Introduzione alle fibre ottiche

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Gina Bianchi
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1 Introduzione alle fibre ottiche

2 Struttura delle fibre ottiche Una fibra ottica è sostanzialmente un cilindro (solitamente in vetro) con una parte centrale, detta core, con un indice di rifrazione superiore alla parte esterna, detta cladding. Core n 1 Cladding n 2

una parte centrale, detta core, con un indice di

3 Dimensioni tipiche Le tipiche fibre in vetro ad alte prestazioni per lunga distanza hanno le seguenti dimensioni tipiche: fibre multimodali -diametro cladding: 125 μm - diametro core: 65 μm fibre monomodali - diametro cladding: 125 μm -diametro core: 9 μm

tipiche: fibre multimodali -diametro cladding: 125 μm -

4 Perché il vetro? Le fibre sono in vetro a causa della sua bassissima attenuazione alle frequenze ottiche. Il vetro utilizzato, deve però essere estremamente puro: dopanti utilizzati per innalzare l indice di rifrazione nel core: TiO2, GeO2, P2O5, Al2O3

5 Lo spettro elettromagnetico ottico UV Visibile Infrarosso Prima Finestra Seconda Finestra 0.4dB/Km Attenuazione (db/km) Rayleigh scattering Assorbimento UV Terza Finestra 0.2dB/Km Assorbimento Infrarosso Lunghezza d onda (nm)

01 0.1 1 10 Rayleigh scattering Assorbimento UV Terza Finestra (1550nm) @ 0.

6 Perdite nelle fibre ottiche (1/2) L attenuazione del vetro ha un limite teorico a 1550 nm di 0.18 db/km Gran parte delle fibre commerciali hanno un attenuazione di db/km a 1550 nm Le migliori fibre attuali (pure-silica core fibers) riescono a scendere a 0.18 db/km.

18 db/km Gran parte delle fibre commerciali hanno un attenuazione di

7 Perdite nelle fibre ottiche (2/2) L attenuazione del vetro ha un limite teorico a 1550 nm di 0.18 db/km Gran parte delle fibre commerciali hanno un attenuazione di db/km a 1550 nm Le migliori fibre attuali (pure-silica core fibers) riescono a scendere a 0.18 db/km.

8 Perdite nelle fibre ottiche (2/2) A 1300 nm l attenuazione tipica è attorno a db/km. A 850 nm l attenuazione tipica è dell ordine di 2-3 db/km. Inoltre ogni connettore o giunto a fusione lungo una fibra introduce una attenuazione concentrata dell ordine di db.

9 Fibre ottiche step-index

10 Fibre step index (1/2) Le fibre più comuni sono di tipo step index, caratterizzate da un salto netto di indice di rifrazione dal core al cladding.

11 Fibre step index (2/2) Un parametro importante per le fibre step-index (oltre al diametro del core) è la differenza relativa di indice di rifrazione, definita come: Δ= n n n Per una fibra in vetro, i valori tipici sono: n 1 =1.5

relativa di indice di rifrazione, definita come: Δ= n n 1 2 1

12 Valore di D. Principi di funzionamento delle fibre (1/2) Per ottenere elevate prestazioni, durante la propagazione in fibra, la luce deve rimanere confinata (o guidata ) nel core, senza diffondersi verso l esterno. Il confinamento della luce è possibile grazie al fenomeno della riflessione totale, che si verifica sotto opportune condizioni di: Angolo di lancio (deve essere sufficientemente parallelo all asse della fibra);

fibra, la luce deve rimanere confinata (o guidata ) nel core, senza diffondersi verso l esterno.

13 Principi di funzionamento delle fibre (2/2) ϑ Raggio 0 guidato Core n 1 Raggio non guidato Cladding n 2 Aria n 0

14 ϑ Principi di funzionamento delle fibre (2/2) I raggi che entrano nella fibra entro un angolo θ 0,max detto acceptance angle risultano guidati. Questo angolo è dato dalla formula: 0,max = arcsin 2n Δ 1 arcsin n0 n n n ϑ Raggio 0 guidato Raggio non guidato Core n 1 Cladding n 2 Aria n 0

Questo angolo è dato dalla formula: 0,max = arcsin 2n Δ 1 arcsin n0 n n n

15 Accoppiamento fibra sorgente (1/2) Una sorgente ottica deve emettere raggi entro l acceptance angle di una fibra affinché l accoppiamento fibra-sorgente sia efficiente. 17

16 Accoppiamento fibra sorgente (2/2) Esempio numerico: Se Δ=0.02 e n 1 =1.5 (valore tipico per fibre multimodali), risulta θ 0,max =17

17 Accoppiamento fibra-fibra (1/2) Per l accoppiamento tra due fibre, è altrettanto importante l allineamento dei due assi. La precisione deve essere migliore del diametro del core.

18 Accoppiamento fibra-fibra (2/2) Per fibre singolo modo, l allineamento deve avere una precisione dell ordine di pochi μm Errore di allineamento inferiore (di molto) al diametro del core

19 Connettori per fibre I connettori per fibre ottiche singolo modo devono avere precisioni meccaniche dell ordine di 1 μm. Questo comporta elevati costi per connettore. Le perdite per connettore sono comunque tipicamente superiori a 0.1 db. L accoppiamento tra due fibre può anche essere fatto con giunti a fusione, ottenendo perdite inferiori a 0.1 db.

Le perdite per connettore sono comunque tipicamente superiori a 0.1 db.

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