Photonics Group - Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura …fisica.unipv.it/eventi/Luce-13-maggio-2015/Luce-laser... · 2018-03-26 · Dipartimento di Ingegneria Civile

Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura Università di Pavia

Photonics Group

Luce laser, fibre ottichee telecomunicazioni

Guido GiulianiPhotonics Group - Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura

Università di Pavia

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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 informazioniSensori e strumenti di misuraApplicazioni alla medicina

Disciplina a cavallo tra la fisica e l’ ingegneria(elettronica e telecomunicazioni)


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Onde Elettromagnetiche

ν = 3 - 1500 THzλ = 0.2 - 100 µm

FREQUENZE OTTICHE

1012 Hz = 1 THz (TeraHertz)

ν = 400 - 750 THzλ =0.4 - 0.75 µm

LUCE VISIBILE

Tempo

Periodo (T)

Spazio

Lunghezzad’onda (λ)

T = 1/f

λ = c/f

f = Frequenza dell’onda elettromagnetica


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Il LASER - 1

LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Luce ordinaria = luce bianca

Luce LASER

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 specchiretroazione positiva effetto laser

USCITA

USCITA

MEZZO ATTIVO

SPECCHI

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 - 5TIPI 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 ottichepompaggio ottico

LASER A GASmezzo attivo: gas o miscele di gas (atomi, ioni, molecole)pompaggio tramite scarica elettrica

LASER LIQUIDImezzo attivo: molecole organiche di colorantipompaggio ottico

LASER A SEMICONDUTTOREmezzo attivo: semiconduttore (diodo)pompaggio elettrico


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Il LASER - 6TIPI DI LASER

LASER a GAS

He-Ne ArgonCO2

Nd:YAG Nd:YAG

LASER a STATO SOLIDO LASER LIQUIDO

Dye


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Laser a Semiconduttore - 1Cos’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)

Applicazioni:Silicio: materiale perfetto per i circuiti micro-elettronici TRANSISTOR

computer, telefonini, ecc.GaAs e InP: Laser a semiconduttore e LED

Silicio


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Laser a Semiconduttore - 2Com’è fatto

Dispositivo monolitco

DIODOregione p

regione n

FLUSSO DI CORRENTE

(POMPAGGIO)

MEZZO ATTIVO(AMPLIFICAZIONE OTTICA)

L

LUNGHEZZA L: 250-500 µm

SPECCHI(RETROAZIONE

POSITIVA)


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Laser a Semiconduttore - 3Perché 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)

1 (lampada) 0.01 (DPSSL)

1 (lampada) 25 (DPSSL)

25-50000

CO2 10 1 10-20 50000

Semiconduttore 0.38-300 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 / BDTelecomunicazioni (telefono)Internet !!Applicazioni industrialiApplicazioni mediche


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Laser a Semiconduttore - 4Come 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 molto costose 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)

potenzialmente pericoloso per l’uomo (occhi, cute)

Laser Safety Class

1

10

0.1

400 700 1000wavelength (nm)

power (mW)

from: IEC 825 (1993 and ff)

5

0.6

0.12

1400

3

CLASS 1

CLASS 2

CLASS 3A

CLASS 3B

CLASS 3B

CLASS 3A1

1550

CLASS 1

CLASS 1


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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 digitaliInizia l’era della “convergenza digitale”

1995 - Telefonia cellulare

2005 - VoIP

...


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Una Telefonata (prima del 1990)

elettrico(analogico)

(elettrica)voce segnale linea di trasmissione segnale suono

elettrico(analogico)


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linea telefonica “commutata”Collegamento “fisico” a livello elettricoUN collegamento per UNA telefonata

“doppinio” telefonicoInterruttori (elettro-meccanici o elettronici)

Si fanno muovere degli elettroni in un conduttore elettrico


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Problemi

Su un “filo” di collegamento viaggia una sola telefonataSegnale analogico: soggetto a rumore e disturbiCentrali di commutazione complesse

La linea telefonica serve solo per... telefonare


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Una Telefonata (cellulare)

Il “collegamento” include 2 tipi di trasmissioneTrasmissione radioTrasmissione in Fibra Ottica

Fibra Ottica


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elettrico(digitale)

(onde radio + fibra ottica)

voce segnale linea di trasmissione segnale suonoelettrico(digitale)

QUI: si impiega il laser a semiconduttore


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Il “collegamento” include 2 tipi di trasmissioneTrasmissione radioTrasmissione in Fibra Ottica

Cos’è una fibra ottica ??

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

Sezione longitudinale:

mantello (n2)

n1 > n2

nucleo (n1)

αn2 =1.485

n1 =1.5 ∆n =0.015


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Fibre ottiche - 3

Diametro: 125 µm = 0.125 mm

Diametro del nucleo: 10 µm = 0.01 mm

mantello (n2)

n1 > n2

nucleo (n1)


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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 - 6Tecniche 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 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 insegnale 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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Un canale di trasmissione digitale consente di trasmettere informazioni di diversa natura sullo stesso mezzo trasmissivo (es.: fibra ottica):

TelefonateFAXInternetTelevisione

Si rivoluzionano il sistema ed il mercato delle telecomunicazioni

MULTIMEDIALITA’

La rivoluzione digitale delle telecomunicazioninon sarebbe possibile senza i laser a semiconduttore

Riconoscimenti:

nel 2000: ALFEROV e KROEMER vincono ¼ di Premio Nobel a testaper 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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Vantaggi:Sistemi più efficienti e flessibiliConcetto di “traffico dei dati”

Qualche numero...

La capacità trasmissiva si misura attraverso il bit/rate(n° di bit trasmessi in 1 s)

Telefonata GSM: 9 kbit/sModem: 56 kbit/sADSL: 1-20 Mbit/sfibra ottica: 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 otticaLunga distanza (> 1000 km)Rete di trasporto (100-600 km)Rete di accesso (connessione con l’utente finale)


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Rete di lunga distanza e di trasporto:WDM – Wavelength Division Multiplexing


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Rete di accesso: Fiber To The HOME (FTTH)?


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GRAZIE

PER

L’ATTENZIONE !!

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