( ) ( ) Effetto plasma-ottico. λ = N m. N m

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1 Effetto plasma-ottico L effetto plasma-ottico consiste nella variazione n dell indice di rifrazione e α del coefficiente di assorbimento ottico, di un materiale semiconduttore, dovuto ad una variazione della concentrazione dei portatori liberi. ( ) ( ) µ + µ ε π λ α = + ε π λ = h 2 * h h e 2 * e e * h h * e e m N m N n c 4 e m N m N n c 8 e n Dove: N e e N h sono le variazioni di concentrazione di elettroni e lacune; n 0 e ε 0 sono l indice di rifrazione e la costante dielettrica del semiconduttore; µ e e µ h sono le mobilità di elettroni e lacune; λ è la lunghezza d onda della radiazione luminosa.

2 Modulazione della radiazione La modulazione della radiazione può avvenire in due maniere: Modulazione diretta Modulazione indiretta La modulazione diretta si applica normalmente alle sorgenti a semiconduttore e consiste nella variazione della corrente di alimentazione nei LED e dei diodi laser. La modulazione indiretta si basa sulla modulazione della radiazione emessa da una sorgente ad onda continua mediante modulatori esterni.

3 Modulazione diretta La modulazione diretta, essendo basata sulla variazione della corrente di iniezione nei LED e nei diodi laser, produce una variazione del regime di funzionamento dei dispositivi e quindi anche delle caratteristiche spettrali della radiazione quali, ad esempio, variazioni considerevoli della larghezza riga di emissione. E difficile, inoltre, specialmente nei diodi laser, ottenere velocità maggiori di 20 GBit/s. Esistono, tuttavia, prototipi modulabili a velocità superiori.

4 Modulazione indiretta La modulazione indiretta si fonda sull utilizzo di modulatori esterni funzionanti essenzialmente in base a due principi: Variazione dell indice di rifrazione dei materiali Variazione del coefficiente di assorbimento dei materiali I modulatori possono essere realizzati sia in fibra ottica che in guida dielettrica planare e sono generalmente predisposti per l accoppiamento in fibra ottica alle sorgenti pig-tailed. Diodo laser pig-tailed con package tipo butterfly

5 Modulazione per variazione di indice di rifrazione La modulazione per variazione di indice di rifrazione richiede strutture che consentono la conversione della variazione di indice in variazione di intensità della radiazione. I principi fisici utilizzati per ottenere la variazione di indice di rifrazione sono essenzialmente: Effetto elettro-ottico Effetto acusto-ottico Effetto plasma-ottico Effetto termo-ottico Le strutture per ottenere la conversione da variazione di indice a variazione di intensità sono essenzialmente: Interferometri (Mach-Zehnder, Fabry-Perot) Guide accoppiate Reticoli di Bragg

6 Modulatori elettro-ottici Modulatore elettro-ottico integrato, basato sull effetto Pockels, realizzato mediante un interferometro Mach-Zehnder. Pout 2 P out ( φ) (0) = cos ( φ)

7 Modulatori elettro-ottici Modulatore elettro-ottico integrato, basato sull effetto Pockels, realizzato mediante guide accoppiate. PB (L0) P (0) A = f ( β)

8 Modulatori acusto-ottici L onda acustica di superficie (SAW) induce un reticolo di Bragg nel substrato piezoelettrico. Esempio: Cristallo di LiNbO 3 λ = 632.8nm f RF = 250MHz v suono = 6.57km/s Λ = v suono /f RF = 26.3µm sinθ = λ/(2n Λ) = θ = 0.31 Shift Doppler = 250MHz

9 Modulatori basati sull effetto plasma-ottico Utilizzando la variazione di indice di rifrazione dovuta all iniezione di cariche è possibile realizzare modulatori in silicio o altri semiconduttori basati su diodi pin inseriti in strutture interferometriche o guide con reticoli di Bragg. Modulatore pin con reticolo di Bragg realizzato con tecnologia SOI (Silicon-On-Insulator)

