UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI LECCE Corso di laurea in Ingegneria dei Materiali A.A. 2002/2003 Scienza e Tecnologia dei M

1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI LECCE Corso di laurea in Ingegneria dei Materiali A.A. 2002/2003 Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Fibre Ottiche Docente Dott. Antonio Licciulli Studente Andrea Macella

2. Applicazioni Sistemi di comunicazione con fibre ottiche Funzionamento e struttura di una fibra Classificazione delle fibre ottiche Caratteristiche delle fibre ottiche Tecnologie di produzione Giunzioni tra fibre Amplificatori ottici

3. Introduzione • Le fibre ottiche sono utilizzate nei • moderni sistemi di comunicazione • Oltre alle fibre in silice, per alcuni impieghi vengono utilizzate anche le fibre plastiche (polistirene, polimetile, nylon) • Il campo delle comunicazioni con • fibre ottiche è esploso negli ultimi • due decenni • Le fibre ottiche sono sottili come • capelli e sono costituite • principalmente da vetro di silice

4. Le fibre ottiche si basano sul principio della riflessione totale interna • Il numero di riflessioni totali dipende dall’angolo tra il raggio incidente e l’asse della fibra e dall’utilizzo della fibra in un percorso rettilineo o meno • Le fibre ottiche vengono sempre fabbricate a partire da due vetri di indice di rifrazione diverso; Il vetro ad indice piu’ elevato,che costituisce il cuore della fibra e propaga la radiazione,è rivestito con il vetro ad indice piu’ basso.

5. Applicazioni Trasporto di immagini Produzione Trasporto di luce Trasporto o amplificazione di radiazione

6. Settori di applicazione Endoscopie Artroscopie Interventi chirurgici Medicina Industria Taglio Saldatura Foratura Settori di applicazione Fotonica Amplificatori ottici a fibra attiva Astronomia Ricerca Telecomunicazioni

7. Sistemi di comunicazione a fibre ottiche I moderni sistemi di comunicazione sono costituiti in genere da: Dispositivo optoelettronico ovvero un dispositivo per la codifica dei segnali elettrici in segnali luminosi Trasmettitore (Laser o Led) Fibre ottiche Mezzo per la trasmissione dei segnali ottici Fotorilevatore Dispositivo per la riconversione dei segnali luminosi in segnali elettrici

8. TRASMETTITORE (Laser o Led) LED • Un LED è un diodo optoelettronico che in fase di conduzione • emette radiazione nel vicino IR. • Un LED è sostanzialmente simile ad un diodo normale,solo • che il suo livello di soglia di conduzione è relativamente piu’ • basso • Frequenze di utilizzo: 10÷100 Mhz. • La potenza luminosa immessa in fibra: 10÷100 µW • Il LED deve essere collegato ad un’ estremità della fibra

9. Laser • Un Laser è una sorgente di radiazione coerente,ovvero le • emissioni fotoniche sono in fase,parallele,direzionali e • monocromatiche (o quasi) • Il funzionamento di un laser si basa sul principio • dell’emissione stimolata di radiazione • Frequenze di utilizzo: circa 5 Ghz • La potenza luminosa immessa in fibra: 5 e 20 mW

10. Nei moderni sistemi di comunicazione,è utilizzato come • trasmettitore un Laser a semiconduttore.E’ un normale • diodo a semiconduttore ,nel quale diviene attiva • una piccola zona.Il laser a semiconduttore piu’utilizzato è del • tipo InGaAs (Arseniato di indio e gallio) o InGaAsP • (Arseniato fosfide di indio e gallio) • Il Laser deve essere collegato ad un’ estremità della fibra

11. FIBRE OTTICHE Rappresentano il mezzo di trasmissione per il segnale ottico e devono garantire perdite minime onde evitare l’utilizzo di ripetitori per l’ amplificazione del segnale nei sistemi di comunicazione su lunghe distanze. Queste perdite sono invece tollerabili su brevi distanze.

