Fibre ottiche

Le fibre ottiche, nell’ambito della scienza e della tecnologia dei materiali, sono strutture cilindriche altamente flessibili costituite da un materiale dielettrico altamente trasparente, e progettate per trasportare energia a lunghezze d’onda diverse.

Le fibre ottiche, che hanno rivoluzionato il settore delle telecomunicazionie svolto un ruolo importante nell’avvento dell’era dell’informazione sono ampiamente utilizzate oltre che nelle telecomunicazioni, nella comunicazione dati, nella trasmissione di raggi laser, nella rilevazione e nelle applicazioni mediche tra cui la distribuzione di raggi laser in sistemi chirurgici.

A causa della maggiore larghezza di banda e velocità di trasmissione le fibre ottiche , trasportano più informazioni e sono comunemente usati per i loro vantaggi rispetto ai cavi in ​​rame e sono ora in grado di supportare segnali fino a 10 Gbps. Le fibre ottiche inviano informazioni codificate in un raggio di luce lungo un sottilissimo tubo di vetro, di quarzo o di plastica.  Ogni filo è spesso meno di un decimo di un capello umano e può trasportare qualcosa come 25.000 telefonate, quindi un intero cavo in fibra ottica può facilmente trasportare diversi milioni di chiamate.

Componenti delle fibre ottiche

Sono costituite da un nucleo cilindrico centrale, o core, un mantello o cladding attorno a esso e un rivestimento protettivo. Le fibre ottiche funzionano secondo il principio della riflessione interna totale, che mantiene la luce nel nucleo della fibra e la guida lungo tutta la lunghezza della fibra.

Poiché il vetro utilizzato nel nucleo della fibra ha un indice di rifrazione più elevato rispetto al vetro utilizzato nel rivestimento, intrappola la luce nel nucleo tramite riflessione interna totale all’interfaccia del rivestimento.

Il nucleo è in genere costituito da silice a cui sono aggiunte sostanze dopanti come il biossido di germanio GeO₂, l’ossido di alluminio Al₂O₃ e il tetrafluoruro di zirconio ZrF₄. L’apertura numerica, numero adimensionale che quantifica l’intervallo di angoli su cui un sistema ottico può accettare o emettere luce, del nucleo determina l’intervallo di angoli incidenti che la fibra può accettare e che continua a funzionare entro l’intervallo specificato.

Il nucleo è circondato da un rivestimento che impedisce alla luce di uscire dal nucleo e di essere assorbita dal resto del cavo generalmente realizzato con lo stesso materiale del nucleo, ma con un indice di rifrazione di poco inferiore.

Il rivestimento protettivo come l’acrilato è utilizzato per ridurre la diafonia ovvero l’interferenza elettromagnetica che si può generare tra due cavi vicini di un circuito o di un apparato elettronico. A volte vengono aggiunti fogli metallici aggiuntivi per un’ulteriore protezione ambientale e fisica.

Funzionamento

Le fibre ottiche utilizzano il principio ottico della riflessione interna totale, fenomeno dell’ottica, per cui la luce subisce una riflessione completa in un’interfaccia tra due mezzi, per catturare la luce trasmessa in una fibra ottica e confinarla al nucleo della fibra.

La riflessione totale si verifica quando tutto il raggio di luce incidente che viaggia attraverso un mezzo otticamente più denso è riflesso al confine tra quel mezzo e un altro di densità ottica inferiore, invece di passare attraverso ed essere rifratto.

Aumentando l’angolo di incidenza, si raggiunge un punto in cui l’angolo di rifrazione è 90°e il raggio rifratto viaggia lungo il confine dei due mezzi. Questo angolo di incidenza è chiamato angolo critico. Se l’angolo di incidenza è maggiore di questo angolo critico, il raggio rifratto non emerge dal mezzo, ma viene riflesso indietro nel mezzo.

Le condizioni necessarie affinché si verifichi la riflessione interna totale prevedono che la luce viaggi da un mezzo otticamente più denso (indice di rifrazione più elevato) a un mezzo otticamente meno denso (indice di rifrazione più basso) e che l’angolo di incidenza sia maggiore dell’angolo critico.

Tipi

Se il nucleo è molto sottile delle dimensioni di circa 5-10 µm di diametro tutti i segnali viaggiano dritti al centro senza rimbalzare sui bordi. Tali tipi di fibre ottiche sono dette monomodali (SM) e sono progettate per trasportare la luce in un singolo percorso (modo) su lunghe distanze.

Hanno un’elevata capacità elevata larghezza di banda e una bassa dispersione e sono le fibre ottiche più ampiamente utilizzate in applicazioni in cui l’integrità dell’impulso luminoso incidente deve essere mantenuta su lunghe distanze.

Le fibre ottiche multimodali (MM) hanno diametri del nucleo più grandi di circa 50 µm che consentono alla luce di viaggiare lungo molti percorsi in modo simultaneo. Sono progettate per trasportare segnali su brevi distanze, in genere poche centinaia di metri. Offrono una trasmissione dati ad alta velocità e sono in genere impiegate in data center, reti locali e reti di archiviazione dove sono più convenienti delle fibre SM.

Le fibre drogate con terre rare sono fibre ottiche in cui piccole quantità di elementi delle terre rare come erbio, itterbio, praseodimio, tulio, olmio o neodimio sono state aggiunte al nucleo delle fibre durante il processo di fabbricazione.

Quando gli ioni delle terre rare sono aggiunti alla fibra, possono assorbire ed emettere luce a lunghezze d’onda specifiche, creando un’amplificazione del segnale ottico, rendendole utili nei laser a fibra, negli amplificatori ottici e nelle sorgenti ASE.

Per le fibre drogate con terre rare, la composizione del nucleo è normalmente modificata con l’aggiunta da dopanti aggiuntivi. Ad esempio, raramente si usa silice fusa pura, che non è adatta per incorporare concentrazioni sufficienti di ioni di terre rare.

Pertanto alla silice si aggiunge allumina per ottenere un vetro alluminosilicato, biossido di germanio per ottenere un vetro germanosilicato o pentossido di fosforo o ossicloruro di fosforo per ottenere un vetro fluorosilicato.

In particolare, si è scoperto che l’allumina migliora notevolmente la solubilità degli ioni di terre rare e quindi consente concentrazioni di drogaggio di terre rare più elevate. Altri codopanti possono avere ulteriori effetti positivi, come il miglioramento della larghezza di banda, l’influenza sulla velocità di trasferimento di energia o la modifica dell’indice di rifrazione.

La più popolare è la combinazione di erbio e itterbio normalmente con una concentrazione di itterbio significativamente più alta. Quando una radiazione di lunghezza d’onda di 980 nm, appartenente quindi all’IR entra in un tale tipo di fibra la maggior parte della luce è assorbita dagli ioni di itterbio (detti ioni sensibilizzatori), portandoli nei loro stati eccitati. Da lì, l’energia può essere trasferita in modo efficiente agli ioni di erbio, che quindi forniscono un guadagno nella regione spettrale di 1.5 μm.