10. Tecnologia delle fibre ottiche

I materiali attualmente utilizzati per la realizzazione di fibre ottiche per telecomunicazioni sono il biossido di silicio SiO₂ opportunamente drogato e vetri composti da più sostanze quali il silicio, il sodio ed il boro.

Vi sono vari procedimenti per la produzione di fibre che si distinguono per il tipo di sostanza impiegata e per le caratteristiche richieste (fibra monomodale, multimodale, step e graded index).

È il metodo in grado di realizzare fibre ottiche sia di tipo step index che graded index.
Il sistema è costituito da due contenitori cilindri concentrici che terminano a forma di cono in due ugelli concentrici.
Si può pensare ad un doppio imbuto: il più piccolo è posto all’interno dell’altro.
Il materiale impiegato per la realizzazione del doppio crogiuolo è il platino o il quarzo per evitare contaminazioni.
Nel cilindro più esterno si introduce la silice fusa che costituirà il cladding mentre in quello più interno si introduce la silice fusa drogata che costituirà il core.
Il doppio crogiuolo si trova all’interno di un forno ad induzione a radiofrequenza che genera temperature superiori ai 1000°C.
Dai due ugelli cola, per gravità, la fibra ottica filata da una bobinatrice che ruota ad una velocità variabile tra 0.5 e 5m/s in funzione del diametro che si intende conferire alla fibra.
La fibra, solidificandosi, viene avvolta sulla bobina.
Per rendere omogenea la massa vetrosa fusa all’interno del doppio crogiuolo si utilizzano delle barre che fungono da agitatori meccanici.
Per ottenere fibre con indice di rifrazione graduato, infine, si solleva un po’ il crogiuolo più interno, quello del core, in modo che i due componenti di vetro si fondano parzialmente prima della solidificazione.
Questo metodo è poco utilizzato poiché non garantisce una adeguata regolarità geometrica e purezza del prodotto finale.

Metodo della preforma

È utilizzato per realizzare fibre in silice drogata. Il processo è denominato CVD (Chemical Vapour Deposition) e consiste nella realizzazione di un supporto cilindrico pieno chiamato preforma, dal diametro di alcuni millimetri, che possiede le stesse caratteristiche della fibra che si intende realizzare.

Si possono individuare due processi diversi:

1.  processo IVPO (Inside Vapour Phase Oxidation) che consiste nella deposizione all’interno di un supporto;

2.  processo OVPO (Outside Vapour Phase Oxidation) che consiste nella deposizione all’esterno di un supporto.

Entrambi i processi si suddividono in tre fasi:

1. deposizione delle sostanze vetrose fuse all’interno o all’esterno del supporto;
2. collassamento della preforma in modo da diventare una struttura cilindrica piena;
3. filatura della fibra con controllo automatico del diametro a partire dalla preforma.

Per ottenere la preforma si parte da un tubicino di vetro nel quale si fa attraversare il materiale di base allo stato gassoso o liquido a temperatura ambiente. Si utilizzeranno, pertanto, i loro alogenuri.
Il gas di trasporto è l’ossigeno.
Per consentire il deposito dell’ossido di silicio sulle pareti interne del tubicino di vetro si utilizza un bruciatore che trasla lentamente da un estremo all’altro del tubo.
L’elevata temperatura, intorno a 1500°C, favorisce la reazione chimica tra l’ossigeno ed il silicio che produce il biossido di silicio che si deposita, per strati successivi, sulla parete interna del tubo di vetro.
Quest’ultimo ruota lentamente sul proprio asse per favorire la stratificazione omogenea.

Le sostanze droganti impiegate per aumentare l’indice di rifrazione sono il germanio (Ge) ed il fosforo (P), quelle per diminuire l’indice di rifrazione sono il boro (B) ed il fluoro (F).
Tali sostanze, sotto forma di vapore, viaggiano insieme agli alogenuri di silicio in opportune concentrazioni.

Viene realizzato prima il cladding e poi il core.
Per variare l’indice di rifrazione si modifica la concentrazione del drogante.
Il diametro interno del tubo si riduce man mano che la deposizione si completa ma non diventa mai uguale a zero.
Terminata la deposizione, pertanto, è necessario collassare il tubo rallentando la velocità del bruciatore a qualche centimetro al minuto.
Ciò provoca un aumento della temperatura che consente la chiusura del lume interno del tubicino dopo alcune passate del bruciatore.

Al termine del processo si elimina, per fusione, il tubo di vetro e quello che rimane è la preforma.

Il passo successivo è la tiratura della fibra a partire dalla preforma.
Da una preforma è possibile ottenere una fibra della lunghezza compresa tra i 10 ed i 15 Km.

La preforma è portata a 2000°C a velocità regolata all’interno di un riscaldatore.
In tal modo la preforma assume una adeguata viscosità adatta per la filatura della fibra.

La fibra viene tirata tramite bobinatrice ad una velocità controllata ed avvolta su una bobina.
La velocità, da 0.5 a 5m/s, influenza il diametro della fibra.
Un sistema automatico di controllo del diametro determina istante per istante, pertanto, la velocità di filatura.

All’atto dell’avvolgimento sulla bobina la fibra è rivestita di una resina che costituisce la ricopertura primaria.

Processo OVPO

La differenza rispetto al processo IVPO consiste nel fatto che la deposizione avviene all’esterno della bacchetta di supporto che ruota e trasla per assicurare la simmetria cilindrica della preforma che si costituisce al suo esterno.

Nel bruciatore ossidrico vengono iniettati, in forma vaporizzata i cloruri di silicio, germanio e boro (SiCl₄, GeCl₄, BCl₃).

Nella seconda fase del processo si estrae la bacchetta di supporto, costituita da materiale ceramico, e si collassa la preforma introducendola, per un tempo adeguato, in un forno con temperatura compresa tra i 1500°C e 2000°C.

L’ultima fase, la filatura della fibra, avviene con le stesse modalità del processo IVPO.

Il processo OVPO è più rapido del processo IVPO però presenta ossidrili (-OH) a causa della fiamma del bruciatore.

Gli ossidrili producono perdite notevoli per assorbimento.