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Università degli studi del Sannio Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni
TESI DI LAUREA IN OPTOELETTRONICA
Caratterizzazione Spettrale di Reticoli a Passo Lungo
realizzati con tecnica Laser e Scarica ad Arco
Relatore: Prof. Andrea Cusano Candidato: Fabio Gianni Caso Matr. 196/000081 Correlatore: Ing.Agostino Iadicicco
ANNO ACCADEMICO 2005/2006
3
La mente umana è finita,
dunque non può trattare con l'infinito.
Galileo Galilei
Lo sai che più si invecchia più affiorano ricordi lontanissimi come se fosse ieri mi vedo a volte in braccio a mia madre e sento ancora i teneri commenti di mio padre i pranzi, le domeniche dai nonni le voglie e le esplosioni irrazionali i primi passi, gioie e dispiaceri…
Che cosa resterà di me? Del transito terrestre? Di tutte le impressioni che ho avuto in questa vita?
F.Battiato
4
Indice INTRODUZIONE ________________________________________9
CAPITOLO 1 ___________________________________________13
Reticoli Long Period: Applicazione alle Telecomunicazioni._________________ 13
1.1 LPG nei sistemi di Telecomunicazioni ________________________________ 14
1.2 Applicazione degli LPG come Filtri “Flattening” in Amplificatori EDFAs __ 17
1.3 Applicazione degli LPG come Filtri negli Amplificatori di Raman _________ 22
Conclusioni _____________________________________________________________ 25
CAPITOLO 2 ___________________________________________26
Analisi dei Reticoli Long Period________________________________________ 26
2.1 Accoppiamento dei modi nelle Fibre Ottiche. __________________________ 26
2.2 Dai Reticoli di Bragg ai Long Period _________________________________ 28
2.3 Caratteristiche dei Reticoli Long Period ______________________________ 33
2.4 Fabbricazione dei Reticoli Long Period _______________________________ 40
Conclusioni _____________________________________________________________ 46
CAPITOLO 3 ___________________________________________47
Reticoli a Passo Lungo realizzati mediante “Scarica ad Arco”_______________ 47
3.1 Tecnica “Elettric Arc Discharge” ____________________________________ 48
3.2 Analisi Teorica Elettric Arc Discharge________________________________ 49
3.3 LPG realizzati mediante Scarica ad Arco _____________________________ 50
3.3.1 Ultra Short LPG _______________________________________________50
3.3.2 Bending sensitivity per short LPG _________________________________53
3.3.3 High Temperature sensitivity per short LPG ________________________55
3.3.3 Filtro EDFA Flattening LPG _____________________________________57
3.5 Scopo del lavoro di Tesi ____________________________________________ 60
Conclusioni _____________________________________________________________ 63
5
CAPITOLO 4 ___________________________________________64
Analisi del Processo Sperimentale ______________________________________ 64
4.1 Sensibilità negli LPG al variare dell’indice di rifrazione esterno (SRI) _____ 65
4.2 Riduzione del Diametro mediante Wet Etching ________________________ 69
4.3 Setup Optoelettronico _____________________________________________ 72
Obiettivi e conclusioni ____________________________________________________ 77
CAPITOLO 5 ___________________________________________79
Risultati Sperimentali ________________________________________________ 79
5.1 Caratterizzazione dei Reticoli Bare __________________________________ 79
5.2 Primo Step di Wet Etching _________________________________________ 85
5.3 Step Successivi di Wet Etching ______________________________________ 90
5.4 Caratterizzazione del Reticolo Standard ______________________________ 98
Conclusioni ___________________________________________101
Bibliografia ___________________________________________103
6
Indice delle Figure FIGURA 1. SPETTRO IN TRASMISSIONE DI UN GENERICO LPG ------------------------------------------- 15 FIGURA 2. SPETTRO DI GUADAGNO PER UN TIPICO AMPLIFICATORE EDFA---------------------------- 18 FIGURA 3. SPETTRO DI UN EDFA UTILIZZANDO UN FILTRO LPG (LONG-PERIOD GRATING) -------- 20 FIGURA 4. SPETTRO DI UN FILTRO LONG PERIOD, PROGETTATO PER AVERE UN PICCO MINIMO A
1558NM------------------------------------------------------------------------------------------------- 21 FIGURA 5. SCHEMA DI UN EDFA CHE UTILIZZA UN FILTRO LPG --------------------------------------- 21 FIGURA 6. (A) SCHEMA DI UN AMPLIFICATORE RAMAN IN UNA FIBRA OTTICA (B) SETUP
SPERIMENTALE PER LA MISURA DEL COEFFICIENTE DI GUADAGNO RAMAN -------------------- 22 FIGURA 7. (A) SCHEMA DEI RETICOLI LPG IN CASCATA:GENERAZIONE DELLE INTERFERENZE TRA I
MODI DI CORE E DI CLADDING DI DUE LPG, (B) SETUP SPERIMENTALE PER UN FRA CHE
UTILIZZA LPG IN CASCATA. -------------------------------------------------------------------------- 24 FIGURA 8. RISULTATI SPERIMENTALI DELLO SPETTRO DI UN MULTIWAVELENGHT RAMAN LASER
UTILIZZANDO 4KM DI FIBRA NONLINEARE E UN FILTRO MULTICHANNEL BASATO SU LPGS IN
CASCATA.----------------------------------------------------------------------------------------------- 24 FIGURA 9. DISTRIBUZIONE DELLE COSTANTI DI PROPAGAZIONE DEI MODI DI CLADDING.------------ 27 FIGURA 10. ILLUSTRAZIONE DELLA RIFLESSIONE DEL MODO DI CORE PER LA PRESENZA DI UN
RETICOLO DI BRAGG.---------------------------------------------------------------------------------- 29 FIGURA 11. SPETTRO IN RIFLESSIONE DI UN FGB--------------------------------------------------------- 31 FIGURA 12. SPETTRO IN TRASMISSIONE DI UN FBG CON SORGENTE A LARGA BANDA---------------- 31 FIGURA 13. RAPPRESENTAZIONE DELLO SPETTRO IN TRASMISSIONE DI UN LPG---------------------- 32 FIGURA 14. SCHEMA DI UN LPG ---------------------------------------------------------------------------- 33 FIGURA 15. SPETTRO IN TRASMISSIONE SI UN GENERICO LPG ------------------------------------------ 34 FIGURA 16. RAPPRESENTAZIONE DELLA MODULAZIONE SPETTRALE DI UN GENERICO LPG --------- 35 FIGURA 17. ACCOPPIAMENTO TRA IL MODO DI CORE E IL MODO DI CLADDING IN UN RETICOLO LPG.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36 FIGURA 18. RETICOLO LONG PERIOD ---------------------------------------------------------------------- 40 FIGURA 19. SETUP PER LA COSTRUZIONE DI UN LPG UTLIZZANDO UN LASER AD ECCIMERI --------- 42 FIGURA 20. EVOLUZIONE DELLO SPETTRO DI UN LPG ALL’ESPOSIZIONE AI RAGGI UV. LE CURVE DA
A AD E RAPPRESENTANO UNA DIFFERENZA DI UN MINUTO L’UNA DALL’ALTRA. -------------- 42 FIGURA 21. PROCEDURA PER LA FABBRICAZIONE MULTIPLA DI LPG----------------------------------- 43 FIGURA 22. EFFETTO DI UN"ANNELING"TERMICO(@150°C)PER PIÙ BANDE DI ATTENUAZIONE DI
