Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce, e che trovano importanti applicazioni in telecomunicazioni, diagnostica medica e illuminotecnica.

Costituzione
Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso. Il core presenta un diametro molto piccolo di circa 10 µm per le Monomodali e 50 µm per le Multimodali, mentre il cladding ha un diametro di circa 125 µm. I due strati sono realizzati con materiali con

indice di rifrazione leggermente diverso, il cladding deve avere un indice di rifrazione minore (tipicamente 1,475) rispetto al core (circa 1,5). Come ulteriore caratteristica il mantello (buffer) deve avere uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell'onda evanescente, caratteristica della luce trasmessa in modo da catturare la luce che non viene riflessa nel core. La fibra ottica funziona come una specie di specchio tubolare. La luce che entra nel core ad un certo angolo (angolo limite) si propaga mediante una serie di riflessioni alla superficie di separazione fra i due materiali del core e del cladding. All'esterno della fibra vi è una guaina protettiva polime- rica detta jacket che serve a dare resistenza agli stress fisici e alla corrosione ed evitare il contatto fra la fibra e l'ambiente esterno. Diversi tipi di fibre si distinguono per diametro del core, indici di rifrazione, caratteristi- che del materiale, profilo di transizione dell'indice di

Diagramma di fibra ottica in single mode (SM) 1.- Core 8 µm 2.- Cladding 125 µm 3.- Buffer 250 µm 4.- Jacket 400 µm

rifrazione e drogaggio (aggiunta di piccole quantità di altri materiali per modificare le caratteristiche ottiche). Il core e il cladding della fibra ottica possono essere realizzati in silice oppure in polimeri plastici.
Silice
La fibra ottica è una singola fibra di vetro. Le fibre vengono realizzate a partire da silice ultrapura, la quale viene ottenuta dalla reazione fra il tetracloruro di silicio e l'ossigeno. Nel silicio destinato alla produzione del core viene aggiunto del germanio (sotto forma di tetracloruro di germanio) in modo da aumentarne l'indice di rifrazione senza variarne l'attenuazione. Nella silice destinata al cladding invece viene aggiunto del boro allo scopo di ridurne l'indice di rifrazione. Il principale svantaggio delle fibre ottiche realizzate in silice è la loro fragilità. A causa del diametro estremamente ridotto esse hanno anche una piccola apertura numerica (NA˜0.16) e sono difficili da raccordare.

Polimeri
La fibra è costituita da una materia plastica. Queste fibre ottiche polimeriche sono molto più facili da maneggiare rispetto alle fragili fibre realizzate in vetro. La dimensione del core è molto più grande (1 mm) rispetto alle fibre in silice, quindi si ha un'apertura numerica più elevata e la possibilità di realizzare fibre multimodali. Tuttavia questo tipo di fibre ottiche ha un'attenuazione abbastanza elevata e una scarsa resistenza termica. Le fibre ottiche plastiche hanno un costo al metro lineare simile a quello delle fibre in vetro, ma garantiscono un'ampia capacità di trasmissione dei dati, come i conduttori organici in genere, con una banda fino a un gigabyte/secondo per 100 metri.

Funzionamento.
Uno studio rigoroso della fisica delle fibre ottiche richiede concetti di ottica quantistica.

Usando un paragone di ottica classica, nelle fibre ottiche avviene un fenomeno di riflessione totale interna, per cui la discontinuità dell'indice di rifrazione tra i materiali del nucleo e del mantello intrappola la radiazione luminosa finché questa mantiene un angolo abbastanza radente, in pratica finché la fibra non compie curve troppo brusche. In figura è rappresentato come due raggi luminosi, cioè due treni di radiazione elettromagnetica, incidono sull'interfaccia tra nucleo e mantello all'interno della fibra ottica. Il fascio a incide con un angolo superiore all'angolo critico di riflessione totale e rimane intrappolato nel nucleo; il fascio b incide con un angolo inferiore all'angolo critico e viene rifratto nel mantello e quindi perso. È importante ricordare che in ottica si indica l'angolo tra la radiazione e la normale alla superficie, cioè 90ş- dove è l'angolo, più intuitivo ma più scomodo

Sopra: Funzionamento della fibra ottica step-index.  Sotto: Riflessione totale interna (a) e rifrazione esterna (b)  per due fasci luminosi in una fibra ottica step-index.

