Le fibre ottiche polimeriche, altrimenti note come POF (Plastic Optical Fiber), negli ultimi tempi sono state “oscurate” dalle fibre in vetro, che hanno avuto una notevole crescita come tipologie, prestazioni e accessibilità economica non solo per il tradizionale ambito del data communication, ma anche per altri comparti applicativi, ad esempio il medicale e la sensoristica. La crescente pervasività delle applicazioni ottiche ha però fatto da traino anche per le meno prestazionali POF, rivalutandone il potere abilitante per implementazioni innovative, anche grazie a minori costi e migliore facilità di installazione.
Le tecnologie delle fibre ottiche polimeriche
Nelle fibre ottiche in vetro, il core, cioè la parte che, circondata dal cladding o mantello, guida la luce, è tipicamente realizzata a partire da silice ultrapura ottenuta dalla reazione fra il tetracloruro di silicio e l’ossigeno. Nel silicio destinato alla produzione del core sono aggiunti droganti, ad esempio germanio sotto forma di tetracloruro di germanio in modo da aumentarne l’indice di rifrazione senza alterarne l’attenuazione, mentre nella silice per il cladding viene aggiunto del boro per ridurne l’indice di rifrazione e così creare il confinamento dei segnali luminosi per differenza di indici. Nelle fibre di plastica il core è in materiali polimerici di diversa natura, ma non è questa l’unica, seppur fondamentale differenza, in quanto va considerata l’architettura complessiva della fibra che conferisce migliori caratteristiche di robustezza in termini di bending e stretching. A livello dimensionale, una fibra in vetro Single Mode (SMF o monomodale) ha un core di 9 µm e un cladding di 125, mentre in una Multimode (MMF o multimodali) il core è di 50 µm a parità di cladding. Nelle POF il core ha un diametro ben più grande, tipicamente 980 µm (quindi quasi un millimetro), e un cladding di 20 µm: è quindi evidente la grande differenza del rapporto core/cladding rispetto alle SMF e MMF. La maggiore dimensioni del core delle POF si traduce, in generale, in una minore data rate e lunghezza dei collegamenti, caratteristiche ampiamente compensate – posto che le esigenze di una data applicazione possano comunque essere soddisfatte – da quello che è il vantaggio principale, il costo. Del resto, le POF sono definite come “consumer optical fiber”, in virtù del basso costo non solo della fibra ma anche dei link ottici, dei connettori e del lavoro di installazione necessario.
I polimeri più utilizzati
Nelle fibre ottiche in plastica, per il core si utilizzano tipicamente il polimetilmetacrilato (PMMA) e in misura minore policarbonato o polistirene, materiali che hanno finestre di trasmissione nell’intervallo del visibile, da 520 a 780 nm. Premesso che esistono tipi differenti di POF con caratteristiche specifiche per applicazioni in campi diversi, le prime realizzate con core in PMMA avevano un’attenuazione del segnale molto elevata, nell’ordine dei 500 dB/km, ma con continui processi di miglioramento, agendo sulla purezza del materiale e sul processo costruttivo di estrusione, si sono ottenute prestazioni nettamente superiori, seppure non paragonabili a quelle delle fibre in vetro. In particolare, le distanze dei collegamenti sono sempre rimaste limitate.
Studi approfonditi sulla struttura elementare del materiale d’uso più generico, il PMMA, hanno evidenziato la presenza di molti atomi di idrogeno, che sono responsabili di fenomeni di assorbimento nella regione della luce visibile, e si è quindi puntato ad abbattere queste perdite per assorbimento riconducibili a vibrazione atomica per ridurre drasticamente l’attenuazione.
Le ricerche, soprattutto in Giappone, hanno individuato come soluzione l’innesto di cloro o fluoro, da cui la realizzazione di un polimero completamente fluorurato, denominato Cytop, in cui gli atomi di idrogeno sono sostituiti da atomi di fluoro, ottenendo elevati livelli di stabilità termica e minore dispersione nel materiale, arrivando a valori di attenuazione anche di 10 dB/km. Questo ha permesso di realizzare POF performanti, tra cui le GI-POF (perfluorinated graded-index polymer optical fiber), operanti nel tipico range di trasmissione dati da 850 a 1.300 nm.