UNLPG-------------------------------------------------------------------------------------------------- 44 FIGURA 23. SPETTRO IN TRASMISSIONE DI UN LPG PRIMA E DOPO IL PROCESSO DI ANNELING ------ 44 FIGURA 24. SETUP PER LA FABBRICAZIONE DI UN LPG CON IL METODO LASER A ONDA CONTINUA 45 FIGURA 25. SETUP PER LA COSTRUZIONE DI LPG CON TECNICA ELETTRIC ARC DISCHARGE-------- 51 FIGURA 26. EVOLUZIONE DEL RETICOLO DURANTE LA COSTRUZIONE CON LA TECNICA ARC
INDUCED------------------------------------------------------------------------------------------------ 52
7
FIGURA 27. FOTOGRAFIA AL MICROSCOPIO DI UN RETICOLO SHORT ARC WRITTEN. ------------------ 52 FIGURA 28. SPETTRO DI 4 DIVERSI LPG COSTRUITI CON METODO ARC INDUCED E DIVERSI
PARAMETRI. (A) 278MS, 11 PERIODI (B) 313MS, 7 PERIODI (C) 357MN, 4 PERIODI (D)
417MS, 2 PERIODI. ------------------------------------------------------------------------------------- 53 FIGURA 29. RISPOSTA SPETTRALE DI UN LPG SOTTOPOSTO A BENDING (M-1). ----------------------- 54 FIGURA 30. VARIAZIONE DEL PICCO DI RISONANZA AL VARIARE DELL'ORIENTAMENTO DELLA
CURVATURA. ------------------------------------------------------------------------------------------- 54 FIGURA 31. VARIAZIONE DELLO SPETTRO DI UN LPG SHORT ALL'AUMENTARE DELLA
TEMPERATURA. ---------------------------------------------------------------------------------------- 55 FIGURA 32. SETUP UTILIZZATO PER VRIFICARE L'EQUALIZZAZIONE DEL GUADAGNO DELL'EDFA-- 58 FIGURA 33. DUE CANALI WDM POSTI IN INGRESSO ALL'EDFA ---------------------------------------- 58 FIGURA 34. SPETTRO NON UNIFORME DELL'AMPLIICATORE EDFA ------------------------------------ 58 FIGURA 35. CANALI WDM AMPLIFICATI DA EDFA SENZA FILTRAGGIO------------------------------- 59 FIGURA 36. SPETTRO DEL RETICOLO LONG PERIOD IMPLEMENTATO ----------------------------------- 59 FIGURA 37. SPETTRO DEI DUE CANALI WDM AMPLIFICATI DOPO IL FILTRAGGIO -------------------- 60 FIGURA 38. APPARATO PER LA COSTRUZIONE DI LPG CON TECNICA ARC DISCHARGE. 1) SORGENTE
A BANDA LARGA 2) FIBRA OTTICA SMF 3)SISTEMA MECCANICO DI TRASLAZIONE 4)
ELETTRODI 5) PULEGGIA 6) PESO 7) OSA 8) COMPUTER ----------------------------------------- 61 FIGURA 39. SPETTRO IN TRASMISSIONI DI UN LPG: Λ=0.75MM L=26MM. ---------------------------- 62 FIGURA 40. RETICOLO LONG PERIOD ARC INDUCED ----------------------------------------------------- 62 FIGURA 41. SPETTRO IN TRASMISSIONE DI UN RETICOLO LPG CON PERIODO Λ=275ΜM IN RISPOSTA
A SRI MINORI DELL’INDICE DI CLADDING ---------------------------------------------------------- 67 FIGURA 42. SPETTRO IN TRASMISSIONE DI UN RETICOLO LPG CON PERIODO Λ=275ΜM IN RISPOSTA
A SRI MAGGIORI O UGUALI ALL’INDICE DEL CLADDING. ------------------------------------- 68 FIGURA 43. IDEA DI PROGETTO DEL CONTENITORE IN TEFLON PER WET ETCHING-------------------- 70 FIGURA 44. REALIZZAZIONE DEL CONTENITORE UTILIZZATO PER IL WET ETCHING ------------------ 71 FIGURA 45. SETUP OPTOELETTRONICO UTILIZZATO DURANTE IL PROCESSO SPERIMENTALE -------- 72 FIGURA 46. MICROSCOPIO LEICA MZ 12.5, UTILIZZATO NEL PROCESSO SPERIMENTALE.------------ 73 FIGURA 47. FIBRA ETCHED (SOPRA) FOTOGRAFATA A FIANCO AD UNA FIBRA BARE (SOTTO)-------- 73 FIGURA 48. DIMENSIONE DEL DIAMETRO DI DUE RETICOLI IN FUNZIONE DEL TEMPO DI ETCHING -- 74 FIGURA 49. SPETTRO IN ARIA DEL RETICOLO F2 --------------------------------------------------------- 80 FIGURA 50. DEL RETICOLO F2, PER SRI=1, 1.38, 1.42, 1.45--------------------------------------------- 80 FIGURA 51. SPETTRO DEI RETICOLI F2 PER SRI=1, 1.46, 1.47 ------------------------------------------ 81 FIGURA 52. LUNGHEZZE D’ONDA CENTRALI DELLE BANDE DI ATTENUAZIONE------------------------ 82 FIGURA 53. DELTA LAMBDA PER I MODI LP02 ED LP03 DEI RETICOLI F2 ----------------------------- 82 FIGURA 54. TRASMITTIVITÀ PER I MODI LP02 ED LP03-------------------------------------------------- 83 FIGURA 55. SENSIBILITÀ PIÙ FITTING DEL LORENZIANO CUMULATIVO DEL MODO LP02 ED LP03 - 84 FIGURA 56. SPETTRI DELLE VARI E ACQUISIZIONI DURANTE IL PROCESSO DI ETCHING. -------------- 86 FIGURA 57. VARIAZIONE DELLE LUNGHEZZE D’ONDA CENTRALI DELLE BANDE DI ATTENUAZIONE IN
FUNZIONE DEI MINUTI DI ATTACCO ACIDO PER I MODI LP02 E LP03.---------------------------- 87
8
FIGURA 58. VARIAZIONE DELLO SPETTRO DOPO 30 MINUTI DI ETCHING ------------------------------- 87 FIGURA 59. ANDAMENTO DELLE LUNGHEZZE D’ONDA CENTRALI DELLE BANDE DI ATTENUAZIONE
LP02 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 88 FIGURA 60. ANDAMENTO DELLE LUNGHEZZE D’ONDA CENTRALI DELLE BANDE DI ATTENUAZIONE
LP03 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 88 FIGURA 61. SENSIBILITÀ PER IL MODO LP02 BARE E DOPO 30 MINUTI DI ETCHING ------------------ 89 FIGURA 62. SENSIBILITÀ PER IL MODO LP03 E DOPO 30 MINUTI DI ETCHING-------------------------- 90 FIGURA 63. SPETTRO DEL RETICO DOPO 60 MINUTI DI ETCHING ---------------------------------------- 91 FIGURA 64.DELTA LAMBDA BARICENTRALE LP02 PER I 3 STEP DI ETCHING EFFETTUATI. ---------- 92 FIGURA 65. INGRANDIMENTO DELLA DELTA BARICENTRALE ------------------------------------------- 92 FIGURA 66. LAMBDA BARICENTRALE LP03 PER I 3 STEP DI ETCHING EFFETTUATI ------------------- 93 FIGURA 67. INGRANDIMENTO DELLA DELTA BARICENTRALE ------------------------------------------- 93 FIGURA 68. CURVE DI SENSIBILITÀ RELATIVE AGLI STEP ANALIZZATI DEL MODO LP02 ------------- 94 FIGURA 69. CURVE DI SENSIBILITÀ RELATIVE AGLI STEP ANALIZZATI DEL MODO LP03 ------------- 94 FIGURA 70.SENSIBILITÀ IN FUNZIONE DELL'ETCHING TIME --------------------------------------------- 95 FIGURA 71. SENSITIVITY GAIN LP02 ----------------------------------------------------------------------- 96 FIGURA 72. SENSITIVITY GAIN LP03 ----------------------------------------------------------------------- 96 FIGURA 73. MISURA DEL DIAMETRO DELLA FIBRA DOPO TRE STEP DI ETCHING. --------------------- 97 FIGURA 74. IMMAGINE RIPRESA A MICROSCOPIO DEL RETICOLO DOPO 90 MINUTI DI ETCHING ----- 97 FIGURA 75. SPETTRO DEL RETICOLO STANDARD ---------------------------------------------------------- 98 FIGURA 76. DELTA LAMBDA PER I MODI LP04, LP05, LP06 -------------------------------------------- 99 FIGURA 77. SENSITIVITY GAIN PER IL MODO LP06-------------------------------------------------------- 99 FIGURA 78. SENSITIVITY GAIN PER I MODI LP05 ED LP04 ----------------------------------------------100
9
INTRODUZIONE
La fibra ottica non è soltanto un mezzo di comunicazione ad alta velocità, con
essa si possono costruire sensori fisici o chimici, oppure filtri utilizzati nelle
telecomunicazioni. L’utilizzo di tali dispositivi ottici è giustificato dagli
innumerevoli vantaggi che essi offrono, ad esempio i sensori in fibra sono immuni
alle interferenze elettromagnetiche, bassa intrusività, elevata sensibilità.
