Fibre ottiche: cosa sono?

L’invenzione risale al 1955, quando il ricercatore inglese Nardiner S. Kapany realizzò un sistema per guidare la luce, formato da filamenti di vetro chiamati fibre ottiche. Il sistema si basa sulla proprietà della luce di propagarsi da un capo all’altro di un filamento di vetro, anche se annodato, perché lo percorre rimbalzando sulle pareti interne e senza disperdersi all’esterno. La scoperta ha trovato applicazioni nelle comunicazioni televisive, in quelle telefoniche e nella trasmissione di dati per computer. È infatti sufficiente trasformare un impulso elettrico in impulso luminoso e immetterlo in una fibra ottica: all’altro capo del “filo”, l’impulso luminoso viene nuovamente trasformato in impulso elettrico. I vantaggi di questo sistema, rispetto ai tradizionali fili di rame, sono enormi. Le fibre ottiche hanno infatti dimensioni minori e possono trasmettere un segnale a distanze maggiori dei normali cavi elettrici, prima che sia necessaria la sua amplificazione. Infine, poiché non è conduttrice di elettricità, una fibra ottica non subisce interferenze elettriche e il segnale non risulta disturbato.

La luce corre su un filo
Le fibre ottiche sono cavi all'interno dei quali viaggia la luce; questi cavi stanno sostituendo i tradizionali fili telefonici e costituiscono oggi l'infrastruttura attraverso la quale possono viaggiare le informazioni di Internet, le immagini televisive o le conversazioni telefoniche. Il successo delle fibre ottiche dipende dalla loro capacità di trasportare molte informazioni a un basso costo di produzione e di esercizio. Le fibre ottiche possono anche essere usate per la diagnostica medica o per esplorare luoghi difficilmente accessibili
Guida per le onde
Le fibre ottiche sono cavi per la trasmissione di impulsi luminosi, usati o per particolari esigenze di illuminazione o, più spesso, per trasmettere segnali di ogni tipo. Sono costituite essenzialmente da tre strati concentrici che appaiono come tre tubi inseriti l'uno nell'altro. Il primo livello è rappresentato dal 'cuore' ‒ dalla fibra (detto nucleo) vetrosa vera e propria, costituita da un'alta percentuale di silice, attraverso la quale viaggia la luce ‒ il secondo dalla guaina, il terzo da un rivestimento finale, costituito spesso in plastica. Le fibre ottiche sono estremamente sottili e vengono raggruppate all'interno di cavi che ne contengono diverse.
Anche il rivestimento di questi cavi è spesso in plastica. Il cuore delle fibre ottiche può arrivare a un diametro di pochi millesimi di millimetro, e in tal caso trasmette luce laser, cioè luce costituita da una sola lunghezza d'onda. Altre fibre presentano invece un diametro maggiore, fino a un millimetro; queste ultime sono utilizzate per trasmettere luce normale, composta da più lunghezze d'onda, e possono essere realizzate interamente in plastica.
La caratteristica peculiare delle fibre ottiche è quella di permettere alla luce di viaggiare seguendo linee curve. In realtà, infatti, la luce viaggia solo seguendo linee rette. Per rendersene conto, basta osservare la luce che filtra in una stanza da una persiana socchiusa durante una giornata di sole. Il pulviscolo presente nell'aria riflette la luce mostrandone il cammino lineare.
Rifrazione e riflessione
Tuttavia, quando la luce nel suo cammino attraversa due mezzi di propagazione differenti, per esempio l'acqua o l'aria, subisce il cosiddetto fenomeno della rifrazione, ossia cambia bruscamente la sua direzione di propagazione. Gli indici di rifrazione del cuore e della guaina delle fibre ottiche, ossia le loro capacità di rifrazione della luce, sono calcolati in modo tale da causare una serie di deviazioni della radiazione luminosa, tali che questa risulta intrappolata all'interno della guida. Quello che avviene è quindi che la luce continua a riflettersi sulle pareti della fibra ottica seguendone il profilo anche se quest'ultimo è ricurvo. Se tutta la luce fosse riflessa il segnale luminoso proseguirebbe il suo cammino indefinitamente, ma in realtà una minima parte della radiazione viene assorbita, anche a causa delle impurità presenti nel cuore, riducendo così progressivamente la sua intensità.
Dall'elettrone alla luce
Le fibre ottiche trasmettono luce, ma le informazioni che sono elaborate dai computer, dai televisori e dai telefoni devono essere tradotte nel linguaggio elettronico, ossia in elettroni e cariche elettriche in movimento. Per questo, appositi trasmettitori si incaricano di effettuare la conversione, mentre i ricevitori alla fine del percorso traducono nuovamente il segnale in forma elettronica. Questi ricevitori sono generalmente composti da fotocellule o fotodiodi che, sfruttando l'effetto fotoelettrico, traducono l'intensità della luce e la sua frequenza in corrente elettrica. In futuro sarà però possibile che tutta l'elettronica si trasformi in fotonica, ossia che i computer funzionino non più muovendo elettroni ma manipolando fotoni, vale a dire le particelle di cui è composta la luce. In quest'ultimo caso l'operazione di traduzione dalla luce in elettricità non sarà più necessaria. Un altro elemento essenziale nelle comunicazioni in fibre ottiche sono gli impianti di rigenerazione del segnale. Poiché infatti progressivamente la luce perde di intensità mentre viaggia, occorre periodicamente amplificare il segnale attraverso appositi rigeneratori.
