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.
Canaline predisposte a contenere la 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 7 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 7 fili (5 fibre ottiche più i 2 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.
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. Nel silice destinato 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.
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.
Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Sensore 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').
Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Propagazione guidata, Optoelettronica e Ottica quantistica.
Funzionamento della fibra ottica step-index
Riflessione totale interna (a) e rifrazione esterna (b) per due fasci luminosi in una fibra ottica step-index
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
θ
a
\theta _{a} superiore all'angolo critico di riflessione totale e rimane intrappolato nel nucleo; il fascio b incide con un angolo
θ
b
\theta _{b} 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-
α
\alpha dove
α
\alpha è l'angolo, più intuitivo ma più scomodo da utilizzare, tra la radiazione e la superficie.
Confronto tra fibre ottiche
All'interno di una fibra ottica il segnale può propagarsi in modo rettilineo oppure essere riflesso un numero molto elevato di volte. Il modo di propagazione rettilineo si dice di ordine zero. Le fibre monomodali consentono la propagazione di luce secondo un solo modo e hanno un diametro del nucleo compreso tra 8 µm e 10 µm, quelle multimodali consentono la propagazione di più modi, e hanno un diametro del nucleo di 50 µm o 62.5 µm. Il mantello ha tipicamente un diametro di 125 µm.
È possibile conoscere a priori il numero di modi possibili Nm per una radiazione di lunghezza d'onda λ che attraversa una fibra step-index di diametro d con apertura numerica NA
Nm= 0,5 ×
Le fibre multimodali permettono l'uso di dispositivi più economici (LED, E-LED, VCSEL), ma subiscono il fenomeno della dispersione intermodale, per cui i diversi modi si propagano in tempi leggermente diversi, e questo limita la distanza massima a cui il segnale può essere ricevuto correttamente, soprattutto ad elevate velocità (Gigabit/sec).
Le fibre monomodali hanno un prezzo molto più basso rispetto alle multimodali e riescono a coprire distanze e a raggiungere velocità nettamente superiori. Di contro necessitano di dispositivi emettitori Laser più costosi e necessitano di un cablaggio terminale più preciso ed accurato.
Le fibre multimodali possono essere divise ulteriormente in fibre step index e graded index.
Nelle fibre step index l'indice di rifrazione è costante lungo tutta la sezione del nucleo e cambia improvvisamente allorquando si incontra il mantello.
Nelle fibre graded index l'indice di rifrazione cambia gradualmente dal nucleo al mantello, permettendo l'uso di luce multicromatica.
Attenuazione[modifica | modifica wikitesto]
Meccanismi di perdita in fibra ottica.
Idealmente, le fibre ottiche sono un mezzo di trasmissione perfetto. Infatti, oltre a non risentire in nessun modo di disturbi elettromagnetici o di diafonia, se strutturate adeguatamente per garantire la riflessione totale del segnale d'ingresso, teoricamente, permettono di trasferire completamente la potenza in ingresso nell'uscita.
In pratica, però, intervengono dei fenomeni fisici che causano comunque attenuazione della potenza lungo la fibra; tali perdite, solitamente valutate statisticamente in termini di attenuazione specifica ovvero in dB/km, sono dovute a:
proprietà intrinseche del mezzo;
presenza di impurità all'interno del materiale;
specifiche delle guide dielettriche aperte.
Il materiale di cui sono realizzate le fibre ottiche è costituito da macromolecole che interagiscono fra di loro tramite forze dette di van der Waals. Normalmente queste macromolecole possono ruotare intorno a un asse o possono vibrare. Durante questi movimenti queste molecole assorbono la radiazione, vibrano, e possono emetterne dell'altra. La loro condizione di risonanza si innesca per alcune particolari lunghezze d'onda. Qualunque materiale che è trasparente a una radiazione risulta inevitabilmente opaco a un'altra lunghezza d'onda. Ad esempio il vetro è trasparente nel campo del visibile (≈ 400 nm ÷ 750 nm) mentre risulta opaco nel campo dell'infrarosso (≈ 750 nm ÷ 1000 nm). Quindi le fibre realizzate in vetro sono utilizzabili solo con sorgenti di luce visibile.
Durante il processo di fabbricazione la fibra tende inevitabilmente ad assorbire il vapore acqueo. Nel vapore, così come nel vetro sono presenti dei gruppi OH. Ad alcune particolari frequenze le molecole OH vengono eccitate e assorbono energia elettromagnetica (lunghezze d'onda di 1,24 e 1,38 µm) causando perdite.
Perdite per diffusione (Rayleigh scattering)[modifica | modifica wikitesto]
Le perdite di segnale per diffusione sono causate da:
anisotropia di polarizzabilità;
fluttuazioni di densità del mezzo;
piccole (≈ 0,1×λ) irregolarità del mezzo;
Queste imperfezioni causano una lieve diffusione (ossia deviazione a vari angoli) del segnale. Ciò non è legato a una perdita di energia ma a una perdita di potenza. Nel vetro questa perdita è pari a: α ≈ 0,7×λ
−
4
^{{-4}} [dB/km]. Le perdite di segnale per effetto della diffusione possono essere stimate secondo una forma della legge di Rayleigh:
τ
d
=
C
(
8
π
3
3
λ
0
4
)
(
(
n
2
−
1
)
(
n
2
+
2
)
3
)
2
k
T
g
β
{\displaystyle \tau _{d}=C\left({\frac {8\pi ^{3}}{3\lambda _{0}^{4}}}\right)\left({\frac {(n^{2}-1)(n^{2}+2)}{3}}\right)^{2}kT_{g}\beta }
C = Fattore di Cabannes, implementa nella formula un fattore dovuto all'anisotropia delle molecole. Ad esempio vale 1,1 per il Polimetil metacrilato oppure 2,7 per il Polistirene.