In particolare nel campo delle Telecomunicazioni il ruolo principale delle fibre
ottiche è l’utilizzo come mezzo di comunicazione. Nell’ambito delle reti
metropolitane e delle reti dorsali la percentuale dei cavi ottici sul totale dei
portanti impiegati in Italia supera di molto il 90%, in quanto, dalla seconda metà
degli anni Ottanta, tutti i nuovi collegamenti sono stati realizzati in fibra ottica. I
vantaggi delle fibre ottiche sui conduttori metallici in termini di prestazioni,
ingombro, peso, costo sono, infatti, tali che, non appena la tecnologia è stata
sufficientemente matura, il loro impiego nelle reti di telecomunicazioni si è
immediatamente generalizzato. Le fibre ottiche impiegate nelle reti di trasporto
sono tutte di tipo singolo-modo, costituite da un core e da un cladding concentrici
di silice variamente drogata per realizzare il desiderato profilo dell’indice di
rifrazione. Il diametro del cladding è di 125µm, diametro che, con il rivestimento
protettivo primario, diventa di 250 µm.
I segnali che si propagano lungo le fibre ottiche sono soggetti a degradazioni
causate principalmente da: attenuazione, dispersione cromatica, dispersione di
polarizzazione, effetti legati alle non linearità.
10
I sistemi ottici di trasmissione comprendono gli apparati necessari per trasmettere
sulle fibre ottiche i segnali clienti. Essi possono essere suddivisi in due grandi
categorie: i sistemi a canale singolo e quelli multicanale.
I sistemi a canale singolo, sono chiamati TDM (Time Division Multiplexing) in
quanto i segnali trasmessi sono multiplati a divisione di tempo; essi trasmettono
un solo canale ottico su una coppia di fibre, che è necessaria perchè i segnali
cliente sono bidirezionali.
I sistemi multi-canale, indicati generalmente come WDM (Wavelength Division
Multiplexing), trasmettono invece molti canali a diversa lunghezza d’onda su una
stessa fibra. I sistemi in particolare, WDM, stante la piccola spaziatura in
frequenza tra i canali, hanno un’elevata capacità in termini di numero di canali
trasmessi; campo tipico di applicazione per questi sistemi è costituito oggi dalle
reti dorsali. I sistemi più diffusi consentono la trasmissione di 40 canali a 10
Gbit/s spaziati di 100 GHz nella banda C (1530-1565 nm), su distanze di oltre 600
km senza rigenerazione elettrica intermedia.
La Rete Tutta Ottica costituisce per i gestori l’obiettivo finale dell’evoluzione
della rete di trasporto, poichè essa consente di eliminare quasi completamente i
rigeneratori elettrici posti all’interno della rete di trasporto e permette di avere una
completa trasparenza ai servizi, avvantaggiando tutti quei dispositivi in fibra come
amplificatori ottici e reticoli visti come filtri [1].
Negli ultimi anni sono stati proposti e studiati da ricercatori di tutto il mondo
diversi dispositivi in fibra per applicazioni alle Telecomunicazioni. Tra questi
hanno ricevuto particolare interesse i reticoli in fibra a lungo periodo (LPG da
Long Period Grating). Questo dispositivo è realizzato modificando
opportunamente l’indice di rifrazione di un piccolo segmento di fibra ottica,
11
tipicamente della lunghezza di qualche centimetro. Tipicamente l’indice di
rifrazione assume un andamento sinusoidale con periodo di qualche centinaio di
micron. Questa modificazione permette alla luce dal modo guidato fondamentale
di accoppiarsi con i modi discreti che si propagano nel cladding nella stessa
direzione. Siccome i modi di cladding si attenuano rapidamente, il risultato è la
presenza di bande di attenuazione nello spettro di trasmissione. Proprio per queste
caratteristiche parecchi centri di ricerca in tutto il mondo stanno
concentrando,nell’ultimo decennio, molti dei loro studi per conoscere a fondo
tutte le proprietà di questi dispositivi al fine di avere il massimo controllo su di
essi e sfruttare a pieno le loro potenzialità.
Nel presente lavoro di tesi è studiata e convalidata sperimentalmente una nuova
configurazione di reticoli a lungo periodo in fibra ottenuta da reticoli Arc Induced.
Il concetto di base si fonda sul fatto che la distribuzione dei modi di cladding,
dipende dai parametri fisici e geometrici della struttura guidante. In particolare il
diametro della fibra influenza in modo significativo la distribuzione dei modi di
cladding. Inoltre la componente evanescente nel mezzo esterno associata ad ogni
modo di cladding aumenta se si riduce il diametro della fibra. Dato che la
sensibilità è legata all’interazione dell’onda evanescente associata ai modi di
cladding e il mezzo esterno, questa aumenta se si diminuisce il diametro della
fibra. Per ottenere questa riduzione abbiamo utilizzato una tecnica a basso costo
basata su un attacco chimico per mezzo di una soluzione acquosa di acido
fluoridrico. Al fine di concentrare l’azione dell’acido solo sulla parte di fibra
interessata dal reticolo, si è resa necessaria la progettazione e realizzazione di un
opportuno supporto in teflon.
12
Per avere un maggior controllo del processo abbiamo utilizzato una
concentrazione di acido al 12%, e quindi relativamente bassa, che ci ha permesso
di ridurre il diametro di 14µm dopo 80 minuti. Al fine di analizzare come variava
la risposta spettrale e di conseguenza la sensibilità, il processo è stato suddiviso in
quattro passi da trenta minuti ognuno.
Il lavoro è stato articolato in cinque capitoli:
− Nel primo Capitolo introduciamo i reticoli Long Period nel mondo delle
telecomunicazioni, dove la loro principale funzione è quella di filtraggio
del segnale ottico, in particolare per amplificatori ottici come EDFAs o
amplificatori di Raman.
− Nel secondo capitolo analizziamo i reticoli long period standard da un
punto di vista teorico e pratico
− Nel terzo capito si parlerà della nuova tecnica di costruzione dei reticoli
LPG, che sta avendo enorme successo negl’ultimi anni:la tecnica
Electric Arc Discharge.
