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Le fibre ottiche: principio di funzionamento e metodi di fabbricazione

Cavi a Fibre Ottiche

Le fibre ottiche sono costituite da filamenti trasparenti atti al trasporto della luce. A livello strutturale, sono formate da due strati cilindrici concentrici di materiale vetroso o polimerico: lo strato più interno è detto nucleo, mentre quello più esterno costituisce il mantello.

L'illuminazione a fibre ottiche è ormai una realtà dell'illuminotecnica moderna.

Le fibre ottiche - Principio di funzionamento

Supponiamo che un raggio di luce viaggiante attraverso l’aria incida sulla sezione iniziale di una fibra ottica.

Cavi Fibre Ottica

Dato che l’aria e la fibra hanno indici di rifrazione diversi (parametro che misura il rallentamento della luce nel passare dal vuoto a uno specifico materiale), il raggio iniziale si divide in due raggi distinti: un raggio rifratto e un raggio riflesso. Il raggio rifratto entra nel nucleo della fibra ottica, mentre quello riflesso tende ad essere respinto e continua il suo percorso di propagazione nell’aria. È possibile osservare che il raggio riflesso forma, con la normale (N) alla sezione iniziale della fibra, un angolo (B) identico a quello (A) formato dal raggio incidente, mentre il raggio rifratto si propaga con un angolo (C) diverso da quello dell’onda incidente. L’angolo di propagazione dell’onda rifratta può essere misurato tramite la cosiddetta legge di Snell:

sin A/sin C = n2/n1

dove n1 e n2 sono, rispettivamente, gli indici di rifrazione dell’aria e della fibra ottica.

All’interno della fibra ottica, il raggio rifratto incontra la superficie di separazione tra il nucleo e il mantello. Questi due strati presentano indici di rifrazione differenti e, di conseguenza, il raggio rifratto si divide in ulteriori due raggi: uno riflesso e uno rifratto; quello riflesso continua a propagarsi nel nucleo, mentre quello rifratto tende a passare attraverso il mantello. Proagandosi attraverso il nucleo, il raggio riflesso risulta l’unico raggio utile per le applicazioni in fibra ottica.

L’angolo di propagazione dell’onda rifratta nel mantello varia a seconda di quello formato dall’onda incidente: se n1>n2, maggiore è l’angolo dell’onda incidente, maggiore è l’angolo associato al raggio rifratto. In particolare, l’angolo di incidenza corrispondente a un angolo di rifrazione di 90° viene detto angolo limite. Nel caso in cui l’angolo di incidenza superi l’angolo limite, si assiste al fenomeno della “riflessione totale”: il raggio rifratto nel mantello scompare completamente e l’unico raggio presente in fibra risulta quello viaggiante attraverso il nucleo. In questa situazione le prestazioni della fibra sono massimizzate e si riduce notevolmente la perdita di informazione ottica dovuta alla dispersione nel mantello.

A fronte di quanto appena esposto, occorre, però, considerare che in una fibra ottica entrano più raggi luminosi contemporaneamente, ciascuno con il proprio angolo di incidenza. Di conseguenza, tali raggi si troveranno a dover percorrere tragitti di lunghezza differente, arrivando a destinazione in diversi tempi. Questo problema può essere risolto con l’impiego delle cosiddette “fibre a indice di rifrazione graduato”, nelle quali, variando opportunamente l’indice di rifrazione all’interfaccia tra nucleo e mantello (tramite l’inserimento di atomi droganti), si riesce a far “incontrare” ai vari raggi indici di rifrazione differenti: se un raggio è assiale incontra indici di rifrazione elevati, in modo da essere rallentato nella sua propagazione, mentre se un raggio percorre tragitti più lunghi “vede” indici di rifrazione più bassi e si propaga con velocità maggiore.

