Inchiesta
Il nucleo di un fibra ottica è il mezzo fisico centrale, in genere un filo di vetro di silice o plastica ultrapuro, che trasporta i segnali luminosi lungo l'intera lunghezza del cavo. È il cuore della fibra, dove oltre il 99% della potenza ottica guidata viene confinata e propagata tramite riflessione interna totale. Senza il nucleo, l’incredibile velocità di dati delle moderne telecomunicazioni, dell’imaging medico e del rilevamento industriale sarebbe impossibile.
Comprendere il nucleo della fibra: definizione e funzione
Il core is a cylindrical waveguide whose primary job is to transport modulated light from a transmitter to a receiver with minimal loss and distortion. In a standard glass optical fiber, the core is surrounded by a cladding layer that has a slightly lower refractive index. This precise index difference creates the optical boundary that traps photons inside the core, forcing them to travel along the fiber axis even when the cable bends.
Una tipica fibra monomodale utilizzata nelle telecomunicazioni a lungo raggio trasporta la luce infrarossa a lunghezze d'onda intorno a 1310 nm o 1550 nm. A queste lunghezze d'onda l'attenuazione può essere minima 0,20dB/km , il che significa che un segnale può percorrere oltre 100 km prima che sia necessaria la rigenerazione. Tale trasparenza si ottiene riducendo le impurità, in particolare acqua e ioni metallici, all’interno del materiale centrale a parti per miliardo.
Il diametro del nucleo è importante
Si tratta di un core monomodale 8 – 10 µm largo, più sottile di un capello umano (circa 70 µm). Un core multimodale si espande a 50 µm o 62,5 µm e le fibre ottiche di plastica possono raggiungere 1 millimetro . Il diametro da solo determina quante modalità spaziali la fibra può supportare, una decisione che determina larghezza di banda, distanza e costi.
Contrasto dell'indice di rifrazione
Il core's refractive index is only dallo 0,2% all’1,5% in più rispetto al rivestimento: un margine sottilissimo che crea uno specchio quasi perfetto. Per una fibra G.652 standard l'indice del core si aggira intorno a 1,448 mentre il rivestimento è vicino a 1,444 a 1550 nm, secondo le specifiche ITU‑T.
Il Role of Refractive Index and Total Internal Reflection
La luce è confinata nel nucleo a causa di un fenomeno chiamato riflessione interna totale (TIR). Quando un raggio di luce che viaggia nel nucleo colpisce il confine del nucleo-rivestimento con un angolo maggiore dell'angolo critico, si riflette completamente nel nucleo anziché fuoriuscire nel rivestimento. Ciò richiede l’indice di rifrazione del nucleo n 1 essere strettamente maggiore dell’indice del rivestimento n 2 .
Il numerical aperture (NA) quantifies the light‑gathering ability of the fiber and is given by NA = √(n 1 ² −n 2 ²). Una fibra monomodale presenta tipicamente un NA di 0,10 – 0,14 , mentre le fibre multimodali progettate per un facile accoppiamento presentano un NA intorno 0,20 – 0,29 . Una NA più grande accetta più luce ma amplia anche la dispersione modale, limitando la larghezza di banda.
Il precision of the index profile is engineered during fabrication. Indice del passo i profili mantengono uniforme l'indice principale, mentre indice graduato i profili diminuiscono gradualmente l'indice dal centro verso l'esterno. I design a indice graduale sono standard nella fibra multimodale a larghezza di banda elevata perché riducono la dispersione modale facendo arrivare diversi percorsi luminosi quasi nello stesso momento.
Materiali principali: vetro di silice e fibre ottiche in plastica
Il vast majority of communication‑grade fiber cores are made from silice fusa sintetica (SiO 2 ) drogato con biossido di germanio (GeO 2 ) o altri agenti di aumento dell'indice. Il drogaggio con germanio aumenta l'indice di rifrazione quanto basta per formare il nucleo, mentre il rivestimento rimane silice pura o leggermente drogata con fluoro. Secondo la norma IEC 60793‑2‑50, le fibre monomodali devono mantenere la contaminazione da idrossile (OH⁻) al di sotto 0,8 parti per miliardo per evitare l'attenuazione del picco dell'acqua vicino a 1383 nm.