− Nel quarto capitolo descriveremo tutta l’analisi sperimentale, partendo
dal setup utilizzato per i wet etching e quello optoelettronica.
− Infine l’ultimo capitolo riporterà i risultati sperimentali ottenuti.
13
CAPITOLO 1
Reticoli Long Period: Applicazione alle
Telecomunicazioni. I reticoli long period (LPG) furono proposti da Vengsarkar nella metà degli anni
novanta, da allora si è avuto un enorme sviluppo di questo componente in fibra,
sia nel campo sensoristico che delle telecomunicazioni.
In questo capitolo si cercherà appunto, di introdurre i reticoli long period nel
mondo delle telecomunicazioni facendo una breve panoramica sui principali
dispositivi ottici che utilizzano reticoli a passo lungo come elemento base.
I sistemi di comunicazione in fibra ottica, che utilizzano amplificatori ottici,
hanno sempre più bisogno di dispositivi ad alte prestazioni che funzionino come
filtri selettivi in frequenza, che siano economici e compatti. I reticoli long period,
che riassumono queste caratteristiche, sono noti per la loro capacità di accoppiare
il modo fondamentale guidato con quelli co-propaganti del cladding e negli ultimi
anni sono stati utilizzati come filtri “Band-Rejection” [2], filtri “Gain Flatteners”
per amplificatori EDFAs [3], compensatori di dispersione [4], e vari tipi di
sensori[5,6]. I vantaggi di questi reticoli sono molteplici e saranno descritti nei
prossimi capitoli, ma la caratteristica fondamentale è la flessibilità che offrono per
ottenere la desiderata risposta spettrale. La sensibilità all’indice di rifrazione del
mezzo esterno è, per esempio, una delle proprietà che possono essere manipolate
affinché il reticolo sia utilizzato come sensore o come filtro.
14
1.1 LPG nei sistemi di Telecomunicazioni
Un reticolo consiste in una perturbazione periodica delle proprietà della fibra
ottica, generalmente dell’indice di rifrazione del core. In base al loro periodo
questi sono suddivisi in due categorie: “short period“ o a periodo corto, meglio
conosciuti come reticoli di Bragg (FBGs), e reticoli “long period” o a periodo
lungo, detti anche reticoli in trasmissione.
I reticoli short period sono caratterizzati da un periodo inferiore a 1 micrometro,
che accoppia i modi che si propagano in una direzione con quelli contro
propaganti. Questo accoppiamento avviene ad una lunghezza d’onda specifica,
detta lunghezza d’onda di Bragg [7].
Lo spettro in trasmissione, come mostrato in Figura 1, si presenta quindi con delle
bande di attenuazione centrate alla lunghezza d’onda di risonanza, dovuto
all’accoppiamento del modo fondamentale con i modi di cladding, che dipendono
dal periodo del reticolo e da parametri fisici e geometrici della fibra. Inoltre la
posizione spettrale delle bande di attenuazione è fortemente dipendente da
perturbazioni provenienti dall’amiente esterno, come temperatura, strain e indice
di rifrazione (SRI) che circonda il reticolo. Un cambiamento di questi parametri
provoca una variazione della lunghezza d’onda centrale della banda di
attenuazione, la quale può essere monitorata utilizzando un analizzatore di spettro
ottico (OSA). Ciò fa sì che il reticolo LPG possa essere utilizzato come sensore di
temperatura, strain o indice di rifrazione nel campo sensoristico, ma anche come
filtro “tunabile”, nel campo delle Telecomunicazioni[7].
15
Figura 1. Spettro in trasmissione di un generico LPG
I vantaggi che i reticoli offrono sulle altre tecnologie competenti includono una
geometria completamente in fibra, basse perdite di inserzione e bassi costi di
produzione. Ma la caratteristica che maggiormente distingue i reticoli è la
flessibilità che essi offrono per ottenere delle desiderate caratteristiche spettrali.
Per questo trovano applicazione come filtri spettrali, nei sistemi a modulazione di
lunghezza d’onda Wavelength Division Multiplexing (WDM), una particolare
tecnica dove segnali ottici multipli sono trasmessi su una singola fibra utilizzando
diverse lunghezze d’onda, insomma, un sistema che permette di aggregare più
canali elementari (ad alta velocità), per realizzare collegamenti ad altissima
capacità [8].
La maggior parte dei reticoli long period, nel campo delle telecomunicazioni,
sono utilizzati come filtri “band-rejection”[2], utili per eliminare l’ASE(Amplified
Spontaneous Emission) negli amplificatori EDFAs, per rimuovere gli ordini di
Stoke negli amplificatori a cascata di Raman oppure come filtri tunabili.
16
Andremo quindi ad analizzare le proprietà dei filtri, le loro caratteristiche e il loro
campo di applicazione, che varia in base alle perturbazioni esterne al reticolo,
quali la temperatura, lo strain o al cambiamento dell’indice di rifrazione.
I reticoli hanno quindi la funzione di selezione spettrale e possono essere applicati
a sistemi in cui lo spettro può essere modificato; in definitiva questo è un
dispositivo versatile, con basse perdite d’inserzione (<0.2 dB), minime retro-
riflessioni (<-80 dB) ed una eccellente insensibilità alla polarizzazione [2].
I reticoli LPG sono utilizzati anche come filtri passa banda, di solito si utilizzano
più reticoli per ottenere dei risultati soddisfacenti, ma ci sono anche altre tecniche
che permettono lo spostamento della banda di attenuazione a lunghezze d’onda
desiderate e che rendono il filtro “tunabile”.
Il filtro può essere sintonizzato modificando la periodicità del reticolo, oppure con
varie tecniche che sfruttano le proprietà intrinseche del reticolo, quali la
variazione dello “strain”, del “bending”, della temperatura e la tecnica dell’attacco
chimico per la dipendenza dall’indice di rifrazione esterno al cladding, descritta e
utilizzata in seguito[2].
In particolare nei sistemi WDM i filtri “tunabili” sono utilizzati per selezionare un
canale desiderato, la larghezza di banda deve essere ampia abbastanza da
permettere la trasmissione dell’intero canale ma nello stesso tempo deve essere
stretta da impedire il fenomeno dell’interferenza.
Le proprietà di un filtro “tunabili” ideale sono [9]:
- un ampio range di “tuning”, in modo da massimizzare il numero di canali
selezionabili;
- “crosstalk” trascurabile per evitare l’interferenza dei canali adiacenti;
- alta velocità di selezione per diminuire i tempi di accesso;
17
- basse perdite d’inserzione;
- insensibilità alla polarizzazione;
- stabilità rispetto alle variazioni ambientali (umidità, temperatura,
vibrazioni…);
- costi contenuti.
E’ molto difficile utilizzare un filtro se esso non può essere modificato utilizzando
tecniche di phase-shifting. Bisogna affrontare un complicato processo di
fabbricazione per ottenere più picchi di risonanza e una risposta spettrale
desiderata.
1.2 Applicazione degli LPG come Filtri “Flattening” in
Amplificatori EDFAs
Un amplificatore ottico è un componente che amplifica direttamente un segnale
ottico senza la necessità di convertirlo prima in un segnale elettrico, poi
amplificarlo elettricamente e infine riconvertirlo. Sono classificati in base alla
tecnologia che li caratterizza, che può essere in fibra o in semiconduttore. Un
amplificatore in fibra amplifica il segnale ottico che si propaga sfruttando
l’emissione stimolata di ioni eccitati otticamente nel core. Il principio di
funzionamento è analogo a quello del laser anche se l’amplificatore in fibra non
richiede di una cavità oscillante.
