Parlare e vedere attraverso il vetro
LA LUCE — questo antico e misterioso simbolo di sapienza e intelligenza — non è più solo un simbolo. In anni recenti ha rapidamente e silenziosamente assunto il ruolo che le compete ed è diventata un effettivo mezzo di trasmissione di ogni specie di informazioni. Per poter sfruttare al massimo le possibilità della luce di trasmettere informazioni su lunghissime distanze, ci volevano due cose: (1) uno speciale tipo di luce e (2) uno speciale tipo di guida di luce.
Recentemente, grazie a una serie di entusiasmanti nuovi sviluppi, abbiamo cominciato a inviare quantità incredibilmente grandi di informazioni di ogni specie a grandi distanze e a enormi velocità usando fasci di luce. Sì, ora è possibile parlare, vedere e udire con sorprendente rapidità ed efficienza per mezzo di piccoli fasci di luce che viaggiano lungo sottilissimi filamenti di vetro. Come una sottile ragnatela, questi filamenti di vetro protetti entro cavi collegano già varie città degli Stati Uniti, dell’Europa e del Giappone. Si sta ora lavorando per stenderli attraverso gli oceani che separano i continenti.
Com’è possibile una cosa del genere dal momento che tutti sappiamo che la luce tende a seguire un percorso rettilineo? Cosa permette ai minuscoli raggi di luce di rimanere entro i filamenti di vetro allorché questi piegano agli angoli? Come fanno questi raggi ad arrivare così lontano e a trasportare così tante informazioni? Tutto ciò è possibile grazie a un particolare tipo di luce, la luce coerente.
L’efficacia della luce coerente
Nella trasmissione di informazioni, i vantaggi di un raggio di luce coerente rispetto a quelli di un raggio di luce normale si possono illustrare paragonando i fotoni di luce che viaggiano in una fibra di vetro a uomini che camminano per una strada. Un raggio di luce normale lo possiamo immaginare simile a una moltitudine di uomini di varia statura che camminano ciascuno con la sua andatura, intralciandosi l’un l’altro. Un raggio di luce coerente si può invece paragonare a soldati tutti della stessa statura, bene in riga, che vanno tutti al passo. È ovvio che l’andare al passo senza intralciarsi permette a un maggior numero di uomini di percorrere distanze più lunghe con maggiore efficienza e con meno dispendio di energia. Così avviene con la luce coerente.
A questo punto qualcuno potrebbe dire: ‘Perché c’è voluto tanto tempo prima di usare la luce in questo modo? Perché nessuno ci ha pensato prima?’ In effetti non si tratta di qualcosa di completamente nuovo. Almeno una persona, Alexander Graham Bell, vide l’utilità di parlare per mezzo della luce e nel 1880 pubblicò un saggio intitolato “Il selenio e i fotòfoni”.
L’idea si rivelava molto promettente, ma senza la luce coerente questa invenzione avrebbe potuto avere solo un limitato successo. Non fu che negli anni ’60, comunque, con lo sviluppo del LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ‘amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni’) che venne soddisfatto il primo essenziale requisito. A Bell mancava anche l’altro elemento essenziale: una guida di luce ad alta efficienza per trasmettere le informazioni.
Quelle ingegnose guide di luce: come funzionano?
Mentre alcuni continuavano a lavorare sui laser, altri ideavano e producevano tipi di vetro dotati di grande trasparenza e di ingegnosa composizione che permettevano alla luce coerente del laser di percorrere lunghissime distanze. Da questi materiali vennero quindi ricavate fibre sottili come capelli.
Molti di noi ricorderanno forse di avere visto fibre di vetro illuminate usate in artistici e vistosi centritavola. Per fare questi oggetti ornamentali, si prende un fascio di fibre di vetro o anche di plastica, lo si dispone a ventaglio come una composizione floreale e lo si illumina all’estremità inferiore. In questi oggetti artistici si usa di solito luce normale per illuminare le fibre. Questo illustra per lo meno come si può far viaggiare la luce lungo filamenti di vetro e su percorsi curvilinei anziché solo in linea retta come normalmente avviene. (Figura 1) In questi oggetti la luce percorre brevissime distanze.
