Fibra ottica: dalla fisica all’ingegneria

Una fibra ottica è una guida d'onda dielettrica cilindrica a bassa perdita. Ha un nucleo centrale dove è guidata la luce, rivestita con un materiale di indice di rifrazione poco inferiore a quello del nucleo. I raggi di luce incidenti sul confine tra nucleo e rivestimento ad angoli maggiori dell'angolo critico, subiscono una riflessione interna totale e sono guidati attraverso il nucleo senza rifrazione. Come risultato dei recenti progressi tecnologici nella fabbricazione, la luce può essere guidata attraverso 1 km di fibra di vetro con una perdita a partire da circa 0,3 dB. Le fibre ottiche stanno sostituendo i cavi coassiali in rame come mezzo di trasmissione preferito per le onde elettromagnetiche, rivoluzionando così le comunicazioni terrestri. Le applicazioni spaziano dalla telefonia alla trasmissione dati a lunga distanza. In questo articolo analizzeremo a livello generale la fisica della fibra ottica, per poi concentrarci sulle varie applicazioni.

Introduzione

Le fibre ottiche possono essere utilizzate per trasmettere l'informazione su lunghe distanze sotto forma di impulso di luce. Esse sono ampiamente utilizzate per la trasmissione dati. Nella maggior parte dei casi, vengono utilizzate fibre in silice, tranne che per brevi distanze dove le fibre ottiche di plastica possono essere più vantaggiose.  Rispetto ai sistemi basati su cavi elettrici, l'approccio delle comunicazioni in fibra ottica ha notevoli vantaggi:
-   La capacità delle fibre per la trasmissione dati è enorme: una singola fibra di silice può trasportare centinaia di migliaia di canali telefonici. Negli ultimi 30 anni, i progressi per quanto riguarda la capacità di trasmissione di collegamenti in fibra ottica è stata significativamente più veloce rispetto, ad esempio, ai progressi nella velocità o capacità di memorizzazione nei computer.
-   Le perdite di luce che si propagano in fibre sono incredibilmente piccole: possono arrivare anche a circa 0,3 dB / km per fibre in silice monomodali moderni, così molte decine di chilometri possono essere coperte senza amplificare i segnali.
-   Per grandi distanze di trasmissione, un gran numero di canali possono essere riamplificati in un singolo amplificatore a fibra.
-   A causa della grande velocità di trasmissione raggiungibile, il costo per bit trasportato può essere estremamente basso.
-   Rispetto ai cavi elettrici, i cavi in fibra ottica sono molto leggeri.
-   I cavi in fibra ottica sono immuni ai problemi che si presentano con i cavi elettrici, come i loop di massa o di interferenze elettromagnetiche (EMI). Tali problemi sono importanti, per esempio, per i collegamenti di dati in ambienti industriali.

La luce è gradualmente attenuata quando si propaga lungo la fibra. Il valore di attenuazione, come enunciato in precedenza, è espresso in dB / km (decibel per chilometro). Il grafico di figura 1 visualizza l'attenuazione lineare in funzione della lunghezza d'onda.

Figura 1: Attenuazione in una fibra ottica. Il picco di attenuazione è causato da contaminazioni di ioni OH residui del processo di fabbricazione. Il picco dell'acqua provoca un’attenuazione nella regione di circa 1400 nm. 

Le lunghezze d'onda di funzionamento sviluppate per fonti di luce sono 850 nm e 1300 nm in configurazione multimodale e 1310 nm e 1550 nm in quella monomodale.
La fibra single mode o monomodale (Figura 2) è adatta per trasportare solo un raggio luminoso. Il nucleo ha un diametro compreso tra gli 8,3 e i 10 um, mentre il rivestimento misura circa 125 um di diametro. Quella multimodale è utilizzata per comunicazioni ad elevata capacità con un rate medio superiore agli 80 Gbit/s. La fibra multimodale riesce a mantenere un ritmo di 100 Mbit/s per circa 2 km. Le dimensioni sono più grandi rispetto a quelle single mode (50-100 um di diametro del nucleo).

Figura 2: Struttura base di una fibra con le due tipologie a confronto: multimode (a) e single mode (b).

Il funzionamento

Il funzionamento di una fibra ottica si basa sul principio della riflessione interna totale. La luce riflette (rimbalza) o rifrange (altera la sua direzione mentre penetra in un mezzo diverso), a seconda dell'angolo in cui colpisce una superficie.  [...]

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