10 Modulatori basati sull effetto plasma-ottico Utilizzando la variazione del coefficiente di assorbimento dovuta alla iniezione di cariche è possibile realizzare modulatori in silicio o altri semiconduttori basati su diodi pin inseriti in strutture guidanti ottiche. I questo caso la profondità di modulazione dipende dalla lunghezza della guida. FCAM (Free Carriers Absoption Modulators) Modulatore pin tipo FCAM realizzato con guida rib in tecnologia SOI

11 Modulatori basati sull effetto termo-ottico Utilizzando la variazione di indice di rifrazione dovuta alla variazione di temperatura è possibile realizzare modulatori in silicio o altri semiconduttori basati su strutture interferometriche integrate. Il riscaldamento si ottiene mediante resistori integrati nella struttura. n T = K Coefficiente termo-ottico del silicio Guida rib in tecnologia SOI con cavità Fabry-Perot

12 Circuiti ibridi L integrazione di componenti ottici e componenti elettronici porta alla realizzazione di chip ibridi in cui il segnale ottico proveniente da una fibra viene processato, trasformato in segnale elettrico e ulteriormente elaborato.

13 Interconnessioni ottiche Utilizzando matrici di diodi laser e di fotorivelatori integrati è possibile trasferire segnali tra circuiti elettronici integrati, ad elevatissima velicità, senza utilizzare interconnessioni metalliche. Optical Field Programmable Gate Array

14 Sensori optoelettronici Caratteristiche generali: Immunità alle interferenze elettromagnetiche Sensibilità elevata Minima invasività (possibilità di embedding, misure senza contatto,..) Multiplabilità (WDM, TDM) Utilizzabilità in ambienti pericolosi (esplosivi,..) e ostili (acidi, alta temperatura,..) Classificazione: Sensori integrati in guida d onda Sensori in fibra ottica (estrinseci ed intrinseci) Sensori a distanza Deformazione Temperatura Corrente/tensione Spostamenti/velocità Sostanze chimiche Principali grandezze misurabili:

15 Sensore integrato ARROW ARROW: Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguide Mezzo esterno core 1 cladding 2 cladding Riflessione totale Riflessione antirisonante Specchio Fabry-Perot x y substrato

16 Sensore integrato ARROW Luce IN Regione di sensing L Luce OUT Misura variazioni di indice di rifrazione e può essere, con opportune interfacce, essere utilizzato per la rivelazione di sostanze chimiche.

17 Sensori distribuiti in fibra ottica Caratteristiche Misure distribuite di temperatura e/o deformazione su distanza di diversi km La fibra ottica stessa rappresenta l elemento sensibile attraverso: Scattering di Rayleigh Scattering di Raman Scattering di Brillouin Applicazioni principali Monitoraggio di grandi strutture in cemento Monitoraggio di materiali compositi Monitoraggio di condutture Monitoraggio della temperatura in gallerie Monitoraggio della temperatura cavi elettrici di potenza

18 Meccanismi di scattering in fibra ottica 1: Scattering di Raman 2: Scattering di Brillouin 3: Scattering di Rayleigh 4: Stokes 5: Anti-Stokes

19 Sensore distribuito in fibra basato su scattering di Raman E possibile misurare il profilo di temperatura lungo la fibra ottica lanciando un impulso ad una estremità e misurando il rapporto tra l intensità dell impulso di anti-stokes e quello di Stokes. Si ottengono risoluzioni spaziali dell ordine di alcuni metri su lunghezze dell ordine della decina di km. L accuratezza in temperatura è dell ordine del grado centigrado.

20 Sensore distribuito in fibra basato su scattering di Raman

21 Optical Time Domain Reflectometry (OTDR) E possibile individuare interruzioni o piegature lungo la fibra. E anche possibile usare fibre speciali costituite da diverse sezioni con giunti la cui riflettività dipende da agenti esterni.

