• La fibra ottica

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Che cosa sono le fibre ottiche

Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici in grado di poter condurre al loro interno la luce. Disponibili sotto forma di cavi, le fibre ottiche sono flessibili, immuni ai disturbi elettrici ed alle condizioni atmosferiche più estreme, e poco sensibili a variazioni di temperatura: tali caratteristiche le rendono particolarmente adatte per importanti applicazioni in telecomunicazioni, diagnostica medica, illuminotecnica e sicurezza.

Hanno un diametro del cladding (rivestimento esterno) solitamente di 125 micrometri (circa le dimensioni di un capello) e pesano molto poco: una singola fibra pesa infatti circa 60 g/km, compresa la guaina che la ricopre.

Le fibre ottiche sono classificate come guide d’onda dielettriche: queste, infatti, permettono di convogliare e guidare al loro interno un campo elettromagnetico di frequenza sufficientemente alta (in genere in prossimità dell’infrarosso) con perdite estremamente limitate.
Vengono comunemente impiegate nelle telecomunicazioni come mezzo trasmissivo di segnali ottici anche su grandi distanze ovvero su rete di trasporto e nella fornitura di accessi di rete a larga banda cablata (dai 10 Mbit/s al Tbit/s usando le più raffinate tecnologie WDM).

Le fibre ottiche si suddividono in multimodali e monomodali.

Fibre Multimodali

Permettono l’uso di dispositivi più economici, ma subiscono il fenomeno della dispersione intermodale, per cui i diversi modi si propagano a velocità leggermente diverse, e questo limita la distanza massima a cui il segnale può essere ricevuto correttamente. Queste possono essere divise ulteriormente in fibre step index (nelle quali l’indice di rifrazione è costante lungo tutta la sezione del core) e graded index (nelle quali l’indice di rifrazione cambia gradualmente dal core al cladding, permettendo l’uso di luce multicromatica).

Fibre Monomodali

Differentemente dalle Fibre Multimodali, le Fibre Monomodali hanno un prezzo molto più elevato, ma riescono a coprire distanze e a raggiungere velocità nettamente superiori.

Costituzione della fibra ottica

La fibra ottica è costituita da due strati concentrici di materiale trasparente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso.
Il core presenta un diametro molto piccolo di circa 10 µm per le Monomodali e 50 µm per le Multimodali, mentre il cladding ha un diametro di circa 125 µm.
Anche l’indice di rifrazione dei due materiali è leggermente diverso: il cladding infatti deve avere un indice di rifrazione minore (tipicamente vale 1,475) rispetto al core (vale circa 1,5).
Per quanto riguarda il mantello (buffer), lo spessore deve essere maggiore della lunghezza di smorzamento dell’onda evanescente, caratteristica della luce trasmessa in modo da catturare la luce che non viene riflessa nel core.

Il funzionamento della fibra ottica si può paragonare ad una specie di specchio tubolare. La luce che entra nel core ad un certo angolo (angolo limite) si propaga mediante una serie di riflessioni alla superficie di separazione fra i due materiali del core e del cladding.
All’esterno della fibra vi è una guaina protettiva polimerica detta jacket che serve a dare resistenza agli stress fisici e alla corrosione ed evitare il contatto fra la fibra e l’ambiente esterno.

Le differenti tipologie di fibre si possono distinguere per diametro del core, indici di rifrazione, caratteristiche del materiale, profilo di transizione dell’indice di rifrazione e drogaggio (aggiunta di piccole quantità di altri materiali per modificare le caratteristiche ottiche).

Il core e il cladding della fibra ottica possono essere realizzati in silice oppure in polimeri plastici

Silice (fibra di vetro)

Le fibre vengono realizzate a partire da silice ultrapura, ottenuta dalla reazione fra il tetracloruro di silicio e l’ossigeno. Nel silicio destinato alla produzione del core viene aggiunto del germanio (sotto forma di tetracloruro di germanio) in modo da aumentarne l’indice di rifrazione senza variarne l’attenuazione. Nella silice destinata al cladding invece viene aggiunto del boro allo scopo di ridurne l’indice di rifrazione.

Polimeri (fibra plastica)

In queste fibre ottiche polimeriche la dimensione del core è molto più grande (1 mm) rispetto alle fibre in silice, quindi si ha un’apertura numerica più elevata e la possibilità di realizzare fibre multimodali. Tuttavia questo tipo di fibre ottiche ha un’attenuazione abbastanza elevata e una scarsa resistenza termica.

