Luce laser, fibre ottiche e telecomunicazioni

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1 Luce laser, fibre ottiche e telecomunicazioni Guido Giuliani - Architettura Università di Pavia

2 Fotonica - Cos è? Scienza che utilizza radiazione elettromagnetica a frequenze ottiche per lo studio e la realizzazione di: Sistemi di trasmissione, elaborazione e memorizzazione di informazioni Sensori e strumenti di misura Applicazioni alla medicina Disciplina a cavallo tra la fisica e l ingegneria (elettronica e telecomunicazioni)

3 Onde Elettromagnetiche f = Frequenza dell onda elettromagnetica Periodo (T) T = 1/f Tempo Lunghezza d onda (λ) λ = c/f Spazio Hz = 1 THz (TeraHertz) ν = THz λ = µm FREQUENZE OTTICHE ν = THz λ = µm LUCE VISIBILE

4 Il LASER - 1 LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Luce ordinaria = luce bianca Luce LASER luce monocromatica ( coerente ) Il Laser è stato inventato nel 1960

5 Il LASER - 2 Il LASER è un oscillatore Oscillatore elettronico Oscillatore ottico amplificatore di luce + 2 specchi il Laser!

6 Il LASER - 3 amplificatore di luce + 2 specchi retroazione positiva effetto laser SPECCHI USCITA USCITA MEZZO ATTIVO SISTEMA DI POMPAGGIO (fornisce energia al mezzo attivo)

7 CARATTERISTICHE DEI LASER Lunghezza d onda di emissione (colore della luce) Potenza del fascio Direzionalità (fascio collimato ; fascio focalizzato) Coerenza (il campo elettromagnetico è una sinusoide pura)

8 Il LASER - 5 TIPI DI LASER Si differenziano per il tipo di mezzo attivo e per il meccanismo di pompaggio LASER A STATO SOLIDO mezzo attivo: vetri drogati con ioni; cristalli; fibre ottiche pompaggio ottico LASER A GAS mezzo attivo: gas o miscele di gas (atomi, ioni, molecole) pompaggio tramite scarica elettrica LASER LIQUIDI mezzo attivo: molecole organiche di coloranti pompaggio ottico LASER A SEMICONDUTTORE mezzo attivo: semiconduttore (diodo) pompaggio elettrico

9 Il LASER - 6 TIPI DI LASER LASER a GAS He-Ne Argon CO 2 LASER a STATO SOLIDO LASER LIQUIDO Nd:YAG Nd:YAG Dye

10 Laser a Semiconduttore - 1 Cos è un Semiconduttore? Semiconduttore = materiale con caratteristiche elettriche a metà tra quelle dei conduttori di elettricità e quelle degli isolanti Esempi di semiconduttori: Silicio (Si) - Germanio (Ge) - Arseniuro di Gallio (GaAs) - Fosfuro di Indio (InP) Silicio Applicazioni: Silicio: materiale perfetto per i circuiti micro-elettronici TRANSISTOR computer, telefonini, ecc. GaAs e InP: Laser a semiconduttore e LED

11 Laser a Semiconduttore - 2 Com è fatto Dispositivo monolitco SPECCHI (RETROAZIONE POSITIVA) FLUSSO DI CORRENTE (POMPAGGIO) LUNGHEZZA L: µm regione p DIODO regione n L MEZZO ATTIVO (AMPLIFICAZIONE OTTICA)

12 Laser a Semiconduttore - 3 Perché è importante? I laser a semiconduttore costituiscono il 55% del mercato mondiale dei laser (6 Miliardi di / anno) Vantaggi rispetto agli tipi di laser: copertura di un ampio campo di lunghezze d onda - piccole dimensioni - alta efficienza - basso costo Tipo di Laser λ [µm] Dimensioni [m] Efficienza [%] Prezzo [ ] He-Ne (rosso) Nd:YAG (0.532) 1 (lampada) 0.01 (DPSSL) 1 (lampada) 25 (DPSSL) CO Semiconduttore

13 A cosa servono i laser? All inizio: non servivano a niente! :-( Il laser: una bellissima soluzione in cerca di un problema OGGI: applicazioni fondamentali per la vita di tutti i giorni!! :-) Lettori di CD / DVD / BD Telecomunicazioni (telefono) Internet!! Applicazioni industriali Applicazioni mediche

14 Laser a Semiconduttore - 4 Come si fabbrica? Occorrono materiali semiconduttori purissimi Occorre mettere a contatto tra loro strati di materiali sotilissimi ( nanometri = miliardesimi di metro) Tecniche di crescita epitassiale molto costose ma: prezzo ridotto per il singolo laser perché il processo di produzione avviene in parallelo per migliaia di laser alla volta MOCVD reactor

15 I Laser sono pericolosi? Il laser emette una radiazione elettromagnetica che può avere intensità elevatissime (intensità = potenza/area) potenzialmente pericoloso per l uomo (occhi, cute) Laser Safety Class from: IEC 825 (1993 and ff) 10 power (mw) 5 CLASS 3B CLASS 3A 3 CLASS 3B 1 1 CLASS 3A 0.6 CLASS 2 CLASS CLASS 1 CLASS wavelength (nm)

16 i Laser a Semiconduttore e le Telecomunicazioni in Fibra Ottica Oggi i segnali delle nostre telefonate, ed i dati trasmessi sulla rete Internet viaggiano in formato digitale ed ottico dentro alle fibre ottiche Le sorgenti di luce che consentono di realizzare i sistemi di trasmissione in fibra ottica sono, appunto, i laser a semiconduttore perché sono efficienti, di piccole dimensioni, e possono emettere luce esattamente alla lunghezza d onda in corrispondenza della quale le fibre ottiche sono più trasparenti (1.55 µm)

17 Cos è una telefonata? Ieri: L altro ieri: Oggi:

18 (breve) Storia dei Sistemi Telefonici Brevetto di Antonio Meucci Sistemi telefonici analogici Sistemi telefonici digitali Inizia l era della convergenza digitale Telefonia cellulare VoIP...