L’amplificatore ottico in fibra sicuramente più utilizzato è l’EDFA (Erbium
Doped Fiber Amplifier) che combina ad una buona efficienza un basso rumore
introdotto sul segnale. La scelta dell’Erbio è legata al fatto che tale elemento è
l’unico a presentare uno spettro di emissione intorno a 1550 nm, infatti la sua
18
finestra di amplificazione coincide con la terza finestra di trasmissione (C-band
1525nm-1565nm, L-band 1570nm-1610nm) in cui la fibra presenta l’attenuazione
più bassa, con una banda di guadagno di 35 nm, come mostrato in Figura 3,
sufficientemente estesa per applicazioni WDM [9].
Figura 2. Spettro di guadagno per un tipico amplificatore EDFA Lo spettro del guadagno, mostrato in Figura 2 è la caratteristica più importante di
un EDFA, poiché determina l’amplificazione di ogni singolo canale WDM.
Il guadagno dipende anche dal livello di drogaggio, dalla lunghezza della fibra
drogata e dalla potenza del laser di pompa, dove per pompaggio si intende
l’accoppiamento di un segnale ottico ad elevata potenza con il segnale da
trasmettere.
Tutti gli amplificatori sono caratterizzati da un certo grado di rumorosità, che si
traduce in una degradazione del rapporto segnale rumore (SNR, signal-to-noise
ratio). La principale fonte di disturbo nell'amplificazione del segnale in un EDFA
è l'emissione spontanea nella sezione attiva del materiale, cioè lungo il tratto di
fibra drogata. L'emissione spontanea in ogni sezione viene amplificata
contestualmente al segnale utile durante la propagazione verso la faccia d'uscita
del mezzo, cosicché il segnale amplificato è accompagnato da un disturbo
19
aleatorio a media nulla intrinseco al processo di amplificazione chiamato
Emissione Spontanea Amplificata (ASE, Amplified Spontaneous Emission) [9].
Di primaria importanza, nell’uso degli amplificatori dopati con Erbio, è
l’uniformità di guadagno, infatti, come mostrato in Figura 3, la risposta spettrale
di un EDFA non è uniforme. Nei sistemi WDM, dove gli EDFA sono
maggiormente utilizzati, si ricerca stabilità spettrale all’aumentare del numero di
canali. Esistono diverse tecniche per raggiungere tale obiettivo, che impiegano
filtri gain flattening o gain equalization come ad esempio: filtri Fabry-Perot
etalon [10], acousto-optic tunable filters (AOTF) [11], reticoli di Bragg [12].
In genere i filtri sono posti dopo l’amplificatore EDFA, appiattendo il guadagno
spettrale ed in particolare riducendo il picco alla lunghezza d’onda di
1530nm[13].
Molte delle tecniche utilizzate risentono di alcuni limiti che hanno impedito la
loro diffusione nella maggior parte delle applicazioni, ad esempio la difficoltà
nella costruzione di alcuni componenti, anche su larga scala, la non compatibilità
con alcune fibre ottiche, aumentando cosi le perdite di inserzione.
La tecnica più efficiente, per rendere il guadagno più stabile, è l’utilizzo di filtri
LPG, per via delle sue caratteristiche di basse perdite di inserzione, bassa retro-
riflessioni e per la sua facilità di applicazione. Nella Figura 3 è mostrato lo spettro
di un filtro “flattening” in LPG, che va ad operare su un amplificatore EDFA [14].
20
Figura 3. Spettro di un EDFA utilizzando un filtro LPG (Long-Period Grating) Come già detto i reticoli long period sono delle strutture fotoindotte che
introducono nello spettro in trasmissione delle bande di attenuazione, che
dipendono dal tipo di fibra utilizzata, dal periodo spaziale, dalle condizioni di
scrittura del reticolo e da parametri esterni.
Il principio di funzionamento dei filtri LPG, applicati agli EDFAs, è quello di
eguagliare l’inverso dello spettro dell’amplificatore, utilizzando lo spettro in
trasmissione di uno o più reticoli long period attraverso la manipolazione
dell’indice di rifrazione o la lunghezza del reticolo. Per la maggior parte delle
applicazioni, due o tre reticoli sono sufficienti per appiattire il guadagno sulla
larghezza di banda desiderata e per migliorare il controllo sulla risposta in
frequenza. In Figura 4 è evidenziato lo spettro di un filtro long period che è stato
progettato per ottenere un andamento inverso allo spettro dell’EDFA [15].
21
Figura 4. Spettro di un filtro long period, progettato per avere un picco minimo a 1558nm
Lo schema di un EDFA è mostrato in Figura 5, il filtro long period è posizionato
tra i due laser diodi con un isolante, costruito in fibra standard con una sensibilità
alla temperatura di 0.056°C. Il filtro approssima molto bene lo spettro ideale,
produce un massimo di attenuazione di 14 dB a 1558nm dove l’EDFA produce un
picco minimo[15].
Figura 5. Schema di un EDFA che utilizza un filtro LPG Quindi, la migliore tecnica di “flattening” è l’utilizzo dei reticoli long period per
via dei numerosi vantaggi rispetto alle altre tecniche, grazie anche alla loro
semplicità di fabbricazione e alla al basso costo di produzione [13].
22
L’unico difetto si riscontra nella sensibilità elevata per le torsioni e per il
cambiamento di temperatura che circonda il componente, questo problema può
essere superato usando un rivestimento appropriato.
1.3 Applicazione degli LPG come Filtri negli
Amplificatori di Raman
Negli ultimi anni l’amplificazione Raman ha acquistato sempre più importanza
nei sistemi di comunicazione ottica. L’interesse verso questa tipologia di
amplificatori è aumentato in quanto, attraverso schemi a pompaggio multiplo, si
possono realizzare amplificatori a larga banda di guadagno e ridotta figura di
rumore. Inoltre, il fatto che la posizione spettrale delle bande di guadagno degli
amplificatori Raman, a differenza di quelle degli EDFAs, non siano vincolate dal
materiale ottico impiegato, ma dipendano unicamente dalle sorgenti di pompa,
consente di utilizzarli per amplificazioni anche in bande non convenzionali dove i
tradizionali EDFAs non riescono ad operare.
Il dispositivo, mostrato in Figura 6, amplifica il segnale in una fibra ottica
trasferendo l’energia da un fascio potente della pompa ad un fascio più debole del
segnale [16].
Figura 6. (a) Schema di un amplificatore Raman in una fibra ottica (b) Setup
sperimentale per la misura del coefficiente di guadagno Raman
23
L’effetto Raman è un effetto non lineare che permette il trasferimento di energia
da una lunghezza d’onda inferiore ad una superiore tramite il Stimulated Raman
Scattering (SRS).
La possibilità di avere guadagno a qualsiasi lunghezza d’onda dello spettro rende
tale amplificatore molto flessibile ed inoltre, con i Fiber Raman Amplifier (FRA),
vi è la possibilità di lavorare in regione lineare e non in saturazione, come avviene
per gli EDFA, quindi non si ha la necessità di complessi controllori di guadagno
nel caso di add/drop di canali o di traffico di tipo burst. Per ottenere elevata
amplificazione servono fibre che possiedano alti valori del coefficiente di
guadagno Raman. Questi sono ottenibili con fibre ottiche speciali come le fibre a
cristallo fotonico e le fibre step-index realizzate con materiali diversi dalla silice,
come la tellurite[16].
Sicuramente l’amplificazione sarà intrinsecamente meno rumorosa rispetto
all’inserzione di amplificatori di linea EDFAs e la flessibilità spettrale della banda
di guadagno può essere ampliata ad oltre 100nm con pompe multiple, trovano
quindi larga applicazione nei sistemi WDM.