Sotto: Confronto tra fibre ottiche.

da utilizzare, tra la radiazione e la superficie. All'interno di una fibra ottica il segnale può propagarsi in modo rettilineo oppure essere riflesso un numero molto elevato di volte. Il modo di propagazione rettilineo si dice di ordine zero. Le fibre monomodali consentono la propagazione di luce secondo un solo modo hanno un diametro del core compreso tra 8 µm e 10 µm, quelle multimodali consentono la propagazione di più modi, e hanno un diametro del core di 50 µm o 62.5 µm. Il cladding ha tipicamente un diametro di 125 µm. È possibile conoscere a priori il numero di modi possibili Nm per una radiazione di lunghezza d'onda λ che attraversa una fibra step-index di diametro d con apertura numerica NA
Nm= 0,5[(πdNA)/(λ)]²    M=[πdNA/(λ)]²
Le fibre multimodali permettono l'uso di dispositivi più economici, ma subiscono il fenomeno della dispersione intermodale, per cui i diversi modi si propagano a velocità leggermente diverse, e questo limita la distanza massima a cui il segnale può essere ricevuto correttamente. Le fibre monomodali di contro hanno un prezzo molto più elevato rispetto alle multimodali, ma riescono a coprire distanze e a raggiungere velocità nettamente superiori. Le fibre multimodali possono essere divise ulteriormente in fibre step index e graded index.
- Nelle fibre step index l'indice di rifrazione è costante lungo tutta la sezione del core e cambia improvvisamente allorquando si    incontra il cladding.
- Nelle fibre graded index l'indice di rifrazione cambia gradualmente dal core al cladding, permettendo l'uso di luce multi-    cromatica.

Attenuazione
Meccanismi di perdita in fibra ottica
Idealmente, le fibre ottiche sono un mezzo di trasmissione perfetto. Infatti, oltre a non risentire in nessun modo di disturbi elettromagnetici o di diafonia, se strutturate adeguatamente per garantire la riflessione totale del segnale d'ingresso teoricamente permettono di trasferire completamente la potenza in ingresso nell'uscita. In pratica, però, intervengono dei fenomeni fisici che causano comunque delle perdite di attenuazione della potenza lungo la fibra; tali perdite, solitamente valutate statisticamente in termini di attenuazione specifica ovvero in db/km, sono dovute a:
- proprietà intrinseche del mezzo;
- presenza di impurità all'interno del materiale;
- specifiche delle guide dielettriche aperte.

Perdite per assorbimento
Il materiale di cui sono realizzate le fibre ottiche è costituito da macromolecole che interagiscono fra di loro tramite forze dette di van der Waals. Normalmente queste macromolecole possono ruotare intorno ad un asse o possono vibrare. Durante questi movimenti queste molecole assorbono la radiazione, vibrano, e possono emetterne dell'altra. La loro condizione di risonanza si innesca per alcune particolari lunghezze d'onda. Qualunque materiale che è trasparente ad una radiazione risulta inevitabilmente opaco ad un'altra lunghezza d'onda. Ad esempio il vetro è trasparente nel campo del visibile ( ∼ 400nm ÷ 750 nm) mentre risulta opaco nel campo dell'infrarosso (∼ 750 nm ÷ 1000 nm). Quindi le fibre realizzate in vetro sono utilizzabili solo con sorgenti di luce visibile Durante il processo di fabbricazione la fibra tende inevitabilmente ad assorbire il vapore acqueo. Nel vapore, così come nel vetro sono presenti dei gruppi OH. Ad alcune particolari frequenze le molecole OH vengono eccitate e assorbono energia elettromagnetica (lunghezza d'onda di 1 µm) causando perdite.

Perdite per diffrazione (Rayleigh scattering)
Le perdite di segnale per diffrazione sono causate da:
- anisotropia di polarizzabilità;
- fluttuazioni di densità del mezzo;
- piccole (∼ 0,1*λ) irregolarità del mezzo;
Queste imperfezioni causano una lieve diffrazione del segnale. Ciò non è legato ad una perdita di energia ma ad una perdita di potenza. Nel vetro questa perdita è pari a: α ˜ 0,7*∼ [dB/km]. Le perdite di segnale per effetto della diffrazione possono essere stimate secondo una forma della legge di Rayleigh:
Td= C[(8π³)/ 3λ⁴0)]/[(n²-1) (n²+2)/3]²kTgβ
- C = Fattore di Cabannes, implementa nella formula un fattore dovuto all'anisotropia delle molecole. Ad esempio vale
    1.1 per il Polimetil metacrilato oppure 2.7 per il Polistirene.
- λ0 =Lunghezza d'onda nel vuoto
- n = indice di rifrazione del core
- k = costante di Boltzmann
-Td= Temperatura di transizione vetrosa
ß = coefficiente di comprimibilità isoterma del core
Un basso indice di rifrazione e una bassa compressibilità riducono la possibilità che il raggio venga diffratto a causa di variazioni nella densità del mezzo. Tuttavia nel caso di fibre ottiche polimeriche, la compressibilità del materiale è direttamente legata al volume molecolare. I polimeri densamente cross-linked hanno bassa comprimibilità ma hanno un alto indice di rifrazione. Polimeri costituiti da molecole con un grande volume molecolare possiedono un'elevata compressibilità ma un indice di rifrazione basso.