Oltre al problema dei ritardi associati ai vari raggi, un ulteriore limite connesso alla propagazione in fibra è rappresentato dall’attenuazione dell’informazione “luminosa”. Tale fenomeno è dovuto principalmente allo scattering e alla presenza di giunzioni tra i diversi tratti del sistema ottico. Lo scattering si verifica quando, incontrando imperfezioni strutturali della fibra, il raggio luminoso tende a perdere potenza ottica e ad uscire dal nucleo del dispositivo. L’attenuazione alle giunzioni, invece, è causata dalla difficoltà pratica di connettere due tratti di fibra allineando perfettamente i due nuclei. Attualmente si impiegano giunti a fusione in grado di consentire bassi livelli di attenuazione, ma si è ancora molto lontani dal realizzare sistemi di connessione strutturalmente prive di imperfezioni.

Le fibre ottiche - Metodi di fabbricazione

I metodi di fabbricazione maggiormente impiegati per la realizzazione di fibre ottiche sono due:

- Metodo da fase liquida;

- Metodo da fase vapore;

Metodo da fase liquida
Tale metodo consiste nell’inserire in due appositi crogioli cilindrici concentrici il materiale vetroso necessario alla realizzazione della fibra ottica. In particolare, il vetro per il nucleo è depositato nel crogiolo più interno, mentre quello per il mantello nel crogiolo più esterno. Entrambi i crogioli sono forati dalla parte della base e vengono posti in una fornace ad elevata temperatura in modo da consentire al materiale vetroso di liquefare. La fibra ottica, a questo punto, viene realizzata prelevando il materiale vetroso fuso dagli appositi fori dei crogioli e tirandolo fino a raggiungere la lunghezza desiderata. Durante questa fase, a causa della differenza di temperatura tra l’esterno e l’interno dei crogioli, il vetro comincia a solidificare consentendo la realizzazione della fibra ottica. Nel caso in cui si voglia realizzare un fibra a indice di rifrazione graduato, i droganti vengono immessi direttamente nella soluzione liquida vetrosa, al fine di determinare la desiderata variazione degli indici di rifrazione lungo la superficie di separazione tra nucleo e mantello.

Metodo da fase vapore
Il metodo da fase vapore viene impiegato per realizzare un apposito lingotto (il “preform”), dal quale verrà successivamente realizzata la fibra ottica.

Il preform viene realizzato immettendo in un tubo di silice rotante un flusso gassoso costituito da ossigeno e atomi di drogante. Il sistema viene poi riscaldato tramite un’apposita torcia circolare che, muovendosi lungo la superficie esterna del tubo, determina all’interno di esso una reazione di ossidazione tra l’ossigeno e gli atomi dei droganti. In altre parole, al passaggio della torcia, i droganti reagiscono con l’ossigeno e si depositano sulla superficie di silice formando uno strato cilindrico di ossido di silicio drogato: il “preform. Quest’ultimo viene poi separato dal tubo di silice aumentando la temperatura della torcia e viene preparato per la successiva “filatura” della fibra ottica.

Il preform, infatti, possiede un diametro di molti centimetri e deve, quindi, essere scaldato, tirato e allungato per ricavarne una fibra ottica di adeguate dimensioni. Una volta terminato il processo di tiraggio, la fibra ottica viene rivestita di materiale polimerico protettivo ed è pronta per essere utilizzata.

Confronto tra i due metodi
La bontà di un metodo di fabbricazione viene valutata in base al tempo che richiede per arrivare al prodotto finito e ai costi sostenuti. Generalmente, le fibre ottiche realizzate con il metodo da fase liquida richiedono un tempo di “tiraggio” di circa dieci ore e possono essere vendute a non più di dieci dollari per km. Per fabbricare una fibra ottica impiegando il metodo da fase vapore, invece, occorrono circa dieci ore per realizzare il preform, dieci ore per effettuare il processo di tiraggio e ulteriori cinque o sei ore per ultimare il rivestimento protettivo. A fronte di quanto appena esposto, quindi, il costo di una fibra ottica realizzata con il metodo da fase vapore risulta maggiormente proibitivo e si aggira attorno ai cento dollari per km.

 

 

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