I sistemi a fibre ottiche

Autore testo: Serena Groppo

Il principio di funzionamento della fibra ottica sta nel fatto che il segnale luminoso, una volta immesso nella fibra assialmente, vi rimane intrappolato se l'angolo con il quale il raggio è immesso in fibra è inferiore ad un valore detto angolo di accettazione che garantisce che all'interno vi sarà riflessione totale e mai rifrazione.
Le prestazioni delle fibre ottiche sono di gran lunga superiori a quelle dei cavi coassiali che le hanno precedute nello stesso impiego fino a venti anni fa, infatti sono in grado, ad esempio, di trasferire 12.000 telefonate contemporaneamente in una sola fibra.
Sono costituite da una parte centrale detta core (nucleo) ed una parte esterna detta cladding (mantello) realizzate in silice (SiO₂), che è il costituente principale del comune vetro, e da una guaina protettiva in PVC.
Il segnale luminoso trasdotto in forma elettrica, viene, poi, amplificato e decodificato. La fibra ottica è costituita da un sottile filo di vetro a base di silice con un nucleo interno denominato core con diametro che va da 10 ad alcune decine di µ m., ricoperto da un rivestimento concentrico anch'esso di vetro trasparente alla luce e alla radiazione infrarossa, denominato mantello (cladding) di diametro 125 µ m. Il cladding ha indice di rifrazione n2 di poco inferiore a quello del core n1 (dal 2 al 9 per mille in meno). Il core e il cladding, a loro volta, sono ricoperti da un rivestimento primario di materiale plastico per la protezione della fibra dalle abrasioni meccaniche; il suo diametro è di 250 µ m. In fig. 1 si mostra la struttura della fibra ottica.

Vi sono vari tipi di fibre ottiche ma la tendenza è quella di minimizzare il numero allo scopo di facilitare l'installazione e la manutenzione e di ridurre i costi di produzione.
Esse si possono classificare in fibre ottiche: 
- monomodali
- multimodali
La luce si propaga nel core della fibra, per ripetute riflessioni sulla superficie di separazione core-cladding. Il compito del cladding è quello di evitare la dispersione della luce verso l'esterno. L'indice di rifrazione del core (n1) è leggermente superiore a quello del cladding (n2). Il rivestimento primario è di materiale plastico ed ha il compito di proteggere la fibra.
Ogni sistema di illuminazione a fibre ottiche si compone di tre parti fondamentali:
- l'illuminatore, che provvede a generare la luce e inviarla, minimizzando ogni dispersione,nel 'bundle' cioè nel collettore in cui si raccolgono le guide ottiche;
nell'illuminatore tra la sorgente luminosa e il collettore, un apposito filtro sottrae alla luce le radiazioni termiche (infrarosse),e UV (ultravioletti); con filtri colorati, fissi o rotanti, è possibile giocare con i colori e dinamicizzare la luce in uscita ai capi delle guide,ottenendo effetti decorativi e scenografici di potente impatto visivo
- il gruppo di guide ottiche, che dal collettore raggiungono l'ambiente da illuminare, possono avere lunghezze di alcuni metri; in genere non si oltrepassa il limite di 8 - 9 metri in modo da mantenere a livelli minimi l'attenuazione del flusso luminoso trasportato; il capo libero della guida emette la luce trasportata all'intensità massima lungo 'asse principale della stessa per un'apertura convenzionale di circa 60°.
- gli elementi terminali di supporto alle guide, che svolgono funzioni meccaniche e ottiche: permettono di ancorare saldamente i capi delle guide a qualsiasi supporto e di modificare l'emissione luminosa; la fibra ottica, inoltre, è un isolante elettrico e ben resiste alle situazioni ambientali difficili come in presenza di aggressivi chimici ed alle alte temperature; La sorgente di luce utilizzata per le fibre ottiche è il diodo LED oppure il diodo LASER a semiconduttore. Le lunghezze d'onda impiegate sono quelle tipiche del vicino infrarosso, 800 nm.-900 nm. e lontano infrarosso, 1300 nm.-1550 nm. dove le fibre ottiche presentano un minimo di attenuazione. Il LED può essere modulato a frequenze non molto elevate (10-150 MHz) mentre il diodo LASER può lavorare con frequenze che arrivano fino a 5 GHz.

Nel campo delle telecomunicazioni, sono usate come canali di comunicazione privilegiati ad alta velocità, in quanto consentono velocità di trasmissione dei dati numerici, dell'ordine del Gigabit/sec, oltre ad innumerevoli ed indiscutibili vantaggi quali la insensibilità alle interferenze e alla diafonia, il basso costo, il volume ridottissimo e la bassissima attenuazione, per cui possono aversi tratte di più di 100 Km senza necessità di amplificatori.
Quelle usate in telecomunicazioni vengono attraversate, da un'estremità fino all'altra, da impulsi luminosi, nel campo dell'infrarosso, e quindi invisibili all'occhio umano.

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La scoperta delle fibre ottiche
I sistemi a condotti ottici

Fonte testo:
Gianni Forcolini, Illuminare con i condotti ottici, Hoepli, Milano 1999.
Lorenzo Fellin, Gianni Forcolini, Pietro Palladino, Manuale di Illuminotecnica, Tecniche Nuove, Milano, 1999.

Autore disegno: Giuseppe Mazzeo