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fibra òttica

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Descrizione generale

Elemento cilindrico di vetro sottilissimo, trasparente, flessibile, utilizzato come guida di fasci luminosi; è detto anche guida di luce. La fibra ottica è usata in fasci costituiti da un numero molto elevato di fibre ottiche parallele nelle quali la luce subisce una successione di riflessioni totali in numero estremamente elevato. Poiché il diametro delle fibre ottiche può scendere fino al micron, ossia all'ordine di grandezza della lunghezza d'onda delle radiazioni luminose, queste si comportano come guide d'onda per le onde elettromagnetiche nel visibile o nel vicino infrarosso. Le fibre ottiche si prestano quindi alla trasmissione di informazioni, la quale si caratterizza per le frequenze (attorno ai 400 mila miliardi di Hz – 400 THz – cui corrispondono lunghezze d'onda attorno al millesimo di millimetro-micron) e per il supporto fisico alla propagazione che è un dielettrico puro (vetro). I vantaggi delle fibre ottiche rispetto agli altri mezzi trasmissivi (cavi coassiali, onde radio e microonde) sono numerosi e in primo luogo riguardano i grandissimi volumi di informazione che è possibile convogliare nelle fibre stesse. Con capacità trasmissive fino a decine di migliaia di volte quelli dei segnali elettrici o delle onde radio, le fibre ottiche possono assolvere a tutti i possibili servizi informativi per uso domestico e per il mondo del lavoro, che trovano limiti tecnico-economici nei mezzi di tipo tradizionale (conferenza e telefono video; radio-tv via cavo); esse possono inoltre validamente supportare altre comunicazioni richieste in prospettiva della telematica diffusa (acquisti e operazioni bancarie via computer ecc.). Ciò è reso possibile dall'eccezionale larghezza di banda (frequenze fino a 40 THz e in futuro a 200 THz, che si confrontano con i 20-30 miliardi di cicli al secondo – 20/30 GHz – delle microonde e i 2/3 GHz dei cavi coassiali) derivante dall'impiego di impulsi luminosi. Un secondo vantaggio è la bassa attenuazione del segnale, dovuta alle proprietà di confinamento e di trasparenza dei vetri usati, che permette fibre ottiche eccezionalmente lunghe, oltre cento chilometri, senza ripetitori di segnale. L'immunità da interferenze elettromagnetiche, tipica dei dielettrici, come il vetro, e la sicurezza da intercettazioni, difficili da effettuare e facili da rilevare, sono altri vantaggi preziosi. Le fibre ottiche hanno infine eccellente versatilità e flessibilità elevata; possono venire integrate facilmente in qualunque circuito, in particolare con i laser a semiconduttore, con i diodi emettitori di luce (LED, Light Emitting Device) e con i fotodiodi; hanno peso e dimensioni ridotte (un cavo coassiale ha un diametro almeno venti volte superiore e un peso per unità di lunghezza fra 30 e 100 volte di un cavo a fibre ottiche di equivalenti prestazioni) e notevoli proprietà meccaniche (resistenza a trazione simile a quella dell'acciaio, buona piegabilità ecc.) che ne semplificano il maneggio e la posa. Il costo unitario è invece elevato, dati i processi di fabbricazione molto sofisticati (anche a causa della purezza richiesta, tre-quattro ordini di grandezza superiore a quella dei vetri per ottica), le operazioni di connessione sono rese difficili dall'allineamento di componenti così sottili e le procedure di collaudo sono piuttosto complesse.