Per permettere alla luce di percorrere distanze molto più grandi di queste, si applica al vetro o alla plastica uno speciale rivestimento. Questo rivestimento fa sì che i raggi di luce che avessero la tendenza a sfuggire ripieghino nel vetro e così si evita un’ulteriore dispersione di luce. Ci sono alcune ingegnose varianti nelle sostanze e nelle tecniche impiegate per rivestire le fibre. Ciò nondimeno, tutte queste varianti contribuiscono, ciascuna a modo suo e in determinate circostanze, ad aumentare la distanza che la luce può percorrere. (Figura 2)
Sebbene questi filamenti o fibre di vetro abbiano notevolmente migliorato la nostra capacità di trasmettere e di guidare la luce, è ancora necessario che la luce venga introdotta nelle fibre a un angolo inferiore o tutt’al più uguale all’angolo critico. Possiamo capire il principio secondo cui questo avviene rammentando che la superficie liscia di un lago può comportarsi come uno specchio. Infatti gli alberi lungo la riva del lago si possono a volte vedere riflessi sulla sua superficie. Si ha l’effetto di uno specchio perché la luce arriva ai nostri occhi ad un angolo molto piccolo. Proprio a questo angolo, detto angolo critico, la superficie dell’acqua riflette la luce come farebbe uno specchio. Allo stesso modo, quando la luce viene introdotta nei filamenti di vetro all’angolo critico o a un angolo inferiore, subisce una serie di riflessioni dentro la fibra, come se venisse trattenuta all’interno d’essa da un sistema di specchi, e ne sfugge pochissima.
Questi raggi possono percorrere fino a 40 chilometri o più lungo questi sottili filamenti senza bisogno di rigenerare la luce. Le prospettive per il futuro sono ancor più incoraggianti. Secondo un recente rapporto, sono state prodotte fibre ad altissima efficienza “capaci di trasmettere dati a migliaia di chilometri senza bisogno di ripetitori”.
Per proteggere questi meravigliosi conduttori di luce, è necessario ricoprirli con uno strato o un involucro di materiale protettivo. Per di più, spesso si aggiungono fibre e fili molto resistenti, come anche conduttori elettrici, in modo da formare piccoli cavi. (Figura 3) Protette all’interno dei cavi, queste fibre di vetro consentono di trasmettere informazioni con un’efficienza che non sarebbe mai stata possibile inviando correnti elettriche attraverso i comuni fili di rame. Questo vale specialmente per le lunghe distanze. Ma come fanno i dati, le immagini e la voce umana ad essere trasportati da questo speciale tipo di luce lungo quelle sottili fibre di vetro?
Come fanno le sottili fibre a trasportare il loro grosso carico
Se da una parte gli speciali tipi di raggi luminosi e le ingegnose fibre di vetro ci meravigliano, altrettanto entusiasmante è il modo in cui i raggi trasportano effettivamente il loro enorme carico di informazioni. Uno dei segreti fondamentali sta nella straordinaria velocità della luce, circa 300.000 chilometri al secondo. L’altro è l’elevatissima frequenza delle onde luminose, pari a miliardi di cicli al secondo. A motivo di queste alte frequenze, e con la codificazione degli impulsi luminosi, si possono racchiudere enormi quantità di informazioni nei raggi luminosi che viaggiano lungo le minuscole fibre. Consideriamo un esempio: parlare e udire per mezzo della luce.
Parlare e udire per mezzo della luce
Per poter parlare e udire, oltre che vedere, mediante la luce bisogna avvalersi di alcune delle più sofisticate tecnologie del nostro tempo. Comunque, per farci una piccola idea di come si svolge il processo del parlare e udire per mezzo della luce, prendiamone in esame solo alcune fasi.
Anche se nella trasmissione viene impiegata la luce, il processo effettivo ha inizio come sempre, parlando nella cornetta del telefono. Le onde sonore della nostra voce sono sempre convertite in corrispondenti segnali elettrici dal telefono. Dopo di che viene prelevata ad altissima velocità una serie di campioni di questi segnali elettrici. Questo processo è simile a quanto avviene in una cinepresa, che in effetti riprende una serie di immagini statiche del movimento. Queste immagini saranno poi proiettate, fotogramma per fotogramma, in rapida successione per dare a chi guarda l’impressione del movimento. Analogamente, questi campioni di segnali elettrici vengono prelevati e codificati con un procedimento multistadio e poi convertiti in impulsi luminosi. Gli impulsi luminosi codificati viaggiano quindi lungo il filamento di vetro fino all’estremità ricevente. Quando vi giungono, vengono riconvertiti con il procedimento inverso in onde sonore nel ricevitore del telefono. Quali vantaggi ne traiamo attualmente? Quali prospettive ci sono per il futuro?
