La fibra ottica

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.

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.

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).