I principi di funzionamento

La caratteristica principale delle fibre ottiche di confinare la luce al proprio interno e di guidarne la propagazione si basa sul principio della riflessione totale dei raggi luminosi. Un raggio di luce non è in grado di attraversare una superficie di separazione fra due mezzi se il primo ha un indice di rifrazione superiore al secondo (per esempio il vetro ha un valore tipico di 1,5 e l'aria di 1) e se l'angolo fra il raggio e la superficie è inferiore a un angolo critico il cui valore è definito dai due mezzi. In tali condizioni un raggio di luce immesso a un estremo di una fibra ottica viene riflesso totalmente quando incide sulla superficie di separazione e rinviato verso l'interno ripetutamente fino a emergere all'altro estremo, dove può venire raccolto da un rivelatore e anche dall'occhio se nella banda visibile. Per migliorare le proprietà di confinamento della luce le fibre ottiche sono strutturate in due parti coassiali, un nucleo (core) e un mantello (cladding) entrambi di vetro leggermente diverso, con indice di rifrazione maggiore nel nucleo e che differisce fino a qualche percento da quello del mantello . In senso lato la propagazione elettromagnetica guidata avviene con leggi simili a quelle acustiche, per cui possono venir trasmesse solo armoniche definite. Ciò si traduce, nell'approssimazione dell'ottica geometrica, in raggi con una sequenza di valori angolari fissati purché al di sotto del valore critico: i cosiddetti raggi guidati o – nella trattazione ondulatoria del campo elettromagnetico – i modi di propagazione. Le fibre ottiche possono essere di diversi tipi. La fibra multimodo è caratterizzata da un nucleo di diametro relativamente grande; essa è in grado di intrappolare al suo interno, per riflessione totale, anche raggi provenienti da direzioni sensibilmente inclinate rispetto al suo asse ed è quindi adatta a raccogliere la luce emessa da sorgenti non coerenti, come per esempio il diodo emettitore di luce (LED). Lo svantaggio di questo tipo di fibre è che i raggi di luce che entrano obliquamente e che seguono quindi percorsi a zig zag impiegano più tempo a propagarsi di quelli che viaggiano parallelamente all'asse; a causa di questo effetto di dispersione, un impulso di luce subisce, mentre si propaga, un progressivo allargamento che limita il numero di impulsi trasmissibili nell'unità di tempo in una fibra di data lunghezza. Nella fibra monomodo invece il nucleo è di diametro molto piccolo; in essa si possono propagare solo raggi praticamente paralleli all'asse e gli effetti di dispersione possono quindi essere fortemente limitati. La fabbricazione di fibre monomodo ha però esigenze di precisione molto elevate. Una terza soluzione è quella della fibra a indice di rifrazione graduale, cioè con indice di rifrazione decrescente in continuità dall'asse alla periferia. In queste fibre i raggi che si propagano in direzione inclinata rispetto all'asse incontrano, quando si allontanano da quest'ultimo, regioni con indice di rifrazione sempre più basso e di conseguenza si incurvano verso l'interno della fibra, seguendo così un percorso ondulato che si svolge per la maggior parte nelle regioni a indice di rifrazione più basso. In base alle leggi dell'ottica, in tali regioni la velocità di propagazione è maggiore e una scelta opportuna del profilo dell'indice di rifrazione in funzione del raggio della fibra (in generale si adotta un profilo approssimativamente parabolico) può consentire di compensare l'allungamento del percorso di un raggio con un adeguato aumento della relativa velocità di propagazione. In questo modo è possibile tenere in fase fra loro i diversi raggi di luce, indipendentemente dalla direzione con cui entrano nella fibra, fino ad angoli con l'asse abbastanza grandi. Oltre all'allargamento dell'impulso, dovuto alla dispersione modale, il segnale luminoso è soggetto alla dispersione cromatica. Infatti il vetro ha indice di rifrazione variabile con la frequenza della luce, una proprietà preziosa che è utilizzata, per esempio, nei prismi ottici. Nella pratica la dispersione cromatica viene ridotta a livelli accettabili scegliendo la lunghezza d'onda alla quale effettuare la trasmissione in tre finestre tipiche: a 0,85 micron, in quanto frequenza centrale dei LED; a 1,3 micron, alla quale la dispersione cromatica ha un minimo; a 1,55 micron, alla quale operano fibre ottiche particolari (con nucleo segmentato) a dispersione compensata. Per quanto riguarda i materiali utilizzabili per le fibre ottiche per telecomunicazioni si stanno seguendo diverse linee di sviluppo. I vetri a più componenti, che fondono a temperature relativamente basse, consentono un'ampia varietà di soluzioni. I vetri ad alto contenuto di silicio permettono di realizzare fibre con attenuazioni particolarmente basse (2 dB/km). Le fibre con nucleo in silice e mantello in resina siliconica, denominate fibre silice-plastica, presentano minimi di attenuazione fra i 10 e i 20 dB e sono quindi particolarmente vantaggiose per le comunicazioni su piccole e medie distanze. Il metodo di fabbricazione di fibre ottiche a indice di riproduzione graduale è il seguente: un tubo di quarzo viene riscaldato con fiamma ossidrica mentre al suo interno si introducono tetracloruro di silicio (SiCl4) e gas droganti: cloruro di boro (BCl3) per ridurre l'indice di rifrazione, cloruro di germanio (GeCl4) per aumentarlo. Per effetto della reazione chimica che ha luogo nel tubo, viene a depositarsi sulla sua superficie interna uno strato di vetro la cui composizione dipende da quella, regolabile, della miscela di gas. In questo modo è possibile dare ai successivi strati di vetro, che si depositano all'interno del tubo, un valore gradualmente crescente, secondo il profilo desiderato. Completato il preformato, la temperatura viene aumentata fino a determinare il collasso del tubo in una massa compatta e trasparente, di forma cilindrica. La fibra ottica può essere ottenuta dalla bacchetta così formata attraverso un processo di filatura che viene generalmente effettuato riscaldando una delle estremità della bacchetta e “tirando” da essa la fibra con un movimento di rotazione stabile e regolare, per mantenerne il diametro entro le tolleranze meccaniche richieste. Con un processo di questo tipo la sezione trasversale della fibre viene a riprodurre fedelmente, in scala molto ridotta, la sezione della bacchetta e questo consente di avere all'interno della fibra ottica lo stesso profilo radiale dell'indice di rifrazione realizzato nella bacchetta.

