Le fibre ottiche: internet alla velocità della luce
Difficoltà

Internet. Una tecnologia praticamente indispensabile alla nostra vita quotidiana, ancor di più da quando una pandemia ci costringe a coltivare le nostre interazioni sociali a distanza. Oggi più che mai disporre di una buona connessione è diventato indispensabile. E, se vogliamo che la nostra abitazione sia equipaggiata al meglio, ciò di cui abbiamo bisogno è “la fibra”, cioè la fibra ottica, come ci ripetono spesso le pubblicità da qualche anno a questa parte.

Ma che cos’è in realtà la fibra ottica? Cos’ha di speciale rispetto alla nostra vecchia ADSL? In questo articolo vedremo com’è fatta, come funziona e come viene usata per permetterci di guardare le nostre serie tv preferite in alta definizione.

In buona sostanza, così come una conduttura idrica trasporta acqua o un cavo elettrico trasporta corrente, la fibra ottica è un “tubo” capace di trasportare luce, a distanze che vanno da qualche centimetro a centinaia di chilometri. Questo tubo è fatto di un materiale trasparente, tipicamente vetro o plastica, che non assorbe (o assorbe molto poco) la luce, cosicché questa può propagarsi liberamente al suo interno. 

La fibra ottica ha la forma di un cilindro molto lungo e sottile, con un diametro variabile da qualche micron a qualche centinaio di micron (un micron = un millesimo di millimetro), a seconda delle applicazioni. Un esempio con cui forse avrete familiarità è quello delle lampade a fibre ottiche, come quella mostrata in figura 1. La luce d’una lampada a led verde (in basso nella figura) viene trasportata lungo le fibre e fuoriesce dalle loro estremità libere, formando tanti puntini luminosi che creano un gioco di colori.

Le fibre ottiche su cui viaggia il traffico Internet, sono costituite da un particolare tipo di vetro chiamato

[Figura 1: Lampada a fibre ottiche. Per gentile concessione dell’autrice]

ossido di silicio, o silice. Nel “cuore” della fibra, ossia entro uno spessore di una decina di micron attorno all’asse del cilindro, vengono aggiunte impurità costituite da atomi di altri elementi, ad esempio titano o boro. La loro presenza serve a ridurre leggermente la velocità di propagazione della luce rispetto alla zona senza impurità: in tal modo, si creano le condizioni necessarie per il fenomeno della riflessione interna totale, fenomeno su cui le fibre ottiche sono basate e che descriveremo a breve. Poiché il vetro è fragile, le fibre sono avvolte da varie guaine di plastica che assorbono gli urti e ne impediscono la rottura.

La luce che viaggia lungo queste fibre non è visibile dall’occhio umano, ma appartiene alla banda del vicino infrarosso. Le fibre hanno infatti la loro massima trasparenza (ossia assorbono la minore quantità di luce) alla lunghezza d’onda di 1,55 micron, che è infatti la più utilizzata per le comunicazioni a grande distanza.

Come può dunque la luce propagarsi in fili così sottili senza sfuggire? La risposta si trova in un fenomeno ottico (l’ottica è la branca della fisica che studia la luce ed i fenomeni associati ad essa) chiamato rifrazione. Si tratta del fenomeno per cui la luce “cambia direzione” quando attraversa la superficie di separazione tra due materiali diversi. Un esempio è riportato nella figura 2, dove si vede un raggio luminoso che devia due volte entrando e uscendo da un blocco di plastica trasparente.  

[Figura 2: Rifrazione di un raggio luminoso in un blocco di plastica trasparente. Di ajizai, Public domain, via Wikimedia Commons]

Il raggio, proveniente dalla sinistra del blocco, incontra la superficie della faccia sinistra formando con essa un certo angolo. In ottica, però, si preferisce riferirsi all’angolo che la luce forma con una retta perpendicolare alla superficie, chiamata “normale”. Nell’esempio di figura 2, il raggio forma un angolo di 45° rispetto alla normale. Dopo aver attraversato la superficie sinistra del blocco, il raggio continua a propagarsi in linea retta, ma l’angolo formato con la normale è diminuito a 27°, ossia il raggio si è “avvicinato” alla normale. 