Negli Amplificatori di Raman, i reticoli long period posti in cascata, sono
utilizzati come filtri multi-wavelength, i loro parametri possono essere controllati
cambiando le caratteristiche fisiche, come la distanza tra i reticoli, la loro
lunghezza o il numero di reticoli. Come al solito gli LPG vengono utilizzati per la
loro facilità di fabbricazione, per le minime retro-riflessioni e per la flessibilità nel
selezionare i canali [17].
24
Figura 7. (a) Schema dei Reticoli LPG in cascata:generazione delle interferenze tra i modi di core e di cladding di due LPG, (b) Setup sperimentale per un FRA che utilizza LPG in cascata.
Il principio degli LPG in cascata è basato sull’interferenza tra i modi di core e
quelli di cladding, come mostrato in Figura 7(a). Il primo LPG divide la potenza
del modo fondamentale tra il core e il cladding, mentre nella regione priva di
reticoli, i modi di core e di cladding si propagano simultaneamente fino a quando
non incontrano il secondo LPG. L’analisi può essere effettuata sulla base della
teoria dei modi co-propaganti mentre l’intervallo tra i canali, come già detto, può
essere controllato variando la distanza fisica tra i reticoli oppure andando ad agire
su altri parametri.
Figura 8. Risultati sperimentali dello spettro di un multiwavelenght Raman laser utilizzando 4Km di fibra nonlineare e un filtro multichannel basato su LPGs in cascata.
25
In Figura 8 possiamo osservare lo spettro in uscita di un laser multiwavelenght
Raman che utilizza 4 Km di fibra HNLF(High NonLinearity Fiber) con una
pompa di potenza 4.8 W e reticoli LPG con le seguenti caratteristiche: Λ=650 µm,
(Lunghezza dei reticoli) L=2 cm, (Distanza tra i reticoli) D=20 cm.
L’uscita spettrale del multiwavelenght laser, modificata dalla cascate dei reticoli
LPGs, può essere ulteriormente modificata andando ad agire sulle proprietà del
filtro, quali temperatura, strain, attacco chimico [15].
Conclusioni In questo capitolo abbiamo evidenziato alcune delle possibili applicazioni dei
reticoli long period nel campo delle Telecomunicazioni, tralasciando altri tipi di
applicazioni in cui gli LPG sono presenti, uno su tutti, il campo della sensoristica.
Il ruolo principale degli LPG riguarda il filtraggio; notevoli soluzioni sono state
affrontate per risolvere problemi che creano gli amplificatori ottici, ma i reticoli
long period risultano essere la soluzione ideale, per via del basso costo di
produzione, per la flessibilità e per le basse perdite di inserzione. Inoltre, sono ben
visti anche perché l’obiettivo finale dell’evoluzione della rete di trasporto ottica
favorisce lo sviluppo di componenti intrinseci, eliminando rigeneratori elettrici
che rallentano il sistema [1].
Nei prossimi capitoli si approfondiranno i reticoli a passo lungo, studiandone la
teoria e i vari metodi di fabbricazione ed in particolare ponendo attenzione su un
nuovo metodo di scrittura definito Elettric Arc Discharge, che rende ancora più
semplice, veloce e meno costosa la costruzione di reticoli long period,
analizzandone le variazioni spettrali al variare del diametro della fibra mediante
Wet Etching.
26
CAPITOLO 2
Analisi dei Reticoli Long Period Lo sviluppo dei reticoli negli ultimi anni ha favorito la crescita di numerosi
componenti per applicazioni nel campo delle telecomunicazioni e nel campo
sensoristico.
Il fenomeno che sta alla base del funzionamento dei reticoli è l’accoppiamento dei
modi, gli LPG, a differenza dei reticoli di Bragg, accoppiano il modo
fondamentale con i modi di cladding co-propaganti, quindi un confronto è tra
questi due tipi di reticoli è d’obbligo. In particolare il secondo capitolo si baserà
sulla teoria dei reticoli, partendo dai Bragg per poi passare agli LPG e analizzare
le caratteristiche teoriche fondamentali, poi lo studio si sposterà sui vari metodi di
fabbricazione ma soffermandosi soprattutto sul metodo standard a radiazione UV,
mentre la tecnica Arc Induced sarà trattata in modo più approfondito nel terzo
capitolo.
2.1 Accoppiamento dei modi nelle Fibre Ottiche.
Un modo è definito come un set di onde elettromagnetiche che partecipano alla
propagazione dell’energia. In una fibra ottica, un numero finito di modi viaggiano
con costanti di propagazione β, che sono funzioni della lunghezza d’onda della
sorgente ottica e dai parametri fisici e geometrici della fibra e possono essere
ricavate utilizzando le equazioni di Maxwell ed il campo elettrico e magnetico
nell’interfaccia core-cladding come condizioni al contorno. I valori discreti della
costante di propagazione, per i modi guidati, sono confinati in n2k<|β|<n1k, dove
27
n1 ed n2 sono rispettivamente l’indice di rifrazione del core e del cladding e k è la
costante di propagazione alla lunghezza d’onda λ pari a k=2π/ λ.
In Figura 9, denominata β-plot, possiamo osservare le costanti di propagazione dei
modi guidati per β>0 (modi co-propaganti) e per β<0 (modi contro-propaganti).
Inoltre la costante di propagazione è anche espressa come β=ωn/c dove ω è la
frequenza angolare, n è l’indice di rifrazione effettivo e c è la velocità della luce
nel vuoto [15].
Figura 9. Distribuzione delle costanti di propagazione dei modi di cladding.
L’analisi ci rivela che in presenza di imperfezioni nella guida d’onda, oltre ai
modi guidati, esistono altri set di modi che soddisfano ugualmente le equazioni di
Maxwell ed i valori al contorno. Questi modi, definiti radiativi, non sono guidati
dalla fibra ed in molte applicazioni bisogna prendere delle precauzioni per
prevenire queste perdite di potenza.
I modi di cladding, possono viaggiare in entrambe le direzioni, come possiamo
notare dalla Figura 9, essi attenuano molto rapidamente grazie alla curvature della
fibra, alle perdite di scattering e all’assorbimento da parte del jacket.
Proprio l’accoppiamento tra il modo guidato e i modi di cladding, dovuto alla
variazione dell’indice di rifrazione nel core della fibra, è alla base del meccanismo
di operazione dei reticoli long period.
28
Il trasferimento di potenza tra due modi propaganti fu analizzato per la prima
volta da Pirce nel 1953, il quale studiò l’accoppiamento dei modi in dispositivi
come filtri e guide d’onda. Nelle fibre ottiche, la potenza è trasmessa sottoforma
di modi, in un sistema ideale ogni modo si propaga senza perdite e senza
guadagno di potenza lungo la fibra, mentre nella realtà, anche una piccola
irregolarità provoca l’accoppiamento della potenza tra due più modi.
Nei sistemi a lunga distanza , l’accoppiamento dei modi guidati con i modi
radiativi, dovuti a microbends, possono portare a significanti attenuazioni in
trasmittività e quindi si prendono particolari precauzioni durante la fabbricazione
e la loro istallazione. D’altro canto, interessanti ed utili componenti in fibra
possono essere costruiti basandosi proprio sull’accoppiamento dei modi, quali
accoppiatori direzionali[18], accoppiatori di modi[19] e reticoli con diverso indice
di rifrazione (reticoli di Bragg e reticoli long period) che stanno avendo grande
sviluppo nel campo dell’optoelettronica.
2.2 Dai Reticoli di Bragg ai Long Period
Un reticolo è una perturbazione periodica dell’indice di rifrazione del core della
fibra attraverso una esposizione ai raggi UV [20].
