La trasmissione all’interno di una fibra ottica è analoga a quella delle guide d’onda, solo che in questo caso i dati trasmessi sono impulsi ottici. Le prestazioni delle fibre ottiche sono di gran lunga superiori a quelle dei cavi coassiali che le hanno precedute nello stesso impiego fino a venti anni fa, infatti sono in grado, ad esempio, di trasferire 12.000 telefonate contemporaneamente in una sola fibra.
L'invenzione delle fibre ottiche è da inquadrarsi nel periodo intorno agli anni '70 a seguito 
di un'intensa ricerca scientifica che si svolse in particolare negli USA e nell'URSS anche se separatamente, e spesso in concorrenza, per motivi politici e militari. Vengono inventati in quello stesso periodo tutta una serie di dispositivi optoelettronici di interesse sia industriale che politico e soprattutto militare, come il laser, i fotomoltiplicatori, i fotodiodi, ecc...Le fibre ottiche sono costituite da una parte centrale, detta core (nucleo) ed una parte esterna detta cladding (mantello) realizzate in silice (SiO2), che è il costituente principale del comune vetro, e da una guaina protettiva in PVC, come indicato in figura.
Il core ed il cladding hanno indici di rifrazione diversi: l’indice di rifrazione del core è maggiore di quello del mantello per poter avere la riflessione totale nel passaggio core-cladding. Nelle fibre ottiche di comune utilizzo, valori tipici per gli indici di rifrazione sono n2=1,475 per il cladding e n1=1.5 per il core; con questi valori si trova un angolo limite di 79,5°. Per modificare l’indice di rifrazione della silice vengono utilizzati i seguenti droganti: ossido di germanio (GeO2) e ossido di fluoro (P2O5) per alzarlo, mentre per abbassarlo si fa uso di ossido di boro (B2O3) e ossido di fosforo (SiF4).
Una fibra ottica può essere considerata come una guida d'onda di forma cilindrica, caratterizzata dal fenomeno di propagazione della radiazione luminosa, fenomeno che si basa sulla variazione dell'indice di rifrazione all'interno del materiale dielettrico.
Un raggio luminoso che incide su una superficie di interfaccia tra due mezzi di indici diversi (n1 > n2) viene in parte riflesso e in parte rifratto o trasmesso, secondo la nota legge di Snell (o legge dei seni):
Le onde luminose sono onde elettromagnetiche esattamente come le onde radio, raggi X e raggi Gamma, l’unica differenza è la frequenza. La velocità della luce varia sensibilmente a seconda del mezzo attraversato, nel vuoto tale velocità si indica con c e vale:
Nei materiali a maggior densità, la velocità della luce, indicata con v, è inferiore. Si definisce indice di rifrazione il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto c rispetto a quella nel mezzo v e si indica con n
Analizzando un raggio di luce (raggio incidente) che colpisce la superficie di separazione di due differenti materiali, osserviamo che si divide in due:
raggio riflesso, che continua a propagarsi nel primo materiale;
raggio rifratto, con direzione diversa dal raggio incidente, si propaga nel secondo materiale.
Il raggio incidente e il raggio riflesso formano con la normale N passante per il punto di incidenza due angoli, detti angolo di incidenza ed angolo di riflessione. Per la legge di riflessione, sperimentalmente verificata,
Esiste inoltre un altro angolo formato dal raggio rifratto con la normale N, detto angolo di rifrazione. Per la legge di Snell o legge di rifrazione, il rapporto fra il seno dell’angolo di incidenza e il seno dell’angolo di rifrazione è costante ed è pari all’indice di rifrazione del secondo membro relativo al primo
I parametri n1 ed n2 sono gli indici di rifrazione nei materiali, caratterizzando la propagazione del raggio luminoso, ciò significa che il raggio di luce viene rifratto a seconda della costituzione del mezzo. L’indice di rifrazione n viene definito come il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto (c=300.000 Km/s) e la velocità della luce nel mezzo considerato v:
Se n1 > n2si ha che:
In questo caso, all'aumentare dell'angolo di incidenza, l'angolo di rifrazione aumenta mantenendosi sempre maggiore dell’angolo di incidenza. Si definisce angolo limite a1, l'angolo di incidenza che rende:
Se l'angolo di incidenza è maggiore di a1 scompare il fenomeno della rifrazione e si ha la riflessione totale.
