La fibra ottica, nella scienza e tecnologia dei materiali, indica un materiale costituito da filamenti vetrosi o macromolecolari (polimerici), realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce, trovando importanti applicazioni in telecomunicazioni, diagnostica medica e illuminotecnica: con un diametro di rivestimento (mantello) di 125 micrometri (circa le dimensioni di un capello) e peso molto ridotto, sono disponibili sotto forma di cavi flessibili, immuni ai disturbi elettrici e alle condizioni atmosferiche più estreme, e poco sensibili a variazioni di temperatura.
Classificate come guide d'onda dielettriche basate sulla disomogeneità del mezzo, il cui nucleo è sede di propagazione guidata del campo elettromagnetico sotto forma di onde elettromagnetiche; in altre parole, permettono di convogliare e guidare al loro interno un campo elettromagnetico di frequenza sufficientemente alta (in genere in prossimità dell'infrarosso) con perdite, in termini di attenuazione, estremamente limitate. Vengono perciò 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 100 Mbit/s al petabyte/s usando la tecnologia WDM).
Storia Il principio sul quale si basa la fibra ottica fu dimostrato per la prima volta da Daniel Colladon e Jacques Babinet, a Parigi, nel 1840 circa. Il principio della riflessione totale interna venne utilizzato per illuminare le fonti delle fontane pubbliche. Il successivo sviluppo, nella metà del XX secolo, si concentrò sullo sviluppo di un fascio di fibre volto alla trasmissione di immagini, il cui primo impiego fu il gastroscopio medico. Il primo gastroscopio a fibra ottica semi-flessibile fu brevettato da Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters e Lawrence E. Curtiss nel 1956. Nel processo di sviluppo del gastroscopio, Curtiss produsse fisicamente la prima fibra ottica. Presto si susseguirono una varietà di altre applicazioni per la trasmissione di immagini.
Nel 1965 Charles K. Kao della STC e George A. Hockham del British Post Office furono i primi a riconoscere che l'attenuazione delle fibre contemporanee era causata dalle impurità, che potevano essere rimosse, piuttosto che dalla diffusione ottica. Dimostrarono che le fibre ottiche possono essere un mezzo pratico per la comunicazione, nel caso l'attenuazione sia ridotta al di sotto dei 20 dB per chilometro.Jeff Hecht, Understanding Fiber Optics 1999, p. 114. In questa misura, la prima fibra ottica per le comunicazioni fu inventata nel 1970 dai ricercatori Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter Schultz e Frank Zimar, impiegati presso la Corning Glass Works, azienda statunitense produttrice di vetro situata a Corning (New York). Costruirono una fibra con 17 dB di attenuazione ottica per chilometro, drogando il silicio del vetro con il titanio.
L'amplificatore ottico drogato con erbio, che ridusse il costo per i sistemi a fibra ottica per le lunghe distanze eliminando il bisogno dei ripetitori ottico-elettronico-ottico, fu inventato da David Payne dell'Università di Southampton nel 1987. Il primo cavo telefonico transatlantico a usare la fibra ottica fu il TAT-8, che incominciò a operare nel 1988. Nel 1991 il campo emergente dei LED a cristalli fotonici condusse allo sviluppo delle fibre a cristalli fotoniciScience (2003), vol. 299, p. 358.. Le prime fibre a cristalli fotonici vennero commercializzate a partire dal 1996, esse possono essere usate per trasportare un maggior quantitativo di energia rispetto alle fibre convenzionali e le loro proprietà, variabili a seconda della lunghezza d'onda, possono essere manipolate per migliorarne le prestazioni in varie applicazioni.
Nel 2022, un chip fotonico ha realizzato presso l'Università tecnica della Danimarca la trasmissione record di 1,84 petabit di dati su un cavo in fibra ottica lungo più di 7,9 km. Il flusso di dati è stato inizialmente suddiviso in 37 sezioni del cavo, all'interno delle quali la modulazione di frequenza ha "colorato" la luce del segnale, generando 223 sottosezioni, che esistevano in altrettanti intervalli di frequenza dello spettro.
Nel 2023 ricercatori dell'Università Humboldt di Berlino sono riusciti per la prima volta al mondo a generare e rilevare in laboratorio fasci di fotoni su frequenze stabili nel loro colore e attenuare il rumore degli elettroni, moltiplicando grazie a un supporto diamantato la velocità teorica di connessione della rete quantistica fino a mille volte.
Descrizione
Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, e un mantello o cladding attorno a esso. Il nucleo presenta un diametro molto piccolo di circa 10 µm per le monomodali e 50 µm per le multimodali, mentre il mantello ha un diametro di circa 125 µm. I due strati sono realizzati con materiali con indice di rifrazione leggermente diverso, il mantello deve avere un indice di rifrazione minore (tipicamente 1,475) rispetto al nucleo (circa 1,5). Come ulteriore caratteristica il mantello deve avere uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell'onda evanescente, caratteristica della luce trasmessa in modo da catturare la luce che non viene riflessa nel nucleo.
