Le fibre ottiche si basano
sul principio della riflessione totale interna che fu osservata da uno
scienziato svizzero, Daniel Colladon, all’inizio dell’800 in un getto d’acqua e
successivamente dal francese Jacques Babinet che ne vide lo stesso fenomeno in
una bacchetta di vetro. La prima applicazione fu proprio l’uso della riflessione interna totale come
mezzo di propagazione della luce nell’illuminazione delle fontane. Il
successivo sviluppo, nella metà del XX secolo, si concentrò sullo sviluppo di
un fascio di fibre volto alla trasmissione di immagini il cui primo utilizzo fu
il gastroscopio medico. Il primo gastroscopio a fibra ottica semi-flessibile fu
brevettato da Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters e Lawrence E. Curtiss nel
1956, e fu proprio Curtiss a produrre fisicamente la prima fibra ottica. Nel
1965 Charles K. Kao'e George A. Hockham del Britisch Post Office per primi
riconobbero che l'attenuazione delle fibra contemporanee era causata dalle
impurità, che potevano essere rimosse. In questo modo dimostrarono che le fibre
ottiche sono in grado di essere un mezzo pratico ed efficace per la
comunicazione, nel caso che l'attenuazione sia ridotta al di sotto dei 20dB per
Kilometro. Con questi parametri nel 1970 la fibra ottica fu inventata ed usata
per le comunicazioni dai ricercatori Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter
Schultz e Frank Zimar, prezzo la Corning (azienda americana per la produzione
di vetro). Costruirono una fibra con 17 dB di attenuazione ottica per kilometro
drogando il silicio del vetro con il titanio.
La riflessione totale
interna
La fibra ottica è un mezzo
trasmissivo formato da un nucleo interno (core) e da un mantello esterno
(cladding). Entrambi sono composti da vetro SiO2 + droganti
di vario tipo in modo che che l'indice di rifrazione n1 del core sia maggiore
dell'indice di rifrazione n2 del cladding. La differenza di questi indici di
rifrazione, attraverso il fenomeno della riflessione totale interna, permette
ai raggi luminosi di essere trasportati attraverso la fibra ottica stessa.
Attenuazione
La fibra ottica è totalmente insensibile ai disturbi
elettromagnetici, tuttavia introduce delle attenuazioni dell'energia luminosa
dovute alle impurità presenti nel vetro (perdite per assorbimento) e per fenomeni fisici all'interno della fibra stessa
(perdite per diffusione). Queste attenuazioni sono calcolate in db/km e variano
a seconda della lunghezza d'onda dell'energia luminosa stessa.
Ulteriori perdite possono
essere causate da una eccessiva curvatura della fibra durante il suo utilizzo:
la fibra ottica ha un suo massimo raggio di curvatura oltre il quale il raggio
incidente (in quanto il corrispondente angolo supera l’angolo di accettazione)
si disperde in parte nel cladding.
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Apertura numerica
Un altro importante parametro della fibra ottica è
l'apertura numerica NA: non indica altro che il massimo angolo utile di
accettazione del il fascio luminoso in ingresso alla fibra. Al di sopra di
questa angolazione la luce non viene totalmente riflessa e trasmessa dalla
fibra, ma viene persa nel mantello.
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Settori Applicativi
La fibra ottica è utilizzata soprattutto nel campo delle
telecomunicazioni per il trasporto di informazioni a lunga distanza ed a
velocità sempre più elevate. Ulteriori sviluppi tecnologici nell'ultimo
ventennio hanno notevolmente aumentato l'utilizzo di fibre ottiche anche per
applicazioni di illuminazione, trasporto immagini e di energia sia in campo
medico (chirurgia, endoscopia, fisioterapia etc.) che in campo industriale
(sistemi di visione, taglio, saldatura, foratura etc).