Da quanto detto si constata che un raggio luminoso, propagandosi da una sostanza meno densa ad una più densa forma un angolo di incidenza più grande dell’angolo di rifrazione. Se il raggio luminoso si propaga da una sostanza più densa ad una meno densa l’angolo di incidenza è minore dell’angolo di rifrazione. Il fenomeno della propagazione guidata della luce nelle fibre ottiche è correlato alla riflessione totale, che è riconducibile alla seconda delle due possibilità qui sopra elencate, cioè al caso in cui:
tale fatto è dovuto ad un angolo di rifrazione di 90° che provoca una rifrazione del raggio radente alla superficie di separazione. L'angolo limite 
si ricava dalla legge di Snell ponendo:
e
si ottiene:
L’angolo limite dipende quindi dalla natura dei mezzi impiegati: se l’angolo di incidenza è superiore all’angolo limite, il raggio rifratto è assente e quindi tutta l’energia viene riflessa totalmente.
La propagazione della luce nella fibra ottica avviene nel core. Poiché l'indice di rifrazione n1 del core è maggiore di quello del cladding n2, è possibile imporre che l'angolo di incidenza alla superficie di separazione tra core e cladding sia maggiore dell'angolo limite. In questo modo il raggio subisce una riflessione totale e si propaga nel core per riflessioni multiple: trascurando le perdite, non vi è dispersione di energia radiante verso l'esterno poiché si lavora in assenza di rifrazione.
Se l'angolo di incidenza fosse inferiore a quello limite si avrebbe rifrazione nel cladding, una parte del fascio luminoso si disperderebbe verso l'esterno e solo la parte rimanente si propagherebbe nel core per riflessione. Quest'ultima parte subirebbe, poi, un'ulteriore riflessione e rifrazione e così via: dopo un breve percorso, il fascio di luce si esaurirebbe completamente, per questo motivo si lavora a riflessione totale. Nella figura che segue si mostra la propagazione della luce nella fibra ottica.
L'immissione della luce nella fibra ottica avviene da un mezzo avente indice di rifrazione no, al core ad indice di rifrazione n1. Indicando con 
l'angolo di incidenza tra il raggio di luce nel mezzo con n = n0 (di solito l'aria) e l'asse del core, vale la legge di Snell della rifrazione tra l'aria e il core:
L'angolo 
e l’angolo 
sono complementari per cui:
Per
si ha
dove 
è il massimo valore di che consente la riflessione totale all'interno della fibra. Si definisce angolo di accettazione il massimo valore di incidenza che consente la riflessione totale all'interno della fibra; l’angolo di accettazione individua il cono di accettazione della fibra.
Si ha
Si consideri un impulso luminoso di breve durata che si propaga in una fibra ottica, i percorsi di propagazione seguiti dai raggi di luce sono diversi e pertanto anche i rispettivi tempi impiegati: impiegano un tempo inferiore i raggi che si propagano con angoli di incidenza più piccoli (percorsi più brevi) e quindi arrivano in ritardo i raggi con percorsi più lunghi. Tale fenomeno di ritardo temporale viene chiamato dispersione modale, la conseguenza della dispersione modale è la degradazione della forma dell'impulso, cioè rende l'impulso di origine deformato, allargato ed appiattito.
L’impulso luminoso immesso nella fibra si scompone in vari raggi ognuno dei quali segue un percorso diverso all'interno della fibra, giungendo a destinazione in tempi leggermente diversi, leggermente deformato, a breve distanza, e scomposto in vari impulsi più piccoli a grande distanza. Nel caso in cui l'impulso luminoso è costituito da raggi con angolo di entrata variabile da zero fino a , la propagazione dei vari raggi lungo la fibra si completa in tempi differenti: i raggi paralleli all'asse, compiendo un percorso più breve, impiegano un tempo inferiore ai raggi con angolo di entrata nella fibra maggiore di zero.
