Dentro la fibra ottica: struttura, funzionamento e vantaggi per le telecomunicazioni moderne - Parte 1

 

La fibra ottica è un filo sottilissimo in vetro di silice ultrapuro, progettato per trasportare segnali luminosi su lunghe distanze con altissima efficienza. 

Il principio alla base del funzionamento della fibra ottica è la riflessione totale interna dello stesso segnale luminoso.

La fibra ottica è costituita da un nucleo centrale(core) (8-10 µm per le moderne single mode, 50-62µm per le vecchie multi mode), rivestito da un mantello(cladding). L'obiettivo della riflessione totale si raggiunge garantendo che l'indice di rifrazione del nucleo sia maggiore rispetto a quello del mantello. 

L'indice di rifrazione è definito come il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto(3*10^8 m/s) e quella nel materiale, misura in sostanza quanto la velocità della luce si riduce passando da un mezzo all'altro. L'indice di rifrazione (es) nell'aria è circa 1, quello nella fibra ottica di poco inferiore a 1,5, ciò giustifica una maggiore possibilità di confinamento all'interno del nucleo della luce per raggiungere il nostro obiettivo con le minime perdite di segnale, al netto dell'incidenza di fenomeni lungo tratta. Il miglioramento di questo parametro è tra gli obiettivi nella fase di costruzione fisica e chimica del nostro portante.

Avverso alla riflessione è la rifrazione, che rappresenta il cambiamento della direzione della luce passando da un materiale all'altro. Possiamo trovarci questo fenomeno in due circostanze : la piu' semplice quando la luce esce dalla fibra ; la più' impensata, quando l'angolo con cui la luce "sbatte" all'interno del nucleo supera un certo angolo limite(critico) e favorendo che parte di essa vada a finire nel mantello.

Tra i vari vantaggi rispetto ai tradizionali cavi in rame: può trasmettere dati a velocità più elevate garantendo una larghezza di banda molto ampia; è immune ai disturbi elettromagnetici esterni; è efficace su distanze molto lunghe(il passo di amplificazione è generalmente sopra i 100km); perde, oggi, soltanto 0,2 db/km( un cavo rame ne perde 20/km). Ma possiamo parlare anche di economicità nella realizzazione oltre che facilità d'installazione e trasporto, pensate che in 7,5mm di minicavo fibra ci vanno 288 fibre ottiche.  Gli studi moderni la hanno portato ad essere ulteriormente pronta anche a sopportare le macro curvature. Ma rischiamo di anticipare troppo rispetto alla prossima puntata.

Ma ora parliamo della luce, che viene lanciata da apparati ovviamente, precisando che siamo nel campo dell'infrarosso. Le lunghezze d'onda dei segnali per telecomunicazioni partono da 850nm, passano per 1300/1310nm, per arrivare a 1550nm ed in ultimo a 1650nm. Queste sono definite in gergo tecnico lamda o finestre ottiche e, come dicono i simboli, si misurano in nanometri.

Le prime tre rappresentano le finestre di lavoro storiche e denominate prima, seconda e terza. Raccontano i risultati che sono stati raggiunti a partire dagli anni 60, Charles Kao e George Hockham, per migliorarla e con essa migliorare gli apparati per telecomunicazioni. In prima e seconda finestra siamo su fibra multi mode e  su distanze brevi( o se non brevi di qualche decina di chilometri), tra seconda e terza entriamo nel mondo della single mode, unico raggio concettuale, aumentano le distanze, si riduce la dimensione della singola fibra e migliora il nostro modo di comunicare. 

E' importante evidenziare a questo punto che la prima fibra ottica per telecomunicazioni, prodotta da Corning Glass Works negli anni 70, perdeva tantissimo 20db/km.

E' bello sapere che, nel 1977, si realizzò in Italia uno dei primi impianti sperimentali con fibra ottica a Torino, tra le centrali telefoniche urbane Stampalia e Lucento.  Fu realizzato da SIP e  CSELT(Centro Studi e Laboratori Telecomunicazioni), centro di ricerca molto vicino ad essa. Questo impianto rappresentò un primato mondiale, portando l'Italia all'avanguardia per ricerca e sperimentazione nel campo delle telecomunicazioni.

Questa prima parte è terminata ed è bene per tutti riposare, rinviando a settimana prossima la seconda parte di approfondimento e conoscenza della fibra ottica.

Grazie per essere arrivato fin qui.