A cura di Stefano Bianco, Michele Caponero, Franco Luigi Fabbri e Antonio Paolozzi Cosa sono le fibre ottiche ? L’uso più familiare, ma non certo il preponderante, delle fibre ottiche è quello dell’ illuminazione Queste sono le fibre che vediamo usate ad esempio negli alberi di natale o in lampade decisamente kitsch che cambiano colore prelevando, da un apposito dispositivo, un segnale luminoso ciclicamente variabile. Le fibre ottiche di questo tipo sono anche utilizzate nei cruscotti delle automobili per retro-illuminare con un’unica fonte luminosa i vari pulsanti ed indicatori Le fibre sono utilizzate nella trasmissione di immagini. Molti dei nostri web-nauti avranno visto quelle sonde che possono essere inserite attraverso la bocca per osservare dall’interno lo stomaco, o che sono usate per fare degli interventi chirurgici meno invasivi con la tecnica laparoscopica cioè evitando ampi tagli sul corpo. Si inserisce la sonda in fibre ottiche (oppure di recente sono disponibili anche micro-telecamere che trasmettono le immagini tramite un cavo ad esse collegato) e gli strumenti chirurgici attraverso piccoli fori. Questa tecnica è anche usata in campo areonautico per effettuare dei controlli visivi all’interno dei motori, (si osservano prevalentemente le palette delle turbine del motore). Il fibroscopio , questo è uno dei nomi tecnici usati per questi strumenti è costituito fondamentalmente da un gruppo di fibre ottiche ognuna delle quali trasmette all’altro capo un pixel (cioè una informazione elementare dell’immagine) in modo tale che l’immagine stessa possa essere ricostruita dall’insieme di tutti questi elementi. Altra applicazione molto diffusa, anche se meno nota ai non specialisti, è quella nella trasmissione di dati. Oggi, le conversazioni telefoniche, i dati che vengono trasmessi nella rete Internet viaggiano per le maggior parte dei casi in fibra ottica. Ovviamente in questo caso non si trasmetteranno nella fibra segnali di luce visibile, ma piuttosto pacchetti di frequenze elettromagnetiche ben distinte dalla zona del visibile . La trasmissione in fibra rispetto a quella in rame Cu offre diversi vantaggi tra cui l’immunità da interferenze elettromagnetiche, ma soprattutto la possibilità di inviare una quantità di dati straordinariamente superiore a quella ottenibile con cavi elettrici. Oltre a ciò l’attenuazione del segnale in fibra ottica diventa significativo solo dopo molti chilometri e quindi la necessità di amplificare il segnale è minore rispetto alle tecnologie classiche. Anche il rumore termico è praticamente inesistente e resta solo quello quantico. Il cablaggio anche in situazioni di difficoltà ambientali, cunicoli, zone ristrette ed impraticabili e molto semplificato dal fatto che, come si sa, la fibra può, entro certi limiti, essere curvata a piacimento obbligando il segnale luminoso ad abbandonare il percorso rettilineo e a piegarsi alle nostre necessità. Come fa la fibra a piegare la luce alle nostre necessità ? Perché la luce quando pieghiamo la fibra non prosegue il suo cammino rettilineo sfuggendo all’esterno? Sono le leggi della rifrazione e che ci vengono in aiuto. La fibra è formata da due vetri di diverso indice di rifrazione disposti in maniera concentrica. Il cilindro in vetro più esterno viene chiamato cladding, mentre quello più interno dove si propaga il segnale è chiamato core. Nelle fibre ottiche commerciali usate per le telecomunicazioni il diametro del core è minore di 10 micron ( un centesimo di millimetro), mentre il diametro del cladding è di 125 micron. Secondo le leggi dell’ottica, all’interfaccia tra due materiali diversi, la luce cambia direzione nel passare da un materiale all’altro ( rifrazione ). Gli angoli di incidenza, rifrazione e riflessione seguono la legge di Snell . Se l’angolo fra la perpendicolare all’interfaccia e la direzione della luce si avvicina ai 90° gradi, si può avere la riflessione totale. Questo è quello che avviene all’interno della fibra ottica: il segnale si propaga riflettendosi più volte all’interfaccia tra core e cladding (rappresentati rispettivamente in arancione e giallo nelle due figure qui riportate) fino ad arrivare all’altro estremo della fibra. Le fibre per proteggere il vetro (o il quarzo ) di cui è composto il core da infiltrazioni di umidità e, per evitare microfratture durante la necessaria manipolazione, vengono commercializzate solitamente con un coating di acrilico trasparente che porta il diametro a 250 micron (cioè un quarto di millimetro). Nelle applicazioni per telecomunicazioni (miliardi di chilometri di fibre sono ormai cablati nei sottosuoli delle nostre città per la telefonia, la televione via cavo..) a questo coating viene aggiunto un ulteriore strato protettivo (di solito azzurro) che porta il diametro totale a circa 1 mm. Questo facilita la posa in opera e riduce moltissimo la possibilità di rompere la fibra ottica durante le fasi di cablaggio. (*) Nota redazionale SXT Ovviamente quanto qui descritto nel caso di un segnale luminoso, può essere applicato anche alla trasmissione di un qualunque segnale elettro-magnetico nella fibra.