12. Fotorivelatore • Dispositivi per la riconversione dei segnali luminosi in segnali • elettrici • I rivelatori ottici sono essenzialmente dei fotodiodi con • giunzioni PIN (Positive Intrinsic Negative) • Il diodo viene polarizzato inversamente e la luce • colpisce lo strato intrinseco • La luce incidente libera coppie elettrone-lacuna generando • una fotocorrente proporzionale all'energia luminosa • I fotorivelatori devono essere collegati all’altra • estremità della fibra.

13. Funzionamento di una fibra Legge di Snell n1 n2 : Indici di rifrazione dei due mezzi 1 : Angolo di incidenza 2 : Angolo rifratto Se 2=/2: RIFLESSIONE TOTALE 1=L=arcsin(n2/n1) L=arcsin(n2/n1) angolo limite

14. Funzionamento di una fibra Esempio del fenomeno di riflessione e rifrazione per diversi raggi di incidenza provenienti da una sorgente S La trasmissione della luce attraverso una fibra è quindi basata sul fenomeno della riflessione totale interna che si presenta quando la luce incide obliquamente sull’interfaccia tra due mezzi di diverso indice di diffrazione, con un angolo più grande dell’angolo critico

15. Struttura di una fibra • Il CORE e il CLADDING • sono i costituenti fondamentali • di una fibra ed hanno indice di • rifrazione differente: • n1 (core) > n2 (cladding) • n1=1,5 n2=1,475 tipicamente • Il BUFFER ha la funzione di • proteggere la fibra da agenti • esterni ed irrobustirla • meccanicamente • Il JACKET evita fenomeni di • microbending e porta ad un • aumento del coefficiente di • attenuazione I costituenti di una fibra ottica sono i seguenti: Core e cladding sono costituite da SiO2 Buffer e Jacket da materiale plastico

16. Struttura di una fibra • L’ indice di rifrazione della silice può essere alterato con l’ aggiunta di sostanze droganti: • GeO2 e P2O5 alzano n • B2O3 e SiF4 abbassano n Condizione di incidenza della radiazione sulla discontinuità core-cladding con 1> L ө = Angolo di accettazione 1< ө =((n22 – n12))/n0)1/2 n0=Indice di rifrazione del mezzo esterno

17. Ф =Raggio iniettato dalla sorgente ottica Assenza di riflessione Se Ф>өIl raggio inciderà sull’interfaccia core-cladding con un angolo  1<  L sin ө=NA NA=Apertura Numerica NA = (n22 n12)1/2 NA=0,1÷0,3 Valori tipici dell’apertura numerica

18. Classificazione delle fibre • Vi sono vari tipi di fibre ottiche ma la tendenza è quella di minimizzare il numero allo scopo di facilitare l’installazione e la manutenzione e di ridurre i costi di produzione. Esse si possono classificare in: Monomodali Step Index Step Index Multimodali Graded-Index

19. Fibre Monomodali • Le fibre monomodali con profilo d’indice a gradino presenta- no un profilo costante nel core, il cui diametro è molto ridot- to (circa 4-10 m), e decresce bruscamente con un gradino • (step) nel cladding dove ancora rimane costante • Il diametro del cladding è in genere di 125 m • Il raggio all’interno si propaga in un unico modo

20.  : Lunghezza d’onda della radiazione utilizzata NA apertura numerica Le fibre monomodali sono ampiamente utilizzate nelle telecomunicazioni: • Per l’elevato tempo di vita • Minima perdita di potenza ottica • Assenza di dispersione modale

21. Vantaggi e svantaggi di una fibra monomodale Vantaggi Svantaggi • Problemi di connessione a causa • del ridotto diametro del core • Elevata potenza ottica richiesta. • Elevato tempo di vita (circa 20 anni) • Assenza di dispersione • Minima perdita della potenza • ottica • Bassa attenuazione • Ampia larghezza di banda

