Ho scritto questa guida su cos’è la fibra ottica e come funziona proprio per gli appassionati di tecnologia che desiderano saperne sempre di più sulle novità che il nostro mondo globalmente interconnesso ci offre.
Probabilmente ti è più volte capitato di sentir parlare di fibre ottiche ma forse non sai bene di cosa si tratti.
Se è così, sei arrivato nel posto giusto perché ora ti spiegherò cos’è e come funziona la fibra ottica.
Cos’è la Fibra Ottica
La fibra ottica è un materiale costituito da filamenti vetrosi o polimerici in grado di condurre al loro interno la luce.
Le principali applicazioni della fibra ottica sono nel mondo delle telecomunicazioni, della diagnostica medica e della illuminotecnica.
Oggigiorno si parla spesso di fibra ottica nel campo delle telecomunicazioni perché proprio in questo settore questo materiale offre i maggiori vantaggi. La fibra ottica infatti è l’ideale per trasmettere informazioni digitali, ti basti pensare che circa l’80% delle informazioni su internet transita su questi cavi.
Ma perché è così vantaggiosa? Questi sono i principali motivi che rendono la fibra ottica uno dei migliori materiali per la trasmissione di informazioni:
- Bassa attenuazione. Il segnale può raggiungere lunghe distanze senza perdere qualità e senza bisogno di ripetitori.
- Ampia banda. La velocità di trasmissione su fibra ottica è nell’ordine dei terabit/sec ovvero migliaia di miliardi di bit ogni secondo.
- Niente interferenze elettromagnetiche. Impulsi elettromagnetici provenienti dall’esterno non interferiscono sul segnale trasportato.
- Basso livello di errore. Il segnale viene trasmesso introducendo pochissimi errori.
- Poca potenza necessaria. Serve poca energia per trasmettere i dati su fibra ottica.
- Buone proprietà fisiche e meccaniche. Il cavo è sottile, poco ingombrante, flessibile e resistente alle condizioni avverse.
Come è Fatta la Fibra Ottica
Ogni singola fibra ottica è un cavo composto da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro. Il materiale può essere a base di silicio, e in questo caso si parla di fibra di vetro, oppure di polimeri, ovvero plastica.
La fibra di vetro ha caratteristiche migliori per quanto concerne la trasmissione del segnale ma risulta più fragile rispetto alla controparte in plastica.
Il cilindro centrale è chiamato core mentre quello esterno che lo ricopre è detto mantello o cladding.
Il core è molto sottile e varia dai 10 ai 50 µm circa (in pratica è poco più spesso di un capello) mentre il mantello è di circa 125 µm.
I due strati sono poi ricoperti da due guaine protettive dette buffer e jacket che serveno a garantire la protezione dall’ambiente esterno.
I due cilindri trasparenti hanno un indice di rifrazione diverso e per questo motivo un fascio di luce immesso dentro questo cavo inizia a rimbalzare tra uno strato e l’altro come se si trovasse dentro a uno specchio tubolare.
Come Funziona la Fibra Ottica
Cerchiamo ora di capire insieme come funziona questo miracolo della tecnologia.
Mentre nei cavi di rame l’informazione viaggia sotto forma di impulso elettrico, all’interno di una fibra ottica essa viaggia sotto forma di impulso luminoso.
Come ti ho già spiegato nel paragrafo precedente, il cavo di fibra ottica si comporta come uno specchio tubolare quindi un impulso luminoso introdotto da un capo del cavo inizia la sua corsa dentro la fibra ottica rimbalzando tra uno strato e l’altro del materiale.
La luce quindi è intrappolata dentro al cavo e non può far altro che rimbalzare e proseguire la sua corsa lungo l’unica direzione possibile. Infatti dopo numerosi rimbalzi l’impulso luminoso giunge finalmente all’altro capo del filo.
Cavo Monomodale VS Cavo Multimodale
I cavi in fibra ottica atti alla trasmissione di informazioni possono essere di due tipi: monomodale o multimodale. Il principio fisico che ne descrive il funzionamento è il medesimo e l’abbiamo già visto nel capitolo precedente.
Il tipo di percorso che la luce fa dentro al cavo è detto modo. Ad esempio, il raggio di luce potrebbe proseguire sempre dritto senza rimbalzi sulle pareti, questo tipo di percorso prende il nome di modo zero.
Questo però non è l’unico percorso possibile, a seconda dell’angolo di riflessione con cui un raggio colpisce le pareti del tubo il percorso potrebbe essere molto diverso.
Vediamo ora come questa proprietà della fibra ottica viene sfruttata per ottenere cavi dalle diverse caratteristiche.
Cavo in Fibra Ottica Multimodale
Costruttivamente il cavo in fibra ottica multimodale è caratterizzato da un core di diametro relativamente grande: compreso tra 50 e 100µm.
Questo cavo permette la trasmissione contemporanea di diversi impulsi luminosi ciascuno con un modo diverso. Ecco perché il nome multimodale.
La fibra multimodale è utilizzata soprattutto nell’ambito delle comunicazioni a breve distanza (100 – 2000 m). Il ritmo binario medio di questo tipo di fibra va dai 0,1 ai 100 Gbit/s.
Cavo in Fibra Monomodale
Il cavo monomodale ha un minuscolo nucleo di vetro (8-10 µm) ed è quindi molto più piccolo del multimodale. Come dice il nome esso ammette un solo percorso luminoso o modo.
Con una sola lunghezza d’onda di luce passante nel nucleo, la fibra monomodale riallinea la luce verso il centro del nucleo, invece di farla semplicemente rimbalzare dal bordo del nucleo come nel cavo multimodale.
Il monomodale ha una banda nettamente inferiore rispetto al multimodale perciò a parità di tempo trasmette molte meno informazioni. Ha però il pregio di coprire distanze sensibilimente maggiori arrivando a 40 km.
Storia della fibra ottica
La fibra ottica nasce nel 1956 dopo essere stata brevettata da Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters e Lawrence E. Curtiss. Il suo utilizzo era esclusivamente medico e serviva per la costruzione di un gastroscopio.
All’epoca la fibra era molto poco efficiente e il segnale luminoso poteva propagarsi solo per una brevissima distanza.
Negli anni ’60 però Charles Kao, un ricercatore dello Standard Telecommunication Laboratory scopre che migliorando la purezza dei materiali il segnale può essere trasportato lungo distanze ben maggiori.
Superato questo piccolo impedimento tecnico negli anni ’70 nascono le prime industrie per la produzione di fibra ottica. Da questo momento in poi la ricerca prosegue e si costruiscono fibre ottiche sempre più efficienti e raffinate.
Finalmente nel 1988 si posa il primo cavo transatlantico in fibra ottica per la trasmissione di segnali sulla lunga distanza.
Negli ultimi anni la fibra ottica sta comparendo anche nello nostre case permettendoci di avere connessioni internet molto più veloci e affidabili.