Per ridurre la dispersione modale occorre rendere gli indici di rifrazione n1 e n2 molto vicini tra loro. Al limite, se fosse n1 = n2, la luce propagherebbe solo lungo la direzione dell'asse, in questo caso esiste una sola direzione di propagazione e la fibra si dice monomodale. Se n1 è diverso da n2 possono esistere più raggi (modi) che si propagano lungo la fibra (fibre multimodali), non tutti i modi, però, si possono propagare lunga la fibra ottica, cioè non tutta la luce che viene immessa viene propagata, infatti, si propagano solamente i modi che hanno luogo nel core e che sono relativi a riflessioni totali che avvengono a multipli interi della lunghezza d’onda del raggio luminoso. I modi che non si propagano vengono completamente eliminati dopo un percorso compreso da 1 e 50 m che dipende dal tipo di fibra.
Il principale responsabile delle perdite causate nelle fibre ottiche è l’indice di rifrazione. Tale parametro fondamentale può essere in qualche modo manipolato al fine di limitare e ridurre al minimo le perdite dovute soprattutto alla dispersione modale, cioè alla dispersione dovuta ai diversi tempi di transito dei raggi luminosi che possono compiere percorsi più o meno lunghi. Questo tipo di dispersione si verifica solo nelle fibre multimodali, si può quindi variare l’indice di rifrazione in modo da distribuirlo diversamente nel nucleo. Il modo con cui viene distribuito nel nucleo l’indice di rifrazione, a partire dal centro del core verso l’esterno, viene chiamato profilo dell’indice di rifrazione, il quale definisce il tipo di fibra. Si possono distinguere i seguenti tipi di fibre:
step index (indice a gradino)
step index (indice a gradino)graded index ( indice a variazione graduale)
Le fibre monomodo, di sezione molto più piccola delle multimodo, consentono il passaggio degli impulsi luminosi seguendo solo un tragitto. Le fibre monomodo, quindi, non hanno il difetto della dispersione modale, consentendo di aumentare la portata, però hanno il difetto di una sezione molto piccola che comporta il trasporto di una piccola potenza luminosa che limita la portata a cui il segnale si può trasmettere.
Le fibre monomodali con profilo d’indice a gradino presentano un profilo costante nel core, il cui diametro è molto ridotto (circa 5 – 10 µm ), e decrescente bruscamente con un gradino (step) nel mantello dove ancora rimane costante. Il salto dell’indice è dovuto al passaggio dal valore n1 al valore n2. Il diametro del cladding è di 125 micron, il raggio si propaga in un unico modo perché è costretto, dal diametro molto piccolo del core, a propagarsi quasi parallelamente all’asse della fibra.
I vantaggi di questo tipo di fibra sono:elevato tempo di vita (circa 20 anni);assenza di dispersione;minima perdita della potenza ottica;attenuazione < 0,45 dB/Km (
);larghezza di banda > 10 GHz/Km ().
Gli svantaggi si limitano fondamentalmente in due punti:problemi di connessione a causa del piccolissimo diametro del core (perdite per disallineamento assiale);elevata potenza ottica richiesta.
Il profilo dell’indice di rifrazione è come quello già visto per le fibre monomodo, l’unica differenza è che in questo caso il diametro del core è di 50-60 µm, mentre il diametro del cladding può assumere dimensioni tra 125-750 nm. La propagazione dei raggi di luce nel core avviene per ripetute riflessioni (a zig-zag) e siccome hanno la stessa velocità e l’indice di rifrazione è costante, arrivano all’estremità più lontana in tempi diversi (alta dispersione modale).
Il materiale di base per la realizzazione di questo tipo di fibre è la silice che presenta buone caratteristiche meccaniche, adatte per la lavorazione, buon comportamento nello spettro visibile ed infrarosso e bassa attenuazione.
Per aumentare il suo indice di rifrazione, quello relativo al core, si aggiungono delle impurità (drogaggio) quali ossido di fosforo o di boro, per quello del cladding si aggiunge ossido di fluoro. Le fibre multimodali step-index non trovano applicazione a causa dell’alta dispersione modale e delle perdite di potenza.
L’attenuazione per questo tipo di fibra si aggira intorno ai 5 dB/Km con una lunghezza di banda di 50 MHz/Km, dati che si riferiscono ad una lunghezza d’onda di 
=820 nm; l’allargamento temporale dovuto alla dispersione modale nelle fibre ottiche con profilo d’indice a gradino (step index) assume i seguenti valori tipici:
Il problema della dispersione modale è stato in parte risolto cercando di controllare la velocità dei raggi luminosi in modo da ottenere lo stesso ritardo per tutti i raggi e farli giungere all’uscita nello stesso istante. Per questo scopo allora è stato realizzato un profilo con indice di rifrazione del core variabile, in particolare, l’indice di rifrazione diminuisce gradualmente dal centro del core fino alla superficie di separazione e rimane costante nel cladding.
