Cos’è la fibra ottica: tra telecomunicazioni e diagnostica

FIBRA OTTICA, COS’È?  RISPOSTE E OSSERVAZIONI

La scienza che si occupa di studiare la luce è chiamata Fotonica: questa disciplina, che si muove tra Fisica Classica e Quantistica, analizza la propagazione della luce in materiali diversi e fornisce una risposta alla domanda iniziale che chiede cos’è la fibra ottica. Nel 1970, anche grazie alla formalizzazione dei fenomeni di trasmissione, riflessione e assorbimento della luce nei materiali dielettrici, un gruppo di ricerca newyorchese propose la prima fibra ottica per telecomunicazioni, a tutti gli effetti una guida d’onda elettromagnetica. In effetti la sua efficienza, bassa attenuazione del segnale rispetto ai sistemi precedenti (con un minimo di 0.2 dB/Km a 1550 nm di lunghezza d’onda) e velocità di trasmissione permisero alla fibra ottica di inserirsi  fin da subito come strumento per le telecomunicazioni e internet. La velocità di trasmissione in fibra ottica è infatti leggermente inferiore alla velocità della luce nel vuoto: il vantaggio rispetto ai mezzi utilizzati in precedenza risulta quindi evidente. Il primato della fibra ottica nel settore delle telecomunicazioni, tuttavia, non ha sfavorito l’evoluzione multidisciplinare dello strumento e ha permesso lo sviluppo di diverse applicazioni nella diagnostica medica e nell’illuminotecnica, con un conseguente avanzamento tecnologico. Gli ulteriori vantaggi della fibra ottica rispetto ai sistemi precedenti sono il suo spessore (paragonabile a quello di un capello), il peso, la resistenza in ambienti estremi, la scarsa sensibilità a cambi di temperatura e, infine, l’insensibilità a disturbi elettrici. Per farsi un’idea dell’attuale processo di produzione delle fibre ottiche basti sapere che, industrialmente, queste vengono ricavate da grandi torri di estrazione, per essere poi avvolte da un argano. Le torri di estrazione sono progettate in modo da assemblare correttamente la fibra di Silicio, che altrimenti non propagherebbe la luce e perderebbe la sua funzione di guida d’onda. Infatti, questo strumento deve necessariamente presentare due zone: un nucleo centrale, il core, e un involucro esterno, il cladding, distinti da indice di rifrazione e spessore diversi. All’esterno di questa struttura vetrosa viene quindi applicata una guaina polimerica protettiva chiamata jacket. I cavi di fibra ottica contengono solitamente cinque fibre e due filler rinforzanti, racchiusi in diverse guaine che conferiscono resistenza meccanica e protezione dai danni più comuni. Nonostante la funzione generale di guida d’onda, esistono molti tipi di fibra ottica le cui principali caratteristiche sono spiegate in seguito.

Come distinguere le fibre ottiche

Le fibre ottiche si distinguono principalmente in base al diametro del nucleo, al profilo dell’indice di rifrazione e alla presenza o meno di caratteristiche dovute all’inserimento intenzionale di impurità nel materiale (drogaggio). Per semplicità, riporteremo solo alcuni esempi di fibre ottiche tralasciando per il momento quelle più complesse, come le fibre ottiche a cristalli fotonici. Principalmente, viene fatta una distinzione tra fibre ottiche multimodali (MM) o a singolo modo (SM), a seconda che queste ammettano la propagazione di un numero definito di modi (“cammini”) del campo elettromagnetico  o, in caso contrario, solamente del modo fondamentale. Le differenze principali risiedono nel diametro del nucleo e nel profilo dell’indice di rifrazione. Infatti, le fibre ottiche MM hanno un diametro del core di circa 50 micrometri e un indice di rifrazione graduato per compensare la Dispersione Modale. Questo è uno dei fenomeni potenzialmente deleteri per la comunicazione in fibra ottica, assieme alla Dispersione Cromatica e alla Dispersione di Polarizzazione, che necessitano di una gestione più attenta rispetto alla prima. La dispersione dei modi, dovuta a cammini ottici percorsi a velocità diverse, compromette la forma del segnale al ricevitore con un potenziale danneggiamento del segnale cronologicamente successivo (interferenza intersimbolica).  Le fibre ottiche a singolo modo, invece, hanno diametri del nucleo che si aggirano attorno ai 10 micrometri e, solitamente, un profilo dell’indice che è detto a step. Inoltre, ammettendo la propagazione di un unico modo del campo elettromagnetico, queste fibre ottiche non risentono della Dispersione Modale. La relativa semplicità di fabbricazione e l’annullamento della dispersione dei modi rendono le fibre ottiche SM di più facile gestione. Le sorgenti di luce da accoppiare alle fibre ottiche sono di diverso tipo, in particolare per le fibre ottiche SM è necessario l’utilizzo di luce monocromatica e coerente. Questa necessità viene soddisfatta dall’uso di sorgenti LASER, che tuttavia comportano investimenti maggiori nella strumentazione.

