Proprietà fisiche della fibra ottica: rifrazione, riflessione totale e attenuazione
La fibra ottica trasporta informazioni sotto forma di luce, non di elettroni. Il principio che la rende possibile e la riflessione totale interna, e i suoi limiti pratici sono descritti da una manciata di standard internazionali che definiscono attenuazione, dispersione e comportamento alla curvatura.
Come fa la luce a restare dentro un filo di vetro
Una fibra ottica è composta da due strati di vetro concentrici: un nucleo centrale (core) e un rivestimento esterno (cladding), con un indice di rifrazione leggermente più basso nel cladding rispetto al core. Quando un raggio di luce colpisce il confine tra i due strati con un angolo sufficientemente rasente, invece di uscire viene riflesso completamente all’interno del core. Questo fenomeno si chiama riflessione totale interna ed è lo stesso principio per cui, guardando sott’acqua verso la superficie con un angolo molto inclinato, si vede un riflesso a specchio invece del cielo.
Perché la riflessione sia totale, l’angolo di incidenza deve superare un valore soglia detto angolo critico, che dipende dal rapporto tra i due indici di rifrazione. È per questo che le fibre non tollerano curve troppo strette: sotto un certo raggio di curvatura, parte della luce comincia a “sfuggire” dal core, con una perdita di segnale misurabile.
Attenuazione: quanto segnale si perde lungo il percorso
Anche con la riflessione totale, il segnale si indebolisce viaggiando nella fibra a causa dell’assorbimento del vetro e di micro-imperfezioni. L’attenuazione si misura in dB/km ed è la ragione per cui, oltre una certa distanza, il segnale deve essere rigenerato o amplificato. Le lunghezze d’onda più usate in telecomunicazioni (1310 nm e 1550 nm) sono scelte proprio perché corrispondono a “finestre” dello spettro dove l’attenuazione del vetro è minima.
Le famiglie di fibra monomodale: G.652 - G.657
La Raccomandazione ITU-T G.652 è l’evoluzione principale delle fibre monomodali a dispersione zero a 1310 nm, pensata per uso generico. Si è evoluta in quattro varianti (A-D) con requisiti crescenti su dispersione di polarizzazione (PMD) e copertura di banda.
| Standard | Caratteristica | Uso tipico |
|---|---|---|
| G.652.A/B | PMD max 0,5 / 0,2 ps/√km | Reti generiche, banda O e C |
| G.652.C/D | Banda estesa da O a L, attenuazione controllata anche a 1383 nm | Sistemi CWDM |
| G.653 | Dispersione zero spostata a 1550 nm | Considerata obsoleta per le reti moderne |
| G.655 | Dispersione diversa da zero a 1550 nm (dispersione spostata non-zero) | Sistemi DWDM ad alta capacità |
| G.656 | Copertura S, C, L | Sistemi CWDM e DWDM a banda larga |
| G.657 | Bassissima sensibilità alla curvatura | Installazioni FTTH in interno, curve strette in appartamento |
La struttura fisica del cavo, strato per strato
Un cavo in fibra ottica non è un semplice filo di vetro nudo: è composto da più strati concentrici, ciascuno con una funzione precisa.
| Strato | Funzione | Diametro tipico |
|---|---|---|
| Core | Il nucleo centrale dove viaggia effettivamente la luce | Circa 8 µm (monomodale) o 50/62,5 µm (multimodale) |
| Cladding | Il rivestimento che riflette la luce, con indice di rifrazione leggermente inferiore al core | 125 µm complessivi (core + cladding) |
| Buffer | Rivestimento primario polimerico che protegge la fibra e la irrobustisce meccanicamente | 250 µm complessivi |
| Jacket | Il rivestimento esterno che protegge il cavo ed evita il microbending, cioè la perdita di segnale per curvatura eccessiva | 400 µm complessivi |
Le tre finestre ottiche di trasmissione
Non tutte le lunghezze d’onda sono ugualmente convenienti per trasmettere su fibra: combinando attenuazione, rifrazione e dispersione, si sono affermate storicamente tre “finestre” trasmissive, con prestazioni e costi crescenti.
| Finestra | Lunghezza d’onda | Uso tipico |
|---|---|---|
| Prima | 850 nm | Laser economici multimodali; collegamenti brevi, 275-550 m a seconda del tipo di fibra |
| Seconda | 1310 nm | Laser multimodali o monomodali; collegamenti di 5-10 km su fibra monomodale |
| Terza | 1550 nm | Laser monomodali; le distanze maggiori, fino a 100 km con apparati relativamente economici, attenuazione tipica 0,2-0,25 dB/km |
Oggi la seconda e la terza finestra sono le più utilizzate proprio per le basse perdite, tipicamente comprese tra 0,2 e 0,5 dB/km.
Fibra ottica vs rame: perché la fibra vince sulla distanza
Il rame (doppino telefonico) soffre di un’attenuazione che cresce rapidamente con la frequenza del segnale e con la distanza: più si vuole trasmettere velocemente, più la portata utile si riduce. Tecnologie come VDSL2 possono superare i 100 Mbps solo entro poche centinaia di metri dalla centralina; oltre i 3-4 km le prestazioni calano drasticamente, avvicinandosi a quelle di un ADSL2 di base. In termini assoluti, un cavo in rame ha un’attenuazione tipica di circa 7-8 dB/km, contro circa 0,25 dB/km di una buona fibra monomodale — un fattore di differenza dell’ordine di 30 volte. La fibra ottica mantiene un’attenuazione molto più bassa e sostanzialmente indipendente dalla velocità del segnale, permettendo di coprire decine di km senza perdite significative.
Domande frequenti
Perché la fibra ottica non risente delle interferenze elettromagnetiche?
Perché trasporta informazioni sotto forma di luce, non di corrente elettrica: campi elettromagnetici esterni (motori, cavi di potenza, altre linee dati) non hanno un mezzo con cui interagire.
Cosa succede se piego troppo un cavo in fibra ottica?
Se il raggio di curvatura scende sotto la soglia critica, l’angolo di incidenza della luce sul cladding non rispetta più la condizione di riflessione totale e parte del segnale “fuoriesce”, causando una perdita misurabile in dB. Le fibre G.657 sono progettate per tollerare curve molto più strette prima che questo accada.
Tutte le fibre ottiche sono uguali?
No. Esistono famiglie diverse (G.652, G.655, G.657…) ottimizzate per usi diversi: reti generiche, sistemi DWDM ad alta capacità, o installazioni domestiche con curve strette.