Produzione della fibra ottica: filatura diretta

Le fibre ottiche

Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce, che trovano importanti applicazioni in telecomunicazioni, diagnostica medica e illuminotecnica.

Le fibre realizzate con polimeri sono di basso costo ed utilizzate solamente per coprire distanze di pochi metri per il trasporto di sorgenti luminose a pannelli di comando, sistemi HiFi…

Le fibre ottiche utilizzate per la trasmissione di segnali ad alta velocità sono invece realizzate in materiali vetrosi.

La fibra ottica è una guida d’onda dielettrica capace di confinare e guidare la luce. Essa consiste essenzialmente in un nucleo interno trasparente (core) circondato da un altro mezzo dielettrico con indice di rifrazione più basso detto mantello (cladding). La sezione della fibra ottica è circolare.

Le guide d’onda ottiche hanno delle proprietà che le rendono adatte all’impiego nelle telecomunicazioni. La loro bassa attenuazione del segnale e la loro banda passante sono particolarmente rilevanti per collegamenti su lunghe distanze e ad elevate velocità di trasmissione (bit rate). Esse offrono anche altri vantaggi, quali l’immunità alle interferenze elettromagnetiche, la piccola dimensione e il basso peso.

Le modalità di fabbricazione delle fibre ottiche

Le modalità di fabbricazione delle fibre ottiche sono determinanti al fine delle loro potenziali applicazioni.

Per ottenere fibre ottiche con basse perdite, occorre partire da vetri di purezza elevatissima in cui siano assenti soprattutto ioni dei metalli di transizione e ossidrili che assorbono le radiazioni luminose.

Occorre quindi partire da reagenti molto puri, ottenuti con metodologie di purificazione dei composti di partenza. Se questi sono volatili, si purificano per distillazione, altrimenti si ricorre a tecniche in soluzione quali la filtrazione, la ricristallizzazione, lo scambio di cationi, l’estrazione con solventi e l’elettrolisi.

Ottenuti i reagenti, questi vengono fusi fino ad ottenere un vetro assolutamente omogeneo ed esente da bolle. Le possibili contaminazioni in questa fase possono derivare dal materiale costituente il crogiolo e dall’ambiente del forno. Si utilizzano quindi crogioli di quarzo di purezza equivalente che vengono collocati in un forno rivestito con refrattari silicei, nella cui parte superiore vengono inseriti i condotti di adduzione ed estrazione del gas necessari per assicurare le condizioni ambientali richieste.

Due sono essenzialmente le metodologie per la produzione delle fibre ottiche:

• Filatura diretta della fibra
• Filatura della fibra da una preforma

Filatura diretta della fibra

Affronteremo in questo articolo la filatura diretta della fibra, rimandando ad un successivo appuntamento la filatura della fibra da una preforma.

Due sono i metodi usati per la filatura diretta della fibra ottica:

• Il metodo del doppio crogiolo
• Il metodo rode in tube

1 Metodo del doppio crogiolo

Nel metodo del doppio crogiolo, nella prima fase (formazione delle barre di vetro), i componenti che costituiranno il vetro vengono ridotti in polvere e miscelati opportunamente per ottenere il vetro destinato al core ed il vetro destinato al cladding.

Le polveri vengono così miscelate e fuse prima di effettuare l’operazione di tiraggio con il quale vengono prodotte delle barre, distintamente destinate al core e al cladding, con diametro di 5-10 mm e lunghezza di qualche metro.

Figura 1 – Metodo del doppio crogiolo.

Nella seconda fase (filatura della fibra ottica), un crogiolo cilindrico interno contenente il vetro del core è inserito, in modo concentrico, all’interno di un secondo crogiolo di diametro maggiore contenente il vetro del cladding.

Entrambi i crogioli, realizzati in platino, sono forati in corrispondenza alla loro base e la fibra può così essere filata direttamente dal fuso che cola attraverso gli orifizi.

Il metodo del doppio crogiolo è stato perfezionato per ottenere una fibra a gradiente d’indice, alzando il crogiolo interno rispetto alla base di quello esterno, in modo da sfalsare gli orifizi dei due crogioli di un tratto L.

In questo tratto si verifica un processo di diffusione o scambio di ioni mobili attraverso l’interfaccia tra core e cladding, che dà luogo, in base alla lunghezza L, ai coefficienti di diffusione degli ioni ed al tempo concesso per la diffusione in relazione alla velocità di tiraggio della fibra, al profilo desiderato dell’indice di rifrazione.

Con questa tecnica possono essere prodotte lunghe fibre, sia step-index che graded index.

Si tratta di una tecnica che comporta un elevato rischio di contaminazione da parte dei crogioli e dell’aria.

2 Metodo rode in tube

Nel metodo rode in tube, un’asta costituita dal vetro del core è posta dentro un tubo costituito dal vetro del cladding facendo in modo di ottenere una perfetta adesione.

L’asta ed il tubo sono in genere lunghi un metro, mentre il diametro è generalmente di 30 millimetri.

L’estremità di questo assieme viene sottoposta a riscaldamento fino al rammollimento del materiale. Quando entrambi i vetri rammolliscono, la fibra può essere filata.

Figura 2 – Metodo rode in tube

Perché questo metodo possa essere applicato, è necessario che il vetro del core ed il vetro del cladding abbiano temperature di rammollimento simili.

Con tale metodo è inoltre assolutamente necessario porre molta attenzione a non introdurre impurezze fra il core ed il rivestimento.