La trasmissione analogica e digitale

Con le fibre ottiche sono possibili sia la trasmissione analogica di segnali continuamente variabili sia la trasmissione digitale (un segnale discreto ottenuto trasformando un segnale analogico in un treno di impulsi di luce). Peraltro, data la forte non linearità dei sistemi optoelettronici (laser, diodi emettitori di luce ecc.), la trasmissione digitale è preferita nella pratica, mentre quella analogica è limitata a modeste distanze e a frequenze di trasmissione più basse. Lo sviluppo delle fibre ottiche è stato rapidissimo. Al principio degli anni Settanta del sec. XX si sono realizzati i primi vetri ad altissima trasparenza con attenuazioni abbastanza basse da permettere spezzoni di fibra di alcuni chilometri. Nel 1988 è stato posato il primo cavo transoceanico a fibre ottiche di oltre seimila chilometri con solo un centinaio di ripetitori. Quattro fibre, due per direzione, gestiscono 40.000 telefonate in contemporanea. Il cavo di rame posato in precedenza (1983) ha oltre seicento ripetitori e un quarto della portata. Le fibre ottiche sono entrate nelle reti di comunicazione a partire dalle cosiddette reti di giunzione, ossia reti urbane di grande distribuzione fra le connessioni a lunga distanza, e le reti di distribuzione capillare fino alla terminazione d'utente. Le reti di trasmissione in fibra ottica hanno permesso di ampliare in modo prima impensabile la disponibilità e la capacità dei canali di connessione a livello nazionale e intercontinentale. Tale progresso tecnologico ha abbassato in modo sostanziale i costi delle conversazioni telefoniche (precedentemente legati alla limitatezza del numero di canali disponibili) e ha reso attuabili l'introduzione e la diffusione della rete Internet.

Altre applicazioni

I sensori a fibre ottiche sono potenzialmente più sensibili e flessibili dei sensori tradizionali. Con i dispositivi optoelettronici è possibile rilevare quasi tutte le grandezze fisiche: temperatura, pressione, spostamento, campi elettrici o magnetici ecc. È possibile, inoltre, costruire sistemi per ispezioni mediche non intrusive e, di fatto, l'endoscopio è stato una delle prime applicazioni delle fibre ottiche. Oggi esse trasmettono all'interno del corpo umano la luce e convogliano le immagini all'esterno per esami clinici ma un endoscopio può anche avere una fibra di potenza per la microchirurgia laser. Infine vi sono notevoli aspettative per l'elaboratore ottico, basato sulla luce invece che sull'elettricità (o, in altri termini, dove il fotone invece dell'elettrone è il portatore base dell'informazione). L'elaboratore ottico è una delle sfide dell'ingegneria del futuro, con potenzialità mille volte superiore al miglior supercalcolatore odierno.Nel campo delle telecomunicazioni i sensori a fibre ottiche si distinguono in: estrinseco, in cui la fibra ottica funziona da veicolo per l'informazione da rilevare e da trasmettere, intrinseco, in cui la fibra stessa che “sente” la grandezza da rilevare, modificandone le proprietà. In base al principio di funzionamento, invece, i sensori a fibra ottica si distinguono in sensori di intensità e sensori di fase; nei primi, detti FOAS (Fiber Optic Amplitude-Modulated Sensors), viene modulata l'intensità luminosa della luce che attraversa la fibra; nei secondi, detti FOIS (Fiber Optic Interferometric Sensors), il funzionamento si basa sull'interferenza di due fasci laser (ottenuti per divisione dello stesso fascio) di elevata coerenza, di cui uno serve da fascio di riferimento e l'altro da fascio di misura. La misura ottenuta, determinando la differenza di fase tra i due fasci, è di elevatissima sensibilità. Il principale vantaggio dei sensori a fibra ottica è quello di essere sostanzialmente insensibili ai rumori di tipo elettromagnetico, per questo sono particolarmente adatti in tutti quei casi in cui tali disturbi sono difficilmente eliminabili.

Bibliografia

D. Hill, Fibre ottiche, Milano, 1984; W. Boyd, Fibre ottiche, Milano, 1985; P. Guidi, Fibre ottiche. Tecnologia e applicazioni, Padova, 1989.