Il motivo per cui questo avviene è legato alla diversa velocità con cui la luce si propaga nella plastica rispetto all’aria: nella plastica la luce è più lenta e l’angolo diminuisce. Viceversa, quando il raggio attraversa la superficie destra del blocco, l’angolo con la normale aumenta poiché la luce si propaga più velocemente in aria. 

Immaginiamo ora che il raggio di luce sia generato all’interno del blocco e si propaghi verso destra. Se, raggiunta la superficie, l’angolo formato con la normale è abbastanza grande (cioè il raggio è quasi parallelo alla superficie), la rifrazione non si verifica, poiché l’angolo formato dal raggio rifratto con la normale non può essere ancora più grande. Poiché però la luce non può scomparire nel nulla, essa viene completamente riflessa all’interno del blocco. È il fenomeno della riflessione interna totale, ben illustrato nella figura 3.

[Figura 3: Riflessione interna totale in un cilindro di vetro. Di Timwether, Public domain, via Wikimedia Commons]

In tali condizioni, le pareti interne di un materiale agiscono come uno specchio perfettamente riflettente. Un cilindro trasparente abbastanza lungo può quindi trasmettere un raggio luminoso a grande distanza: è il principio alla base delle fibre ottiche. La riflessione interna totale si verifica anche se la fibra non è perfettamente dritta, ma presenta delle curve, purché esse non siano troppo strette: ricordate la lampada di figura 1? 

Perché dunque le fibre ottiche sono il meglio di cui disponiamo per la trasmissione di dati? Le fibre ottiche hanno preso o stanno prendendo il posto dell’ADSL, tecnologia in cui l’informazione viaggia sotto forma di corrente elettrica lungo cavi di rame. Il motivo di questa sostituzione è la maggiore quantità e qualità di informazioni che si possono inviare con la fibra. La corrente elettrica è costituita da elettroni in movimento, ossia particelle cariche che sono molto sensibili ad eventuali perturbazioni dell’ambiente circostante. Questa sensibilità fa sì che non sia possibile inviare due segnali elettrici contemporaneamente sullo stesso cavo, perché finirebbero per interferire tra loro e deformare i messaggi originali. 

La luce, invece, non ha questo problema. Nella maggior parte dei materiali, raggi luminosi possono propagarsi contemporaneamente senza influenzarsi l’un l’altro, motivo per cui, ad esempio, la luce del lampadario del soffitto non cambia colore se accendete anche la lampadina del comodino. È quindi possibile dividere l’informazione fra molti raggi di colori leggermente diversi fra loro e inviarli nella stessa fibra per poi separarli all’arrivo, senza alterare l’informazione iniziale. È questa tecnica, chiamata in inglese Wavelength Division Multiplexing, che rende le prestazioni della fibra superiori a quelle dell’ADSL.

Oltre Internet, le applicazioni delle fibre ottiche sono numerose e ci sarebbe spazio per molti altri articoli. Ma se non altro, la prossima volta che riuscirete a scaricare un video in solo qualche secondo saprete com’è possibile.


Allegra Calabrese

Dottorata in fisica e attualmente ricercatrice in un’università francese nella regione di Parigi. Ho scelto di studiare fisica per comprendere le leggi che governano l’universo, ma mi sono via via appassionata allo sviluppo tecnologico che deriva dalla conoscenza di queste leggi. La mia specialità è lo sviluppo di dispositivi ottici, quali sorgenti e sensori di luce, per applicazioni in vari settori tra cui le telecomunicazioni. Originaria dell’Abruzzo, il mio percorso mi ha condotta prima a Bologna, poi a Trento e infine a Parigi, ma prima o poi finirò per capire cosa voglio fare da grande.

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