Alcuni vantaggi attuali
Avevamo appena cominciato ad accettare e apprezzare l’attuale rete mondiale di comunicazioni, quando è apparso un sistema interamente nuovo. Le fibre ottiche promettono di rimpiazzare i cavi telefonici coassiali, i ponti radio e perfino alcuni ripetitori spaziali, offrendo in più tanti vantaggi.
◼ Comunicazioni senza interferenze. Uno dei più importanti vantaggi della trasmissione a fibre ottiche, per quanto riguarda l’utente del telefono, è che elimina quasi del tutto molti tipi di interferenza a cui ci siamo abituati. Fulmini, linee elettriche e generatori sono tutte fonti di disturbi indesiderati. Neppure i conduttori di rame fortemente schermati possono impedire il passaggio di alcuni di questi disturbi.
Se la vostra conversazione telefonica era trasmessa in parte via satellite, può darsi abbiate notato un ritardo di una frazione di secondo nella comunicazione, o qualche effetto dovuto alle condizioni atmosferiche. In passato ci potevano essere anche degli echi. Le fibre ottiche tuttavia tendono a eliminare sensibili ritardi e consentono una ricezione chiara e senza disturbi.
◼ Sicurezza nelle comunicazioni. La sicurezza assoluta è uno degli straordinari vantaggi delle fibre ottiche. Con esse si eliminano le interferenze acustiche e l’intercettazione dei messaggi telefonici è praticamente impossibile. Non è stato ancora trovato il modo di intercettare i messaggi che viaggiano su raggi luminosi, per lo meno non senza ridurre notevolmente il segnale e farsi così scoprire.
◼ Grande efficienza. Si può capire la straordinaria efficienza della trasmissione di informazioni mediante la luce considerando che si possono trasmettere contemporaneamente migliaia di conversazioni telefoniche usando soltanto una coppia di fibre ottiche. Si calcola che l’intero contenuto di un dizionario con oltre 550.000 voci possa essere trasmesso in sei secondi a migliaia di chilometri di distanza attraverso un unico filamento di vetro.
◼ Minimo ingombro e grande durata. In molti luoghi ci si sta già avvalendo di questa nuova tecnica. Le aree metropolitane ci guadagnano con queste nuove tecnologie che consentono di trasmettere una gran quantità di informazioni e che richiedono minori attrezzature. Gli impianti di commutazione ormai superati e che riempivano intere stanze possono ora essere sostituiti con gli impianti a fibre ottiche che abbisognano di uno spazio minimo. Inoltre, zone remote come gli isolotti della Florida godono ora di un servizio esente da disturbi. In queste e in altre zone simili la salsedine del mare, tende a causare cortocircuiti e a intaccare chimicamente i cavi. Con le fibre ottiche, però, il danno è minimo.
Uno sguardo al futuro
Il futuro di questa nuova tecnologia appare molto promettente. Il passaggio al nuovo sistema sta già avvenendo molto più rapidamente di quanto non predicessero alcuni. Si afferma che uno dei più grossi problemi sia quello di scegliere un sistema che non sia già superato quando verrà installato.
◼ Voce, immagini e computer da un solo terminale. In un articolo intitolato “Le prospettive dell’industria”, la rivista High Technology, nel numero del febbraio 1986, scriveva che “negli Stati Uniti le fibre ottiche sono diventate rapidamente il mezzo preferito per trasmettere la voce, dati e immagini, specie su lunghe distanze”. L’articolo prosegue affermando: “Stiamo incominciando a installare una rete di fibre ottiche che arriverà fino nelle case. Si impiegherà un terminale capace di gestire la voce, le immagini e di . . . accedere a una banca dati per avere informazioni”. Questo offrirà almeno ad alcuni l’opportunità di fare acquisti, operazioni bancarie e prenotare i biglietti dell’aereo, oltre ad avere accesso a certe biblioteche, da casa propria. Dovrebbe anche essere possibile vedere i propri amici mentre parlano al telefono: tutto grazie alla luce che viaggia lungo quelle meravigliose fibre di vetro.
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La luce che viaggia lungo una fibra di vetro subisce una serie di riflessioni interne e non va persa attraverso la parete
Fibre e fili molto resistenti servono di protezione
Guaine di vetro o di plastica riducono la dispersione di luce
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Questo piccolo cavo a fibre ottiche trasporta lo stesso numero di conversazioni telefoniche di questo grosso cavo convenzionale, se non di più