λ
0
\lambda _{0} = lunghezza d'onda nel vuoto
n = indice di rifrazione del nucleo
k = costante di Boltzmann
T
g
T_{g} = temperatura di transizione vetrosa
β = coefficiente di comprimibilità isoterma del nucleo
Un basso indice di rifrazione e una bassa compressibilità riducono la possibilità che il raggio venga diffratto a causa di variazioni nella densità del mezzo. Tuttavia nel caso di fibre ottiche polimeriche, la compressibilità del materiale è direttamente legata al volume molecolare. I polimeri densamente reticolati hanno bassa comprimibilità ma hanno un alto indice di rifrazione. Polimeri costituiti da molecole con un grande volume molecolare possiedono un'elevata compressibilità ma un indice di rifrazione basso.
Perdite specifiche delle guide dielettriche[modifica | modifica wikitesto]
Oltre alle perdite dovute al mezzo, esistono perdite di altro genere in una guida dielettrica. Queste non sono dovute al tipo di luce utilizzata ma sono legate alle deformazioni e alle discontinuità presenti nella guida; per avere effetti rilevanti è necessario che la periodicità delle perturbazioni sia tale da generare una interferenza costruttiva.
Curvatura della guida dielettrica[modifica | modifica wikitesto]
Ha un duplice effetto sul segnale ottico:
deformazione della distribuzione di campo elettromagnetico;
eccitazione di componenti dello spettro indesiderati.
Curvatura della guida dielettrica
La curvatura genera un accoppiamento tra il modo guidato e i modi radiativi dello spettro. Nel caso in cui il raggio di curvatura sia abbastanza grande, si può ipotizzare che la distribuzione di campo del modo guidato subisca una lieve e ininfluente deformazione. Quindi la perdita è legata all'angolo di curvatura della guida.
Corrugazioni della guida dielettrica[modifica | modifica wikitesto]
Durante la lavorazione della guida si possono creare delle corrugazioni lungo le pareti esterne. Esse possono essere periodiche e quindi danno luogo a una perdita di potenza che viene irradiata esternamente. Anche in questo caso si ha un accoppiamento tra modo guidato e modi radiativi.
Imperfezioni nella fabbricazione[modifica | modifica wikitesto]
La perdita di segnale può essere dovuta anche a imperfezioni nella fabbricazione della fibra: particelle di polvere, microvuoti e fessurazioni. Queste imperfezioni, se hanno dimensione paragonabile alla lunghezza d'onda interferiscono producendo fenomeni di diffrazione, assorbimento, ecc.
Dispersione[modifica | modifica wikitesto]
Lavorando con fenomeni fisici a elevatissima frequenza (le onde luminose), con le fibre ottiche sarebbero idealmente possibili velocità di trasmissione molto elevate. In pratica, però, intervengono dei fattori fisici che causano distorsione e quindi interferenza intersimbolica limitando la velocità di trasmissione possibile in una fibra ottica.
Distorsioni nella fibra ottica
Dispersione modale: fenomeno dovuto al fatto che il raggio luminoso non viaggia all'interno della fibra secondo un cammino prefissato, ma secondo un numero finito di modi (derivanti dalla legge di Snell). Vi saranno modi attraverso i quali il raggio arriva più velocemente a destinazione, altri che invece lo fanno arrivare più tardi (il primo caso limite è il modo che percorre la fibra ottica completamente dritto; il secondo caso limite è il raggio che entra nella fibra con angolo uguale all'angolo limite di accettazione, e deve quindi eseguire un numero molto alto di riflessioni. Ovviamente, un percorso del tutto dritto è più veloce di un percorso a zig-zag). A causa di questo, la forma del segnale originario viene dilatata nel tempo, e se la frequenza è troppo alta può arrivare a confondersi con l'impulso seguente (interferenza intersimbolica), impedendo dunque di leggere il segnale originario. Per ovviare a questo inconveniente, si possono utilizzare fibre multimodali graded index (nelle quali l'indice di rifrazione varia con continuità dal centro del nucleo fino al mantello) oppure fibre monomodali.
Dispersione cromatica: fenomeno dovuto al fatto che la luce pura trasmessa in fibra dal trasmettitore non è perfettamente monocromatica, ma si compone in realtà di fasci di luce di colore diverso cioè con frequenze o lunghezza d'onda e quindi velocità di attraversamento diverse. Si ha lo stesso problema visto sopra: può capitare che il fascio luminoso di colore rosso (il più veloce) si confonda con il fascio luminoso di colore violetto (il più lento) dell'impulso inviato precedentemente, rendendo impossibile la decodifica del segnale originario. Per risolvere questo problema si utilizzano led monocromatici per trasmettere la luce.
Dispersione di polarizzazione: fenomeno dovuto ad asimmetrie del nucleo cilindrico della fibra dovute a loro volta a stress meccanici o imperfezioni della fibra stessa durante il processo di produzione e che causano fenomeni di birifrangenza dell'onda elettromagnetica guidata: le componenti ortogonali del campo elettromagnetico, normalmente in fase, subiscono uno sfasamento tra loro causando distorsione dell'impulso ottico trasmesso. Ha caratteristiche tipiche di aleatorietà.