22. Fibre Multimodali • Le fibre multimodali hanno maggiori dimensioni rispetto alle • monomodali • Il diametro del core è 50 m • Il diametro del cladding è 125-150 m • Esse vengono utilizzate per distanze molto brevi (<10Km) Step Index Multimodali Graded-Index

23. Fibre Multimodali Step-Index L’indice di rifrazione ha un profilo costante in tutto il core e decresce bruscamente nel cladding In esse si manifesta dispersione modale Un mancato utilizzo nelle telecomunicazioni

24. Infatti, anche i raggi luminosi con stessa lunghezza d’onda ed immessi nella fibra con diverso angolo d’incidenza (inferiore a ө) si propagano con la stessa velocità all’interno della fibra ma attraverso percorsi a zig-zag di diversa lunghezza. I raggi giungono a destinazione in tempi diversi producendo un allargamento temporale dell’impulso luminoso trasmesso Dispersione modale

25. Fibre Multimodali Graded-Index • L’indice di rifrazione decresce gradualmente dal centro del core fino alla regione di separazione tra core e cladding.

26. Vantaggio delle fibre multimodali Graded-Index I raggi che si avvicinano al cladding, attraversano un mezzo che presenta un indice di rifrazione via via decrescente e posseggono una velocità più alta rispetto ai raggi che compiono un percorso più breve come,ad esempio,quelli orizzontali all’asse della fibra Tutti i raggi dell’impulso di luce giungono quasi contemporaneamente limitando, così, la dispersione modale. M  0.5*(*d*NA/)2 d=diametro del core

27. Caratteristiche delle fibre ottiche Lo studio delle caratteristiche delle fibre ottiche è molto importante perché determina la capacità del canale di trasmissione e la massima distanza copribile tra trasmettitore e ricevitore senza l’utilizzo di ripetitori. Attenuazione Perdite Dispersione

28. Classificazione delle perdite per attenuazione Perdite intrinseche Dipendono dalle caratteristiche delle fibre e non sono eliminabili Dipendono dalla presenza di impurezze, non sono eliminabili ma migliorabili affinando il processo produttivo Perdite estrinseche

29. Attenuazione Potenza ottica trasmessa Potenza ottica ricevuta Attenuazione • L’attenuazione è una funzione della lunghezza d’onda, del tipo di fibra,e delle sollecitazioni meccaniche agenti sulla fibra • Una perdita per attenuazione determina una riduzione della potenza di trasmissione Coefficiente di attenuazione dB=10 Log10(P0/P) Se una fibra ha attenuazione = 1 dB/Km Il materiale della fibra è di altissima qualità Accurato processo produttivo del vetro e della fibra, con cui si sono praticamente eliminate tutte le cause di attenuazione estrinseca

30. L’attenuazione piu’ bassa finora ottenuta in fibre in silice è di circa 0,2 dB/Km (λ=1500 nm) • Oltre al processo produttivo di realizzazione delle fibre,un’ altra causa di attenuazione è provocata da giunzioni e connessioni • Giunzione: 0,1÷0,3 dB/Km • Connettore: 0,3÷0,7 dB/Km

31. Dispersione • E’ determinata da perdite che determinano una distorsione del segnale Dispersione modale Dispersione del materiale Dispersione Dispersione di guida d’onda Le tre dispersioni determinano una limitazione della banda passante dell'intero collegamento

32. Dispersione modale Assente nelle monomodo > nelle multimodo step-index che non nelle graded-index Tipologia di fibra Superficie irregolare del cladding Cause Riflessioni anomale Conicità del core Variazioni nella direzione del raggio riflesso Superficie di giunzione tra due fibre Modifica la direzione del raggio

33. Dispersione del materiale • La dispersione del materiale consiste nella dipendenza della • velocità di un raggio di lunghezza d'onda λ dalla composizione • della fibra • Se si immette nella fibra un impulso di luce bianca, • le componenti cromatiche costituenti, percorrendo la fibra • con velocità differenti, arrivano al ricevitore in tempi • differenti generando, così, un impulso di uscita allargato e • più "basso" rispetto a quello di entrata • Il raggio rosso, avendo più basso indice di • rifrazione, è quello che possiede maggior • velocità e pertanto giunge prima al • ricevitore. Per limitare la dispersione del • materiale si cerca di usare luce • monocromatica utilizzando DIODI LASER.

