Quello delle
fibre ottiche è un argomento molto vasto e se ne sei totalmente
“a digiuno” è un po’ complicato esaurirlo in una risposta.
Le fibre
ottiche sono dei sottili tubicini (del diametro di una frazione di millimetro)
di materiale trasparente alla luce visibile ed al vicino infrarosso (solitamente
quarzo o materie plastiche) all’interno dei quali la luce si propaga come
in una guida d’onda.
Con una trattazione un po’ semplificata, si può dire che i raggi
luminosi, incidendo sull’interfaccia tra la guida stessa e l’aria (o meglio
il tubo plastico che le ricopre) subisce una riflessione totale che non
le consente di fuoriuscire. Per questa ragione, anche se la fibra è
curvata (purché non venga piegata eccessivamente) la luce immessa
da un capo fuoriesce dal secondo capo, pur senza propagarsi in linea retta.
Nella realtà la trattazione rigorosa della propagazione in fibra
comporterebbe l’analisi dei modi di oscillazione del campo elettromagnetico
che possono propagarsi nel materiale, ma andremmo oltre lo scopo di una
risposta divulgativa. Posso però dire che sovente le fibre sono
costituite da due strati di materiale (uno concentrico all’altro) aventi
indice di rifrazione leggermente diverso: in tal modo l’onda viene riflessa
in un’interfaccia interna alla fibra stessa e non alla superficie, dove
il campo evanescente, estendendosi nel materiale che la ricopre, tenderebbe
a dissipare l’onda e non si avrebbe una trasmissione efficiente. Altre
soluzioni sono di rendere l’indice di riflessione graduale (di solito
con profilo parabolico) all’interno della fibra.
Nonostante
questi accorgimenti, le fibre ottiche non sono infinitamente trasparenti,
per cui si hanno delle perdite consistenti su tratti più lunghi
di qualche decina di chilometri. Le ragioni sono molteplici, ma le due
più importanti sono la diffusione Raylegh e la presenza di impurità
a livello molecolare; tra queste ultime particolarmente significativo
è l’assorbimento dovuto alle molecole d’acqua. Tenuto conto di
questi effetti, ci si accorge che le fibre presentano tre “finestre”
in lunghezza d’onda in cui sono particolarmente trasparenti, tutte nel
dominio infrarosso e la più importante delle quali (detta 1a
finestra) alla lunghezza d’onda di 1,6 um (micrometri).
Volendo trasmettere
informazioni lungo le fibre, modulando in pratica degli impulsi luminosi,
si tenderà dunque ad utilizzare delle sorgenti (di solito laser
a semiconduttore) che emettono a queste lunghezze d’onda, in modo che
le tratte che si possono percorrere senza bisogno di rigenerare e/o amplificare
il segnale siano le più ampie possibile. Questo costituisce uno
dei vantaggi fondamentali delle fibre ottiche, per mezzo delle quali è
possibile trasmettere informazioni a centinaia di chilometri senza bisogno
di stazioni di ripetizione intermedie. Inoltre, anche i “ripetitori”
possono essere piuttosto semplici e compatti, dato che si può utilizzare
un amplificatore
ottico, in pratica formato da un tratto di materiale “pompato”
come un laser.
Ma il vero
vantaggio è che il limite teorico di informazione che si può
trasmettere in un secondo in un qualsiasi mezzo è proporzionale
alla banda del segnale usato per modularla: sotto questo punto di vista,
le fibre ottiche, che trasmettono usando luce a frequenza di centinaia
di TeraHertz, hanno una “capacità di canale” virtualmente
illimitata, il tutto usando un cavo centinaia di volte più piccolo
di uno metallico. Il limite in questo caso è solo tecnologico,
costituito dall’impossibilità di modulare segnali in modo coerente
a frequenza superiore a qualche GigaHertz e dalla banda limitata dell’elettronica
di modulazione e demodulazione, che, pur progredendo in modo sorprendente
negli ultimi anni, rappresenta pur sempre il vero “collo di bottiglia”
di questa tecnologia.
Naturalmente
esistono applicazioni ben più “folkloristiche”, come
alcuni sistemi di illuminazione che sfruttano una sorgente centrale e
distribuiscono un fascio di luce solo dove serve mediante fibre ottiche
di diametro elevato, ma per tutte queste applicazioni ti rimando alla
rete, che come tu stesso hai detto è ricca di informazioni a riguardo.