Una fibra ottica è una guida d’onda dielettrica che trasporta informazione sotto forma di luce confinata in un filamento sottile. Il suo principio di funzionamento combina ottica geometrica, elettromagnetismo e ingegneria dei materiali: un nucleo trasparente convoglia il segnale luminoso, mentre un mantello con indice di rifrazione leggermente più basso impedisce alla luce di disperdersi all’esterno.
La condizione fisica centrale è la riflessione interna totale. Quando un raggio passa da un mezzo con indice a un mezzo con indice , oltre un certo angolo critico non viene trasmesso nel secondo mezzo ma riflesso interamente. L’angolo critico soddisfa:
Nella fibra, è l’indice del nucleo e quello del mantello. Se la luce entra entro un opportuno cono di accettazione, resta guidata lungo la fibra.
Guida della luce
La fibra non è semplicemente un tubo riflettente. Nei modelli più accurati è una guida d’onda elettromagnetica: solo alcune distribuzioni del campo, dette modi, possono propagarsi stabilmente. Da qui nasce la distinzione tra fibre multimodali e monomodali.
Le fibre multimodali hanno un nucleo più grande e permettono a più modi di propagarsi. Sono più facili da accoppiare con sorgenti economiche, ma soffrono di dispersione modale: impulsi luminosi che percorrono cammini diversi arrivano in tempi diversi. Le fibre monomodali hanno nucleo più piccolo e supportano un solo modo principale; sono più adatte alle lunghe distanze e alle alte capacità.
Attenuazione e dispersione
Il segnale ottico si indebolisce lungo il percorso. L’attenuazione è dovuta ad assorbimento, scattering e imperfezioni. Si misura spesso in decibel per chilometro:
Oltre a perdere potenza, l’impulso può allargarsi nel tempo. La dispersione cromatica dipende dal fatto che lunghezze d’onda diverse viaggiano con velocità leggermente diverse; la dispersione modale, nelle multimodali, dipende dai diversi modi di propagazione.
Trasmissione dell’informazione
In un collegamento ottico, un trasmettitore converte segnali elettrici in luce modulata, la fibra trasporta il segnale e un ricevitore lo riconverte in segnale elettrico. La modulazione può essere semplice, come accensione-spegnimento, o molto sofisticata nei sistemi coerenti ad alta capacità.
La forza della fibra ottica è nella combinazione di bassa attenuazione, enorme banda potenziale, immunità ai disturbi elettromagnetici e isolamento elettrico. Per questo è diventata l’infrastruttura fisica fondamentale di internet, reti metropolitane, dorsali sottomarine, sensori distribuiti e strumentazione ad alta precisione.