Perdite specifiche delle guide dielettriche
Oltre alle perdite dovute al mezzo, esistono altre tipologie di perdita in una guida dielettrica. Queste non sono dovute al tipo di luce utilizzata ma sono legate alle deformazioni e alle discontinuità presenti nella guida; per avere effetti rilevanti è necessario che la p eriodicità delle perturbazioni sia tale da generare una interferenza costruttiva.

Curvatura della guida dielettrica Ha un duplice effetto sul segnale ottico: - deformazione della distribuzione di campo elettromagnetico; - eccitazione di componenti dello spettro indesiderati. La curvatura genera un accoppiamento tra il modo guidato e i modi radiativi dello spettro. Nel caso in cui il raggio di curvatura sia abbastanza grande, si può ipotizzare che la distribuzione di campo del modo guidato subisca una lieve e ininfluente deformazione.

Sopra: Curvatura della guida dielettrica

Quindi la perdita è legata all'angolo di curvatura della guida.

Corrugazioni della guida dielettrica
Durante la lavorazione della guida si possono creare delle corrugazioni lungo le pareti esterne. Esse possono essere periodiche e quindi danno luogo ad una perdita di potenza che viene irradiata esternamente. Anche in questo caso si ha un accoppiamento tra modo guidato e modi radiativi.

Imperfezioni nella fabbricazione
La perdita di segnale può essere dovuta anche a imperfezioni nella fabbricazione della fibra: particelle di polvere, microvuoti e fessurazioni. Queste imperfezioni, se hanno dimensione paragonabile alla lunghezza d'onda interferiscono producendo fenomeni di diffrazione, assorbimento, ecc.

Dispersione Lavorando con fenomeni fisici ad elevatissima frequenza (le onde luminose), con le fibre ottiche sarebbero idealmente possibili velocità di trasmissione molto elevate. In pratica, però, intervengono dei fattori fisici che causano distorsione e quindi interferenza intersimbolica limitando la velocità di trasmissione possibile in una fibra ottica.

Distorsioni nella fibra ottica

- Dispersione modale: fenomeno dovuto al fatto che il raggio luminoso non viaggia all'interno della fibra secondo un cammino prefissato, ma secondo un numero finito di modi (derivanti dalla legge di Snell). Vi saranno modi attraverso i quali il raggio arriva più velocemente a destinazione, altri che invece lo fanno arrivare più tardi (il primo caso limite è il modo che percorre la fibra ottica completamente dritto; il secondo caso limite è il raggio che entra nella fibra con angolo uguale all'angolo limite di accettazione, e deve quindi eseguire un numero molto alto di riflessioni. Ovviamente, un percorso del tutto dritto è più veloce di un percorso a zig-zag). A causa di questo, la forma del segnale originario viene dilatata nel tempo, e se la frequenza è troppo alta può arrivare a confondersi con l'impulso seguente (interferenza intersimbolica), impedendo dunque di leggere il segnale originario. Per ovviare a questo inconveniente, si possono utilizzare fibre multimodali graded index (nelle quali l'indice di rifrazione varia con continuità del centro del core fino al cladding) oppure fibre monomodali.
- Dispersione cromatica: fenomeno dovuto al fatto che la luce pura trasmessa in fibra dal trasmettitore non è perfettamente monocromatica, ma si compone in realtà di fasci di luce di colore diverso cioè con frequenze o lunghezza d'onda e quindi velocità di attraversamento diverse. Si ha lo stesso problema visto sopra: può capitare che il fascio luminoso di colore rosso (il più veloce) si confonda con il fascio luminoso di colore violetto (il più lento) dell'impulso inviato precedentemente, rendendo impossibile la decodifica del segnale originario. Per risolvere questo problema si utilizzano led monocromatici per trasmettere la luce. Dispersione di polarizzazione: fenomeno dovuto ad asimmetrie del core cilindrico della fibra dovute a loro volta a stress meccanici o imperfezioni della fibra stessa durante il processo di produzione e che causano fenomeni di birifrangenza dell'onda elettromagnetica guidata: le componenti ortogonali del campo elettromagnetico, normalmente in fase, subiscono uno sfasamento tra loro causando distorsione dell'impulso ottico trasmesso. Ha caratteristiche tipiche di aleatorietà. In generale la dispersione aumenta con la distanza in fibra dal trasmettitore.

