Luce laser, fibre ottiche
e telecomunicazioni
Guido Giuliani
Photonics Group - Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura
Università di Pavia
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Photonics Group
Dipartimento di Ingegneria Civile e
Architettura y Università di Pavia
Fotonica - Cos’è?
Scienza che utilizza radiazione elettromagnetica a frequenze ottiche per lo
studio e la realizzazione di:
Sistemi di trasmissione, elaborazione e memorizzazione di informazioni
Sensori e strumenti di misura
Applicazioni alla medicina
Disciplina a cavallo tra la fisica e l’ ingegneria
(elettronica e telecomunicazioni)
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Onde Elettromagnetiche
f = Frequenza dell’onda elettromagnetica
Periodo (T)
T = 1/f
Tempo
Lunghezza
d’onda (λ)
λ = c/f
Spazio
1012 Hz = 1 THz (TeraHertz)
ν = 3 - 1500 THz
λ = 0.2 - 100 µm
FREQUENZE
OTTICHE
ν = 400 - 750 THz
λ =0.4 - 0.75 µm
LUCE VISIBILE
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Il LASER - 1
LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Luce ordinaria
Luce LASER
= luce bianca
luce monocromatica (“coerente”)
Il Laser è stato inventato nel 1960
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Il LASER - 2
Il LASER è un oscillatore
Oscillatore elettronico
Oscillatore ottico
amplificatore di luce + 2 specchi
il Laser !
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Il LASER - 3
amplificatore di luce + 2 specchi
Î retroazione positiva Î effetto laser
SPECCHI
USCITA
USCITA
MEZZO ATTIVO
SISTEMA DI POMPAGGIO
(fornisce energia al mezzo attivo)
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CARATTERISTICHE DEI LASER
Lunghezza d’onda di emissione (colore della luce)
Potenza del fascio
Direzionalità (fascio collimato ; fascio focalizzato)
Coerenza (il campo elettromagnetico è una sinusoide pura)
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Il LASER - 5
TIPI DI LASER
Si differenziano per il tipo di mezzo attivo e per il meccanismo di pompaggio
LASER A STATO SOLIDO
mezzo attivo: vetri drogati con ioni; cristalli; fibre ottiche
pompaggio ottico
LASER A GAS
mezzo attivo: gas o miscele di gas (atomi, ioni, molecole)
pompaggio tramite scarica elettrica
LASER LIQUIDI
mezzo attivo: molecole organiche di coloranti
pompaggio ottico
LASER A SEMICONDUTTORE
mezzo attivo: semiconduttore (diodo)
pompaggio elettrico
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Il LASER - 6
TIPI DI LASER
LASER a GAS
CO2
He-Ne
Argon
LASER a STATO SOLIDO
Nd:YAG
Nd:YAG
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LASER LIQUIDO
Dye
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Laser a Semiconduttore - 1
Cos’è un Semiconduttore ?
Semiconduttore = materiale con caratteristiche elettriche a metà tra quelle
dei conduttori di elettricità e quelle degli isolanti
Esempi di semiconduttori:
Silicio (Si) - Germanio (Ge) - Arseniuro di Gallio (GaAs) Fosfuro di Indio (InP)
Silicio
Applicazioni:
Silicio: materiale perfetto per i circuiti micro-elettronici Æ TRANSISTOR
computer, telefonini, ecc.
GaAs e InP: Laser a semiconduttore e LED
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Laser a Semiconduttore - 2
Com’è fatto
Dispositivo monolitco
FLUSSO DI
CORRENTE
(POMPAGGIO)
SPECCHI
(RETROAZIONE
POSITIVA)
regione p
DIODO
regione n
LUNGHEZZA L: 250-500 µm
L
MEZZO ATTIVO
(AMPLIFICAZIONE OTTICA)
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Laser a Semiconduttore - 3
Perché è importante ?
