Effetto plasma-ottico
L’effetto plasma-ottico consiste nella variazione ∆n dell’indice di
rifrazione e ∆α del coefficiente di assorbimento ottico, di un materiale
semiconduttore, dovuto ad una variazione della concentrazione dei
portatori liberi.
e 2 λ2
∆n = − 2 2
8π c n 0 ε 0
e3λ2
∆α = 2 3
4π c n 0 ε 0
∆N e ∆N h
* + *
mh
me
∆N
∆N h
e
* 2 + * 2
m e µ e m h µ h
( )
( )
Dove:
∆Ne e ∆Nh sono le variazioni di concentrazione di elettroni e lacune;
n0 e ε0 sono l’indice di rifrazione e la costante dielettrica del semiconduttore;
µe e µh sono le mobilità di elettroni e lacune;
λ è la lunghezza d’onda della radiazione luminosa.
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Modulazione della radiazione
La modulazione della radiazione può avvenire in due maniere:
•Modulazione diretta
•Modulazione indiretta
La modulazione diretta si applica normalmente alle sorgenti a semiconduttore e
consiste nella variazione della corrente di alimentazione nei LED e dei diodi laser.
La modulazione indiretta si basa sulla modulazione della radiazione emessa da una
sorgente ad onda continua mediante modulatori esterni.
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Modulazione diretta
La modulazione diretta, essendo basata sulla variazione della corrente
di iniezione nei LED e nei diodi laser, produce una variazione del
regime di funzionamento dei dispositivi e quindi anche delle
caratteristiche spettrali della radiazione quali, ad esempio, variazioni
considerevoli della larghezza riga di emissione. E’ difficile, inoltre,
specialmente nei diodi laser, ottenere velocità maggiori di 20 GBit/s.
Esistono, tuttavia, prototipi modulabili a velocità superiori.
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Modulazione indiretta
La modulazione indiretta si fonda sull’utilizzo di modulatori esterni
funzionanti essenzialmente in base a due principi:
•Variazione dell’indice di rifrazione dei materiali
•Variazione del coefficiente di assorbimento dei materiali
I modulatori possono essere realizzati sia in fibra ottica che in guida
dielettrica planare e sono generalmente predisposti per l’accoppiamento
in fibra ottica alle sorgenti “pig-tailed”.
Diodo laser pig-tailed con
package tipo “butterfly”
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Modulazione per variazione di indice di rifrazione
La modulazione per variazione di indice di rifrazione richiede strutture
che consentono la conversione della variazione di indice in variazione
di intensità della radiazione.
I principi fisici utilizzati per ottenere la variazione di indice di rifrazione
sono essenzialmente:
•Effetto elettro-ottico
•Effetto acusto-ottico
•Effetto plasma-ottico
•Effetto termo-ottico
Le strutture per ottenere la conversione da variazione di indice a variazione
di intensità sono essenzialmente:
•Interferometri (Mach-Zehnder, Fabry-Perot)
•Guide accoppiate
•Reticoli di Bragg
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Modulatori elettro-ottici
Modulatore elettro-ottico integrato, basato sull’effetto Pockels,
realizzato mediante un interferometro Mach-Zehnder.
Pout (∆φ)
= cos 2 (∆φ)
Pout (0)
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Modulatori elettro-ottici
Modulatore elettro-ottico integrato, basato sull’effetto Pockels,
realizzato mediante guide accoppiate.
PB (L 0 )
= f (∆β)
PA (0)
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Modulatori acusto-ottici
L’onda acustica di superficie (SAW) induce un reticolo di Bragg nel
substrato piezoelettrico.
Esempio:
Cristallo di LiNbO3
λ = 632.8nm
fRF = 250MHz
vsuono = 6.57km/s
Λ = vsuono/fRF = 26.3µm
sinθ = λ/(2n Λ) = 0.00547
θ = 0.31°
Shift Doppler = 250MHz
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Modulatori basati sull’effetto plasma-ottico
Utilizzando la variazione di indice di rifrazione dovuta all’iniezione di
cariche è possibile realizzare modulatori in silicio o altri semiconduttori
basati su diodi pin inseriti in strutture interferometriche o guide con
reticoli di Bragg.
Modulatore pin con reticolo di Bragg realizzato con tecnologia SOI (Silicon-On-Insulator)
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Modulatori basati sull’effetto plasma-ottico
Utilizzando la variazione del coefficiente di assorbimento dovuta alla
iniezione di cariche è possibile realizzare modulatori in silicio o altri
semiconduttori basati su diodi pin inseriti in strutture guidanti ottiche.