Fibre ottiche e cavi telefonici
Le fibre ottiche stanno progressivamente sostituendo le comunicazioni basate sui cavi telefonici. In questi anni molte città italiane e di tutte il mondo sono state 'cablate' con le fibre ottiche: in altre parole, sono stati aperti scavi e posati tubi contenenti questo tipo di cavi. I vantaggi di tali comunicazioni rispetto al tradizionale cavo telefonico in rame, detto doppino, sono molteplici. Innanzitutto le fibre ottiche consentono di trasmettere, nell'unità di tempo, una quantità maggiore di informazioni rispetto ai fili di rame. La comunicazione avviene poi in forma digitale e non analogica. Questo significa che i dati viaggiano già codificati in bit, ossia secondo la codificazione propria dei computer.
Per indicare la quantità maggiore di informazioni che viaggia attraverso le fibre ottiche in genere si utilizza l'espressione banda larga. È un po' come se le fibre ottiche fossero tubi con un ampio diametro capaci di fare viaggiare una quantità maggiore di acqua rispetto a condutture molto più piccole. La conseguenza di tutto ciò è semplice: mentre non è possibile inviare filmati utilizzando una linea telefonica normale, se ci si serve della fibra ottica si riesce a inviare e ricevere immagini e interi filmati in poco tempo.
Le fibre ottiche, inoltre, hanno un costo inferiore rispetto ai cavi telefonici. Questi ultimi utilizzano infatti il rame, una materia prima costosa, mentre per realizzare fibre ottiche si utilizza plastica e sabbia (anche se di tipo particolare), da cui si ricava la silice.
Inoltre, la comunicazione basata sulla luce non risente dei campi magnetici ed elettrici, nonché dell'elettricità statica. I temporali, per esempio, non influenzano la qualità delle informazioni. Per lo più, le fibre ottiche sono estremamente flessibili, sufficientemente resistenti a strappi e deformazioni e possono essere stese facilmente sul fondo del mare. Il risultato di tutti questi vantaggi è che oggi più dell'80% delle informazioni viaggia attraverso cavi in fibre ottiche.
Non solo per comunicare
Le fibre ottiche sono utilizzate non solo come strumento per la comunicazione digitale, ma anche per la diagnostica medica. Alcuni esami, infatti, possono essere effettuati introducendo nel corpo umano sottilissime fibre ottiche che, grazie alla loro flessibilità, consentono di ispezionare aree interne del nostro corpo: per esempio, sono usate per la laparoscopia e la broncoscopia, ossia per esaminare addome e bronchi. La fibra ottica serve a illuminare la cavità da ispezionare con un fascio di luce estremamente concentrato, mentre alla sua estremità una microtelecamera riprende l'immagine. Allo stesso modo, le fibre ottiche possono essere utilizzate per ispezionare condotte sotterranee, siti archeologici o per analizzare il funzionamento di motori.
Un'idea antica
Sebbene la diffusione delle fibre ottiche sia recente , l'idea che sta alla base del loro funzionamento ha un secolo e mezzo di vita. A metà del 19° secolo, infatti, l'inglese John Tyndall mostrò che il cammino di un fascio di luce poteva essere curvato sfruttando la rifrazione all'interno di un flusso di acqua. L'uso di cavi per trasmettere la luce fu poi studiato da diversi ricercatori. Nel 1930, per esempio, il tedesco Heinrich Lamm riuscì per la prima volta a raccogliere e a trasmettere un'immagine attraverso una fibra ottica. Nel 1970 si iniziò a studiare l'uso della silice per questi cavi, e in quell'anno i ricercatori Robert Maurer, Donald Keck e Peter Schultz della Corning Glass brevettarono proprio la fibra ottica. Cinque anni dopo le fibre ottiche iniziarono a diffondersi come strumento di comunicazione.
Il fotofono
Nel 1880 Alexander Graham Bell inventò un telefono (fotofono) che funzionava sfruttando un fascio di luce. In questo apparecchio il suono della voce faceva vibrare uno specchio, sul quale veniva proiettato un raggio di luce. Un altro specchio posto sull'apparecchio ricevitore accoglieva il raggio di luce, che veniva nuovamente tradotto in un suono. L'idea, che in qualche modo può essere considerata precorritrice delle attuali comunicazioni basate sulla luce, fu però abbandonata a causa delle complicazioni del prodotto e della difficoltà di rendere ininterrotto il cammino di propagazione della luce.