CORSO DI LABORATORIO DI FISICA A Misure co fibre ottiche Scopo dell esperieza è la misura dell atteuazioe e dell apertura umerica di fibre ottiche di tipo F-MLD-500. Teoria dell esperieza La fisica sulla cui base è costruita l esperieza i esame è quella dell ottica geometrica. I particolare si ricordio i feomei di rifrazioe e riflessioe parziale e totale subiti da u raggio lumioso che attraversa la superficie di separazioe tra u mezzo caratterizzato da idice di rifrazioe e u secodo mezzo avete idice. La legge di Sell afferma allora che, detti θ i, θ r e θ t rispettivamete gli agoli di icideza, di riflessioe e di rifrazioe (trasmissioe) si ha: θ = θ i r seθ i = seθ t θ i θ r θ t θ i Jacket ϕ ϕ Core Core Claddig Claddig Jacket Figura.a. Struttura di ua fibra ottica Figura.b. Percorso di u raggio i ua fibra Il feomeo della riflessioe totale trova u applicazioe pratica ella realizzazioe delle guide di luce e delle fibre ottiche, co distizioe tra le due basata sulle dimesioi della sezioe. Il fuzioameto della guida è sostazialmete idipedete dalle sue dimesioi trasversali, almeo fio a che queste si mategoo gradi rispetto alla lughezza d oda della radiazioe utilizzata. I particolare può trattarsi di ua guida capillare, co sezioe di dimesioe lieare dell ordie delle decie di micro: i questo caso si parla più propriamete di fibra ottica. Le fibre ottiche soo strutturate i due parti coassiali, u ucleo (core) e u matello (claddig), co idice di rifrazioe maggiore el ucleo (qualche perceto), i modo da garatire u maggior
cofiameto della radiazioe che peetra al loro itero; attoro alla fibra è poi presete u rivestimeto protettivo (jacket) Si osservi al proposito la figura.a. Per quato riguarda le ozioi teoriche più specifiche all esperieza i esame, si eucia la legge geerale che rede coto della dimiuzioe di itesità di ua radiazioe per iterazioe co la materia: I( x) = I( 0) e μ x () dove x è lo spessore attraversato e μ è il coefficiete di assorbimeto. Nel caso specifico delle fibre ottiche, l esperieza porta alla coosceza di I(0)e di I(x), co x uguale ad alcue cetiaia di metri, da cui è possibile seza far ricorso alla () determiare l atteuazioe. Per essere precisi durate l esperieza si effettuao misure di poteza e o di itesità, ma ciò è iifluete i quato il dato fiale è u rapporto. I particolare, se si adotta l espressioe i decibel l atteuazioe per uità di lughezza può scriversi come: Px ( ) A = 0 log x P( 0) () Si defiisce agolo di accettaza ϕ a il più grade agolo compreso tra l asse della fibra e la direzioe della radiazioe icidete per cui si abbia acora il feomeo della riflessioe totale all itero della fibra. Partedo dalla legge di Sell si può dimostrare che vale la seguete relazioe: seϕ = (3) 0 a i cui si poga 0 = aria core,,. claddig La quatità 0 seϕ a viee chiamata apertura umerica e viee deotata usualmete co la sigla N.A.; come mostra la (3) essa può essere dedotta sia dalla coosceza degli idici di rifrazioe del core e del claddig, sia sperimetalmete operado la rilevazioe dell agolo di accettaza, supposto oto l idice di rifrazioe del mezzo i cui è immersa la fibra (solitamete aria, per cui 0 ). Tale misura cosiste el variare la direzioe del fascio di luce icidete la fibra fio ad otteere i uscita dalla stessa u itesità trascurabile (covezioalmete fissata al 5% del valore massimo), per il fatto che, i larga misura, la radiazioe si trasmette, per rifrazioi successive, al claddig, da questo al jacket, fio a disperdersi el mezzo estero. Per completezza, si osserva che sovete l apertura umerica viee ache espressa tramite l equazioe (per gli idici di rifrazioe si è impiegata la stessa otazioe già utilizzata i precedeza): dove il parametro Δ è dato da: N A. = Δ (4). Δ= (5)
Si precisa che l ultima eguagliaza (approssimazioe debolmete guidata) sussiste solo el caso i cui Δ<<.. Materiale a disposizioe - rotolo di fibra ottica F-MLD-500, caratterizzata dalle segueti specifiche forite dal costruttore: atteuazioe di: 3,4 db/km per ua radiazioe di lughezza d oda di 850 m,0 db/km per ua radiazioe di lughezza d oda di 300 m diametro core: 96,5 μm diametro claddig: 40 μm apertura umerica N.A.: 0,8 - laser He-Ne co supporto per baco ottico co: poteza di: 4 mw lughezza d oda predomiate di emissioe: λ = 633m - ampolla coteete ua soluzioe di diclorometao ( CH Cl) - microscopio - fotodiodo - digital power meter (rilevatore di itesità lumiosa co idicatore digitale) co supporto per baco ottico -3 supporti