Spiegazione della fibra ottica: come le lunghezze d'onda consentono la trasmissione della luce

Immagina se i cavi in fibra ottica potessero trasportare informazioni attraverso diversi colori come un arcobaleno, con ogni tonalità che rappresenta un canale dati distinto. Nella comunicazione in fibra ottica, le lunghezze d'onda fungono da questi "colori", determinando le caratteristiche e l'efficienza di trasmissione dei segnali luminosi. Sebbene "lunghezza d'onda" possa sembrare un termine esoterico per molti, è in realtà la chiave per comprendere la tecnologia a fibra ottica. Questo articolo demistifica il concetto di lunghezze d'onda della fibra ottica, i loro principi fondamentali e il loro ruolo cruciale nelle applicazioni pratiche.

La luce si estende ben oltre ciò che i nostri occhi percepiscono come luce visibile. Fa parte di un più ampio spettro elettromagnetico che include vari tipi di radiazioni, dai raggi X e ultravioletti ad alta energia alle familiari onde radio e microonde, e infine alla luce infrarossa utilizzata nella comunicazione in fibra ottica. Si tratta fondamentalmente di radiazioni elettromagnetiche, distinte principalmente dalle loro lunghezze d'onda. Lo spettro elettromagnetico può essere visualizzato come un'ampia tavolozza di colori, con diverse lunghezze d'onda corrispondenti a diversi "colori". La comunicazione in fibra ottica seleziona strategicamente specifici "colori" da questa tavolozza per la trasmissione delle informazioni.

La radiazione elettromagnetica viene tipicamente descritta utilizzando la lunghezza d'onda o la frequenza. La lunghezza d'onda si riferisce alla distanza tra picchi o avvallamenti consecutivi di un'onda mentre si propaga nello spazio, solitamente misurata in nanometri (nm, un miliardesimo di metro) o micrometri (µm, un milionesimo di metro). La frequenza indica quante volte l'onda oscilla al secondo, misurata in Hertz (Hz). La lunghezza d'onda e la frequenza condividono una relazione inversa: lunghezze d'onda più corte corrispondono a frequenze più alte, mentre lunghezze d'onda più lunghe indicano frequenze più basse. Per lunghezze d'onda più corte come quelle della luce, degli ultravioletti e dei raggi X, la lunghezza d'onda è il descrittore preferito. Per lunghezze d'onda più lunghe come le onde radio, i segnali televisivi e le microonde, la frequenza è più comunemente usata.

La forma di luce più familiare è, ovviamente, la luce visibile. L'occhio umano può rilevare lunghezze d'onda che vanno da circa 400 nm (luce blu/violetta) a 700 nm (luce rossa). Questo intervallo si allinea con le bande di radiazione più forti del sole, suggerendo che il nostro sistema visivo si è evoluto per percepire le lunghezze d'onda più intense della luce solare, un elegante esempio di adattamento biologico.

La comunicazione in fibra ottica si basa non sulla luce visibile, ma sulla luce infrarossa, che ha lunghezze d'onda più lunghe, tipicamente intorno a 850 nm, 1300 nm e 1550 nm. La scelta della luce infrarossa deriva dalla sua minore attenuazione nelle fibre ottiche. L'attenuazione nelle fibre deriva da due fattori principali: assorbimento e scattering.

• Assorbimento: Tracce di acqua nei cavi in fibra ottica assorbono la luce a specifiche lunghezze d'onda, creando "picchi di assorbimento dell'acqua". I sistemi in fibra ottica devono evitare questi picchi per mantenere l'integrità del segnale.
• Scattering: Quando la luce viaggia attraverso la fibra, si scontra con atomi o molecole nel vetro, causando lo scattering. L'intensità dello scattering è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda, il che significa che le lunghezze d'onda più lunghe si disperdono meno. Questo principio spiega anche perché il cielo appare blu: le lunghezze d'onda blu più corte si disperdono più facilmente nell'atmosfera.