I questo caso la profondità di modulazione dipende dalla lunghezza
della guida.
FCAM (Free Carriers Absoption Modulators)
Modulatore pin tipo FCAM realizzato con guida rib in tecnologia SOI
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Modulatori basati sull’effetto termo-ottico
Utilizzando la variazione di indice di rifrazione dovuta alla variazione
di temperatura è possibile realizzare modulatori in silicio o altri
semiconduttori basati su strutture interferometriche integrate.
Il riscaldamento si ottiene mediante resistori integrati nella struttura.
∆n
= 2 ⋅10 − 4 K −1
∆T
Coefficiente termo-ottico del silicio
Guida rib in tecnologia SOI con cavità
Fabry-Perot
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Circuiti ibridi
L’integrazione di componenti ottici e componenti elettronici porta alla
realizzazione di chip ibridi in cui il segnale ottico proveniente da una
fibra viene processato, trasformato in segnale elettrico e ulteriormente
elaborato.
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Interconnessioni ottiche
Utilizzando matrici di diodi laser e di fotorivelatori integrati è possibile
trasferire segnali tra circuiti elettronici integrati, ad elevatissima
velicità, senza utilizzare interconnessioni metalliche.
Optical Field Programmable Gate Array
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Sensori optoelettronici
Caratteristiche generali:
•Immunità alle interferenze elettromagnetiche
•Sensibilità elevata
•Minima invasività (possibilità di embedding, misure senza contatto, ..)
•Multiplabilità (WDM, TDM)
•Utilizzabilità in ambienti pericolosi (esplosivi, ..) e ostili (acidi, alta temperatura, ..)
Classificazione:
•Sensori integrati in guida d’onda
•Sensori in fibra ottica (estrinseci ed intrinseci)
•Sensori a distanza
Principali grandezze misurabili:
•Deformazione
•Temperatura
•Corrente/tensione
•Spostamenti/velocità
•Sostanze chimiche
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Sensore integrato ARROW
ARROW: Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguide
Riflessione
totale
Mezzo esterno
core
1° cladding
2° cladding
substrato
x
y
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Riflessione
antirisonante
Specchio
Fabry-Perot
Sensore integrato ARROW
Luce IN
Regione di sensing
L
Luce OUT
Misura variazioni di indice di rifrazione e può essere, con opportune interfacce, essere utilizzato
per la rivelazione di sostanze chimiche.
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Sensori distribuiti in fibra ottica
Caratteristiche
•Misure distribuite di temperatura e/o deformazione su distanza di diversi km
•La fibra ottica stessa rappresenta l’elemento sensibile attraverso:
–Scattering di Rayleigh
–Scattering di Raman
–Scattering di Brillouin
Applicazioni principali
•Monitoraggio di grandi strutture in cemento
•Monitoraggio di materiali compositi
•Monitoraggio di condutture
•Monitoraggio della temperatura in gallerie
•Monitoraggio della temperatura cavi elettrici di potenza
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Meccanismi di scattering in fibra ottica
1: Scattering di Raman
2: Scattering di Brillouin
3: Scattering di Rayleigh
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4: Stokes
5: Anti-Stokes
Sensore distribuito in fibra basato su
scattering di Raman
E’ possibile misurare il profilo di temperatura lungo la fibra ottica
lanciando un impulso ad una estremità e misurando il rapporto tra
l’intensità dell’impulso di anti-Stokes e quello di Stokes.
Si ottengono risoluzioni spaziali dell’ordine di alcuni metri su
lunghezze dell’ordine della decina di km.
L’accuratezza in temperatura è dell’ordine del grado centigrado.
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Sensore distribuito in fibra basato su
scattering di Raman
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Optical Time Domain Reflectometry (OTDR)
E’ possibile individuare interruzioni o piegature lungo la fibra.
E’ anche possibile usare fibre speciali costituite da diverse sezioni con giunti la
cui riflettività dipende da agenti esterni.
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Sensore distribuito in fibra basato su SBS
SBS: Stimulated Brillouin Scattering
Principio di funzionamento:
Il sensore è basato sull’interazione tra onde luminose contropropaganti ed onde
acustiche generate dalla luce stessa per elettrostrizione
L’onda di Stokes ha una frequenza
inferiore, rispetto a quella di pump, di
una quantità νB detta shift di Brillouin.
