Introduzione
quindi la particolarità di riflettere la luce all’interno di un range di lunghezze
d’onda molto ristretto, lasciando trasmettere le altre lunghezze d’onda.
La struttura che verrà studiata in questo lavoro di tesi è realizzata completamente
in fibra ottica, ottenibile da un reticolo di Bragg standard (FBGs, Fiber Bragg
Gratings) introducendo due perturbazioni che ne interrompono la sua struttura
periodica, causando forti variazioni nella risposta spettrale rispetto a quella che si
avrebbe nel caso di un FBG standard.
Gli effetti principali sono un allargamento della banda oscura del reticolo e, al suo
interno, la formazione di una banda di lunghezze d’onda trasmesse, dove la forma
e la posizione sono dipendenti dalle caratteristiche geometriche delle
perturbazioni effettuate lungo il reticolo e dall’indice di rifrazione del mezzo
esterno che sostituisce il cladding.
Il Capitolo 1 è dedicato ad una breve panoramica sulle fibre ottiche, sui sensori e
sui filtri ottici descrivendone le principali caratteristiche, le diverse tecniche di
utilizzo e i campi di impiego.
Nel Capitolo 2 l’attenzione è rivolta ai reticoli di Bragg in fibra. In questo
capitolo sono descritti il principio di funzionamento e le tecniche di realizzazione.
Successivamente si introducono i reticoli di Bragg micro-strutturati (MSFBG) a
singolo e a multi-difetto, analizzandone la struttura, le caratteristiche spettrali e la
dipendenza dall’indice di rifrazione del mezzo esterno (SRI) .
L’SRI influisce sullo shift di fase che si ottiene nelle regioni assottigliate,
portando ad una buona accordabilità dei difetti all’interno della banda di arresto.
In particolare, fissate le caratteristiche della regione assottigliata, non appena
l’SRI aumenta, lo shift di fase diminuisce perché l’indice di rifrazione efficace
nella regione assottigliata aumenta, portando ad un shift nel difetto.
II
Introduzione
Nel Capitolo 3 viene descritta la tecnica di fabbricazione proposta per la
realizzazione di un reticolo di Bragg micro-strutturato multi-difetto, suddivisa in
due fasi:
• Scarica ad arco: Prevede la realizzazione di due difetti su un reticolo di
Bragg standard utilizzando una giuntatrice a fusione, capace di ottenere un
difetto mediante l’applicazione di un arco elettrico, che riscalda
termicamente il vetro il quale, sottoposto a tensione meccanica, si
deforma.
• Etching chimico: dopo la prima fase per rendere il dispositivo sensibile
agli indici di rifrazione dei vari mezzi esterni, è necessario ridurre il
diametro del cladding nelle zone rastremate con l’arco elettrico.
Poi verrà illustrato il setup optoelettronico utilizzato per l’acquisizione degli
spettri durante la fase di realizzazione di un MSFBG, e la tecnica utilizzata per
valutare i risultati degli esperimenti effettuati.
Nel capitolo 4 sono presentati i risultati sperimentali analizzati. Per la
realizzazione dei reticoli micro-strutturati è stata utilizzata una tecnica a basso
costo, basata su una scarica ad arco e un attacco chimico in acido fluoridrico.
Infine, il reticolo micro-strutturato realizzato è stato testato alla variazione
dell’indice di rifrazione del mezzo esterno utilizzando soluzioni di glicerina a
diversa concentrazione.
III
Introduzione
I risultati derivanti dall’attività di ricerca effettuata, dimostrano l’efficacia della
nuova tecnica, nella realizzazione di reticoli di Bragg micro-strutturati multi-
difetto.
IV
Capitolo 1 Introduzione
Capitolo 1
Introduzone
1.1 Generalità
La struttura in fibra ottica ipotizzata agli inizi degli anni 50 con l’invenzione del
laser come efficiente sorgente luminosa, viene realizzata negli anni ’70.
Le fibre ottiche sono strutture formate da filamenti di materiale trasparente che
guidano la radiazione ottica lungo un tracciato definito, riproducendo in uscita
l’immagine raccolta in entrata.
Dalla sua prima realizzazione la tecnologia in fibra ottica ha segnato un passo
fondamentale nella rivoluzione globale delle telecomunicazioni,
dell’informazione e della sensoristica: infatti utilizzando componenti in fibra
ottica è possibile realizzare sensori di temperatura, di deformazione ecc..
Questa espansione risiede nel fatto che l’ottica permette il trasporto di immense
quantità di informazioni. Gli elettroni dei dispositivi elettronici vengono sostituiti
dai fotoni dei dispositivi ottici, che permettono il trasporto di una quantità di
informazione estremamente elevata mediante l’utilizzo delle fibre ottiche, cioè di
un mezzo di comunicazione che consente la propagazione della luce all’interno di
essa.