34. Dispersione di guida d'onda • La dispersione di guida d'onda è dovuta alle ridotte dimensioni del core che consente il trasporto di una parte della potenza ottica anche nel cladding. La dispersione si ha poiché il cladding ha indice di rifrazione inferiore a quello del core. Questa dispersione dipende dal profilo di indice della fibra

35. Finestre di trasmissione nell’infrarosso Inizialmente per la trasmissione in fibra si usava la luce visibile, ma successivamente,nel tentativo continuo della tecnica di migliorare le prestazioni dei sistemi di telecomunicazioni, si effettuarono  esperimenti con raggi ultravioletti ed infrarossi, e si  osservò che l'attenuazione degli infrarossi era minore di quella della luce visibile all'interno delle fibre ottiche. Si passò così all'utilizzo degli infrarossi in prima, poi in seconda, ed infine in terzafinestra, aumentando la lunghezza d’onda λ della luce usatae riducendo l’attenuazione del segnale,raggiungendo cosi’ distanze maggiori.

36. 1a finestra 0.8 <  < 0.9 m (vicino infrarosso); 2a finestra 1.25 <  < 1.35 m; 3a finestra 1.5 <  < 1.6 m (lontano infrarosso). La prima finestra venne utilizzata inizialmente data la possibilità di reperire più facilmente sorgenti e rivelatori: infatti l’energia del fotone corrispondente ad una lunghezza d’onda di 0.8 m è sufficiente a ionizzare atomi di silicio, per cui si potevano utilizzare fotodiodi e led al silicio. Attualmente le finestre più utilizzate sono però la 2a e la 3a a causa delle più basse perdite, valutabili intorno a 0.2-0.5 dB/Km. Per ottenere attenuazioni ancora più ridotte si possono impiegare fibre al KCl.

37. Tecnologie di produzione • Le modalità di fabbricazione delle fibre ottiche sono determinanti al fine delle loro potenziali applicazioni • Per ottenere fibre ottiche con basse perdite occorre partire da vetri di purezza elevatissima in cui siano assenti soprattutto ioni dei metalli di transizione e ossidrili • Ottenuti i reagenti,questi devono essere fusi fino ad ottenere un vetro assolutamente omogeneo ed esente da bolle

38. Metodo del doppio crogiolo Filatura diretta della fibra Metodo Rode in tube Fabbricazione della preforma Filatura della fibra dalla preforma Fasi Filatura della fibra dalla preforma Processo di rivestimento e di jacketing Test della fibra

39. Filatura diretta della fibra Metodo del doppio crogiolo • Il vetro fuso del core è posto in un crogiolo interno • Il vetro fuso del cladding è posto in un crogiolo piu’ esterno • La fibra viene tirata da orifizi ricavati alla base dei crogioli • E’ utilizzato per la produzione sia di fibre step index che graded index

40. Ultimamente questa tecnica è stata ottimizzata per la produzione di fibre graded index determinando uno sfalzamento degli orifizi di un tratto L • In questo tratto L si verificano processi di diffusione o scambio di ioni mobili attraverso l’interfaccia core-cladding • Lo sfalzamento L,i coefficienti di diffusione degli ioni ed il tempo concesso per la diffusione in relazione alla velocità di tiraggio determinano il profilo dell’indice di rifrazione

