Fibre ottiche più affidabili grazie a raggi X e IA: il metodo innovativo nella ricerca di Unical

Un gruppo internazionale di ricerca, coordinato dai ricercatori del Dipartimento di Fisica e dell’Infrastruttura di Ricerca STAR dell'Università della Calabria, ha sviluppato un metodo innovativo e non distruttivo per il controllo qualità delle fibre ottiche. La tecnica integra la tomografia tridimensionale a raggi X con algoritmi di intelligenza artificiale, rendendo la produzione di fibre ottiche più controllabile e spianando la strada a prodotti con prestazioni ottiche superiori.

Le fibre ottiche sono sottilissimi filamenti di vetro in grado di trasmettere segnali luminosi su lunghe distanze, strumenti essenziali per le comunicazioni ultraveloci e per le applicazioni diagnostiche avanzate. Ogni fibra è composta da un nucleo centrale, o core, che guida la luce, e da un rivestimento esterno, il cladding, che la mantiene confinata nel core. La produzione delle fibre avviene mediante il “tiraggio” (drawing), un processo ad altissime temperature in cui una barra di vetro viene fusa e allungata in filamenti continui che si estendono per chilometri. Durante questa fase, è cruciale che la forma e le dimensioni del core restino perfettamente costanti, un obiettivo che richiede un controllo geometrico e termico estremamente rigoroso.

Sebbene le tecnologie delle fibre ottiche risalgano agli anni ’60, la loro caratterizzazione presenta ancora alcune difficoltà. La maggior parte delle tecniche comunemente utilizzate, le cosiddette longitudinali, fornisce informazioni solo sull’estremità del filamento ma non è in grado di rilevare le variazioni che possono insorgere durante il processo di tiraggio. Un maggior dettaglio sull’uniformità interna è offerto dalle tecniche trasversali, che però richiedono il taglio della fibra per analizzare le sezioni. L’incapacità di monitorare la fibra per tutta la sua estensione, mantenendola integra, ha reso critica e imprescindibile l'adozione di una metodologia non distruttiva, in grado di mappare e certificare l'intera struttura.

Il nuovo approccio proposto in “Multiscale X-ray computed tomography of standard optical fibers”, appena pubblicato su Tomography of Materials and Structures, si basa sulla tomografia a raggi X, una tecnica non distruttiva che ricostruisce in 3D la microstruttura interna delle fibre sfruttando le diverse modalità di assorbimento dei raggi X dei materiali di cui sono costituite. Qui, i ricercatori hanno messo a confronto tre tecniche, ciascuna corrispondente a una diversa scala di osservazione e caratterizzata da specifici punti di forza e limiti. La microtomografia raggiunge una risoluzione dell’ordine di pochi micrometri (milionesimi di metro) e consente di analizzare tratti di fibra lunghi millimetri o centimetri. Tuttavia, può individuare soltanto difetti relativamente grandi, dell’ordine di decine di micrometri, paragonabili a un granello di polvere. La nanotomografia spinge la risoluzione fino a decine di nanometri (miliardesimi di metro) ed è in grado di individuare dettagli minuscoli — variazioni geometriche grandi quanto un virus — ma con un campo di osservazione limitato a segmenti molto brevi (pochi micrometri). La microscopia a raggi X (XRM), caratterizzata da una risoluzione di circa un micrometro, offre un compromesso efficace: consente di osservare tratti più lunghi mantenendo un buon livello di dettaglio, risultando così particolarmente adatta al controllo di processo su scala industriale.

La quantità e la complessità dei dati richiedono un’elaborazione dedicata. L’imaging XRM produce migliaia di proiezioni da diverse angolazioni, spesso affette da rumore e distorsioni geometriche. Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno integrato la XRM con algoritmi di deep learning in grado di correggere automaticamente gli artefatti e ricostruire con maggiore precisione la geometria tridimensionale. Questa procedura consente non solo di misurare con alta accuratezza le dimensioni del core, ma anche di rilevare difetti e strutture finora difficili da osservare, come variazioni graduali del core e i sottili strati intermedi (“trench”) interposti tra core e cladding.

«Questo metodo ci consente di osservare con chiarezza e affidabilità l’interno delle fibre ottiche standard, garantendo il rispetto delle specifiche e rilevando caratteristiche nascoste», spiega il Dr. Mario Ferraro, coordinatore della ricerca e ricercatore presso l'Università della Calabria, «Si apre così la strada a un controllo continuo e non distruttivo durante la produzione, e a linee di fabbricazione più intelligenti per le fibre di nuova generazione».

Hanno partecipato al progetto i ricercatori del laboratorio congiunto “MuST – MultiScale Tomography”, costituito fra l’Infrastruttura di Ricerca STAR dell’Università della Calabria, il CNR-NANOTEC di Rende (CS) e il Dipartimento di Fisica “G. Occhialini” dell’Università Milano – Bicocca. Sono stati coinvolti anche il Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per l’Ingegneria, il Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione, Elettronica e Telecomunicazioni di Sapienza – Università di Roma, la European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) di Grenoble (France), il Laboratoire Charles Fabry (Institut d'Optique Graduate School, CNRS e l'Université Paris-Saclay) e la Carl Zeiss S.p.A di Milano.

Informazioni sulla pubblicazione

Title: Multiscale X-ray computed tomography of standard optical fibers

Authors: M.C. Crocco, F. Cognigni, A. Sanna, R. Filosa, S. Siprova, R.C. Barberi, R.G. Agostino, S. Wabnitz, A. D’Alessandro, S. Lebrun, M. Rossi, V. Formoso, R. Termine, A. Bravin, M. Ferraro

Journal: Tomography of Materials and Structures 9 (2025) 100078

DOI: 10.1016/j.tmater.2025.100078

FONTE: Infrastruttura di Ricerca STAR - Università della Calabria

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