per baco ottico atti al bloccaggio della fibra, di cui uo dotato di piattaforma girevole co goiometro ed uo di collimatore di radiazioe lumiosa - fiber cleaver (accessorio i plastica co fuzioe di tagliafibra) - alcui fiber holders (portafibra i rame co lamia di protezioe) - alcue viti i plastica per il fissaggio dei fiber holders 3. Traccia per l esecuzioe dell esperieza La prima parte dell esperieza riguarda la misura dell atteuazioe della fibra ottica da esamiare. A tale scopo si rileva la poteza lumiosa i uscita da u lugo tratto di fibra. Per poter compiere tale misura si devoo compiere le segueti operazioi prelimiari sulle due estremità della bobia di fibra a disposizioe, la cui lughezza è aotata sul supporto della bobia stessa: si immerge ua porzioe di fibra luga ua decia di cm ell ampolla coteete diclorometao, facedo attezioe a o toccare il liquido co le dita; dopo pochi miuti si preleva la fibra e si sfila il jacket co estrema semplicità, grazie all azioe del solvete; si ifilao attraverso il capo della fibra le viti di fissaggio i plastica: questo accorgimeto deve essere compiuto prima del taglio della fibra i modo da o daeggiare la sezioe che si ottiee; si opera il taglio della fibra adagiadola su u apposita scaalatura disposta sulla liguetta flessibile del fiber cleaver, fissadola tramite ua piccola lama dello stesso strumeto precedetemete sollevata per il posizioameto della fibra stessa, ifie effettuado u brusco movimeto verso il basso sulla liguetta. Tale tecica prede il ome di scribe ad break (icidi e spezza); si cotrolla la qualità del taglio tramite il microscopio a disposizioe: la sezioe deve assolutamete risultare il più possibile ortogoale all asse della fibra e o deve presetare irregolarità rilevati. L essezialità di tali caratteristiche per il buo esito dell esperieza può richiedere diverse ripetizioi delle operazioi fi qui descritte fiché o si ottiee u taglio 3
ottimale. Da questo puto i poi è ecessario agire co la massima cautela per o daeggiare la parte di claddig privata del rivestimeto; si posizioa il capo della fibra ell apposita fessura di u fiber holder e lo si fissa tramite la lamia di protezioe, quidi si avvita l estremo dotato di filettatura di tale portafibra co le viti i plastica, fio ad otteere il bloccaggio. A questo puto si provvede alla collocazioe delle due estremità della fibra sugli appositi supporti; quidi all attivazioe del laser e all accesioe del digital power meter. Il primo fuge da sorgete di radiazioe per il capo della fibra posto sul supporto provvisto di collimatore e ivi fissato serrado delle viti coesse ad u madrio, il secodo da rilevatore dell itesità lumiosa emergete dall altra estremità della fibra, sistemata co aaloga procedura sul secodo supporto per fibre. Tutto l apparato può essere osservato ella schematizzazioe di figura. LASER SUPPORTO CON COLLIMATORE ROTOLO DI FIBRA DIGITAL POWER METER FOTODIODO SECONDO SUPPORTO Figura. Disposizioe degli strumeti per la misura della poteza i uscita da u lugo tratto di fibra ottica. Successivamete, per mezzo delle viti di regolazioe del supporto del laser e di quello atto a sosteere il primo capo del rotolo di fibra, si cerca di effettuare u allieameto tra sorgete e fibra i modo che il fascio laser, dopo essere filtrato attraverso il collimatore, icida perpedicolarmete la sezioe della fibra stessa. A questo scopo, dopo u primo allieameto a vista, è ecessario effettuare delle piccole variazioi sulla posizioe relativa dei supporti, agedo pricipalmete sulle viti di regolazioe fie, teedo sotto osservazioe il display del digital power meter fio ad otteere u valore di poteza i uscita più grade possibile. L ultima operazioe descritta può richiedere dei tempi di esecuzioe abbastaza lughi, dal mometo che, a causa delle ridotte dimesioi trasversali della fibra, a piccoli spostameti possoo corrispodere gradi variazioi sull itesità della radiazioe i uscita. Ua volta otteuto il valore di poteza massimo possibile, lo si aota assieme al dato sulla lughezza della bobia e si procede co l esperieza. Il secodo valore di poteza deve essere relativo alla radiazioe icidete la fibra. I liea di pricipio, il valore cercato si potrebbe derivare dal dato sulla poteza del laser, ma ua procedura 4