I laser a semiconduttore costituiscono il 55% del mercato mondiale dei laser
(6 Miliardi di € / anno)
Vantaggi rispetto agli tipi di laser:
copertura di un ampio campo di lunghezze d’onda piccole dimensioni - alta efficienza - basso costo
Tipo di Laser
λ
[µm]
Dimensioni
[m]
Efficienza
[%]
Prezzo
[€]
He-Ne
0.632
(rosso)
0.1-1
0.1
100-2000
Nd:YAG
1.064
(0.532)
CO2
10
Semiconduttore 0.38-300
1 (lampada) 1 (lampada)
0.01 (DPSSL) 25 (DPSSL)
25-50000
1
10-20
50000
10-3
50
2-15000
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A cosa servono i laser ?
All’inizio: non servivano a niente !
:-(
“Il laser: una bellissima soluzione in cerca di un problema”
OGGI: applicazioni fondamentali per la vita di tutti i giorni !!
:-)
Lettori di CD / DVD / BD
Telecomunicazioni (telefono)
Internet !!
Applicazioni industriali
Applicazioni mediche
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Laser a Semiconduttore - 4
Come si fabbrica ?
Occorrono materiali semiconduttori purissimi
Occorre mettere a contatto tra loro strati di materiali sotilissimi
(10-100 nanometri = 10-100 miliardesimi di metro)
Tecniche di crescita epitassiale Æ molto costose
Æ ma: prezzo ridotto per il singolo laser perché il processo di produzione
avviene in parallelo per migliaia di laser alla volta
MOCVD reactor
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I Laser sono pericolosi?
Il laser emette una radiazione elettromagnetica che può avere intensità
elevatissime (intensità = potenza/area)
Î potenzialmente pericoloso per l’uomo (occhi, cute)
Laser Safety Class
from: IEC 825 (1993 and ff)
10
CLASS 3B
5
power
(mW)
1
CLASS 3B
CLASS 3A
3
CLASS 3A
1
CLASS 1
0.6
CLASS 2
0.1
CLASS 1
0.12
CLASS 1
400
700
wavelength (nm)
1000
1400
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1550
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i Laser a Semiconduttore e le
Telecomunicazioni in Fibra Ottica
Oggi i segnali delle nostre telefonate, ed i dati trasmessi sulla rete Internet
viaggiano in formato digitale ed ottico dentro alle fibre ottiche
Le sorgenti di luce che consentono di realizzare i sistemi di trasmissione in
fibra ottica sono, appunto, i laser a semiconduttore
perché sono efficienti, di piccole dimensioni, e possono emettere luce
esattamente alla lunghezza d’onda in corrispondenza della quale le fibre
ottiche sono più trasparenti (1.55 µm)
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Cos’è una telefonata ?
Ieri:
L’altro ieri:
Oggi:
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(breve) Storia dei Sistemi Telefonici
1871 - Brevetto di Antonio Meucci
Sistemi telefonici analogici
1990 - Sistemi telefonici digitali
Inizia l’era della “convergenza digitale”
1995 - Telefonia cellulare
2005 - VoIP
...
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Una Telefonata
voce
Î
(prima del 1990)
segnale Î
elettrico
(analogico)
linea di trasmissione
(elettrica)
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Î
segnale Î
elettrico
(analogico)
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suono
Una Telefonata
(prima del 1990)
linea telefonica “commutata”
Collegamento “fisico” a livello elettrico
UN collegamento per UNA telefonata
“doppinio” telefonico
Interruttori (elettro-meccanici o elettronici)
Si fanno muovere degli elettroni in un conduttore elettrico
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Una Telefonata
(prima del 1990)
Problemi
Su un “filo” di collegamento viaggia una sola telefonata
Segnale analogico: soggetto a rumore e disturbi
Centrali di commutazione complesse
La linea telefonica serve solo per... telefonare
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Una Telefonata
(cellulare)
Il “collegamento” include 2 tipi di trasmissione
Trasmissione radio
Trasmissione in Fibra Ottica
Fibra Ottica
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Una Telefonata
(cellulare)
QUI: si impiega il laser a semiconduttore
voce
Î
segnale
elettrico
(digitale)
Î
linea di trasmissione
Î
(onde radio + fibra ottica)
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segnale Î
elettrico
(digitale)
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suono
Una Telefonata
(cellulare)
Il “collegamento” include 2 tipi di trasmissione
Trasmissione radio
Trasmissione in Fibra Ottica
Fibra Ottica
Cos’è una fibra ottica ??
