Fibre ottiche
2
n1 > n2
LD (diodo laser)
LED (light-emitting diode)
1
riflessione / rifrazione
n1 sin" 2
=
n2 sin"1
se !2 = !/2
#n &
"cr = arcsin% 2 (
$ n1 '
angolo critico
Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000
Le fibre ottiche sono sistemi (in vetro, cilindrici, molto lunghi) che consentono
il trasporto di un’onda luminosa. Sono costituite da un cuore (core) e da uno
strato esterno (cladding) a diverso indice di rifrazione.
L’onda luminosa, una volta entrata nella fibra, vi resta intrappolata a causa di
tale differenza di n (pertanto vengono impiegate per il trasporto di fasci di luce
laser a lunga distanza).
Un primo importante parametro è quindi l’angolo critico, al di sopra del quale
ho totale riflessione all’interno della fibra: per questo n1 > n2.
Il!segnale ottico viene trasmesso quando l’angolo di incidenza è superiore
all’angolo critico; le pareti interne del core fungono da specchio per il fascio in
ingresso che viene così guidato; per questo motivo si parla di “guida d’onda”.
!
1
apertura numerica
2
2
NA = n1 ! n2
garantisce ! > !cr
"n < 1% sufficienti per guidare onde di luce
Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000
Viene definito anche un angolo di ingresso tale per cui l’onda, una volta
“inserita” nella fibra, continua a rimanervi grazie al fatto che l’angolo di
incidenza sulla parete del cladding è inferiore all’angolo critico.
Le fibre sono catalogate in genere in funzione della loro apertura numerica,
NA. Tale dato è fondamentale nell’accoppiamento della fibra con i dispositivi
di immissione e captazione del segnale.
2
Modi di trasmissione
equazioni di Maxwell ! differenti distribuzioni spaziali della luce = modi
numero massimo di modi
"
n12 k 2 a 2 #
"+2
n2 " n2
2!
! = 1 22
k=
"
2 n1
N=
!
# = coefficiente che
dipende da come varia
l’indice di rifrazione in
funzione del raggio del
core
***
Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000
Dati la guida d’onda e l’indice di rifrazione, posso definire tutti i modi in cui la
trasmissione può avvenire in quella guida d’onda (soluzioni dell’equazione di
Maxwell).
Lungo la stessa fibra si possono trasmettere contemporaneamente e senza
interferenze un numero di segnali pari al numero di modi della fibra stessa. Il
numero massimo di modi dipende soprattutto dalla dimensione della fibra,
dall’indice di rifrazione e dalla lunghezza d’onda.
3
Perdite di trasmissione
!P$
log # i &
" P0 %
perdita = 10
L
Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000
Nel diagramma a sinistra è mostrata l’attenuazione in una guida d’onda
prodotta da vetro per fusione.
Le perdite di trasmissione sono calcolate in base alla perdita di potenza del
segnale e sono misurate in decibel (dB), logaritmo del rapporto tra intensità in
ingresso e intensità in uscita.
Tali perdite sono associabili all’interazione dell’onda luminosa con la matrice
vetrosa: transizioni elettroniche nella SiO2 (assorbimento UV), vibrazioni
molecolari della SiO2 (assorbimento IR), scattering da imperfezioni del
reticolo, assorbimento dal ioni metallici (tipo Fe3+) o gruppi OH. Per questo la
finestra di trasmissione è molto limitata (1.2-1.7µm).
Obiettivo è comunque limitare gli ioni metallici e i gruppi OH.
4
Materiali e processi
processo OVD (outside vapour deposition)
SiCl4 + O2 " SiO2 + 2 Cl2
2 H2O + 2 Cl2 " 4 HCl + O2
Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000
La produzione di fibre ottiche fa riferimento a processi CVD che garantiscono
elevatissima purezza.
Nel processo OVD si parte da un supporto in silice preformato (per esempio
un’altra fibra, precedentemente prodotta) e lo si accresce fino ad ottenere la
preforma.
Si parte in genere da cloruri; all’inizio i reagenti vengono miscelati e
successivamente vengono fatti passare attraverso un condotto all’interno del
quale vengono messi a contatto con ossigeno e infine convogliati ad una torcia
che deposita gli ossidi formati sulla preforma posta in rotazione.
Uno dei vantaggi di questo metodo è che l’H2O eventualmente presente
reagisce con il Cl2 dando HCl e O2 gassosi facilmente eliminabili.
5
processo MCVD (modified chemical vapour deposition)
Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000
Nel processo MCVD un tubo in silice viene “riempito” per ottenere la
preforma.
Il procedimento è analogo al precedente ma la deposizione avviene sulle pareti
interne della cannula.
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tiratura delle fibre e rivestimento
Preforma
T ! 1800°C
Schott Guide to Glass, 2nd edition, Chapman & Hall, 1996
Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000
La preforma viene poi filata per ottenere la fibra.
La fibra viene quindi rivestita di un polimero per la sua protezione.
Le fibre che si ottengono sono così sottili da possedere elevatissima elasticità
ed essendo subito rivestite, non possiedono difetti.
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