I nuclei in fibra ottica plastica (POF), invece, sono realizzati in fibra ottica poli(metilmetacrilato) (PMMA) o polimeri perfluorurati. Il diametro del nucleo è gigantesco per gli standard del vetro, spesso da 0,5 mm a 1 mm — che semplifica la connettorizzazione e rende il POF tollerante alla polvere e alle vibrazioni. Tuttavia, i core basati su PMMA soffrono di un'elevata attenuazione di circa 150 dB/km a 650 nm , limitando la loro portata a circa 100 metri. Il POF perfluorurato riduce l'attenuazione a circa 10dB/km , ma ancora molto più alto della silice.
- Vantaggi del nucleo di silice: Perdita ultra-bassa (< 0,20 dB/km a 1550 nm), stabilità alle alte temperature, compatibilità con multiplexing a lunghezza d'onda densa.
- Vantaggi del nucleo in plastica: nucleo di grandi dimensioni per un facile allineamento, basso costo, flessibilità e funzionamento a luce visibile per reti audio e automobilistiche di consumo.
- Materiali speciali: vetri di calcogenuro o nuclei di zaffiro vengono utilizzati per la trasmissione del medio infrarosso e l'erogazione di laser ad alta potenza.
Dimensioni e standard dei nuclei: modalità singola e multimodale
Le prestazioni della fibra sono dettate innanzitutto dalle dimensioni fisiche del nucleo. Gli organismi di standardizzazione internazionali (ITU‑T, IEC, ISO/IEC) definiscono finestre strette per diametro del nucleo, errore di concentricità e diametro del campo modale per garantire l'interoperabilità.
Caratteristiche principali della modalità singola
Il single‑mode core is designed to support only the fundamental LP 01 modalità, eliminando del tutto la dispersione modale. Il suo diametro è tipicamente 8,2 – 9,5 µm , con un diametro del campo modale di circa 9,2 µm a 1310 nm (ITU-T G.652.D). La lunghezza d'onda di taglio, il punto al di sotto del quale la fibra supporta più modalità, viene mantenuta al di sopra di 1260 nm per garantire un vero funzionamento monomodale nelle bande di 1310 nm e 1550 nm.
Caratteristiche principali multimodali
I nuclei multimodali, standardizzati secondo ISO/IEC 11801, sono disponibili in due diametri principali: 50 µm (OM2, OM3, OM4, OM5) e 62,5 µm (OM1). Il nucleo più grande supporta centinaia di modalità spaziali, il che semplifica l’accoppiamento con sorgenti luminose a basso costo come i VCSEL ma introduce la dispersione modale. Per mitigare questo problema, tutte le moderne fibre multimodali a larghezza di banda elevata utilizzano un profilo del nucleo a indice graduale, ottenendo una larghezza di banda modale effettiva di 4700 MHz·km a 850 nm per OM4 e ancora più alto per OM5 nella finestra di 953 nm.
| Parametro | Nucleo monomodale | Nucleo multimodale |
|---|---|---|
| Diametro del nucleo | 8 – 10 µm | 50 µm o 62,5 µm |
| Profilo tipico dell'indice di rifrazione | Indice dei passi | Indice classificato (moderno) |
| Sorgente luminosa | Diodo laser (DFB, FP) | VCSEL, LED |
| Attenuazione (tipica) | 0,35 dB/km a 1310 nm 0,20dB/km at 1550 nm | ~3,0 dB/km a 850 nm ~0,8 dB/km a 1300 nm |
| Prodotto larghezza di banda·distanza | Praticamente illimitato per la maggior parte dei collegamenti terrestri | 2000 MHz·km (OM3) 4700 MHz·km (OM4) |
| Applicazioni primarie | Telecomunicazioni a lungo raggio, cavi sottomarini, backhaul 5G | Data center, LAN aziendali, interconnessioni a breve distanza |
Tabella 1: parametri principali e confronto delle prestazioni tra fibre ottiche monomodali e multimodali. Dati provenienti dagli standard ITU‑T G.652, G.651.1 e ISO/IEC 11801.
Come vengono prodotti i nuclei in fibra: dalla preforma al disegno
Il core’s purity and precise index profile are born in a multi‑step vapor‑deposition process that builds a glass rod called a preform. The preform is then drawn into hair‑thin fiber while preserving its cross‑sectional geometry exactly.