19 Una Telefonata (prima del 1990) voce segnale linea di trasmissione segnale suono elettrico (elettrica) elettrico (analogico) (analogico)

20 Una Telefonata (prima del 1990) linea telefonica commutata Collegamento fisico a livello elettrico UN collegamento per UNA telefonata doppinio telefonico Interruttori (elettro-meccanici o elettronici) Si fanno muovere degli elettroni in un conduttore elettrico

21 Una Telefonata (prima del 1990) Problemi Su un filo di collegamento viaggia una sola telefonata Segnale analogico: soggetto a rumore e disturbi Centrali di commutazione complesse La linea telefonica serve solo per... telefonare

22 Una Telefonata (cellulare) Il collegamento include 2 tipi di trasmissione Trasmissione radio Trasmissione in Fibra Ottica Fibra Ottica

23 Una Telefonata (cellulare) QUI: si impiega il laser a semiconduttore voce segnale linea di trasmissione segnale suono elettrico (onde radio + fibra ottica) elettrico (digitale) (digitale)

24 Una Telefonata (cellulare) Il collegamento include 2 tipi di trasmissione Trasmissione radio Trasmissione in Fibra Ottica Fibra Ottica Cos è una fibra ottica??

25 Fibre ottiche - 1 Una fibra ottica è una guida per la luce È realizzata in vetro È flessibile La luce vi si propaga seguendone le curve Ha un attenuazione bassissima Consente la propagazione di segnali per centinaia o migliaia di km

26 Fibre ottiche - 2 struttura di vetro avente due indici di rifrazione diversi n 1 > n 2 nucleo (n 1 ) Sezione longitudinale: mantello (n 2 ) α n 2 =1.485 n 1 =1.5 n =0.015

27 Fibre ottiche - 3 n 1 > n 2 nucleo (n 1 ) mantello (n 2 ) Diametro: 125 µm = mm Diametro del nucleo: 10 µm = 0.01 mm

28 Fibre ottiche - 4 Dove stanno le fibre ottiche? Sotto terra Sul fondo del mare

29 Fibre ottiche - 5 Dove stanno le fibre ottiche?

30 Fibre ottiche - 6 Tecniche di fabbricazione Tiraggio della fibra a temperature C per estrusione Accurato controllo on-line del diametro esterno (125µm ± 0.5µm) La fibra è fragile si applica un rivestimento in resina siliconica (diam. 250 µm) per consentirne la flessione Cavi ottici per telecominucazioni: 8, 16, 24, 48, 96 fibre + elementi opportuni per conferire resistenza meccanica

31 Fibre ottiche - 7 Il segnale che viaggia nelle fibre ottiche assume la forma di impulsi di luce Il segnale elettrico viene convertito in segnale ottico da un laser a semiconduttore Il segnale otticio viene ri-convertito in segnale elettrico da un fotodiodo

32 La convergenza digitale - 1 I segnali digitali sono più immuni al rumore e ai disturbi dei segnali analogici t t

33 La convergenza digitale - 2 Un canale di trasmissione digitale consente di trasmettere informazioni di diversa natura sullo stesso mezzo trasmissivo (es.: fibra ottica): Telefonate FAX Internet Televisione Si rivoluzionano il sistema ed il mercato delle telecomunicazioni MULTIMEDIALITA La rivoluzione digitale delle telecomunicazioni non sarebbe possibile senza i laser a semiconduttore Riconoscimenti: nel 2000: ALFEROV e KROEMER vincono ¼ di Premio Nobel a testa per l invenzione del laser a semiconduttore a doppia eterogiunzione nel 2008: KAO vince ½ Premio Nobel per gli studi e gli sviluppi tecnologici sulla trasmissione di luce nelle fibre per le comunicazioni ottiche

34 La convergenza digitale - 3 Vantaggi: Sistemi più efficienti e flessibili Concetto di traffico dei dati Qualche numero... La capacità trasmissiva si misura attraverso il bit/rate (n di bit trasmessi in 1 s) Telefonata GSM: 9 kbit/s Modem: 56 kbit/s ADSL: 1-20 Mbit/s fibra ottica: da 160 Gbit/s a 3.2 Tbit/s

35 Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 1 Classificazione delle reti di trasmissione in fibra ottica Lunga distanza (> 1000 km) Rete di trasporto ( km) Rete di accesso (connessione con l utente finale)

36 Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 2 Rete di lunga distanza e di trasporto: WDM Wavelength Division Multiplexing

37 Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 3 Rete di accesso: Fiber To The HOME (FTTH)?

38 GRAZIE PER L ATTENZIONE!!

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