La classificazione delle fibre ottiche polimeriche
Il mercato delle fibre ottiche polymer-based è molto cresciuto negli ultimi anni, con lo sviluppo di diverse tipologie con comportamenti differenti tra loro, riconducibili a due classi principali: step-index (SI) e graded-index (GI). Queste due categorie si differenziano in particolare per il tipo di materiale impiegato nel core (PMMA per la prima, perflorurato per la seconda), elemento, questo, che ne determina prestazioni e campi di applicazione.
Spesso la letteratura tecnica parla di PMMA-SI-POF per indicare la tipica POF e di PF-POF per evidenziare la presenza di materiale perflorurato, anche se è più usuale la semplice dizione GI-POF. Si noti però che, sebbene le fibre ottiche possano essere classificate in funzione di diverse loro caratteristiche principali, di base si tiene conto dell’indice di rifrazione e delle modalità di propagazione dei segnali luminosi.
Nel caso dell’indice di rifrazione, ricordando che la velocità della luce varia sensibilmente a seconda del mezzo attraversato, questo parametro è definito come il rapporto tra la velocità di propagazione del raggio luminoso nel vuoto e quella in un altro mezzo.
Dato che una fibra ottica è costituita dall’accoppiamento di due entità di materiale diverso – il core e il cladding –, è dall’abbinamento dei rispettivi indici di rifrazione che si determinano i diversi comportamenti dei segnali luminosi. Da questo deriva la seguente classificazione: fibre step-index (a salto d’indice), quando l’indice di rifrazione del core e del cladding sono uniformi e i raggi luminosi seguono traiettorie rettilinee nel nucleo, riflettendosi a ciascun impatto con la superficie di separazione nucleo-mantello; fibre graded-index (a variazione d’indice), quando l’indice di rifrazione del nucleo varia gradualmente dal centro verso la periferia, effetto ottenuto depositando strati di materiale a indice di rifrazione decrescente per far sì che i raggi siano deviati assumendo un percorso curvilineo che li concentra verso l’asse della fibra.
Le POF step-index a base PMMA
Le PMMA-SI-POF più ampiamente disponibili hanno un diametro complessivo di un millimetro, di cui 980 µm per il solo core, e, nonostante siano ormai standardizzate, stanno cominciando a diffondersi anche fibre con core di 500 µm. Il successo di queste POF è dovuto a una gamma potenzialmente ampia di applicazioni a fronte di caratteristiche particolarmente vantaggiose, come l’elevata resilienza meccanica, in virtù della flessibilità del materiale plastico, con forti flessioni e sollecitazioni che non causano danni permanenti, e le basse perdite di segnale per flessione (bending loss). L’ampio diametro del nucleo e un’apertura numerica pari a 0,5 permettono un certo grado di disallineamento, semplificando le operazioni di connessione, e anche i residui di polvere alle estremità della fibra sono meno critici rispetto alle fibre a core piccolo. Si ricordi che l’apertura numerica (NA) indica i limiti angolari entro cui la propagazione della luce avviene in modo guidato, cioè totalmente riflessa all’interno della fibra; in pratica indica la larghezza del fascio di luce che la fibra può captare, e i valori tipici delle fibre in vetro si aggirano intorno a 0,25.
Altre opportunità interessanti sono la facilità di installazione, dato che il taglio può essere effettuato con forbici convenzionali e la lucidatura con carta vetrata, e la possibilità di utilizzare sorgenti di luce visibile, poiché il PMMA opera nella lunghezza d’onda visibile, in dettaglio rosso, verde e blu (lunghezza d’onda rispettivamente di 650 nm, 520 nm e 480 nm), permettendo anche a personale non qualificato di valutare preliminarmente il buon funzionamento dei componenti potendo vedere effettivamente la luce. Inoltre, il PMMA è molto resistente all’acqua, anche salata, rendendo le POF adatte ad applicazioni in ambito marino. Pensando alle caratteristiche di una POF, il primo elemento da considerare è l’attenuazione, che determina la lunghezza massima di un collegamento in fibra, e che dipende dalle proprietà del materiale e dalla lunghezza d’onda di trasmissione. Nelle tre finestre di trasmissione sopra menzionate, quelle del verde e del blu hanno l’attenuazione più bassa, dell’ordine di 80 dB/km, ma aumenta significativamente nella regione del rosso fino a 180 dB/km. In sostanza, le lunghezze di trasmissione sono limitate a poche decine o centinaia di metri, a seconda del data rate. Come esempio di applicazioni reali, 10 Mbps possono essere raggiunti su distanze di 400 m, utilizzando la lunghezza d’onda del verde. Da citare la disponibilità sul mercato di media converter Ethernet tra doppino non schermato e POF con cui al massimo si arriva ai 200 m.