I reticoli in fibra possono essere classificati in due tipi: i reticoli di Bragg (detti
anche “short period“ ), in cui l’accoppiamento si ha tra i modi che viaggiano in
senso opposto nel core; e i reticoli in trasmissione( detti anche “long-period”), in
cui l’accoppiamento avviene tra i modi di core e di cladding che viaggiano nello
stesso verso [21].
29
I reticoli di Bragg furono proposti per la prima volta da un gruppo di ricerca
canadese, il quale dimostrò che introducendo una modulazione dell’indice di
rifrazione, nel core di una fibra, si poteva ottenere un accoppiamento di potenza
tra il modo guidato fondamentale LP01 e quello contro propagante LP-01.
La Figura 10 illustra la riflessione di un modo in un reticolo di Bragg, che viaggia
nella stessa direzione ma in senso opposto con angolo di incidenza pari a θ2=-θ1.
Figura 10. Illustrazione della riflessione del modo di core per la presenza di un reticolo di Bragg.
L’accoppiamento avviene a una lunghezza d’onda specifica, detta Lunghezza
d’onda di Bragg ed è pari a :
λBragg=2neff Λ (2.3.1)
dove neff è l’indice di rifrazione efficace (ncl<neff<nco), mentre Λ è il periodo
spaziale del reticolo. La Lunghezza d’onda di Bragg deriva dal fatto che il modo
guidato fondamentale ha una costante di propagazione (β) alla lunghezza d’onda
λ data da:
β01 = λπ effn2 (2.3.2)
Il modo guidato contro propagante sarà uguale in modulo ma avrà segno opposto,
per cui sarà
30
β -01= -β 01 = -λπ effn2
(2.3.3)
La condizione di phase-matching, alla quale avviene l’accoppiamento è data da:
∆β = β01 – β02 = Λπ2 (2.3.4)
dove β01 e β02 sono le costanti di propagazione dei due modi implicati
nell’accoppiamento, mentre Λ è il periodo del reticolo. Andando a sostituire la
(2.3.1) e la (2.3.2) nella condizione di phase-matching (2.3.4), si risale alla
lunghezza d’onda di Bragg (2.3.1).
La condizione di phase matching espressa nella (2.3.4) è indicata nel β-plot sotto
la fibra in Figura 10. Come possiamo vedere, infatti, è riportata con una freccia
tratteggiata ottenuta come differenza tra le costanti di propagazione β01 e β02
indicate dalle frecce continue. I cerchi neri indicano i modi di core confinati
(ncl<neff<nco), i cerchi bianchi rappresentano i modi di cladding (1<neff<ncl). I
modi che si propagano nella direzione –z avranno valori di β negativi. Dal grafico
si evince che, nel caso in cui β01 e β02 siano uguali in modulo, l’accoppiamento
cade soltanto nella parte del plot in cui sono indicati i modi di core [21].
Interrogando il reticolo di Bragg con una sorgente di luce a banda larga, la λBragg
verrà riflessa come mostrato in Figura 11. Questa λBragg è la lunghezza d’onda
alla quale il modo LP01 che si propaga in avanti si accoppia con il modo LP-01
contro propagante [21].
31
Figura 11. Spettro in riflessione di un FGB La Figura 12, invece, mostra lo spettro trasmesso del reticolo che è dato dallo
spettro incidente meno il raggio riflesso (λBragg ) e mostra, quindi, una banda di
attenuazione centrata proprio in λBragg.
Figura 12. Spettro in trasmissione di un FBG con sorgente a larga banda La lunghezza d’onda d’accoppiamento (2.3.1) è funzione sia del periodo (Λ) che
dell’indice di rifrazione effettivo (neff) del modo fondamentale, ecco perché una
variazione dello strain o della temperatura causa lo spostamento della λBragg.
Proprio questo fenomeno sta alla base dei vari utilizzi che vengono fatti dei
reticoli di Bragg sia nell’ambito sensoristico che delle telecomunicazioni [15].
In particolare per le telecomunicazioni i reticoli di Bragg sono utilizzati per la
costruzione di filtri narrowband e broadband che servono a separare i diversi
canali nel sistema WDM.
32
Una nuova classe di reticoli in fibra, chiamata Long Period Grating (LPG), fu
sviluppata da Vengsarkar nel 1995 [15]. Nei long period, l’accoppiamento non
avviene più tra il modo fondamentale LP01 e quello contro propagante, bensì con i
modi di cladding, ovvero, quei modi radiativi che sono intrappolati nel cladding
per mezzo della riflessione all’interfaccia cladding-mezzo esterno. Questi modi
attenuano rapidamente e così la luce che si accoppia alla lunghezza d’onda di
phase matching viene dispersa nella fibra [22]. Il risultato è la presenza di un
numero discreto di bande di attenuazione nello spettro di trasmissione, come
rappresentato in Figura 13.
Figura 13. Rappresentazione dello spettro in trasmissione di un LPG
I reticoli LPG si distinguono dai Bragg, sia per la lunghezza del periodo, hanno,
infatti un periodo di qualche centinaio di micrometri, sia per le differenze che
esistono in termini di modalità di accoppiamento e di risposta spettrale.
I vantaggi che offrono rispetto ai Bragg sono: una più semplice fabbricazione, una
bassissima riflessione (funzionano in trasmissione) e, soprattutto una elevata
sensibilità alle variazioni di temperatura, torsione, carico e indice di rifrazione del
mezzo esterno. Una delle caratteristiche più importanti è la grande sensibilità che
lo spettro ottico ha al cambiamento dell’indice di rifrazione del cladding o del
modo esterno. Proprio per questa caratteristica i Reticoli Long Period sono degli
ottimi candidati per la realizzazione di filtri “tunabili” [23].
33
2.3 Caratteristiche dei Reticoli Long Period
Un reticolo LPG è una modulazione ultravioletta (UV) periodica dell’indice di
rifrazione del core della fibra, con un periodo spaziale Λ pari a 100-500 nm ed
una lunghezza di circa 2.5 cm. Lo schema di un LPG è mostrato dalla Figura 14,
notiamo che in ingresso abbiamo un segnale lineare, mentre in uscita ci sono m
bande di attenuazione che coincidono con l’accoppiamento del modo di core con
quelli co-propaganti di cladding, l’indice di rifrazione del core è n1, quello del
cladding è n2 e l’indice del mezzo esterno, denominato SRI, è n3 [22]..
Figura 14. Schema di un LPG
Ricordando la condizione di phase-matching (2.3.4) e, andando a sostituire le
costanti di propagazione per un LPG:
λπ
β con201 = e
λπβ clm n2
=
la condizione di risonanza o di Bragg, per un LPG può essere scritta come:
λLPG=(nco-ncl)Λ (2.4.1)
dove λLPG è il picco della lunghezza d’onda di risonanza, nco e ncl sono
rispettivamente, l’indice di rifrazione effettivo del core e dei modi di cladding e Λ
è il periodo spaziale del reticolo.
34
Lo spostamento della lunghezza d’onda di risonanza, in funzione del
cambiamento dell’SRI ( )( clco nn −∆ ), può essere pari a [23]:
∆λLPG= LPGclco
clco
nnnn
λ−−∆ )(
(2.4.2)
Lo spettro in trasmissione di un generico LPG, mostrato nella Figura 15, individua
le bande di attenuazione (λLPG) dovute all’accoppiamento del modo di core con i
modi di cladding.