1
Capitolo 1 Introduzione
L’impiego delle fibre ottiche in telecomunicazione sono ormai un punto fermo,
ma negli ultimi decenni, la sempre maggiore complessità dei processi di
produzione e dei prodotti stessi ha portato ad una rapida espansione del mercato
dei sensori in fibra in tutto il mondo, grazie anche all’effetto trainante di alcuni
settori particolarmente importanti come quello automobilistico, in cui il
funzionamento del prodotto stesso necessita di un numero elevato di sensori. I
vantaggi che i sensori in fibra presentano (alta risoluzione, immunità al rumore
elettromagnetico, durata, ecc..) li rendono una valida alternativa ai sensori
tradizionali di tipo elettrico ed elettromeccanico[1].
Negli ultimi anni i ricercatori di varie parti del mondo studiano nuove
configurazioni di filtri e sensori e considerando l’attuale stadio di sviluppo di
nuovi componenti, la diffusione di tali dispositivi sarà sempre maggiore fino ad
sostituire completamente i sensori meccanici ed elettrici.
L’obiettivo che si vuole raggiungere in futuro è quello di realizzare un sistema di
comunicazione completamente in fibra ottica in maniera tale da eliminare i
dispositivi elettronici e in particolare le conversioni elettro-ottiche che,
inevitabilmente, rappresentano un “collo di bottiglia” allo sfruttamento
dell’enorme banda dei sistemi ottici. La capacità di trasporto dell'informazione di
una fibra ottica eccede il Tbit/s. Tuttavia attualmente non è possibile riuscire a
sfruttare tale banda attraverso una trasmissione a tale velocità per le limitazioni su
come i componenti elettrici producono e trattano l'informazione che transita in
fibra. Per tale motivo la massima velocità di trasmissione monocanale attualmente
in uso è dell'ordine dei 40 Gbit/s (con modulazioni multilivello).
2
Capitolo 1 Introduzione
1.2 Sviluppo di dispositivi in fibra ottica nel
settore delle telecomunicazioni e dei sensori
Una fibra ottica si presenta come un sottile filo di materiale vetroso, a simmetria
cilindrica, con una struttura simile a quella mostrata in (Fig. 1.1), dove la regione
più interna è detta nucleo (core) ed è ricoperta da un mantello (cladding) che,
come si dirà meglio nel seguito, ha indice di rifrazione diverso, entrambi sono in
realtà costituiti dallo stesso materiale vetroso, in cui i due indici di rifrazione
vengono variati e controllati con precisione durante la fabbricazione della fibra
mediante l'aggiunta di droganti esterni (ossidi di germanio, piombo o alluminio).
L’insieme di queste due parti vetrose della fibra è poi protetto esternamente da
una guaina, detta rivestimento primario (coating), che è di solito in acrilato
plastico.
Fig. 1.1: Struttura di una fibra ottica
I principali settori di applicazione delle fibre ottiche sono:
3
Capitolo 1 Introduzione
• 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.
Tra questi settori il più importante è senz’altro quello delle telecomunicazioni, e
per gli innumerevoli vantaggi che offrono, le fibre ottiche sono il mezzo
trasmissivo più largamente usato nelle reti di telecomunicazione. Ad oggi sono
state posate nel mondo, in impianti terrestri, più di 10 milioni di chilometri di
fibra[2].
Infatti i sistemi basati su collegamenti in fibra ottica presentano un gran numero
di vantaggi, tra i quali:
• bassi costi, grazie all’impiego di materia prima
• elevato tempo di vita;
• Bassissimi valori di attenuazione che consentono di realizzare
collegamenti a grande distanza, per cui possono aversi tratte di più di
100 Km senza necessità di amplificatori, con una piccolissima
attenuazione, oggi soltanto circa di 0,16 dB/Km .
• L’immunità da interferenze elettromagnetiche e la sicurezza da
fulminazione.
4
Capitolo 1 Introduzione
• L’ingombro e il peso ridotto e la conseguenza facilità di istallazione dei
cavi.
• elevata capacità di canale 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.
Il principio di funzionamento della fibra ottica quindi la trasmissione della luce
attraverso una fibra avviene grazie al fenomeno della riflessione totale interna che
si presenta quando la luce incide obliquamente sull’interfaccia tra due mezzi di
diverso indice di rifrazione con un angolo più grande dell’angolo critico [3].
L’indice di rifrazione è definito come il rapporto tra la velocità di propagazione
del raggio luminoso nel vuoto (c = 3*10
8
m/s) e la velocità di propagazione in un
mezzo diverso dal vuoto (n = c/v), dove v dipende, naturalmente, dalle
caratteristiche e proprietà fisiche del mezzo stesso; se il mezzo è isotropo e
omogeneo allora n risulta un numero maggiore di uno e costante all'interno del
dielettrico.
Un raggio luminoso che incide su una superficie di interfaccia tra due mezzi di
indici diversi (n
1
> n
2
) viene in parte riflesso e in parte rifratto o trasmesso,
secondo la nota legge di SNELL: n
1
*sen
1
= n
2
*sen
2
, ove
1
è l'angolo di
incidenza del raggio rispetto la normale alla superficie nel punto di incidenza e
2
è l'angolo che il raggio rifratto forma con la stessa normale nel secondo
mezzo. Poiché n
2
< n
1
, il raggio trasmesso tende ad aumentare
2
all'aumentare
di
1
sino a quando si arriva alla condizione per cui si ha
2
= /2, ovvero
assenza di raggio rifratto.