Le POF graded-index
Mentre le PMMA-SI-POF possono proporsi come “concorrenti” dei cavi in rame, il discorso cambia per le GI-POF realizzate con polimeri fluorurati, che possono combinare elevate velocità di trasmissione dati e bassa attenuazione nel range 850-1.300 nm, lunghezze d’onda standard di comunicazione dove sono disponibili transceiver ad alta velocità, diventando quindi un’alternativa a basso costo alle fibre in vetro. Lo sviluppo del polimero perfluorurato Cytop ha consentito il superamento delle limitazioni delle POF step-index, mettendo le GI-POF, con attenuazione molto bassa nel near infrared (~10 dB/km), nelle condizioni di supportare velocità di trasmissione fino a 10 Gbps per distanze fino a 50-100 m e un data rate di 40 Gbps su 100 m, pertanto si può senz’altro parlare di gigabit Ethernet. Queste POF mantengono, come le PMMA-SI, tutti i vantaggi di semplice interconnessione con strumentazione non costosa, e sono compatibili con i transceiver standard delle MMF, le fibre in vetro multimodali. Da evidenziare una discreta possibilità di scelta a livello dimensionale, con vendor che propongono fibre con diametro del core di 50, 62,5 o 120 µm, con un cladding che può anche essere di tipo sovradimensionato (overcladding) attorno ai 500 µm. Le prestazioni di queste fibre dipendono dal materiale utilizzato per il core, ma anche e soprattutto dai processi produttivi di estrusione perfezionati che, essendo meno costosi di quelli basati su preforma delle fibre in vetro, contribuiscono a rendere il prodotto più economico.
Le applicazioni delle fibre ottiche polimeriche
Oltre alla trasmissione dati vera e propria, dove esistono limitazioni più o meno accentuate a seconda del tipo di fibra, automotive e sicurezza sono i principali settori in cui trovano impiego le POF. Già ampiamente utilizzate da decenni per applicazioni legate all’illuminazione degli interni auto, oggi le fibre ottiche giocano un ruolo sempre più rilevante nello sviluppo di reti dati per collegare e controllare un numero crescente di dispositivi elettronici, operazione che richiede un cablaggio complesso e costoso, con un aumento del peso della vettura a discapito del consumo di carburante e delle emissioni inquinanti. Poco prima del 2000, un gruppo di automaker coordinati da Daimler Benz e BMW, abbandonando cavi coassiali e in rame, ha sviluppato un data bus specifico per auto basato su POF, il Media Oriented Systems Transport (MOST).
I benefici in termini di larghezza di banda, peso limitato, dimensioni ridotte, assenza di interferenze elettromagnetiche e bassi costi non potevano però essere sfruttati se non tenendo conto della sensibilità delle fibre al calore, quindi solo in aree con temperature inferiori a 85 °C, che sviluppi successivi hanno innalzato a 105 °C. Nel tempo, ricerche su più fronti, stimolate dalle richieste del mercato, come nel caso di migliore resistenza termica, hanno portato alla creazione di fibre polimeriche definibili come di nuova generazione, sempre più in competizione non solo con i cavi in rame, ma anche con le più tradizionali fibre di vetro.
Tra le applicazioni legate al mondo della sicurezza, invece, si distinguono i sistemi antifurto per pannelli solari, che prevedono un trasmettitore e un ricevitore di segnale luminoso che viaggia lungo la fibra, con un’alterazione del segnale rispetto a valori di riferimento, che determina la generazione di un allarme. Tale alterazione può essere conseguenza della rottura della fibra che circonda i pannelli, ma anche di semplici alterazioni legate a tentativi indesiderati in atto. Si possono realizzare anelli di protezione fino a 300 m e grado di protezione IP55, ricordando che le POF sono immuni a polveri e getti d’acqua.
