Luce laser, fibre ottiche e telecomunicazioni Guido Giuliani - Architettura Università di Pavia guido.giuliani@unipv.it
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)
Onde Elettromagnetiche f = Frequenza dell onda elettromagnetica Periodo (T) T = 1/f Tempo Lunghezza d onda (λ) λ = c/f Spazio 10 12 Hz = 1 THz (TeraHertz) ν = 3-1500 THz λ = 0.2-100 µm FREQUENZE OTTICHE ν = 400-750 THz λ =0.4-0.75 µm LUCE VISIBILE
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
Il LASER - 2 Il LASER è un oscillatore Oscillatore elettronico Oscillatore ottico amplificatore di luce + 2 specchi il Laser!
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)
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)
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
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
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
Laser a Semiconduttore - 2 Com è fatto Dispositivo monolitco SPECCHI (RETROAZIONE POSITIVA) FLUSSO DI CORRENTE (POMPAGGIO) LUNGHEZZA L: 250-500 µm regione p DIODO regione n L MEZZO ATTIVO (AMPLIFICAZIONE OTTICA)
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 0.632 (rosso) 0.1-1 0.1 100-2000 Nd:YAG 1.064 (0.532) 1 (lampada) 0.01 (DPSSL) 1 (lampada) 25 (DPSSL) 25-50000 CO2 10 1 10-20 50000 Semiconduttore 0.38-300 10-3 50 2-15000
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
Laser a Semiconduttore - 4 Come si fabbrica? Occorrono materiali semiconduttori purissimi Occorre mettere a contatto tra loro strati di materiali sotilissimi (10-100 nanometri = 10-100 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
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 1 0.1 0.12 CLASS 1 CLASS 1 400 700 1000 wavelength (nm) 1400 1550
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)
Cos è una telefonata? Ieri: L altro ieri: Oggi:
(breve) Storia dei Sistemi Telefonici 1871 - Brevetto di Antonio Meucci Sistemi telefonici analogici 1990 - Sistemi telefonici digitali Inizia l era della convergenza digitale 1995 - Telefonia cellulare 2005 - VoIP...
Una Telefonata (prima del 1990) voce segnale linea di trasmissione segnale suono elettrico (elettrica) elettrico (analogico) (analogico)
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
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
Una Telefonata (cellulare) Il collegamento include 2 tipi di trasmissione Trasmissione radio Trasmissione in Fibra Ottica Fibra Ottica
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)
Una Telefonata (cellulare) Il collegamento include 2 tipi di trasmissione Trasmissione radio Trasmissione in Fibra Ottica Fibra Ottica Cos è una fibra ottica??
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
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
Fibre ottiche - 3 n 1 > n 2 nucleo (n 1 ) mantello (n 2 ) Diametro: 125 µm = 0.125 mm Diametro del nucleo: 10 µm = 0.01 mm
Fibre ottiche - 4 Dove stanno le fibre ottiche? Sotto terra Sul fondo del mare
Fibre ottiche - 5 Dove stanno le fibre ottiche?
Fibre ottiche - 6 Tecniche di fabbricazione Tiraggio della fibra a temperature 1200-1400 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
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
La convergenza digitale - 1 I segnali digitali sono più immuni al rumore e ai disturbi dei segnali analogici t t
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
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
Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 1 Classificazione delle reti di trasmissione in fibra ottica Lunga distanza (> 1000 km) Rete di trasporto (100-600 km) Rete di accesso (connessione con l utente finale)
Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 2 Rete di lunga distanza e di trasporto: WDM Wavelength Division Multiplexing
Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 3 Rete di accesso: Fiber To The HOME (FTTH)?
GRAZIE PER L ATTENZIONE!!