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Fibre ottiche - 1
Una fibra ottica è una guida per la luce
È realizzata in vetro
È flessibile
La luce vi si propaga seguendone le “curve”
Ha un’attenuazione bassissima
Consente la propagazione di segnali per centinaia o migliaia di km
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Fibre ottiche - 2
struttura di vetro avente due indici di rifrazione diversi
n1 > n2
nucleo
(n1)
mantello
(n2)
Sezione longitudinale:
n2 =1.485
α
n1 =1.5
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∆n =0.015
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Fibre ottiche - 3
n1 > n2
nucleo
(n1)
mantello
(n2)
Diametro:
125 µm = 0.125 mm
Diametro del nucleo:
10 µm = 0.01 mm
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Fibre ottiche - 4
Dove stanno le fibre ottiche ?
Sotto terra
Sul fondo del mare
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Fibre ottiche - 5
Dove stanno le fibre ottiche ?
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Fibre ottiche - 6
Tecniche di fabbricazione
Tiraggio della fibra a temperature
1200-1400 °C per estrusione
Accurato controllo on-line del
diametro esterno (125µm ± 0.5µm)
La fibra è fragile Æ si applica un
rivestimento in resina siliconica
(diam. 250 µm) per consentirne la
flessione
Cavi ottici per telecominucazioni:
8, 16, 24, 48, 96 fibre + elementi
opportuni per conferire resistenza
meccanica
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Fibre ottiche - 7
Il segnale che viaggia nelle fibre ottiche assume la forma di impulsi di luce
Il segnale elettrico viene convertito in
segnale ottico da un laser a semiconduttore
Il segnale otticio viene ri-convertito in segnale elettrico da un fotodiodo
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La convergenza digitale - 1
I segnali digitali sono più immuni al rumore e ai disturbi dei segnali analogici
t
t
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La convergenza digitale - 2
Un canale di trasmissione digitale consente di trasmettere informazioni di
diversa natura sullo stesso mezzo trasmissivo (es.: fibra ottica):
Telefonate
FAX
Internet
Televisione
Si rivoluzionano il sistema ed il mercato delle telecomunicazioni
Î
MULTIMEDIALITA’
La rivoluzione digitale delle telecomunicazioni
non sarebbe possibile senza i laser a semiconduttore
Riconoscimenti:
nel 2000: ALFEROV e KROEMER vincono ¼ di Premio Nobel a testa
per l’invenzione del “laser a semiconduttore a doppia eterogiunzione”
nel 2008: KAO vince ½ Premio Nobel per gli studi e gli sviluppi tecnologici
sulla “trasmissione di luce nelle fibre per le comunicazioni ottiche”
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La convergenza digitale - 3
Vantaggi:
Sistemi più efficienti e flessibili
Concetto di “traffico dei dati”
Qualche numero...
La capacità trasmissiva si misura attraverso il
Telefonata GSM:
Modem:
ADSL:
fibra ottica:
bit/rate
(n° di bit trasmessi in 1 s)
9 kbit/s
56 kbit/s
1-20 Mbit/s
da 160 Gbit/s a 3.2 Tbit/s
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Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 1
Classificazione delle reti di trasmissione in fibra ottica
Lunga distanza (> 1000 km)
Rete di trasporto (100-600 km)
Rete di accesso (connessione con l’utente finale)
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Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 2
Rete di lunga distanza e di trasporto:
WDM – Wavelength Division Multiplexing
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Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 3
Rete di accesso: Fiber To The HOME (FTTH)?
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GRAZIE
PER
L’ATTENZIONE !!
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