Costruisci un telefono a
fibra ottica
dott. Iacopo Torre (NEST-SNS)
L. S. “N. Copernico”
16/12/2014
Fibre Ottiche
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Cos'è una fibra ottica
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Principio di funzionamento
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Utilizzi delle fibre ottiche
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Comunicazione ottica
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Esperienze pratiche
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Riferimenti utili
Cos'è una fibra ottica
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Struttura in grado di confinare e guidare la radiazione
elettromagnetica di frequenza visibile-infrarossa.
Impedisce alla luce di disperdersi nelle varie direzioni
.
Struttura di una fibra ottica
Core d~1-100 μm
● Cladding d~120-125 μm
● Coating d~1mm
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Step-Index
Graded-Index
Indice di rifrazione
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Velocità della luce nel vuoto: c=299792458 m/s massima
velocità a cui può essere inviata un'informazione.
La velocità della luce in un mezzo materiale è determinata
dalle proprietà del mezzo.
L'indice di rifrazione n è una misura della velocità della luce
nel materiale n=v/c
Le variazioni di indice di rifrazione nello spazio determinano
le traiettorie dei raggi luminosi.
La luce sceglie il percorso più rapido tra due punti fissati.
Indici di rifrazione tipici
Indici di rifrazione a λ=589 nm (Riga gialla del sodio)
Vuoto n=1
Aria n=1.003 @ 0 °C 1 atm
Acqua n=1.33 @ 20 °C
Plexiglass n=1.49
Vetro flint n=1.62
Vetro crown n=1.52
Diamante n=2.42
Legge di Snell
Interfaccia tra due mezzi con indice di rifrazione differente.
La legge di Snell lega tra loro gli angoli che il raggio
incidente ed il raggio rifratto formano con la normale alla
superficie di separazione
n1 sin(θ1)=n2 sin(θ2)
P
normal
●
θ1
interface
n1
v1
n2 v2
θ2
Q
Riflessione totale
Se n2 < n1 e sin(θ1) > n2/n1 la legge di Snell non può
essere soddisfatta da nessun angolo θ2.
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Tutta la luce viene riflessa nel mezzo con indice di
rifrazione più alto.
n=1
θc
n = 1.5
Riflessione totale nelle fibre
Se la luce è inviata ad un
estremità della fibra ad un
angolo sufficientemente
piccolo rispetto all'asse
viene “intrappolata” dalla
riflessione totale.
Sin(φ)=√(n12-n22)/n
NA=n Sin(φ)
Utilizzi delle fibre ottiche
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Endoscopia
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Sensori
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Microscopia a campo prossimo
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Telecomunicazioni
Punta di uno SNOM
Giroscopio a fibre ottiche
Comunicazioni ottiche
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Telegrafo di Chappe ~1793
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Fotofono di Bell 1880
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Moderne comunicazioni
in fibra ottica ~1970
Comunicazioni in fibra ottica
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Basse perdite (0.2 dB/km)
Grande larghezza di banda (possibilità di trasmettere molti
segnali su un'unica fibra) (14 Tb/s su una singola fibra di
160 km)
Insensibilità al rumore elettromagnetico
Attenuazione nelle fibre
Misura del rapporto tra
potenza inviata in una
fibra e potenza ricevuta
all'altro capo.
Γ = 10 log10 (Pin/Pout)/L
Diffusione Rayleigh
● Assorbimento da
impurezze
● Assorbimento ottico
del vetro
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Assorbimento minimo intorno a 1.5 μm
Telefono a fibra ottica
Trasmettitore
Ricevitore
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Microfono
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Fotodiodo
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Amplificatore
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Amplificatore
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Oscillatore
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Altoparlante / cuffia
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Diodo LED
Riferimenti utili
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FiberOpticsProducts.com (Sito che vende il kit per
costruire il telefono a fibra ottica)
ocw.mit.edu Corso del Prof. Prof. Ezekiel Shaoul
“Understanding lasers and Fiberoptics” (in inglese)
lennielightwave.com (Una introduzione alle comunicazioni
in fibra ottica dal punto di vista tecnico)
Grazie per l'attenzione
[email protected]
