Le fibre ottiche sono entrate ormai da tempo a far parte della tecnologia delle telecomunicazioni su grandi distanze. Il vasto impiego ha reso la loro utilità e versatilità ben nota anche a un pubblico di non esperti del settore. Tuttavia, una tecnologia che appare così ben consolidata non esclude, e anzi stimola, ulteriori ricerche rivolte allo sviluppo di fibre basate su nuovi materiali, in particolare semiconduttori, come è il caso del recente studio qui presentato.
Su cosa si basa la tecnologia odierna e come può essere superata con l’utilizzo di materiali semiconduttori? In pratica, attualmente le fibre ottiche sono fibre di vetro silicato a forma di cilindro molto sottile (con un diametro ben inferiore a un millimetro) in cui la luce recante il segnale da trasmettere è convogliata per lunghe distanze grazie al fenomeno della riflessione totale. In breve, la luce viaggia attraverso la zona centrale del cilindro, detta core, che possiede un indice di rifrazione superiore rispetto a quello della zona esterna chiamata cladding.
Quando un raggio luminoso entra nella fibra e incide sulla zona di separazione fra core e cladding con un angolo inferiore a un dato “angolo limite”, viene completamente riflesso e pertanto non è in grado di uscire dalla fibra. Il raggio viaggia quindi restando confinato all’interno della fibra, effettuando cammini obliqui e successive riflessioni totali. Il cambiamento di indice di rifrazione viene ottenuto tramite “drogaggio” (questo è il termine usato nel gergo dei crescitori di materiali), ovvero un arricchimento del vetro con elementi particolari, per esempio il germanio per il core e il boro per il cladding.
La tecnologia delle fibre ottiche di vetrose è pertanto ben consolidata. Essa presenta tuttavia alcune limitazioni, come, per esempio, la difficoltà di trasmettere segnali con lunghezze d’onda appartenenti ad alcune zone della regione dell’infrarosso, a causa della presenza di impurezze molto difficilmente rimuovibili dal vetro.
Sono, però, le numerose e crescenti applicazioni di sistemi in fibra ottica nel campo della fotonica e dell’ottica non lineare a stimolare la realizzazione di fibre alternative a quelle “tutto vetro”. Senza volerci qui dilungare (per una rassegna si veda “Advancements in Semiconductor Fiber Technology”, di J. Ballato et al., Optical Express vol. 16, 399 – 2010), citiamo, per esempio, il fatto che le fibre a semiconduttore potrebbero costituire una valida alternativa all’utilizzo di cristalli singoli in applicazioni di ottica non lineare. Infatti, questi processi richiedono la disponibilità a far viaggiare stretti fasci di luce in un cristallo su cammini piuttosto lunghi; le attuali tecniche a disposizione per la crescita di cristalli risultano lente e dispendiose, e pertanto si sta prendendo in considerazione l’utilizzo di cristalli in fibra.
In particolare, la ricerca si sta attualmente rivolgendo verso la realizzazione di fibre dove è solo il core a essere realizzato in materiale semiconduttore, mentre il cladding permane in vetro, anche allo scopo di conferire robustezza meccanica. Oggetto di una lettera apparsa questo mese sulla rivista Advanced Materials è proprio la realizzazione – da parte di alcuni ricercatori statunitensi dell’Università della Pennsylvania e inglesi dell’Università di Southampton, J.R. Sparks et al. – di una fibra, per il momento di alcuni centimetri di lunghezza, con il core di seleniuro di zinco (ZnSe), un semiconduttore composto.
Gli autori sono pervenuti a questo risultato sostanzialmente riempiendo un sottile capillare di vetro con il semiconduttore, utilizzando una tecnica di deposizione da vapore ad alta pressione e ad alta temperatura; il capillare ha diametro estremamente sottile, di circa 10 micron. Come si può immaginare, il suo riempimento con un materiale che alla fine del processo deve possedere eccellenti proprietà strutturali e ottiche presenta difficoltà tecnologiche notevoli. Ciononostante, i risultati ottenuti sinora sembrano molto promettenti, perché il semiconduttore possiede ottima cristallinità e inoltre è stata dimostrata la sua elevata trasparenza nell’infrarosso fino ad oltre 2000 nanometri.
Questo studio rappresenta un passo in avanti di grande rilievo nel nascente campo delle fibre a semiconduttore, che vede anche l’utilizzo di sistemi a base di semiconduttori semplici quali silicio e germanio. Tuttavia, le potenzialità applicative in fotonica di fibre a base di ZnSe, e più in generale di semiconduttori composti, potrebbero essere più ampie grazie alla loro più elevata trasparenza, alla migliore predisposizione a manifestare risposta ottica non lineare e alla facilità a essere drogati con elementi otticamente attivi.
