Cosa è la fibra ottica?
Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce, e che trovano importanti applicazioni in telecomunicazioni, diagnostica medica, illuminotecnica e sicurezza.
Disponibili sotto forma di cavi, sono flessibili, immuni ai disturbi elettrici ed alle condizioni atmosferiche più estreme, e poco sensibili a variazioni di temperatura.
Hanno un diametro del cladding (rivestimento esterno) solitamente di 125 micrometri (circa le dimensioni di un capello) e pesano molto poco: una singola fibra pesa infatti circa 60 g/km, compresa la guaina che la ricopre.
Le fibre ottiche sono classificate come guide d’onda dielettriche: semplicemente la fibra ottica può essere pensata come una condotta in cui fluisce la luce, paragonabile ad un tubo in cui scorre l’acqua.
Esse, 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 estremamente limitate.
Vengono 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 10 Mbit/s al Tbit/s usando le più raffinate tecnologie WDM).
Uno studio rigoroso della fisica delle fibre ottiche richiede concetti di 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.
Le fibre ottiche si suddividono in multimodali e monomodali.
Le fibre multimodali permettono l’uso di dispositivi più economici, ma subiscono il fenomeno della dispersione intermodale, per cui i diversi modi si propagano a velocità leggermente diverse, e questo limita la distanza massima a cui il segnale può essere ricevuto correttamente.
Le fibre monomodali di contro hanno un prezzo molto più elevato rispetto alle multimodali, ma riescono a coprire distanze e a raggiungere velocità nettamente superiori.
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 core e cambia improvvisamente allorquando si incontra il cladding
nelle fibre graded index l’indice di rifrazione cambia gradualmente dal core al cladding, permettendo l’uso di luce multicromatica
Costituzione
Diagramma di fibra ottica in single mode (SM)
1 - Core 8 µm
2 - Cladding 125 µm
3 - Buffer 250 µm
4 - Jacket 400 µm
Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso. Il core presenta un diametro molto piccolo di circa 10 µm per le Monomodali e 50 µm per le Multimodali, mentre il cladding ha un diametro di circa 125 µm.
I due strati sono realizzati con materiali con indice di rifrazione leggermente diverso, il cladding deve avere un indice di rifrazione minore (tipicamente vale 1,475) rispetto al core (vale circa 1,5).
Come ulteriore caratteristica il mantello (buffer) 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 core.
La fibra ottica funziona come una specie di specchio tubolare. La luce che entra nel core ad un certo angolo (angolo limite) si propaga mediante una serie di riflessioni alla superficie di separazione fra i due materiali del core e del cladding.
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.
Diversi tipi di fibre si distinguono per diametro del core, 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 core e il cladding della fibra ottica possono essere realizzati in silice (vetro) oppure in polimeri plastici (fibra plastica).
Silice
La fibra ottica è una singola fibra di vetro.
Le fibre vengono realizzate a partire da silice ultrapura, la quale viene ottenuta dalla reazione fra il tetracloruro di silicio e l’ossigeno. Nel silicio destinato alla produzione del core 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 cladding invece viene aggiunto del boro allo scopo di ridurne l’indice di rifrazione.
Polimeri
La fibra è costituita da una materia plastica.
In queste fibre ottiche polimeriche la dimensione del core 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.
Dispersione
Lavorando con fenomeni fisici ad 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.
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 delle perdite di 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.
Perdite specifiche delle guide dielettriche.
Oltre alle perdite dovute al mezzo, esistono altre tipologie di perdita 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
La curvatura della guida dielettrica ha un duplice effetto sul segnale ottico:
deformazione della distribuzione di campo elettromagnetico;
eccitazione di componenti dello spettro indesiderati.
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
Durante la lavorazione della guida si possono creare delle corrugazioni lungo le pareti esterne. Esse possono essere periodiche e quindi danno luogo ad 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
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.
Secondo questo principio fisico, una flessione del cavo in fibra ottica genera un’attenuazione del segnale luminoso trasmesso.
La nostra tecnologia consente l’utilizzo dei sistemi in fibra ottica per le applicazioni di sicurezza.
Il nostro sistema VPX è costituito da un analizzatore elettronico, dotato di un trasmettitore e un ricevitore per segnale luminoso a cui è connesso un cavo in fibra ottica di vetro multimodale, in grado di misurare la variazione della radiazione luminosa nel cavo in fibra ottica.
Il funzionamento è estremamente semplice: il sistema è autotarante, terminata l’installazione ed attivato, il dispositivo genera ed analizza la luce che viene inviata all’interno dell’anello di fibra ottica per tutta la lunghezza, rileva la variazione dell’intensità e della frequenza del treno di impulsi luminosi inviati dal trasmettitore al ricevitore, dovuta al taglio, allo strappo o alla piega del cavo e segnala immediatamente l’allarme.
Il dispositivo effettua l’analisi della flessione del cavo in fibra ottica e rilevandone l’effetto sul segnale luminoso in essa trasmesso: la piega del cavo genera una variazione dell’intensità causata dalla curvatura del mezzo dielettrico (fibra) e della frequenza degli impulsi trasmessi dal cavo.
Le applicazioni del sistema come antifurto sono molteplici, sia per la protezione di pannelli fotovoltaici, sia la protezione di materiali e macchinari di valore dislocati in luoghi aperti e soggetti ad elevato rischio di furto, tipo cantieri, depositi, aeroporti o altro, nonché la protezione dall’intrusione su recinzioni di qualunque tipo (rete a maglie, elettrosaldata, cancellata, etc…).
