Fibra ottica

Storia

Guidare la luce per riflessione interna, il principio che rende possibile la fibra ottica, fu dimostrato per la prima volta da Daniel Colladon e Jacques Babinet a Parigi nei primi anni 1840. John Tyndall, un fisico, ne incluse una dimostrazione nelle sue conferenze pubbliche a Londra, 12 anni dopo.

Il principio fu usato per la prima volta per esami medici interni da Heinrich Lamm negli anni '30. Le moderne fibre ottiche, dove la fibra di vetro è rivestita con un rivestimento trasparente per offrire un indice di rifrazione più adatto, apparvero più tardi nel decennio.

Nel 1965 Charles K. Kao e George A. Hockham della società britannica Standard Telephones and Cables (STC) furono i primi a dimostrare che la perdita di intensità nelle fibre ottiche poteva essere ridotta, rendendo le fibre un mezzo di comunicazione pratico. Hanno proposto che i difetti nelle fibre disponibili all'epoca erano causati da impurità che potevano essere rimosse. Indicarono il materiale giusto da utilizzare per tali fibre, come il vetro di silice che ha un'elevata purezza. Questa scoperta è valsa a Kao il premio Nobel per la fisica nel 2009.

Daniel Colladon ha descritto per la prima volta questa "fontana di luce" o "tubo di luce" in un articolo del 1842 intitolato On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream. Questa particolare illustrazione proviene da un articolo successivo di Colladon, nel 1884.

Come funziona

Una fibra ottica è un filo lungo e sottile di materiale trasparente. La sua forma è solitamente simile a un cilindro. Al centro, ha un nucleo. Intorno al nucleo c'è uno strato chiamato rivestimento. Il nucleo e il rivestimento sono fatti di diversi tipi di vetro o plastica, in modo che la luce viaggi più lentamente nel nucleo che nel rivestimento. Se la luce nel nucleo colpisce il bordo del rivestimento con un angolo poco profondo, rimbalza via. La luce può viaggiare all'interno del nucleo e rimbalzare sul rivestimento. Nessuna luce sfugge finché non arriva alla fine della fibra, a meno che la fibra non sia piegata bruscamente o allungata.

Se il rivestimento della fibra viene graffiato, può rompersi. Un rivestimento di plastica chiamato buffer copre il rivestimento per proteggerlo. Spesso, la fibra tamponata è messa all'interno di uno strato ancora più duro, chiamato jacket. Questo rende facile usare la fibra senza romperla.

Gli strati in un tipo di fibra ottica. 1.- Core 8 µm2 .- Cladding 125 µm3 .- Buffer 250 µm4 .- Jacket 400 µm

Usa

Comunicazione in fibra ottica

L'uso principale della fibra ottica è nella comunicazione (telecomunicazione). La comunicazione a fibra ottica trasmette informazioni da un luogo all'altro inviando impulsi di luce attraverso una fibra ottica. La luce forma un'onda portante elettromagnetica che viene modulata per trasportare informazioni. Sviluppati per la prima volta negli anni '70, i sistemi di comunicazione a fibra ottica hanno rivoluzionato l'industria delle telecomunicazioni e hanno contribuito all'avvento dell'era dell'informazione.

I primi sistemi avevano una portata breve, ma quelli successivi hanno usato fibre più trasparenti. Poiché la luce non fuoriesce dalla fibra, la luce può andare a lunga distanza prima che il segnale diventi troppo debole. Questo è usato per inviare segnali telefonici e internet all'interno e tra le città. A causa dei suoi vantaggi rispetto alla trasmissione elettrica, le fibre ottiche hanno ampiamente sostituito le comunicazioni con fili di rame nelle reti principali nel mondo sviluppato.

La maggior parte dei sistemi di comunicazione ottica hanno connessioni elettriche. Un segnale elettrico controlla un trasmettitore. Il trasmettitore converte il segnale elettrico in un segnale luminoso e lo invia attraverso la fibra al ricevitore. Il ricevitore riconverte il segnale luminoso in un segnale elettrico.

La fibra è talvolta usata anche per collegamenti più brevi, come per portare i segnali audio tra un lettore di compact disc e un ricevitore stereo. Le fibre usate per questi collegamenti brevi sono spesso fatte di plastica, che è meno trasparente. TOSLINK è il tipo più comune di spina ottica per gli stereo.

Altri usi

Le fibre ottiche possono essere usate come sensori. Si usano fibre speciali per questo, che cambiano il modo in cui passano la luce quando c'è un cambiamento intorno alla fibra. Sensori come questo possono essere usati per rilevare cambiamenti di temperatura, pressione e altre cose. Questi sensori sono utili perché sono piccoli e non hanno bisogno di elettricità nel luogo dove avviene il rilevamento.

Queste fibre sono anche usate per trasportare la luce per gli esseri umani da vedere. Questo a volte è usato per la decorazione, come gli alberi di Natale in fibra ottica. A volte è usato per l'illuminazione, quando è conveniente avere la lampadina in un posto diverso da quello in cui la luce deve essere. A volte è usato in insegne e arte per effetti speciali.

Un fascio di fibre può essere usato per fare un dispositivo chiamato endoscopio o fiberscopio. Si tratta di una sonda lunga e sottile che può essere inserita in un piccolo foro, che invierà un'immagine di ciò che è all'interno attraverso la fibra a una telecamera. Gli endoscopi sono usati dai medici per vedere all'interno del corpo umano, e a volte sono usati dagli ingegneri per vedere all'interno di spazi stretti nelle macchine.

Le fibre ottiche (con l'aggiunta di sostanze chimiche speciali) possono essere usate come amplificatori ottici. Questo permette ad un segnale ottico di viaggiare più lontano tra i punti finali, e senza convertire il segnale ottico in elettrico e viceversa, riducendo il costo complessivo dei componenti. Questi amplificatori ottici possono anche essere usati per creare dei laser. Questi sono chiamati laser a fibra. Possono essere molto potenti, perché la fibra lunga e sottile è facile da mantenere fresca, e produce un fascio di luce di buona qualità.

Una spina TOSLINK


Un albero di Natale con luci normali e a fibra ottica


L'interno di un orologio, visto attraverso un fibroscopio.