Fibra ottica cos'è
La fibra ottica è un filamento flessibile e sottile di vetro purissimo o di materiale plastico al cui interno possono viaggiare dati e segnali. Per poter trasmettere su lunghe distanze, la superfice delle fibre ottiche deve essere altamente riflettente: le informazioni codificate viaggiano infatti in un fascio di luce che fa rimbalzare ripetutamente i fotoni contro le pareti. Ogni particella di luce, o anche fotone, rimbalza lungo il tubo come un bob lungo la pista di ghiaccio: se il vetro fosse trasparente ad ogni impatto sulla parete la luce fuoriuscirebbe, mentre se la luce colpisce una superfice riflettente, è obbligata a restare all'interno del tubo. L'altra cosa che mantiene la luce all'interno del filamento è la struttura della fibra che si compone di una parte interna, in inglese "core", avvolta da un altro strato di vetro che funge da rivestimento. Il rivestimento è costituito da un tipo di vetro diverso dal primo, con un indice di rifrazione inferiore che ha il compito di mantenere all'interno il segnale luminoso che viaggia lungo la parte centrale e più interna.
La luce viaggia nel filamento
Ogni parte di un filamento di fibra ottica è sottilissima, le grandezze sono dell'ordine dei micron e le fasi di lavorazione avvengono a temperature elevatissime, tra i 3000 e i 4000 gradi. La produzione della fibra ottica è costantemente monitorata da un micrometro laser per assicurare che il diametro del filamento sia perfettamente uniforme in tutti i punti della lunghezza. A secondo dello spessore e del numero dei rivestimenti esterni al nucleo centrale si può ottenere anche che il fotone impatti lungo le pareti con un angolo inferiore a 42°, detto anche angolo limite, e proceda con una serie di riflessioni alla superfice di separazione tra i diversi materiali degli strati che la compongono. Le caratteristiche ottiche, inoltre, a seconda delle applicazioni, possono essere modificate dall'aggiunta di altri materiali. Il tipo più semplice di fibra ottica è chiamato monomodale ed ha un nucleo molto sottile, pochi milionesimi di metro di diametro. La fibra ottica multimodale è circa dieci volte più grande della prima e i fasci di luce possono viaggiare seguendo percorsi diversi e indipendenti l'uno dall'altro.
Le applicazioni della fibra ottica
I segnali della TV via cavo, internet e i segnali telefonici passano generalmente attraverso fibre monomodali avvolte in un enorme fascio, che costituiscono cavi in grado di inviare informazioni per più di 100 km. Le fibre multi-mode, al contrario, possono inviare informazioni solo su distanze relativamente brevi e vengono utilizzate per collegare insieme reti di computer. Fibre ancora più spesse sono utilizzate nelle strumentazioni mediche, come il gastroscopio, che portano all'estremità un oculare e una fonte luminosa e servono ad indagare per diagnostica le parti cavi dell'organismo umano. Altri tipi di questi strumenti servono a livello industriale per esaminare parti inaccessibili come succede nel caso dei motori degli aerei. A seconda del tipo di applicazione e della quantità di dati che dovrà trasmettere il cavo in fibra ottica cambia anche il tipo dell'ultimo strato di rivestimento, generalmente in PVC. Quest'ultimo strato può essere ricoperto con una guaina di filati di aramide ammortizzante, in kevlar di solito, in modo da sigillare all'esterno l'umidità ed essere resistente agli attriti e alle trazioni.
La conquista della fibra ottica
La ricerca sulla fibra ottica è preceduta dalle scoperte sulle proprietà dell'ottica. Nel 1840 il fisico svizzero Daniel Colladon notò che la luce poteva risplendere lungo un tubo dell'acqua per riflessione interna. Nel 1870, un altro fisico, l'irlandese John Tyndall dimostrò la riflessione interna alla Royal Society di Londra. In una brocca d'acqua brillava la luce e quando Tyndall versò un po' d'acqua dalla brocca, la luce seguì il percorso dell'acqua disegnando una linea curva. Nel 1930 Heinrich Lamm e Walter Gerlach, due studenti tedeschi, hanno cercato di utilizzare dei tubi di luce per costruire un rudimentale gastroscopio e ispezionare lo stomaco di un paziente. Nel 1950 Harold Hopkins e Narinder Kapany, due fisici di nazionalità rispettivamente inglese e indiana vengono ritenuti i padri della fibra ottica perché riuscirono a trasmettere la luce lungo migliaia di fibre di vetro che vennero utilizzate poi nel 1957 per la costruzione del primo gastroscopio al mondo. Nel 1960 fu un cinese naturalizzato statunitense Charles Kao a suggerire che i cavi in fibra ottica dovevano utilizzare vetro purissimo per poter trasportare i segnali telefonici a lungo raggio.
Quando si utilizza la fibra ottica
Quando si utilizza la fibra ottica, l'impulso elettrico viene trasformato in impulso luminoso per essere immesso nel filamento: alla fine del percorso l'impulso luminoso verrà trasformato di nuovo in impulso elettrico. Questo sistema, rispetto all'utilizzo tradizionale del filo di rame, consente di trasmettere un segnale a distanze maggiori dei normali cavi elettrici senza che sia necessaria nessuna amplificazione e questo grazie alle dimensioni delle fibre ottiche. Inoltre, poiché il vetro non è conduttore la fibra non subisce interferenze elettriche e il segnale non risulterà mai disturbato. In più eventi come guasti o correnti molto elevate causano una differenza di potenziale elettrico da una posizione all'altra. Il cambiamento di potenziale può danneggiare apparecchiature o ferire persone, creando piccole scintille, in alcuni ambienti può causare veri e propri disastri. La fibra ottica fornisce l'isolamento elettrico necessario a ridurre in modo drastico i rischi per persone e attrezzature.
Vantaggi e svantaggi della fibra ottica
L'installazione della fibra ottica, per quanto vantaggiosa, può richiedere investimenti ingenti, che in alcuni casi non sono del tutto convenienti. Negli edifici già esistenti far passare i cavi attraverso pareti e canaline è spesso laborioso e dispendioso. I cavi in fibra sono tanto più facili da installare quanto sono più flessibili e possono correre lungo le stesse linee dei cavi elettrici. Semplificare l'installazione è possibile se sono presenti condotti di ventilazione entro cui fare passare i cavi che in questo caso devono essere ignifughi e sono piuttosto costosi. Il vantaggio tuttavia consiste nel fatto che, essendo più piccoli dei cavi elettrici richiedono minor materiale di rivestimento. Al contrario, flessibilità e leggerezza dei cavi in fibra li rendono ideali negli impianti temporanei e mobili. I collegamenti in fibra più lunghi sono quelli che attraversano gli oceani, tra cui quelli dall'Atlantico verso l'Europa e dagli Stati Uniti al Giappone. Il cavo transatlantico del 1988 conteneva 8 fibre e poteva trasportare 40.000 telefonate per volta. La generazione successiva, del 1992, raddoppiava il numero delle chiamate.