5
Capitolo 1 Introduzione
In quest'ultima situazione si è in presenza del fenomeno di riflessione totale, in
cui l'angolo di incidenza oltre il quale si ha assenza di rifrazione è
c
= arcsin(n
2
/n
1
)
generalmente indicato come angolo critico[4]; quindi se viene inviato nel nucleo
della fibra un raggio luminoso con un angolo di incidenza, tra nucleo e mantello,
inferiore all'angolo critico, questo viene parzialmente riflesso/rifratto e dopo
poche riflessioni il raggio si esaurisce e non viene guidato all'interno della fibra.
Per evitare ciò è possibile definire un cono di accettazione che contiene tutti quei
raggi che possono propagarsi all'interno del nucleo per riflessione totale. Il vertice
del cono è il centro della faccia di ingresso della fibra e l'angolo al vertice viene
detto angolo di accettazione
a
. (Fig.1.2).
Fig. 1.2: Cono di accettazione
6
Capitolo 1 Introduzione
L'angolo di accettazione può essere messo in relazione con i due indici di
rifrazione n
1
e n
2
(rispettivamente del nucleo e del mantello) mediante la
relazione:
Per avere una propagazione confinata dei raggi all’interno di una fibra, è
necessario che il core ed il cladding abbiano indici di rifrazione diversi, ed in
particolare, che quello del primo sia maggiore del secondo. Spesso non viene
fornito
a
ma una quantità ad esso legata che viene indicata come apertura
numerica ( o semplicemente apertura) definita da:
Risulta evidente che maggiore è NA, più semplice è accoppiare efficientemente
una sorgente luminosa alla fibra, in quanto è più ampio il cono di accettazione.
I moderni sistemi di telecomunicazione utilizzano fibre monomodo, cioè in grado
di permettere il passaggio del segnale secondo un’unica modalità di
propagazione.
L’offerta di servizi sempre più variegata e l’aumento vertiginoso del numero di
utenti, obbligano gli attuali sistemi ottici di telecomunicazione a supportare una
capacità di dati sempre maggiore.
Per questo motivo, la tecnica leader nelle trasmissioni punto-punto è ormai
diventata quella basata sulla multiplazione a divisione di lunghezza d’onda
(WDM).
7
Capitolo 1 Introduzione
Il sistema di trasmissione WDM risulta in forte ascesa per quel che riguarda
proprio la trasmissione su fibra.
Il termine Multiplazione indica una particolare tecnica di elaborazione, in fase
trasmissiva, che consente l'utilizzo simultaneo dello stesso mezzo trasmissivo
(cavi coassiali, ponti radio, tratte vie satellite, fibre ottiche...) da parte di più
segnali.
In ricezione parliamo invece di Demultiplazione, operazione inversa della
multiplazione, con la quale recuperiamo il segnale trasmesso. La tecnica leader
nelle trasmissioni punto-punto è ormai diventata quella basata sulla multiplazione
a divisione di lunghezza d’onda (WDM).
WDM (Wavelength Division Multiplexing) indica la tecnica di multiplazione che
permette di trasmettere contemporaneamente su una singola fibra ottica una
molteplicità di segnali generati da sorgenti laser diverse, accordate su differenti
lunghezze d’onda indicate in genere come λ “lambda”.
Le lunghezze d’onda che interessano le comunicazioni ottiche su fibra, sia su
singolo canale sia multicanale, sono quelle comprese tra 800 e 1600 nm e sono
collocate quindi nella porzione dello spettro cosiddetto “vicino all’infrarosso”. In
questa regione è possibile identificare tre regioni di lavoro denominate prima
finestra (intorno a 850 nm), seconda finestra (intorno a 1310 nm) e terza finestra
(intorno a 1550 nm). A ciascuno di questi intervalli di frequenza corrisponde un
minimo locale del valore di attenuazione introdotto dalla fibra ottica e tutti i
sistemi trasmessivi adottano sorgenti laser che emettono in una di queste tre
regioni.
In un sistema Dense WDM tutti i canali ottici sono allocati all’interno di un’unica
finestra trasmissiva.
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Capitolo 1 Introduzione
Lo schema di principio di un generico collegamento WDM è rappresentato in
figura 1.3: in essa è riportato uno solo dei due versi di trasmissione; il secondo
verso, il cui schema di principio è identico, è realizzato utilizzando una seconda
fibra ottica.
Fig. 1.3: Schema di principio di un sistema WDM
I sistemi WDM progettati secondo lo schema di figura 1.3 sono detti sistemi
monodirezionali in quanto i segnali che viaggiano lungo ciascuna delle due fibre
ottiche che compongono il collegamento si propagano in uno stesso verso (da
sinistra a destra nel caso di figura 1.3; in tale figura ciascun segnale ottico è
rappresentato schematicamente dal proprio spettro in frequenza).
È stata anche realizzata una classe di sistemi DWDM - detti bidirezionali - dove,
su ciascuna delle due fibre che compongono il collegamento, i segnali si
propagano nei due versi opposti, consentendo così di realizzare collegamenti
bidirezionali su una singola fibra ottica.
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