Uso delle fibre ottiche nelle telecomunicazioni Se negli anni settanta le fibre ottiche erano usate come oggetto decorativo per la produzione di lampade, da qualche decennio ad oggi esse sono già una realtà affermata ed un componente essenziale nell'industria delle telecomunicazioni e delle relative comunicazioni ottiche, ancora in corso di ulteriore evoluzione tecnologica. Basti pensare infatti che tutte le dorsali principali della rete telefonica e di Internet, compresi i collegamenti intercontinentali sottomarini, sono già in fibra ottica avendo sostituito da tempo il classico cavo coassiale. I principali vantaggi delle fibre rispetto ai cavi in rame nelle telecomunicazioni sono: bassa attenuazione, che rende possibile la trasmissione su lunga distanza senza ripetitori; grande capacità di trasporto di informazione o velocità di trasmissione (dell'ordine dei terabit/s) grazie all'ampissima

Cavo composto da più fibre ottiche

capacità di banda e alla bassa attenuazione del segnale utile (Teorema di Shannon-Hartley); immunità da interferenze elettromagnetiche, inclusi gli impulsi elettromagnetici nucleari (ma possono essere danneggiate da radiazioni alfa e beta); assenza di diafonia che nei collegamenti in rame (comunicazioni elettriche) è una causa ulteriore di decadimento della qualità del segnale in termini di rapporto segnale/rumore nell'ultimo miglio (problema dell'ultimo miglio) ovvero quindi della velocità di trasmissione: la luce infatti rimane confinata in fibra ovvero non si disperde all'esterno creando interferenza; bassi valori di BER; bassa potenza contenuta nei segnali; alta resistenza elettrica, quindi è possibile usare fibre vicino ad equipaggiamenti ad alto potenziale, o tra siti a potenziale diverso; peso e ingombro modesto; buona flessibilità al bisogno; ottima resistenza a condizioni climatiche avverse; In tale ambito la fibra ottica necessita anche di apparati optoelettronici di ricetrasmissione e amplificazione dei segnali ottici quali laser, fotorivelatori, amplificatori ottici e modulatori. Un cavo di fibra ottica, in quanto contiene più fibre ottiche, è solitamente molto più piccolo e leggero di un filo o cavo coassiale con simili capacità di canale. È più facile da maneggiare e da installare. Il cavo in fibra ottica è ideale per le comunicazioni sicure in quanto è molto difficile da intercettare e altrettanto facile da monitorare. Un campo promettente di applicazione è quello della televisione. Quando una città come Milano è sostanzialmente cablata (TV via cavo), si può aprire una interessante alternativa al digitale terrestre e al satellitare, i quali consentono di ammortizzare l'alto costo della posa dei cavi a fibra ottica.

Finestre di trasmissione Nelle comunicazioni ottiche, lo spettro tras- missivo è descritto usualmente in termini di lunghezza d'onda invece che di frequenza. Combinando i diversi fenomeni di attenua- zione, rifrazione, dispersione, vi sono tre "finestre" trasmissive particolarmente adatte all'uso nelle telecomunicazioni, con prestazioni e costi crescenti. "prima finestra": 850 nm (nel campo del visibile), usata soprattutto con economici laser a diodo con luce multimodale.

Finestre di trasmissione in una fibra ottica al  silicio.

Permette di realizzare collegamenti di 275 m su fibre 62.5/125 e di 550 m su fibre 50/125. "seconda finestra": 1310 nm, usata con laser multimodali o monomodali. Permette di realizzare collegamenti di 5 – 10 km su fibre monomodali. "terza finestra": 1550 nm, usata con laser monomodali. Questa finestra permette di realizzare le distanze maggiori, compresi collegamenti di 100 km con apparati relativamente economici. Sfruttando questa lunghezza d'onda, una buona fibra monomodale raggiunge una attenuazione dell'ordine degli 0,2-0,25 dB/km[4]. Le lunghezze d'onda intorno a 1250 nm e 1450 nm presentano picchi di assorbimento, overtone del picco di assorbimento vibrazionale del gruppo OH delle molecole della fibra. Tuttavia, esiste un approccio chimico che permette di eliminare il secondo picco, unendo di fatto le ultime due finestre: tali fibre sono dette "all-waves fibers".

