fibra òttica

fibra òttica Guida di luce, per radiazioni nel visibile e nell'infrarosso vicino, costituita da sottili fibre flessibili di vetro, plastica, quarzo fuso o altri materiali trasparenti, di diametro dell'ordine del decimo di millimetro. È utilizzata soprattutto nelle telecomunicazioni, in sostituzione di cavi elettrici tradizionali, rispetto ai quali consente velocità di trasmissione dei dati maggiori, fondamentali per il trasferimento di contenuti multimediali sulla rete Internet; trova inoltre applicazione in medicina, per es. per irradiare organi interni con luce laser.

Tipi di fibre ottiche

fig. A

I tre tipi fondamentali di fibra sono tutti caratterizzati da una zona centrale, detta nucleo (core), avente indice di rifrazione superiore a quello della zona circostante, detta mantello (cladding). Nelle fibre tipo A, dette a gradino (step-index), l’indice di rifrazione n (➔ rifrazione) è costante nel nucleo (n₂), e il passaggio al valore che esso ha nel mantello (n₁) avviene bruscamente alla superficie di separazione tra i due mezzi (fig. A). Un raggio di luce che si propaghi nel nucleo con un angolo, rispetto all’asse della fibra, sufficientemente piccolo, subisce una riflessione totale alla superficie di separazione tra nucleo e mantello, e risulta quindi guidato.

Nelle fibre tipo B, dette a profilo graduale (graded-index), l’indice varia gradualmente (in genere con legge quadratica in funzione del raggio) dal valore massimo che esso ha sull’asse a quello che esso ha nel mantello (fig. B). I raggi luminosi che si propagano nel nucleo con piccola inclinazione rispetto all’asse della fibra vengono rifocalizzati verso lo stesso e seguono un percorso oscillante, risultando quindi anch’essi guidati. I nuclei di questi due tipi di fibre hanno un diametro relativamente grande rispetto alla lunghezza d’onda della luce, e cioè tipicamente compreso tra 30 e 100 μm. All’interno di esse possono propagarsi soltanto raggi che incidano sulla superficie del nucleo sotto determinati angoli di incidenza, a ognuno dei quali corrisponde una determinata traiettoria del raggio, cioè quel che si chiama un modo di propagazione.

Sotto questo aspetto, le fibre tipo C, che hanno un nucleo del diametro di pochi micrometri e quindi non grandissimo rispetto alla lunghezza delle onde interessate (0,5-1,8 μm), sono sensibilmente differenti dalle precedenti, in quanto in esse esiste praticamente un solo modo di propagazione (fig. C), secondo l’asse della fibra, e per tale motivo sono dette anche fibre monomodo (le fibre A e B sono dette anche, in contrapposizione, fibre multimodo).

Proprietà fondamentali

Ai fini della trasmissione di segnali, le proprietà fondamentali che caratterizzano una fibra ottica sono l’attenuazione e la dispersione del segnale nella fibra. Per quanto riguarda la prima, si sono raggiunti valori di attenuazione dell’ordine del dB/km. Per quanto riguarda la dispersione, che provoca la deformazione degli impulsi luminosi che si propagano nella fibra, può essere ridotta a qualche ns/km nelle fibre multimodo, mentre è trascurabile nelle fibre monomodo. Le guide di luce a fibra sono generalmente costituite da più fibre strettamente accostate una all’altra in modo da realizzare un fascetto.

Applicazioni

Le applicazioni delle fibre ottiche sono principalmente quelle della fisica sanitaria – in cui sostituiscono vantaggiosamente altre guide di luce in dispositivi endoscopici o anche per irradiare organi interni con luce laser – e soprattutto nelle telecomunicazioni, in sostituzione di cavi coassiali o di guide d’onda a microonde: il sistema tipico è costituito da una sorgente di luce, alla cui emissione sono sovrapposte per modulazione le informazioni da trasmettere, dalla fibra quale mezzo trasmissivo e da un rivelatore, dal quale sono ricavate per demodulazione le informazioni impresse alla sorgente. Sistemi del genere che, per il fatto di usare una portante a frequenza altissima, consentono di trasmettere una gamma di frequenze modulanti estremamente ampia (circa 1GHz) presentano altri importanti vantaggi sui sistemi a microonde: l’immunità alle interferenze elettromagnetiche, la flessibilità, l’ingombro ridotto e la leggerezza, la resistenza a temperature relativamente elevate, la sicurezza in aree infiammabili e radioattive, la reperibilità delle materie prime ecc.

Le sorgenti disponibili per i sistemi in fibra ottica, tenendo conto della richiesta compattezza, affidabilità e semplicità, sono rappresentate da dispositivi a semiconduttori, e precisamente da diodi elettroluminescenti e dai diodi laser. La potenza che essi possono iniettare in una fibra è dell’ordine della decina di μW per il primo tipo, incoerente, e dell’ordine di un mW per il secondo, con un elevato grado di coerenza. Rispetto ai rivelatori, i dispositivi usati sono anch’essi a semiconduttori, e cioè diodi PIN e diodi a effetto valanga.

La messa a punto di componenti ottici per lo sviluppo delle telecomunicazioni ha reso possibile la realizzazione di sensori a fibre ottiche. A seconda del modo in cui si utilizza la fibra ottica, possono essere di tipo estrinseco o di tipo intrinseco: nel primo caso, la fibra ottica funge da veicolo per l’informazione da rilevare e da trasmettere, mentre nel secondo caso ‘sente’ la grandezza da rilevare, con conseguente modifica di una sua qualche proprietà. A seconda del principio di funzionamento, si distinguono in sensori di intensità e sensori di fase; nei primi (FOAS, fiber optic amplitude-modulated sensors) viene modulata l’intensità della luce che percorre le fibre, generalmente di tipo multimodo; nei secondi (FOIS, fiber optic interferometric sensors), affermatisi successivamente, il funzionamento è basato sull’interferenza di due fasci laser di elevata coerenza: i due fasci (di misura, convogliato nella fibra, e di riferimento) sono ottenuti per divisione dallo stesso fascio e sono poi confrontati in modo da determinarne la differenza di fase, operazione quest’ultima che conferisce ai sensori un’elevatissima sensibilità. Il vantaggio principale dei sensori a fibra ottica rispetto a quelli di tipo elettrico è di poter operare in ambiente con alto rumore elettromagnetico, senza risentire dei relativi disturbi.