L’effetto che si ottiene con l’indice del core decrescente è di ottenere per tutti i modi di propagazione percorsi non più rettilinei ma elicoidali: i raggi si riflettono allontanandosi dall’asse del core perché passano da un mezzo più denso ad uno meno denso. In questo modo, i raggi che si allontanano maggiormente dall’asse, cioè quelli che compiono percorsi più lunghi, viaggiano in un mezzo con indice di rifrazione minore e quindi con velocità più alta, quelli invece che si avvicinano maggiormente all’asse viaggiano in un mezzo con indice di rifrazione maggiore e quindi velocità più bassa, pertanto, i percorsi più lunghi vengono compensati da una velocità di propagazione maggiore, i percorsi più brevi vengono compensati da una velocità di propagazione minore. All’uscita della fibra la dispersione modale risulta ridotta e i modi arrivano quasi contemporaneamente.
Le perdite causate dalle fibre ottiche sono quelle che deformano il segnale di ingresso (dispersione) quelle che ne determinano l'attenuazione. Lo studio delle caratteristiche delle fibre ottiche è molto importante perché determina la capacità del canale trasmissivo e la massima distanza tra trasmettitore e ricevitore senza la necessità di ripetitori intermedi.
L’attenuazione delle fibre ottiche è dovuta a diversi fattori che causano perdite di potenza, di solito misurate in dB/Km.
Le perdite possono essere raggruppate in due categorie:perdite dovute alla realizzazione tecnologica;perdite dovute all’interconnessione tra fibre ottiche;
in entrambi i casi, le perdite si possono imputare a cause di tipo:intrinseco (non eliminabili, dipendono dalle caratteristiche delle fibre);estrinseco (non eliminabili, ma migliorabili, dipendono dalla imperfetta realizzazione di connessione tra le fibre).
Nella seguente tabella sono elencate i tipi di perdita in una fibra ottica
perdite dovute alla realizzazione tecnologica | perdite dovute all’interconnessione tra fibre ottiche |
perdite intrinseche: | perdite intrinseche: |
E’ un fenomeno di sparpagliamento del raggio luminoso in tutte le direzioni a causa della disomogeneità della struttura che costituisce la fibra, disomogeneità dovute alla presenza di particelle metalliche, di bolle d’aria, ecc...Poiché i raggi diffusi presentano angoli diversi da quelli che garantiscono la riflessione totale nella fibra, escono dal core e si disperdono nel cladding, così vengono causate perdite di energia sia verso il cladding che verso la sorgente. Tali perdite non si possono eliminare perché dipendono dal trattamento del materiale durante la fase di lavorazione.
L'assorbimento è un fenomeno dovuto fondamentalmente alla presenza di impurità nei materiali della fibra (ioni metallici di Fe, Co, Ni, Cu, Cr, ecc.) e di ioni di acqua OH-, chiamati ossidrili; si tratta dell'assorbimento totale o parziale dell'energia luminosa a livello molecolare da parte delle impurità presenti nella fibra. Nonostante il sofisticato trattamento delle fibre mirato ad ottenere un elevato grado di purezza, esiste sempre una presenza residua di alcune sostanze che manifestano maggior assorbimento (picchi) a particolari lunghezze d'onda. L'assorbimento risulta funzione della lunghezza d'onda, si nota che per alcuni ioni metallici l'assorbimento in funzione di 
è più o meno graduale, mentre per gli ioni di acqua OH- si hanno forti picchi per lunghezze particolari di 950 - 1250 e 1400 nm, in quanto sono causa di maggior assorbimento. In particolare, nella regione dell'ultravioletto, una parte dell'energia luminosa viene assorbita causando l'eccitazione di alcuni elettroni di legame degli atomi del core che, una volta liberati, restituiscono energia sotto forma di calore.
