogni punto del cavo
- Il cavo stesso funge da sensore
- Monitoraggio in tempo reale lungo il percorso
- Localizzazione degli eventi lungo la fibra
MEASUREMENT AND CHARACTERIZATION
Riflettometria ottica nel dominio del tempo
La riflettometria ottica nel dominio del tempo è un metodo di misurazione utilizzato per caratterizzare molte caratteristiche dei cavi in fibra ottica. Viene utilizzato principalmente per valutare le condizioni del cavo e individuare i problemi: se è presente un problema relativo alla trasmissione nella fibra, un OTDR può trovarlo.
L'uso più comune è l'individuazione delle rotture. I cavi in fibra ottica possono trasportare dati per circa un centinaio di chilometri prima dell’amplificazione, quindi ispezionare manualmente ogni punto sarebbe praticamente impossibile. Deve esserci un dispositivo che esamini il cavo da lontano: questo è lo scopo di OTDR.
Cos'è un OTDR?
Un OTDR invia impulsi luminosi nella fibra e misura l'ampiezza della luce retrodiffusa. Dalla differenza temporale calcola la lunghezza della fibra, e dalla perdita di ampiezza determina perdite generali, punti di rottura ed altri effetti lungo il cavo.
L'ampiezza della luce retrodiffusa diminuisce sempre lungo il percorso a causa delle impurità e dell'interazione luce-particelle all'interno della fibra. Da questo declino OTDR deriva un coefficiente di perdita, simile alla corrente elettrica che incontra resistenza. Questo principio di funzionamento rivela se la fibra è rotta o soggetta a qualsiasi altro effetto che causa perdite.
Quanto più si procede lungo il cavo, tanto più debole diventa l'ampiezza diffusa. Il dispositivo registra anche la differenza temporale, in modo da poter identificare e diagnosticare la posizione di un problema.
FIELD MEASUREMENT DEVICE
VIAVI MTS-2000 OTDR
Nella parte superiore dell'unità sono presenti due porte di connessione: una per cavi in fibra ottica multimodale e una per cavi monomodali. Per ottenere misurazioni valide, il cavo deve essere collegato alla porta corretta, poiché cavi diversi possono utilizzare lunghezze d'onda diverse.
Una volta collegata la fibra, OTDR invia un impulso laser nel cavo, l'impulso viaggia e si disperde all'indietro e il dispositivo misura le caratteristiche di quella luce retrodiffusa.
Cosa può rilevare un OTDR
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