2nVa
νB =
λ0
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λ0 = lunghezza d’onda incidente nel vuoto
Va = velocità dell’onda acustica
n = indice di rifrazione della fibra
Valori tipici:
λ0=1319nm
νB≈13GHz
Sensore distribuito in fibra basato su SBS
Ogni fibra imperturbata è caratterizzata dal proprio shift di Brillouin νB
La velocità dell’onda acustica Va dipende dalla temperatura T e densità
locale ρ0 del materiale costituente la fibra ottica
E’ possibile misurare le variazioni di temperatura (∆T) e di
deformazione (∆ ε) lungo la fibra attraverso la misura di νB
Valori tipici a λ0 = 1319 nm:
dνB/dT = 1.16 MHz/°C
dνB/dε = 500 MHz/% = 50kHz/µε
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Sensore distribuito in fibra basato su SBS
•Risoluzione spaziale dell’ordine del metro
•Sensibilità in temperatura di circa 1°C
•Sensibilità in deformazione di circa 20 µstrain
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Shift pump-probe accordato
regione imperturbata
sulla
Shift pump-probe
regione perturbata
sulla
accordato
Sensore distribuito in fibra basato su SBS
Apparato di misura
Synthetizer
EOM
PC
5%
1.55 µm
DFB Laser
95/5
Coupler
AOM
95%
Optical Isolator
Sensing Fibre
Pulse
Generator
DET
Il modulatore AO agisce anche come frequency
shifter, così da escludere una delle due bande
laterali
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Generazione
bande laterali
Sensori Fabry-Perot in fibra ottica
Utilizzano un interferometro Fabry-Perot formato da un gap di aria, di lunghezza d,
tra due fibre ottiche troncate.
E’ possibile misurare deformazione e temperatura attraverso la variazione della
lunghezza della cavità, mediante analisi spettrale della radiazione riflessa.
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Sensori Fabry-Perot in fibra ottica
Illuminando il sensore con una sorgente a larga banda (∼ 30 nm) si ottiene uno spettro
riflesso in cui la distanza, in λ, tra due massimi o minimi successivi è legata alla
lunghezza della cavità.
1
0.9
0.8
Inte ns ità no rm a liz z a ta
0.7
λ1λ 2
d=
2(λ 2 − λ1 )
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.7
0.75
0.8
0.85
λ [µ m ]
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0.9
0.95
Sensori Fabry-Perot in fibra ottica
L’analisi spettrale può essere eseguita con un secondo Fabry-Perot con lunghezza della
cavità variabile.
Integrando la potenza di uscita su tutto lo spettro (con un fotorivelatore) e calcolando
la visibilità della frange in funzione della differenza tra le lunghezze delle due cavità,
si trova che essa presenta un massimo quando le due cavità sono uguali.
0.5
0.45
Visibilità
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
-2 . 5
-2
-1 . 5
-1
-0 . 5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
x 10
∆d [µm]
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-5
Sensori Fabry-Perot in fibra ottica
Sorgente a
larga banda
Fibra
ottica
Accoppiatore
a 3dB
Tubo di
vetro
Spettrometro
Esempio di schema di misura con interrogazione mediante spettrometro
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Sensori Fabry-Perot in fibra ottica
Esempio di interrogazione mediante interferometro di Fizeau e sensore CCD
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Sensori di Bragg in fibra ottica
E’ possibile misurare deformazione e temperatura attraverso la variazione del
periodo del reticolo o dell’indice di rifrazione del core della fibra, mediante una
analisi spettrale della radiazione riflessa o trasmessa.
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Sensori di Bragg in fibra ottica
Esempio di schema per misure multi-punto
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Sensori in fibra ottica basati su microbending
E’ possibile, ad esempio intrecciando una fibra ottica con un filo metallico,
ottenere misure di deformazione e/o temperatura attraverso la determinazione
delle perdite per microbending.
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Biosensori optoelettronici
Un biosensore optoelettronico è un dispositivo, contenente un sistema biologico in
contatto con un trasduttore optoelettronico, in grado di fornire un segnale
proporzionale alla concentrazione di un analita o di un gruppo di analiti.
Il sistema biologico può essere costituito da:
•Proteine
•Cellule
•Enzimi
•DNA
•Anticorpi/Antigeni
Il trasduttore optoelettronico misura, in genere, variazioni di:
•Indice di rifrazione
•Emissione di fluorescenza
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