Fibra Ottica: Funzionamento, Struttura e Tecniche di Giunzione

1. Descrizione dei componenti di una fibra ottica e del suo funzionamento

La fibra ottica è una guida d'onda luminosa composta da un nucleo (core) circondato da un rivestimento (cladding).

Si presenta come una linea molto sottile di materiale trasparente, solitamente vetro o materiali plastici, attraverso la quale vengono inviati impulsi di luce che rappresentano i dati da trasmettere.

2. L'indice di rifrazione e la velocità della luce nel mezzo

Se la luce passa attraverso un mezzo trasparente ma più denso, si muove con una velocità inferiore rispetto alla velocità della luce nel vuoto. L'indice di rifrazione esprime questo rapporto.

La velocità della luce nel vuoto può essere approssimata come:

• a. c ≈ 300.000 km/s (o 300.000.000 m/s), dove c è la velocità della luce nel vuoto.
• b. Per calcolare la nuova velocità della luce all'interno del mezzo, si utilizza la seguente equazione:
• c. Velocità nel mezzo = Velocità della luce nel vuoto / Indice di rifrazione

Ogni filamento è composto da un nucleo di plastica o vetro (ossido di silicio e germanio) con un alto indice di rifrazione, circondato da uno strato di materiale simile con un indice di rifrazione leggermente inferiore. Quando la luce colpisce una superficie delimitata da un indice di rifrazione più basso, viene in gran parte riflessa; maggiore è la differenza tra gli indici e maggiore è l'angolo di incidenza, più efficace sarà la riflessione interna totale.

Il funzionamento si basa sulla trasmissione di un fascio di luce attraverso il nucleo della fibra, in modo che questo non attraversi il rivestimento ma si rifletta, contribuendo alla diffusione del segnale. Ciò si ottiene se l'indice di rifrazione del nucleo è maggiore di quello del rivestimento e se l'angolo di incidenza supera l'angolo limite.

3. Comportamento della luce in base all'angolo di incidenza (θi)

Un caso particolare di rifrazione si verifica quando il raggio rifratto viaggia lungo il confine tra i due mezzi, risultando perpendicolare alla linea normale (θu = 90°).

Questo fenomeno è noto come angolo critico di rifrazione e si calcola come segue:

• L'angolo critico di rifrazione permette di classificare i fasci di luce in base agli angoli di incidenza (maggiori o minori dell'angolo critico):
• Per angoli minori dell'angolo critico, il fascio di luce viene rifratto e sfugge dal mezzo più denso verso il mezzo meno denso.
• Per angoli maggiori, la luce viene riflessa interamente all'interno del mezzo più denso.
• Questo fenomeno è noto come Riflessione Internale Totale (TIR) ed è il principio fondamentale di funzionamento di tutte le fibre ottiche.

4. L'attenuazione nella fibra ottica

Attenuazione: si definisce come la perdita di potenza del segnale luminoso mentre si propaga attraverso il mezzo di trasmissione. Il suo coefficiente è riferito alla distanza percorsa.

Cause principali dell'attenuazione:

Scattering di Rayleigh

Prodotto dalla dispersione della luce dovuta alla presenza di irregolarità, discontinuità e disomogeneità del materiale, specialmente quando le imperfezioni sono ≤ λ. È un fenomeno inerente a tutti i materiali trasparenti ed è proporzionale a 1/λ⁴.

Assorbimento del materiale

È prodotto dall'interazione luce-materia:

• Assorbimento intrinseco: causato dalla risonanza meccanica delle molecole del vetro (che rimuove parte dell'energia infrarossa) e dalle transizioni delle bande elettroniche (che estraggono energia ultravioletta).
• Assorbimento estrinseco: causato da impurità nel materiale, come gli ioni metallici di transizione.

Attenuazione per dispersione lineare

Causata dall'accoppiamento di diverse modalità di distribuzione o prodotta da tensioni e curvature estreme della fibra.

Attenuazione per dispersione non lineare

Fenomeno complesso che coinvolge la generazione di frequenze superiori. Include l'emissione stimolata di Raman e Brillouin, utilizzata negli amplificatori ottici, e richiede potenze relativamente elevate.

5. La dispersione nelle fibre ottiche (FOR)

A seconda del profilo dell'indice di rifrazione del nucleo, distinguiamo due tipi di fibra multimodale:

• Indice a sbalzo (Step-index): il nucleo ha un indice di rifrazione costante in tutta la sezione cilindrica; presenta un'alta dispersione modale.
• Indice graduale (Graded-index): l'indice di rifrazione varia gradualmente; presenta una minore dispersione modale e il nucleo è composto da strati di materiali diversi.

La perdita di potenza è espressa in decibel (dB). L'attenuazione causa una diminuzione della larghezza di banda, della velocità e dell'efficienza del sistema. Le fibre multimodali hanno perdite maggiori a causa della diffusione della luce causata dalle impurità. Le cause principali sono:

• Perdite per assorbimento
• Perdite di Rayleigh
• Dispersione cromatica
• Perdite per radiazione
• Dispersione modale
• Perdite di accoppiamento

6. Tipologie di fibra ottica

I diversi percorsi che un fascio di luce può seguire all'interno di una fibra sono chiamati modalità di propagazione. In base a queste, esistono due tipi principali:

Fibra Multimodale

In questa fibra, i fasci di luce possono circolare seguendo più di una modalità o percorso. Ciò implica che i segnali non arrivano tutti contemporaneamente a destinazione.

Fibra Monomodale

In una fibra monomodale si propaga una sola modalità di luce. Si ottiene riducendo il diametro del nucleo (da 8,3 a 10 micron), permettendo così un unico percorso di propagazione.

7. Metodi di giunzione delle fibre ottiche

Giunzione a fusione

Consiste nell'unione permanente delle fibre tramite la fusione delle estremità stesse.

Giunzioni per adesione

Le fibre vengono inserite in un meccanismo di allineamento e incollate con adesivo epossidico. I meccanismi di allineamento includono:

• V-groove (Solco a V): scavato in un substrato di metallo, ceramica o plastica.
• Basato su tre cilindri: la fibra viene introdotta nell'allineamento formato da tre tubi.
• Base a tubo: la fibra è inserita in un tubo di vetro con fori circolari precisi.
• Tipo a base quadrata: la fibra è inserita in un tubo a sezione quadrata, inclinata verso un angolo.

L'adesivo epossidico funge anche da adattatore dell'indice di rifrazione. Si ottengono perdite di inserzione tra 0,1 e 0,5 dB.

Giunti meccanici

Costituiti da un tubo diviso orizzontalmente con una base a V e una parte superiore piatta. Lo spazio interno è riempito con un gel adattatore; le fibre vengono inserite e sigillate con una clip a pressione.

Giunzione ad arco elettrico

• Pulizia: è necessario rimuovere tutte le protezioni della fibra (fibra nuda) utilizzando pinze spelafili e solventi (solitamente acetone).
• Allineamento: viene eseguito sulle facce delle due fibre per prepararle alla fusione.

Giunti a fusione con fiamma

Seguono lo stesso processo del metodo ad arco elettrico fino alla fase di pre-fusione, utilizzando una fiamma come fonte di calore.

Note finali sulle giunzioni

Per ogni tipo di giunzione, inclusa quella per adesione, è fondamentale eseguire correttamente il processo di pulizia e taglio della fibra per garantire la minima perdita di segnale.