Vengono utilizzate tre tecniche di deposizione tradizionali: Deposizione chimica in fase vapore modificata (MCVD) , Deposizione di vapori esterni (OVD) , e Deposizione assiale di vapore (VAD) . Nell'MCVD, i gas ad elevata purezza (SiCl 4 , GeCl 4 ) scorrono all'interno di un tubo rotante di silice mentre un bruciatore traslante riscalda la zona a circa 1600 °C, provocando il deposito di fuliggine strato dopo strato. La concentrazione di germanio del nucleo viene variata ad ogni passaggio per scrivere il profilo dell'indice di rifrazione direttamente nel vetro. Dopo la deposizione, il tubo collassa in un'asta solida a temperature prossime ai 2000 °C.
Il OVD and VAD methods build the preform from the outside, enabling larger preforms and higher productivity. A porous soot boule is formed and later sintered into clear glass. The core‑cladding structure is defined by the radial composition of the deposited soot. The final preform — now a solid cylinder about 1 meter long and several centimeters thick — is loaded into a drawing tower. It is heated in a graphite furnace to around 2000 °C and drawn into fiber at speeds of 1200 – 1800 metri/min . Un rivestimento in acrilato a polimerizzazione UV a doppio strato viene applicato immediatamente per proteggere la superficie in vetro incontaminata.
Meccanismi di attenuazione e perdita all'interno del nucleo
Le perdite nel nucleo derivano dall'assorbimento, dalla dispersione e dalla flessione. Il limite inferiore fondamentale è Diffusione di Rayleigh , causato dalle microscopiche fluttuazioni di densità congelate nel vetro durante il raffreddamento. La perdita di Rayleigh scala come λ⁻⁴, motivo per cui i sistemi monomodali sono migrati da 1310 nm a 1550 nm: a 1550 nm il contributo di Rayleigh è di circa 0,12 – 0,15 dB/km , circa la metà del valore a 1310 nm.
I bordi di assorbimento dell'infrarosso derivanti dalle vibrazioni del legame Si‑O diventano evidenti oltre i 1600 nm, mentre le code di assorbimento dell'ultravioletto sono trascurabili nell'infrarosso. L’assorbimento delle impurità – notoriamente da parte degli ioni OH⁻ – crea un picco d’acqua vicino a 1383 nm. Nelle fibre preesistenti questo picco potrebbe essere superato 3dB/km , ma le moderne fibre "low water peak" (ITU‑T G.652.D) lo sopprimono al di sotto del livello di 0,35 dB/km, consentendo l'uso della banda E (1360‑1460 nm) per WDM grossolano.
La perdita di macroflessione si verifica quando la fibra è avvolta troppo strettamente; il confinamento del nucleo si indebolisce e la luce si irradia nel rivestimento. Per una fibra G.657 insensibile alla piegatura, il raggio di curvatura consentito può essere pari a 5 mm con una perdita aggiuntiva trascurabile a 1550 nm, grazie a un design dell'indice di trincea assistita o di rivestimento depresso attorno al nucleo.
Dispersione e suo impatto sulla progettazione del nucleo
La dispersione cromatica e la dispersione modale derivano entrambe dal modo in cui la geometria centrale e il materiale interagiscono con la luce. In un nucleo monomodale, la dispersione cromatica è la somma della dispersione del materiale e della dispersione della guida d'onda. Regolando il diametro del nucleo e l'indice delta, i progettisti possono spostare la lunghezza d'onda a dispersione zero. Le fibre standard G.652 posizionano lo zero a intorno a 1310 miglia nautiche , mentre le fibre a dispersione spostata (G.653) la spostano a 1550 nm riducendo l'area effettiva del nucleo e regolando il profilo dell'indice. Questo compromesso può aumentare gli effetti non lineari, quindi le fibre con dispersione spostata diversa da zero (G.655) mantengono una dispersione piccola ma diversa da zero attraverso la banda C per sopprimere la miscelazione a quattro onde.