Sensori in fibra ottica

La luce che viaggia all’interno della fibra ottica è sensibile alle deformazioni della fibra stessa. Da questa considerazione sono emerse applicazioni che sfruttano l’analisi delle onde trasmesse e riflesse per valutare se lungo il percorso vi sono fattori che hanno provocato deformazioni, cercando di localizzare la zona interessata e l’entità del fenomeno.

I sensori a fibra ottica nascono per sfruttare le caratteristiche della fibra, come l’immunità all’interferenza elettromagnetica, le ridotte perdite di segnale su lunghe distanze, lo scarso ingombro, l’ampia gamma di temperature di funzionamento. I sensori possono essere “intrinseci“, cioè basati su cambiamenti dell’onda di luce, o “estrinseci“, nei quali la luce convoglia informazioni derivate da sensori elettronici. I sensori intrinseci possono utilizzare l’analisi della rifrazione nel tempo (‘time-domain’) o nelle lunghezze d’onda (‘frequency domain’).

Storia della fibra ottica

La storia della fibra ottica inizia nel 1956, quando la tecnologia venne brevettata a uso medico per la costruzione di un gastroscopio. Il suo impiego era limitato perché i dati che si trasmettevano all’interno della fibra sotto forma di impulso luminoso riuscivano a percorrere solo brevi distanze per poi disperdersi. La svolta arrivò qualche anno più tardi, negli anni ’60, quando un ricercatore dello Standard Telecommunication Laboratory, Charles Kao, capì che la perdita di segnale era dovuta alla scarsa purezza dei materiali utilizzati.

Nel 1966 pubblicò un articolo che cambiò per sempre la storia delle fibre ottiche e ne aprì l’impiego nel campo della telefonia. Kao dimostrò che la forte attenuazione del segnale nelle fibre era dovuta esclusivamente alle impurità presenti nel vetro con il quale erano prodotte, ed era quindi una problematica superabile. L’azienda americana Corning Glass accolse la sfida dello studioso e nel 1970 produsse la prima fibra ottica fatta di un vetro estremamente puro in grado di trasportare l’energia luminosa su lunghe distanze e con una capacità di trasporto del segnale 65.000 volte superiore rispetto al rame. Le attività di ricerca sulla fibra ottica valsero a Kao l’attribuzione del Japan Prize, un riconoscimento internazionale del Giappone assegnato a chi, nel campo della tecnica e della scienza, si è messo al servizio della pace e della prosperità. Nel 2009, al termine della sua carriera, Charles Kao venne insignito del Premio Nobel per la Fisica.

Dal 1970 in poi la ricerca per sviluppare fibre ottiche sempre più potenti e raffinate non si è mai fermata. Il 1988 è l’anno in cui fu posato il primo cavo transatlantico che impiegava la tecnologia della fibra ottica. Mentre nel 1991, grazie agli studi nel campo dei led a cristalli fotonici, iniziarono a svilupparsi le prime fibre a cristalli fotonici che vennero però commercializzate solo a partire dal 1996.

Attualmente, la fibra ottica è utilizzata in svariati campi, dalle comunicazioni, alle applicazioni mediche, all’architettura civile e navale, con risultati sempre più innovativi ed efficaci circa la sicurezza e la funzionalità dei dispositivi.

Campi di applicazione della fibra ottica

Interiors e architettura

Illuminotecnica domestica, di Architettura civile e navale, Illuminazione di sicurezza, sensoristica.

Medicina ed estetica

Guide di luce per endoscopi, Endoscopi flessibili, Guide di luce per laser chirurgici, componentistica per apparecchiature medicali.

Applicazioni Militari

Sensori per Avionica, Illuminotecnica per ambienti ATEX, Processi ispettivi, trasmissione video e dati, ecc.

Industria e automazione

Illuminazione processi di imaging, Guide di luce per laser High power ( marcatura, taglio e saldatura laser ), sensori ( temperatura, deformazione, vibrazione etc).

R&D

Guide di luce, Endoscopia, guide di luce per laser, sensori , microscopia, spettroscopia.

Trasmissione dati e Telecom

Reti telefoniche e Internet.

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