Tipologie di fibre utilizzate
Le fibre utilizzate per collegamenti medio-lunghi sono tutte fibre monomodali mentre quelle multimodali possono essere utilizzati per brevi collegamenti fino a 100-150m con costi di fabbricazione inferiori. Tra le fibre monomodali si distinguono i seguenti standard: fibre standard ottimizzate in dispersione in 2° finestra, ma con attenuazione minima in 3°, utilizzabili nella rete di accesso dove la lunghezza dei collegamenti è breve rispetto alla rete di trasporto (ITU G652); fibre ottimizzate in dispersione in 3° finestra al pari dell'attenuazione (dispersion shifted DS - ITU G653); fibre a dispersione non nulla (non zero dispersion NZD - ITU G655) utilizzate per contrastare alcuni effetti non lineari in fibra (es. four wave mixing FWM)[5];

Giunzioni e connettorizzazioni
Due tratti di fibra ottica dello stesso tipo possono essere giuntati mediante fusione, otte- nendo un ottimo accoppiamento del core. Questa operazione è effettuata in modo semiautoma-

Sopra: connettori di tipo ST (a sinistra) e  SC (a destra  A destra: connettori di tipo MTRJ (a sinistra) e  LC (a destra). )

tico mediante apparecchiature che allineano automaticamente i cladding o addirittura i core e controllano la fusione. Una giunzione ben eseguita comporta una attenuazione inferiore a 0,05 dB. Tipicamente le fibre ottiche in lunghi collegamenti sono giuntate in questo modo ogni 1–2 km. Nell'uso pratico, un collegamento bidirezionale (ad esempio IEEE 802.3) ovvero full duplex viene realizzato utilizzando una coppia di fibre, una per ciascuna direzione. Le fibre ottiche sono collegate agli apparati di telecomunicazione (trasmettitore e ricevitore) mediante connettori che allineano meccanicamente il core della fibra rispettivamente con il laser e con il ricevitore. Un connettore comporta una attenuazione di circa 0,5 dB ed è molto sensibile alla polvere, per cui connettori e cavi inutilizzati vengono normalmente coperti per evitare infiltrazioni. Esistono diversi tipi di connettori, ad esempio SC, LC (in plastica, quadrati), ST (in metallo, tondi, con innesto a baionetta), FC (In metallo, tondi con innesto a vite), MTRJ (Di forma simile all'SC, ma leggermente più larghi e schiacciati). I cavi in fibra vengono normalmente installati all'interno di impianti di cablaggio strutturato, attestandoli su pannelli di permutazione. Un collegamento comporta quindi l'uso di almeno due cavi di permuta (da ciascun apparato connesso al pannello di permutazione), e quindi di 4 connettori.

Bilancio di potenza (power budget)
Per i collegamenti di lunga distanza, i trasduttori sono specificati in termini di potenza del trasmettitore e sensibilità del ricevitore. La differenza tra le due costituisce il power budget, ovvero la massima potenza che può essere dissipata dal collegamento. Per valutare se una certa tecnologia trasmissiva funzionerà su un certo collegamento, è necessario misurare o stimare la perdita complessiva del collegamento, o link loss. Questo deve essere inferiore al power budget. Normalmente si lascia un margine di 3-6 dB, per garantirsi contro peggioramenti del collegamento (dovuti a invecchiamento o a interventi di manutenzione) o degli apparati trasmissivi (dovuti tra l'altro a sporcizia). Questa valutazione deve essere effettuata alla lunghezza d'onda utilizzata dagli apparati prescelti. Su collegamenti già realizzati è possibile misurare l'attenuazione del segnale tramite strumenti denominati "power meter". L'esame analitico degli eventi intercorrenti su un determinato tratto di fibra richiede invece uno strumento denominato OTDR, (Optical Time Domain Reflectometry, in italiano "riflettometria ottica nel dominio del tempo"), che consente di visualizzare su un grafico cartesiano l'andamento di un segnale entro il tratto di fibra considerato. Se il collegamento deve essere ancora realizzato, la sua attenuazione è stimabile usando i valori di targa delle fibre e valori prudenziali per giunzioni e connettori. Ad esempio, il link loss di un collegamento di 20 km, con fibra da 0,24 dB/km, 6 giunzioni lungo il collegamento, connettori solo alle estremità è stimabile in: 20 km * 0,24 dB/km + 6 * 0,1 dB + 4 * 0,5 dB = 4,8 dB + 0,6 dB + 2 dB = 7,4 dB aggiungendo 4 dB di margine di sicurezza, gli apparati dovranno avere un power budget minimo di 11,4 dB.