Nei core multimodali, la dispersione modale è il principale killer della larghezza di banda. Un nucleo con indice di passo di 50 µm presenta una larghezza di banda modale di soli 20 – 50 MHz·km . Applicando un profilo di indice graduato parabolico ottimizzato, la larghezza di banda passa a migliaia di MHz·km , consentendo la trasmissione a 100 Gbps su 100 metri con fibra OM4. Ogni generazione di fibra multimodale restringe le tolleranze del profilo dell'indice per equalizzare meglio le velocità di gruppo in tutti i gruppi di modalità.
Tecnologie core emergenti: fibre a nucleo cavo e multicore
Il next revolution in core design departs from solid glass altogether. Fibre con bandgap fotonico a nucleo cavo guida la luce in una regione centrale piena d'aria circondata da un rivestimento microstrutturato che crea un gap di banda fotonico. Poiché la luce viaggia principalmente nell'aria, la latenza diminuisce a 1,5 µs/km – una riduzione del 31% rispetto alla fibra standard – e la non linearità crolla. Recenti ricerche hanno riportato un'attenuazione di 0,174 dB/km in una fibra a nucleo cavo a 1550 nm, riducendo il divario con i record a nucleo solido. Tali fibre sono già in fase di sperimentazione per reti di scambi finanziari a latenza ultra-bassa e per la consegna di laser ad alta energia.
Fibre multicore incorporare diversi nuclei indipendenti all'interno di un singolo rivestimento, in genere 4, 7 o anche 19 nuclei in una matrice esagonale. Ciascun nucleo può trasportare un flusso di dati separato, moltiplicando la capacità della fibra per il numero di nuclei mantenendo il diametro del rivestimento allo standard di 125 µm o leggermente superiore. Esperimenti di trasmissione superiori 1 Petabit/s sono stati dimostrati su una singola fibra multicore, con ciascun core che supporta il funzionamento monomodale convenzionale. La sfida rimane nei dispositivi fan-out e nella gestione della diafonia inter-core, ma gli organismi di standardizzazione stanno già definendo metodi di caratterizzazione per le fibre multicore.
Visualizzazione del nucleo in fibra
Il illustration below shows a simplified cross‑section of a standard single‑mode fiber. The core occupies the very center, followed by the cladding and the protective buffer coating.
Domande frequenti sul nucleo in fibra
Perchè il core deve avere un indice di rifrazione più alto del cladding?
La riflessione interna totale può verificarsi solo quando la luce viaggia da un mezzo di indice più alto a uno di indice più basso. Se l'indice del nucleo fosse uguale o inferiore a quello del rivestimento, la luce si rifrangerebbe e la fibra cesserebbe di guidare. La differenza di indice crea una barriera ottica che trasforma il nucleo in uno specchio cilindrico.
Perché il core monomodale è così piccolo?
Il core diameter must be close to the wavelength of light to cut off all higher‑order modes. For operation at 1550 nm, a core diameter around 8–9 µm yields a normalized frequency V < 2.405, guaranteeing single‑mode propagation. A larger core would support multiple modes and introduce modal dispersion, severely limiting bandwidth‑distance product.
Una fibra ottica può avere più di un nucleo?
SÌ. Le fibre multicore vengono impiegate per il multiplexing a divisione spaziale, integrando fino a 19 nuclei indipendenti in un diametro di rivestimento standard. Ciascun core funziona come un canale monomodale separato, moltiplicando la capacità dati di un singolo filamento di fibra. Questa tecnologia è un fattore chiave per i futuri cavi sottomarini della classe petabit.
Come viene mantenuto puro il nucleo durante la produzione?
Tutti i processi di deposizione di vapore utilizzano gas precursori di grado semiconduttore che vengono filtrati a livelli inferiori al micron. L'intera fabbricazione della preforma avviene in un ambiente sigillato e privo di particelle e il vetro viene sintetizzato direttamente dal vapore anziché fuso dalle materie prime. Questo approccio limita la contaminazione da metalli di transizione al di sotto 1 parte per miliardo , essenziale per raggiungere la soglia di perdita di 0,2 dB/km.
Il core of an optical fiber may be small — sometimes invisible to the naked eye — but its material, geometry, and index profile decide everything about how fast, how far, and how cleanly light can deliver information. As hollow‑core and multicore designs mature, the fundamental definition of what a core can be is expanding, promising networks that are faster, lower‑latency, and more energy‑efficient than ever before.