41. Metodo Rode in tube • L’estremità di questo assieme viene sottoposta a riscaldamento;entrambi i vetri rammolliscono e la fibra viene tirata • L’asta ed il tubo sono in genere lunghi 1m • L’asta del core ha tipicamente un diametro di 30mm • Core e cladding devono avere temperature di rammollimento simili • Impurezze presenti nel batch possono compromettere l’adesione fra core e cladding

42. Filatura della fibra dalla preforma • Fabbricazione della preforma • Filatura della fibra dalla preforma • Processo di rivestimento e di jacketing • Test della fibra

43. Fabbricazione della preforma Le preforme sono fabbricate usando le tecniche di deposizione chimica da fase vapore le quali sono basate su una reazione di ossidazione (o di idrolisi) ad elevata temperatura che subiscono il SiCl4 gassoso e gli altri cloruri degli elementi droganti aggiunti per ottenere il desiderato profilo dell’indice. Questa reazione determina la deposizione della SiO2 solida sottoforma di fuliggine (soot) all’esterno di una barra o all’interno di un tubo di vetro rotanti

44. I processi chimici operano come segue: 1. SiCl4 + O2 →SiO2 + 2Cl2 2. GeCl4 + O2→ GeO2 + 2Cl2 3. 4POCl3 + 3O2 → 2P2O5+ 6Cl2 4. 4BCl3 + 3O2 → 2B2O3 + 6Cl2 Il cambiamento di composizione della miscela durante il processo influenza il profilo dell’ indice di rifrazione della preforma

45. Deposizione chimica di vapori modificata (MCVD) Reattore MCVD • La miscela gassosa dei reattivi è alimentata all’estremità del tubo di SiO2 rotante • Il tubo è riscaldato da un cannello ossidrico mobile • I vapori vengono immessi all’interno del tubo e reagiscono in corrispondenza della fiamma secondo la seguente reazione: SiCl4 + O2→SiO2 + 2Cl2

46. La SiO2 in forma di Soot condensa sulle pareti piu’ fredde a valle della fiamma Le particelle fondono assieme formando uno strato vetroso sinterizzato Si deposita il vetro della guaina Si varia progressivamente la composizione della miscela di cloruri in ingresso,con deposizione successiva di alcune decine di strati per ottenere il gradiente d’indice Quando la deposizione è finita,la temperatura del bruciatore viene aumentata a 1800 °C e il tubo rammollisce e collassa per le forze di tensione superficiale,formando una preforma solida cilindrica Reattore MCVD

47. Deposizione chimica di vapori modificato da plasma (PMCVD) Reattore PMCVD • In aggiunta alla normale tecnica di MCVD una bobina di radiofrequenza intorno al tubo genera un plasma avente una temperatura interna elevata • Il plasma determina (con un riscaldamento sufficiente) un aumento della velocità di reazione e della velocità di deposizione all’interno del tubo • La PMCVD consente di produrre fibre molto lunghe (50Km) ed è usata sia per fibre step-index che graded-index

48. Deposizione chimica di vapori da plasma (PCVD) Reattore PCVD • Il metodo di PCVD è simile a PMCVD • La bobina di radiofrequenza è sostituita da un reattore a microonde • Il plasma si forma in corrispondenza ad una sorgente cava di microonde mobile avanti e indietro lungo il tubo di quarzo • Non si ha formazione di fuliggine nella fase gassosa

49. Reattore PCVD • Il vetro si forma direttamente,allo stato compatto, sulla parte interna del tubo • Questa tecnica consente una precisione molto maggiore nella realizzazione di un determinato profilo dell’indice di rifrazione • La durata del processo è però molto piu’ lunga

50. Deposizione esterna di vapori (OVD) Reattore OVD • I vapori dei cloruri prescelti subiscono una reazione di idrolisi in un bruciatore a gas (metano) e ossigeno,e la SiO2 si deposita come fuliggine all’esterno di una barra rotante in allumina • Spostando la barra o la fiamma avanti ed indietro si forma una “boule” allungata di vetro