Fibra monomodale e multimodale a confronto

Oggi esistono diverse tecnologie per la trasmissione ethernet: sebbene la più conosciuta sia quella relativa ai cavi in rame a coppie twistate, la fibra ottica sta acquisendo sempre maggiore spazio all’interno dell’ambito industriale. Prima di addentrarci in un confronto tra fibra ottica monomodale e fibra ottica multimodale, è opportuno fare una panoramica delle tipologie di fibra ottica ad oggi disponibili.

Sul mercato sono presenti diverse tipologie di fibra ottica: la fibra in vetro GOF (Glass Optic Fiber), la fibra in vetro rivestita in plastica PCF (Plastic Cladded Fiber) e la fibra ottica in plastica POF (Plastic Opitc Fiber).

Ognuna di esse ha delle caratteristiche specifiche che la rendono adatta all’impiego in diverse applicazioni ed ambienti. Ad esempio, la fibra ottica GOF è più adatta per le lunghe distanze e al trasporto di grandi quantità di dati mentre i cavi in fibra POF e PCF hanno migliori prestazioni nei tratti brevi.

Oltre alla tecnologia costruttiva, l’altra grande differenza tra le varie fibre riguarda la dimensione del cavo: la POF è di dimensioni pari a 980/1000 μm, invece la PCF ha dimensioni pari a 200/230 μm.

Nello strato più interno del cavo ottico, troviamo la parte in cui avviene la trasmissione della luce: essa è formata dal conduttore (core) e dal rivestimento (cladding). Queste due parti non sono separabili ed insieme costituiscono la vera e propria fibra ottica.

Il conduttore e il suo rivestimento sono composti da materiali che hanno caratteristiche di rifrazione e riflessione e fanno sì che il segnale di luce venga trasmesso dal punto A al punto B.

Lo strato successivo che troviamo è il buffer, che ha lo scopo di proteggere gli strati precedenti. Al di fuori del buffer, è presente una guaina esterna che ha la medesima funzione delle guaine presenti nei cavi in rame e quindi protegge meccanicamente ciò che sta al suo interno.

Nella seconda metà degli anni ‘60, l’ingegnere e fisico cinese Charles Kao, considerato il padre della fibra ottica, dimostrò che si poteva svilupparne una in vetro per trasportare l’energia luminosa su lunghe distanze. Grazie a questa scoperta nei successivi anni ‘70 furono realizzate la prime fibre ottiche per le telecomunicazioni.

La fibra ottica in vetro (GOF) si divide in due macro-famiglie: la fibra ottica Monomodale (Single-mode) e la fibra ottica Multimodale (Multi-mode). Conoscere nel dettaglio le caratteristiche specifiche di queste tipologie di fibra ottica è d’aiuto nello scegliere la soluzione migliore in base alle esigenze dell’applicazioni in cui la fibra deve essere cablata.

La fibra monomodale, nata in un secondo momento rispetto a quella multimodale, ha delle caratteristiche che le permettono di superare i limiti della multimodale, ma porta con sé, alcune specificità che la rendono perfetta per certe applicazioni e meno per altre.

La prima differenza tra fibra monomodale e multimodale è relativa al diametro del nucleo (conduttore + rivestimento): se il diametro della fibra Multimode è compreso tra i 50 e i 125 μm, il diametro della fibra Single-mode è compreso tra i 9 e i 125 μm. In entrambi casi, il 125μm indica il diametro del rivestimento, mentre il primo valore indica il diametro del conduttore vero e proprio. Ciò significa che nella fibra monomodale il diametro è di soli 9 μm mentre nella multimodale può essere di 50 μm o 62.5 μm.

Da questo primo confronto è evidente che è molto più difficile cablare e installare una fibra monomodale rispetto a quella multimodale.

Quando è necessario scegliere la tipologia di fibra ottica da utilizzare uno dei parametri da considerare è sicuramente la distanza che si vuole coprire con il cablaggio.

La fibra monomodale, per sua struttura, è più adatta alle lunghe distanze e può arrivare a coprire fino a 80 km; a differenza della multimodale, che può coprire fino ad un massimo di 2 km.

Questo è dovuto al fatto che il cavo Single-mode o OS (Optical single mode) trasmette su una sola lunghezza d’onda e non rischia sovrapposizioni di segnale. Nella fibra Multi-mode o OM (Optical Multi mode), invece, più fasci di luci possono essere trasmessi insieme, producendo rumore e attenuazione, con conseguente deterioramento del segnale.

Con una sola lunghezza d'onda di luce passante nel nucleo, la fibra monomodale riallinea la luce verso il centro del nucleo, invece di farla semplicemente rimbalzare dal bordo del nucleo come nella multimodale.

Scendendo ancora più a fondo, possiamo discriminare tra fibra monomdale OS1 e fibra monodale OS2.

• OS1 adotta una struttura a tubo stretto ed è progettata per applicazioni interne. Il nucleo e il rivestimento della fibra mono-modalità OS1 sono realizzati in vetro, che non può essere piegato ed è fragile.
• La fibra mono-modalità OS2 ha un design a tubo sciolto, che più si adatta alle applicazioni esterne, grazie ad una struttura del cavo più robusta. La fibra OS2 è posizionata elicoidale in un tubo semirigido, che può essere allungato senza piegare la fibra all’interno per evitare che si danneggi se sottoposta ad una tensione.

A differenza di ciò che avviene nei cavi elettrici, in quelli a fibra ottica i segnali sono trasmessi dai fotoni (particelle di luce) e per questa ragione è sempre necessario avere dei convertitori elettrico-ottico da un lato e ottico-elettrico dall’altro, al fine di assicurare la trasmissione dei dati da una parte all’altra dell’applicazione.

La fibra monomodale richiede convertitori molto costosi a differenza della Multimodale, che prevede dei convertitori più economici. Ciò è dovuto al fatto che, nel caso della fibra monomodale, per assicurare la trasmissione a lunga distanza i convertitori hanno bisogno di iniettare la luce in modalità laser con una potenza elevata.

La fibra ottica, trasmettendo segnali luminosi, non risente dei disturbi elettromagnetici. Questa caratteristica le permette un raggio d’azione che supera i 100 metri di lunghezza, limite dettato dal cavo di rame per segnali ethernet.

Può, quindi, essere usata anche in ambiti dove ci sono molti disturbi EMI, per disaccoppiare dei segnali, sia su distanze ridotte che elevate.

Inoltre, non subisce variazioni causate dalla temperatura o dalle condizioni atmosferiche e trasporta il segnale di ingresso senza perdita di dati, facendone il mezzo fisico di trasmissione più efficiente. 

La fibra monomodale è il successore di quella multimodale: supera i limiti della trasmissione su lunga distanza e riduce i problemi di attenuazione. Diversamente, la fibra ottica multimodale è l’alternativa più conveniente in applicazioni con una portata più breve, poiché l’installazione della fibra multimodale e il costo dei connettori è inferiore in confronto alla fibra monomodale.

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