Nella regione dell’infrarosso, una parte di energia viene assorbita provocando moti di agitazione termica, in quanto, per tali frequenze, si ha la risonanza degli atomi del core, con la conseguente conversione dell'energia elettromagnetica in calore. Sulla base delle considerazioni appena esposte, è stato stabilito che i sistemi di trasmissione ottici operino su tre intervalli di lunghezza d’onda, detti finestre indicati nella seguente tabella:
SPETTRO | LUNGHEZZA D'ONDA | IMPIEGO |
prima finestra | 800-900 nm | primi sistemi ottici, collegamenti urbani senza ripetitori ( a =2-3 dB) |
seconda finestra | 1250-1350 nm | sistemi a larga banda (m=0), collegamenti fino a 100 km senza ripetitori (x=0.4dB) |
terza finestra | 1500-1550 nm | sistemi attuali ed in fase di sviluppo (x =0,2 = minima) |
La minima attenuazione si ha intorno a = 1300 nm corrispondente ad una frequenza di 231000 GHz. Sulla base delle considerazioni appena esposte, è stato stabilito che i sistemi di trasmissione ottici operino su tre intervalli di lunghezza d'onda, detti finestre, per i quali risultano ottimizzati gli effetti della attenuazione. Le finestre derivano dalle tre zone delimitate dai tre picchi di massimo assorbimento (= 950 nm, =1250nm, = 1400 nm), le quali presentano attenuazioni ridotte.
Le fìbre monomodo operano nella seconda e terza finestra, mentre le fibre multimodo operano nella prima e nella seconda finestra. Inizialmente, per la trasmissione in fibra si usava la luce visibile, anche perché veniva più semplice lavorare con raggi visibili piuttosto che con raggi invisibili, ma successivamente, nel tentativo continuo della tecnica di migliorare le prestazioni dei sistemi di telecomunicazioni, si effettuarono esperimenti con raggi ultravioletti ed infrarossi, e si osservò che l'attenuazione degli infrarossi era minore di quella della luce visibile all'interno delle fibre ottiche. Si passò così all'utilizzo degli infrarossi in prima, poi in seconda, ed infine in terza finestra, aumentando la lunghezza d'onda della luce usata e riducendo l'attenuazione del segnale, raggiungendo così distanze maggiori.
Le fibre ottiche sono sottoposte spesso a sollecitazioni di tipo direzionale (curvature). Queste sollecitazioni provocano una dispersione del raggio incidente in quanto il corrispondente angolo a supera l’angolo di accettazione e si disperde in parte nel cladding; conseguenza di questo fatto è il cosiddetto mescolamento dei modi perché non tutti i raggi hanno angoli di riflessione uguali.
L’interconnessione tra fibre ottiche è una fase molto importante e particolarmente delicata per la realizzazione di un collegamento, le cause delle perdite sono dovute soprattutto alle diverse caratteristiche trasmissive delle due fibre ottiche nel punto di connessione.
La produzione delle fibre ottiche può essere divisa in tre categorie principali, per il trasporto di immagini, per il trasporto di luce e per il trasporto o amplificazione di radiazione. Esistono anche dei sensori a fibra che vengono utilizzati per monitorare variabili ambientali come pressione e temperatura. Oltre alle fibre in silice, per alcuni impieghi vengono utilizzate anche le fibre plastiche (in polistirene, polimetile), che hanno un’attenuazione molto alta, ma per piccole distanze ciò non rappresenta un problema, mentre prevalgono altri tipi di vantaggi (ad esempio maggiore flessibilità). I principali settori di applicazione delle fibre ottiche sono:medicina: trasporto immagini (diagnostica endoscopie), trasporto luce (interventi chirurgici), trasporto radiazione (laser - bisturi, scioglimento placche delle arterie);industria: trasporto radiazione (tagliare, saldare, perforare);fotonica: amplificazione radiazione (amplificatori ottici a fibra attiva), trasporto
radiazione ed impieghi particolari (calcolatore ottico);ricerca;telecomunicazioni: trasporto radiazione.
I vantaggi nell’uso delle fibre ottiche sono:larghezza di banda incredibilmente elevata (> 1GHz/Km);attenuazione della fibra inferiore a 1 dB/Km indipendente dalla frequenza di modulazione del segnale;aumento della distanza tra ripetitori rigeneratori del segnale (30-40 Km);immunità a fenomeni di interferenza;sicurezza delle trasmissioni a causa della difficoltà di intercettare il segnale;assenza di problematiche legate alla sicurezza elettrica;riduzione del peso e degli ingombri;costi di installazione e manutenzione diminuzione.