22 Sensore distribuito in fibra basato su SBS SBS: Stimulated Brillouin Scattering Principio di funzionamento: Il sensore è basato sull interazione tra onde luminose contropropaganti ed onde acustiche generate dalla luce stessa per elettrostrizione L onda di Stokes ha una frequenza inferiore, rispetto a quella di pump, di una quantità ν B detta shift di Brillouin. ν B = 2nV λ 0 a λ 0 = lunghezza d onda incidente nel vuoto V a = velocità dell onda acustica n = indice di rifrazione della fibra Valori tipici: λ 0 =1319nm ν B 13GHz

23 Sensore distribuito in fibra basato su SBS Ogni fibra imperturbata è caratterizzata dal proprio shift di Brillouin ν B La velocità dell onda acustica V a dipende dalla temperatura T e densità locale ρ 0 del materiale costituente la fibra ottica E possibile misurare le variazioni di temperatura ( T) e di deformazione ( ε) lungo la fibra attraverso la misura di ν B Valori tipici a λ 0 = 1319 nm: dν B /dt = 1.16 MHz/ C dν B /dε = 500 MHz/% = 50kHz/µε

24 Sensore distribuito in fibra basato su SBS Risoluzione spaziale dell ordine del metro Sensibilità in temperatura di circa 1 C Sensibilità in deformazione di circa 20 µstrain Shift pump-probe accordato sulla regione imperturbata Shift pump-probe accordato sulla regione perturbata

25 Sensore distribuito in fibra basato su SBS Apparato di misura Synthetizer EOM 1.55 µ m DFB Laser 5% 95/5 Coupler 95% AOM Pulse Generator DET Sensing Fibre PC Optical Isolator Generazione bande laterali Il modulatore AO agisce anche come frequency shifter, così da escludere una delle due bande laterali

26 Sensori Fabry-Perot in fibra ottica Utilizzano un interferometro Fabry-Perot formato da un gap di aria, di lunghezza d, tra due fibre ottiche troncate. E possibile misurare deformazione e temperatura attraverso la variazione della lunghezza della cavità, mediante analisi spettrale della radiazione riflessa.

27 Sensori Fabry-Perot in fibra ottica Illuminando il sensore con una sorgente a larga banda ( 30 nm) si ottiene uno spettro riflesso in cui la distanza, in λ, tra due massimi o minimi successivi è legata alla lunghezza della cavità Intensità normalizzata d = 2 λ 1 ( λ λ ) 2 λ λ [µ m]

28 Sensori Fabry-Perot in fibra ottica L analisi spettrale può essere eseguita con un secondo Fabry-Perot con lunghezza della cavità variabile. Integrando la potenza di uscita su tutto lo spettro (con un fotorivelatore) e calcolando la visibilità della frange in funzione della differenza tra le lunghezze delle due cavità, si trova che essa presenta un massimo quando le due cavità sono uguali Visibilità x 10-5 d [µm]

29 Sensori Fabry-Perot in fibra ottica Sorgente a larga banda Fibra ottica Accoppiatore a 3dB Tubo di vetro Spettrometro Esempio di schema di misura con interrogazione mediante spettrometro

30 Sensori Fabry-Perot in fibra ottica Esempio di interrogazione mediante interferometro di Fizeau e sensore CCD

31 Sensori di Bragg in fibra ottica E possibile misurare deformazione e temperatura attraverso la variazione del periodo del reticolo o dell indice di rifrazione del core della fibra, mediante una analisi spettrale della radiazione riflessa o trasmessa.

32 Sensori di Bragg in fibra ottica Esempio di schema per misure multi-punto

33 Sensori in fibra ottica basati su microbending E possibile, ad esempio intrecciando una fibra ottica con un filo metallico, ottenere misure di deformazione e/o temperatura attraverso la determinazione delle perdite per microbending.

34 Biosensori optoelettronici Un biosensore optoelettronico è un dispositivo, contenente un sistema biologico in contatto con un trasduttore optoelettronico, in grado di fornire un segnale proporzionale alla concentrazione di un analita o di un gruppo di analiti. Il sistema biologico può essere costituito da: Proteine Cellule Enzimi DNA Anticorpi/Antigeni Il trasduttore optoelettronico misura, in genere, variazioni di: Indice di rifrazione Emissione di fluorescenza