Per ridurre al minimo la perdita di segnale, i sistemi in fibra ottica operano nello spettro infrarosso, evitando i picchi di assorbimento dell'acqua e stabilendosi sulle tre lunghezze d'onda standard: 850 nm, 1300 nm e 1550 nm. Fortunatamente, i diodi laser (o LED) e i fotodiodi possono essere progettati per funzionare in modo efficiente a queste specifiche lunghezze d'onda.

Se le lunghezze d'onda più lunghe subiscono meno attenuazione, perché non usarle? La risposta risiede nella vicinanza delle lunghezze d'onda infrarosse alla radiazione termica. Proprio come possiamo vedere il debole bagliore rosso di una stufa elettrica e sentirne il calore, le lunghezze d'onda più lunghe diventano suscettibili al rumore termico ambientale, che può interferire con la trasmissione del segnale. Inoltre, esistono altri picchi di assorbimento dell'acqua nella gamma infrarossa.

A differenza delle fibre di vetro, le fibre ottiche di plastica (POF) mostrano un assorbimento inferiore a lunghezze d'onda più corte. Di conseguenza, la POF utilizza tipicamente luce rossa a 650 nm, sebbene 850 nm rimanga praticabile per applicazioni a corto raggio con trasmettitori in fibra di vetro.

Nelle reti in fibra ottica, le lunghezze d'onda sono fondamentali non solo per la trasmissione, ma anche per i test. L'attenuazione del cavo deve essere misurata alla stessa lunghezza d'onda utilizzata per la trasmissione del segnale. Allo stesso modo, i misuratori di potenza ottica richiedono la calibrazione a queste specifiche lunghezze d'onda per valutare accuratamente le prestazioni della rete.

Il National Institute of Standards and Technology (NIST) fornisce servizi di calibrazione per misuratori di potenza ottica alle tre principali lunghezze d'onda della fibra ottica: 850 nm, 1300 nm e 1550 nm. Le fibre multimodali sono tipicamente progettate per 850 nm e 1300 nm, mentre le fibre monomodali sono ottimizzate per 1310 nm e 1550 nm. La leggera discrepanza tra 1300 nm e 1310 nm deriva dalle convenzioni di terminologia storica stabilite da AT&T, dove le fibre monomodali utilizzavano laser a 1310 nm e le fibre multimodali impiegavano LED a 1300 nm.

I moderni sistemi di telecomunicazione impiegano ampiamente le tecniche di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM), tra cui Dense WDM (DWDM) e Coarse WDM (CWDM). Il WDM consente a una singola fibra di trasportare più "colori" di luce contemporaneamente, con ogni colore che rappresenta un canale dati indipendente. Nei sistemi WDM, i laser sono sintonizzati con precisione su lunghezze d'onda distinte, distanziate abbastanza da massimizzare la capacità, ma sufficientemente distanti da impedire interferenze. Questo è simile alla trasmissione radio FM, in cui le stazioni operano su frequenze diverse. Il WDM utilizza l'intera gamma di lunghezze d'onda da 1260 nm a 1670 nm, divisa in bande specifiche.

Un aspetto critico ma spesso trascurato della fibra ottica è la sicurezza. Poiché la maggior parte dei sistemi in fibra ottica opera al di fuori dello spettro visibile, la luce trasmessa è tipicamente invisibile ad occhio nudo. Non guardare mai direttamente all'estremità di una fibra per controllare i segnali: alcuni sistemi ad alta potenza come CATV e DWDM possono emettere radiazioni pericolose. Verificare sempre i livelli di potenza ottica con un misuratore calibrato prima di maneggiare le connessioni in fibra.

Comprendere le lunghezze d'onda della fibra ottica è fondamentale per padroneggiare la tecnologia di comunicazione ottica. Svelando il "codice colore" della fibra ottica, i professionisti possono ottimizzare la progettazione della rete, risolvere i problemi in modo efficace e superare i limiti delle capacità di trasmissione dati.