 

Propagazione guidata della luce in fibra ottica

Assumendo uno scenario ideale nell’ambito dell’ottica classica, il meccanismo di propagazione della luce in fibra ottica è legato alla Riflessione Totale Interna (RTI) del fascio luminoso, che rende questo strumento una vera guida d’onda. In particolare, si può formalizzare la RTI con la Legge di Snell per la propagazione della luce da un mezzo con indice rifrattivo più alto a uno di indice più basso. Nel caso della fibra ottica, quindi, ragioniamo a partire dal core per procedere verso lo strato sterno, il cladding. Qui bisogna considerare l’angolo di incidenza del fascio che, una volta superato, impedisce la sua propagazione nel mezzo circostante, ovvero l’ angolo critico. Nonostante la sua immediatezza, questo scenario non considera azioni esterne esercitate sulla fibra ottica. Ad esempio,  non si valuta che la fibra possa essere piegata, aumentando così le perdite di segnale. Se curvassimo la fibra, infatti, a un certo punto l’angolo di incidenza scenderebbe sotto il valore dell’angolo critico causando la fuoriuscita del fascio dal core. Questo esempio è  molto interessante perché implica che il deterioramento del segnale, dovuto alla curvatura, possa essere rilevato analizzando i dati raccolti al ricevitore. La fibra ottica è quindi di per sé un sensore. I vantaggi del sensing in fibra ottica sono legati alle caratteristiche della fibra ottica stessa e alla possibilità di integrare sensori per lunghi tratti (come i reticoli di Bragg in multiplexing). Con questi presupposti, T. Ermatov et al.(2020) hanno condotto uno studio, pubblicato sulla rivista Nature, sull’analisi multispettrale di liquidi biologici in fibra ottica.

BIOSENSORI IN FIBRA OTTICA

Il progetto, di cui sono stati pubblicati i risultati su Nature, è stato realizzato tra Mosca e Tel Aviv dove due gruppi di ricerca hanno collaborato per produrre una fibra ottica in grado di monitorare, anche in tempo reale, la concentrazione di bioanaliti in soluzione. La diagnostica real-time, infatti, necessita di processi innovativi per ridurre le tempistiche e possibilmente i costi della strumentazione. Il biosensing ottico è, nel contesto, una delle tecniche più promettenti poiché risponde adeguatamente a queste necessità. I dispositivi maggiormente utilizzati per tracciare la concentrazione di bioanaliti in soluzione sfruttano la risonanza e si basano su dati spettrometrici. Queste tecniche prevedono l’utilizzo di un binder, che può essere ottimizzato per aumentare la selettività del sensore: si pensi ad esempio all’utilizzo di un anticorpo specifico (il binder) per un legare un antigene. Purtroppo, questi metodi non considerano la dispersione dell’indice di rifrazione, ovvero la distribuzione di valori misurabili a seconda della lunghezza d’onda di acquisizione. Il profilo di dispersione dell’indice rifrattivo, grazie alla sua unicità, consente il riconoscimento del bioanalita e il monitoraggio in tempo reale della composizione di liquidi biologici. Il gruppo di ricerca ha quindi pensato a una soluzione in fibra ottica, che introduciamo brevemente nella sezione successiva.

