Introduzione alle fibre ottiche
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
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
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
Lo spettro elettromagnetico ottico UV Visibile Infrarosso Prima Finestra (830nm) @1,2dB/Km Seconda Finestra (1310nm) @ 0.4dB/Km Attenuazione (db/km) 0.01 0.1 1 10 Rayleigh scattering Assorbimento UV Terza Finestra (1550nm) @ 0.2dB/Km Assorbimento Infrarosso 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Lunghezza d onda (nm)
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 0.2 0.22 db/km a 1550 nm Le migliori fibre attuali (pure-silica core fibers) riescono a scendere a 0.18 db/km.
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 0.2 0.22 db/km a 1550 nm Le migliori fibre attuali (pure-silica core fibers) riescono a scendere a 0.18 db/km.
Perdite nelle fibre ottiche (2/2) A 1300 nm l attenuazione tipica è attorno a 0.4-0.5 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 0.1-0.5 db.
Fibre ottiche step-index
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.
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 1 2 1 n Per una fibra in vetro, i valori tipici sono: 0.01 0.001 n 1 =1.5
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);
Principi di funzionamento delle fibre (2/2) ϑ Raggio 0 guidato Core n 1 Raggio non guidato Cladding n 2 Aria n 0
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 2 2 1 2 0 ϑ Raggio 0 guidato Raggio non guidato Core n 1 Cladding n 2 Aria n 0
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
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
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.
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
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.