del geere si rivelerebbe troppo imprecisa, per l icertezza sulla sezioe del peello laser, sulla sua omogeeità, sulla parte di radiazioe riflessa dalla fibra. Co buoa approssimazioe, ivece, si ricoduce tale misura a quella della poteza lumiosa i uscita da ua fibra di lughezza molto ridotta. Pertato, lasciado ivariata la collocazioe del primo capo della fibra, si effettua u taglio ad ua distaza da quest ultimo di circa u metro (molto piccola i cofroto alla lughezza dell itero rotolo), e sull estremità otteuta si svolgoo le stesse operazioi precedetemete effettuate sui capi della bobia. Occorre prestare molta attezioe a o variare le posizioi del laser e del collimatore e a o daeggiare la parte iiziale della fibra, poiché è esseziale o modificare le codizioi di icideza rispetto alla prima misura di itesità. Si ricordi altresì di aotare la lughezza della fibra dopo il taglio, i quato la bobia verrà uovamete utilizzata dai successivi sperimetatori. Si sistema ifie l estremità tagliata al posto del capo del rotolo sul secodo supporto per fibre. Il digital power meter rivelerà i questo modo la poteza lumiosa icidete, ecessaria per determiare l atteuazioe della fibra ottica per mezzo dell equazioe (). La secoda parte dell esperieza ha come oggetto la misura sperimetale dell agolo di accettaza ϕ a della fibra ottica i esame, da cui far discedere successivamete, tramite la defiizioe data ella trattazioe fisica, il valore dell apertura umerica N.A.. Lo svolgimeto delle operazioi di misura si compie tramite lo stesso apparato utilizzato ella prima parte, fatta eccezioe per l impiego del supporto dotato di piattaforma girevole co goiometro, come si può osservare i figura 3; per quato riguarda la fibra, si cotiua a fare uso del tratto da m. DIGITAL POWER METER SUPPORTO ROTANTE SECONDO SUPPORTO LASER FOTODIODO Figura 3. Disposizioe degli strumeti per la misura dell agolo di accettaza (vista dall alto). Dopo aver posizioato u estremo della fibra sul supporto rotate e l altro estremo su u supporto fisso, si agisce sulle viti di regolazioe per otteere u buo allieameto co il fascio laser, quidi si aota il valore idividuato dal goiometro e quello visualizzato sul digital power meter per questa posizioe di riferimeto. Successivamete, muovedo il supporto, si misura la poteza 5
lumiosa i fuzioe dell agolo di rotazioe. Si osserva che la correttezza delle misure effettuate è strettamete dipedete dalla messa i asse della fibra co il raggio laser, operazioe di difficile esecuzioe per la diversa coformazioe dei relativi supporti e per la limitazioe al posizioameto degli stessi, i ragioe del fatto che devoo essere avvitati ei fori preseti sul baco ottico. U altro accorgimeto esseziale cosiste el fatto che l estremità di igresso della fibra risulti posizioata i corrispodeza del cetro del supporto, cioè, i altri termii, essa appartega all asse di rotazioe della piattaforma; i caso cotrario il valore letto sul goiometro o corrispoderebbe all agolo di icideza del fascio sulla fibra. Il fatto che l adameto della poteza risulti simmetrico rispetto all agolo di riferimeto, è ua parziale verifica della correttezza delle operazioi di posizioameto della fibra. I ogi caso, si suggerisce di effettuare più di ua serie di misurazioi. Si osserva ifie che, rispetto alla prima parte dell esperieza, i valori di poteza rilevati risulterao ettamete iferiori: ciò è cosegueza dell utilizzo del supporto rotate il quale (per la sua stessa fuzioe) è privo di collimatore. Per questo motivo può essere ecessario provvedere all oscurameto del fotodiodo dalla luce presete el laboratorio. 4. Aalisi dei dati Per quato riguarda la misura di atteuazioe, l icertezza sulla poteza può essere stimata dalle oscillazioi del valore idicato sul display del rilevatore digitale. Per la lughezza della bobia di fibra, ivece, si assuma u icertezza di almeo u metro sul valore aotato sul supporto, i quato tale valore è raggiuto i geere dopo ua luga serie di asportazioi di tratti di fibra a partire dai 500 m del rotolo itegro e come tale o è suscettibile di verifica. Ua volta trovata la misura di atteuazioe della fibra, la si può cofrotare co i dati foriti dal costruttore e relativi alla frequeza di emissioe del laser He-Ne, se questi soo dispoibili. Per la misura dell apertura umerica, si stimi l icertezza sull agolo di rotazioe i base alla scala presete sul goiometro. L agolo di accettaza, come aticipato ella trattazioe fisica, viee calcolato a partire dagli agoli i corrispodeza dei quali la poteza si riduce al 5% del suo valore massimo. Ache i questo caso, è opportuo cofrotare il valore trovato per la N.A. co quello forito dal costruttore della fibra. 6