Una fibra ottica particolare

L’oggetto della ricerca è una fibra ottica con microstrutture capillari e core cavo (HC-MOF). Lo strumento sfrutta il sensing multispettrale (IMOS) eseguito contemporaneamente al passaggio della soluzione nel core, che avviene grazie ad una pompa peristaltica. Il segnale, prodotto da una sorgente alogena e trasmesso lungo la fibra ottica, viene quindi misurato con uno spettrometro e una camera CCD. I dati raccolti sono analizzati in termini di posizione dei massimi e minimi di trasmissione e, infine, collegati all’indice di rifrazione del bioanalita grazie alle Relazioni Costitutive della materia (RC). La risposta di un mezzo che interagisce con una radiazione elettromagnetica (probing field) è infatti descritta dalle RC, che coinvolgono la permeabilità magnetica e permittività dielettrica del materiale. A partire da quest’ultimo parametro si può poi ricavare l’indice di rifrazione del mezzo in analisi. I test, condotti dai ricercatori sull’albumina di bovino in soluzione acquosa, hanno dimostrato una risoluzione di 1 grammo per litro di soluzione, rispondendo agli standard comuni. Il team è anche stato capace di valutare la dispersione dell’indice rifrattivo dell’albumina tra 400 nm e 850 nm di lunghezza d’onda, per la prima volta in assoluto. Il vantaggio di questa fibra ottica consiste nel monitoraggio in tempo reale della concentrazione di diverse sostanze presenti nel sangue umano, come l’emoglobina glicata o l’albumina sierica. Recentemente, inoltre, è stata accertata la validità dei cambiamenti di indice rifrattivo del sangue, utilizzati come ulteriore criterio per valutare l’andamento di terapie antitumorali. Il monitoraggio di variazioni nell’indice di rifrazione dell’emoglobina glicata, invece, sembrerebbe permettere una diagnosi efficace di patologie metaboliche quali il Diabete Mellito di Tipo II o condizioni prediabetiche. La tecnica introdotta da Ermatov et al. (2020), oltretutto, non necessita di ulteriori strumenti come cavità esterne o interferometri, permettendo una riduzione complessiva dei costi. La possibilità di tracciare i bioanaliti in tempo reale attraverso l’analisi della dispersione dell’indice di refrazione, infine, rappresenta un vantaggio rispetto alle altre tecniche utilizzabili e rende questa particolare fibra ottica un biosensore davvero promettente.

UNA TECNOLOGIA IN CONTINUA  EVOLUZIONE

Lo studio delle proprietà della luce risale a tempi antichissimi: persino Ovidio, autore latino, si interrogò sul fenomeno della visione proponendo soluzioni interessanti, seppur lontane dalla spiegazione rigorosa della nostra Fisica Classica. Un ulteriore passo avanti è dovuto ai famosi Einstein e  Planck, che con i loro studi in Fisica Quantistica (ad esempio la Legge di Planck) hanno aperto nuove finestre sulle possibili applicazioni della luce. Infine, le invenzioni del laser e della fibra ottica hanno sancito una vera e propria rivoluzione, iniziata dalle telecomunicazioni e non ancora conclusa. Gli strumenti ottici e optoelettronici, infatti, sono in continua evoluzione e promettono grossi benefici per il mercato, ma anche per noi: si pensi ad esempio alle tecnologie fotovoltaiche.  Questo è anche il caso della fibra ottica HC-MOF, proposta da T. Ermatov et al. (Nature, 2020), che permette di misurare in tempo reale la concentrazione di bioanaliti nel sangue grazie al suo design particolare. Il risultato ottenuto dai ricercatori è molto importante, perché comporta una diminuzione dei tempi e dei costi della strumentazione diagnostica attualmente utilizzata in ambito medico. I biosensori ottici, come abbiamo spiegato precedentemente, permettono il monitoraggio di diverse sostanze tra cui l’emoglobina glicata, una molecola importantissima nella diagnosi di varie forme di Diabete o condizioni prediabetiche. Un accertamento accurato del nostro stato di salute è, infatti, fondamentale per promuovere terapie efficaci e mirate: in questo senso, la fibra ottica sembra promettere soluzioni innovative e coerenti con lo sviluppo subito dalla tecnologia.