La fibra ottica funziona come una specie di specchio tubolare. La luce che entra nel nucleo a un certo angolo (angolo limite) si propaga mediante una serie di riflessioni alla superficie di separazione fra i due materiali del nucleo e del mantello. 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.
I diversi tipi di fibre si distinguono per diametro del nucleo, 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 nucleo e il mantello della fibra ottica possono essere realizzati in silice oppure in polimeri plastici.
Cavo in fibra ottica
La trasmissione dei dati attualmente si effettua mediante cavi di fibra ottica, ovvero una o più fibre ottiche contenute in un'unica protezione. In particolare, un cavo unico può contenere fino a sette fibre, ma spesso due di queste vengono sostituite da due fili di materiale elastomerico (i cosiddetti filler) il cui fine è quello di irrobustire meccanicamente il cavo (la fibra ottica in sé è infatti molto fragile a flessione). Ognuna di queste fibre viene poi protetta da un buffer di colore diverso e, infine, due ulteriori guaine avvolgono interamente i sette fili (cinque fibre ottiche più i due filler). La prima guaina, più interna, è in aramide e aggiunge altra resistenza meccanica (impedisce al cavo di avere curve troppo strette nel suo percorso); la guaina più esterna, invece, in materiale termoplastico, fornisce isolamento termico e protezione dall'umidità.
I cavi in fibra ottica usati nelle reti telefoniche per il trasporto di grandi quantità di informazioni, utilizzati sia in rete di accesso su reti NGN, sia su rete di trasporto (dove sono già presenti dalla fine degli anni settanta) sono costituiti da un cavo con un conduttore metallico interno, utilizzato per assecondarne la deformazione una volta posato, rendendolo più rigido. Le fibre in esso contenute sono a loro volta rivestite di guaina protettiva, mentre esternamente il cavo ha anch'esso una copertura che lo rende impermeabile all'acqua e trattato in modo da non essere attaccabile da roditori all'interno dei cavidotti. Lungo la tratta sono presenti amplificatori e rigeneratori per ovviare ai problemi di attenuazione e dispersione del segnale. Tra le tecniche di posa innovative oltre a quelle classiche sono da ricordare la minitrincea e la microtrincea con abbattimento dei costi e dei tempi di posa.
Silice La fibra ottica è una singola fibra di vetro. Le fibre vengono realizzate a partire da silice ultra pura, la quale viene ottenuta dalla reazione fra il tetracloruro di silicio e l'ossigeno. Nel silicio destinato alla produzione del nucleo 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 mantello invece viene aggiunto del boro allo scopo di ridurne l'indice di rifrazione. Il principale svantaggio delle fibre ottiche realizzate in silice è la loro fragilità. A causa del diametro estremamente ridotto esse hanno anche una piccola apertura numerica (NA≈0,16) e sono difficili da raccordare.
Polimeri La fibra è costituita da una materia plastica, tipicamente polimetilmetacrilato. Queste fibre ottiche polimeriche sono molto più facili da maneggiare rispetto alle fragili fibre realizzate in vetro. La dimensione del nucleo 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. Le fibre ottiche plastiche hanno un costo al metro lineare simile a quello delle fibre in vetro ma garantiscono un'ampia capacità di trasmissione dei dati, come i conduttori organici in genere, con una banda fino a un gigabyte/secondo per 100 metri. A loro favore vi è il minor costo dei componenti di ricetrasmissione e la facilità di montaggio dei terminali (se necessari) che ne ha portato l'utilizzo in ambienti di automazione industriale per distanze entro i 100 m.
Sensori a 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').
Funzionamento
Uno studio rigoroso della fisica delle fibre ottiche richiede concetti di optoelettronica e ottica quantistica.
Usando un paragone di ottica classica, nelle fibre ottiche avviene un fenomeno di riflessione totale interna, per cui la discontinuità dell'indice di rifrazione tra i materiali del nucleo e del mantello intrappola la radiazione luminosa finché questa mantiene un angolo abbastanza radente, in pratica finché la fibra non compie curve troppo brusche.
In figura è rappresentato come due raggi luminosi, cioè due treni di radiazione elettromagnetica, incidono sull'interfaccia tra nucleo e mantello all'interno della fibra ottica. Il fascio a incide con un angolo superiore all'angolo critico di riflessione totale e rimane intrappolato nel nucleo; il fascio b incide con un angolo inferiore all'angolo critico e viene rifratto nel mantello e quindi perso. È importante ricordare che in ottica si indica l'angolo tra la radiazione e la normale alla superficie, cioè 90º- dove è l'angolo, più intuitivo ma più scomodo da utilizzare, tra la radiazione e la superficie.