le fibre ottiche

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Data:	06.02.2007
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LE FIBRE OTTICHE
Possiamo considerare una fibra ottica come una guida d'onda di forma cilindrica, realizzata con un materiale dielettrico, generalmente ossido di silicio, caratterizzata dal fenomeno di propagazione della radiazione luminosa. Tale fenomeno si basa sulla variazione dell'indice di rifrazione all'interno del materiale dielettrico.
L'indice di rifrazione è definito come il rapporto tra la velocità di propagazione del raggio luminoso nel vuoto (c = 3*10 8 m/s) e la velocità di propagazione in un mezzo diverso dal vuoto (n = c/v), dove v dipende, naturalmente, dalle caratteristiche e proprietà fisiche del mezzo stesso; se il mezzo è isotropo e omogeneo allora n risulta un numero maggiore di uno e costante all'interno del dielettrico.
Principi e Parametri Caratteristici di una Fibra Ottica Un raggio luminoso che incide su una superficie di interfaccia tra due mezzi di indici diversi (n1 > n2) viene in parte riflesso e in parte rifratto o trasmesso, secondo la nota legge di Snell (o legge dei seni): n1*sen1 = n2*sen2, ove 1 è l'angolo di incidenza del raggio rispetto la normale alla superfice nel punto di incidenza e 2 è l'angolo che il raggio rifratto forma con la stessa normale nel secondo mezzo. Poichè n2 < n1, il raggio trasmesso tende ad aumentare 2 all'aumentare di 1 sino a quando si arriva alla condizione per cui si ha 2 = /2, ovvero assenza di raggio rifratto. In quest'ultima situazione si è in presenza del fenomeno di riflessione totale, in cui l'angolo di incidenza oltre il quale si ha assenza di rifrazione è c = arcsin(n2/n1), generalmente indicato come angolo critico.
In prima approssimazione possiamo intuire che i raggi giacenti su di un piano comprendente l'asse della fibra ottica, che incidono l'interfaccia vetro/aria con angolo maggiore di c, vengono riflessi totalmente e, quindi, restano confinati all'interno della fibra indefinitamente. Il principio appena descritto è alla base del funzionamento di tutti i tipi di fibra ma nel campo delle telecomunicazioni è preferibile poter variare con precisione il valore dell'indice di rifrazione sia della fibra vera e propria (mezzo 1), sia del mezzo che la ricopre (mezzo 2). Si ottiene così la struttura fondamentale di realizzazione di una fibra, costituita da un cilindro interno, indicato come nucleo o core, e da un rivestimento esterno, indicato come mantello o cladding.
Entrambi sono in realtà costituiti dallo stesso materiale vetroso, in cui i due indici di rifrazione vengono variati e controllati con precisione durante la fabbricazione della fibra mediante l'aggiunta di droganti esterni (ossidi di germanio, piombo o alluminio). In una fibra per telecomunicazioni il diametro esterno è tipicamente di 125 m, mentre il diametro del nucleo varia tra pochi m e 50 m a seconda del tipo di fibra. La fibra così prodotta risulterebbe meccanicamente fragile; è allora necessario irrobustirla mediante ulteriori rivestimenti plastici.
Parametri Principali Indipendentemente dal tipo, ogni fibra è caratterizzata da alcune grandezze che ne definiscono le proprietà fondamentali.
Si è visto che se viene inviato nel nucleo della fibra un raggio luminoso con un angolo di incidenza, tra nucleo e mantello, inferiore all'angolo critico, questo viene parzialmente riflesso/rifratto. La parte rifratta si perde per rifrazione nel mezzo circostante mentre la parte riflessa subisce una nuova riflessione/rifrazione, e così via. In pratica dopo poche riflessioni il raggio si esaurisce e non viene guidato all'interno della fibra. Si dice, in questo caso, che il raggio non è accettato dalla fibra.
E' possibile definire un cono di accettazione che contiene tutti quei raggi che possono propagarsi all'interno del nucleo per riflessione totale. Il vertice del cono è il centro della faccia di ingresso della fibra e l'angolo al vertice viene detto angolo di accettazione a.
L'angolo di accettazione può essere messo in relazione con i due indici di rifrazione n1 e n2 (rispettivamente del nucleo e del mantello) mediante la relazione: a = arcsin[(n12 - n22)1/2].
Spesso non viene fornito a ma una quantità ad esso legata che viene indicata come apertura numerica ( o semplicemente apertura) definita da: NA = sina = (n12 - n22)1/2. Risulta evidente che maggiore è NA, più semplice è accoppiare efficientemente una sorgente luminosa alla fibra, in quanto è più ampio il cono di accettazione. Per identificare univocamente i valori di n1 e n2 che realizzano una certa apertura numerica, nota quest'ultima, si utilizza un parametro che prende il nome di variazione percentuale dell'indice di rifrazione definito come: = (n1 - n2)/n1. E' facile, allora, rendersi conto che se n1n2, ovvero se