Figura 15. Spettro in trasmissione si un generico LPG Le bande hanno diversi valori, di picco minimo e di larghezza di banda, dovuto a
diversi coefficienti di accoppiamento che sono funzioni della sovrapposizione dei
modi. La Figura 16, mostra lo spettro in trasmissione ed in riflessione di una
sorgente a larga banda usata per interrogare un LPG. Si nota perfettamente che lo
spettro in trasmissione consiste in un numero finito di picchi minimi per
determinate lunghezze d’onda. La luce persa a queste lunghezze d’onda non è
riflessa ma viene dispersa nei modi di cladding . L’indice di rifrazione efficace del
cladding è fortemente dipendente dall’indice di rifrazione del mezzo esterno, ciò
significa che l’i-esima lunghezza d’onda di risonanza del modo di cladding
cambierà in funzione dell’indice di rifrazione esterno [15].
35
Figura 16. Rappresentazione della modulazione spettrale di un generico LPG
In Figura 17 è mostrato l’accoppiamento del modo di core con quello di cladding
ed il β-plot che esprime la condizione di phase-matching relativa ai long period. I
cerchi neri indicano i modi di core confinati (ncl<neff<nco) e i cerchi bianchi
rappresentano i modi di cladding (1< neff<nco). In questo caso, però, β02>0, per cui,
ricordando la condizione di phase-matching (2.3.4), si può determinare il periodo
spaziale Λ, richiesto per produrre un accoppiamento tra il modo guidato e un
modo di cladding di ordine m [15]:
Λ=)(
)(
mcleff
m
nn −λ (2.4.3)
dove )(mλ è la lunghezza d’onda di accoppiamento, neff è l’indice di rifrazione
efficace del core e ncl è l’indice di rifrazione del cladding [15]. Nel caso dei long
period notiamo che la differenza tra le costanti di propagazione β01 e β02 è minore
rispetto a quella dei reticoli di Bragg; da ciò deduciamo che per una fissata
lunghezza d’onda, affinché ci sia accoppiamento è necessario, negli LPG, un
periodo Λ molto più grande di quello necessario nei Bragg.
36
Figura 17. Accoppiamento tra il modo di core e il modo di cladding in un reticolo LPG.
Consideriamo una fibra ottica, con una perturbazione di periodo Λ lungo il
proprio asse, con origine in z=0 e termine in z=L e due modi, denominati a1 e a2.
che viaggiano in senso positivo lungo l’asse z con le costanti di propagazioni β01 e
β02 [15]:
a1(z,t)=A1(z) e j(ωt – β01
z) (2.4.4 (a))
a2(z,t)=A2(z) e j(ωt – β02
z) (2.4.4 (b))
dove ω è la frequenza angolare e A1(z), A2(z) sono le ampiezze complesse
normalizzate che sarebbero indipendenti da z se si considerasse una fibra senza
perdite ed imperturbata. L’obiettivo della teoria dei modi di accoppiamento è di
trovare la variazione di A1(z) e A2(z) in funzione di z. Il campo elettrico di una
fibra perturbata è espresso come una combinazione lineare di due autovalori
nell’equazione (2.4.4) sostituiti poi nell’equazione d’onda scalare per sistemi
perturbati. Per una fibra imperturbata, invece, la polarizzazione guidata prodotta
dal disturbo non esiste, quindi si prende in considerazione l’equazione d’onda
scalare standard. Per una fibra perturbata, utilizziamo un’approssimazione a
variazione lenta (SVA) per annullare l’effetto della derivata di secondo ordine
dell’ampiezza complessa e integrare la sezione della fibra per ottenere due
accoppiamenti [15]:
37
zjezAkdz
zdA ∆−= )()(212
1 (2.4.5 (a))
zjezAkdz
zdA ∆+= )()(
1212 (2.4.5 (b))
dove k12 e k21 sono i coefficienti di cross-accoppiamento ed esprimono la
grandezza dell’accoppiamento tra i due modi.
La potenza totale trasportata dai modi a1 e a2 è data da [15]:
P1(z)= |A1(z)|2 =P0 2
22
1
1sin
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
k
kkz
δ
δ
( 2.4.6 (a))
P2(z)= |A2(z)|2 =P0
⎪⎪⎪
⎭
⎪⎪⎪
⎬
⎫
⎪⎪⎪
⎩
⎪⎪⎪
⎨
⎧
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+
2
222
1
1cos
k
kkkz
δ
δδ
(2.4.6 (b))
Dove δ=∆/2 è definito parametro di detuning, k è il coefficiente di accoppiamento
del reticolo e P0 è la potenza incidente in a2(P0=P2(0)=|A|2). La frequenza e la
grandezza della potenza di accoppiamento sono funzioni del rapporto di detuning
δ/k. In particolare per δ≠0 l’accoppiamento dei modi è molto piccolo e diventa
trascurabile per δ/k>>1. Per la condizione di phase-matching (δ=0), invece, le
equazioni (2.4.6) possono essere riscritte come:
P1(z)=P0 sin2(kz) (2.4.7 (a))
P2(z)=P0 cos2(kz) (2.4.7 (b))
Tipicamente, si desidera un valore che sia il più piccolo possibile del rapporto di
detuning per avere il massimo trasferimento di potenza.
L’equazione del coefficiente di accoppiamento è data da [15]:
38
k(m)=
∫∫
∫∞∞
∆
0
2)(2
001
)(
001
))(())((
)()(
2||
rdrrErdrrE
rdrrErnEAk
mcl
mcl
a
N (2.4.8)
dove 01E (r) e )(mclE (r) sono la distribuzione dei campi elettrici del modo
fondamentale e dei modi di cladding di ordine m, ∆n è il cambiamento dell’indice
prodotto durante il processo di fabbricazione del reticolo ed a è il raggio del core.
Definendo l’integrale di sovrapposizione η(m) come [15]:
η(m) =
∫∫
∫∞∞
∆
0
2)(2
001
)(
001
))(())((
)()(
rdrrErdrrE
rdrrErnE
mcl
mcl
a
(2.4.9)
possiamo riscrivere il coefficiente di accoppiamento come:
k(m)= )()(
|| mm
NAη
λπ (2.4.10)
dove AN sono i coefficienti di Fourier; ricordiamo che il coefficiente di
accoppiamento per un reticolo long period ha la stessa equazione del reticolo di
Bragg.
Utilizzando ora l’analisi per l’accoppiamento dei modi, possiamo determinare la
potenza trasmessa attraverso il reticolo. Il rapporto C dell’accoppiamento di
potenza tra un modo di cladding di ordine m ed il modo fondamentale è dato da
[15]:
C = 2
)(
)(
2
)(
)()(2
01
(m)
1
1sin
)0((L)P
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
=
m
m
m
mm
k
kLk
P δ
δ
(2.4.11)
39
Dove L è la lunghezza del reticolo, k(m) e δ(m) sono rispettivamente il coefficiente
di accoppiamento e il parametro di detuning.
La potenza normalizzata T, trasmessa dal modo fondamentale guidato attraverso il
reticolo è data da [15]:
T = 2
)(
)(
2
)(
)(2
)(
)()(2
01
01
1
1cos
)0(P(L)P
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
=
m
m
m
m
m
mm
k
kkLk
δ
δδ
(2.4.12)
Che alla lunghezza d’onda di phase-matching (condizione ideale δ=0); si riduce
all’espressione [15]:
T0=cos2(k(m)L) (2.4.13)
dove L è la lunghezza dell’LPG e k(m) è l’m-esimo coefficiente di accoppiamento
del modo di cladding che è determinato dall’integrale di sovrapposizione del
modo di core con quello di cladding e dalla modulazione dell’indice di rifrazione
fotoindotta. La trasmissione normalizzata è espressa in decibel (dB) ed è
tipicamente compresa in un range che va da 5 dB (68,3% di accoppiamento) a 35
dB (99,97% di accoppiamento).
L’equazione (2.4.13) ci rivela che la minima potenza nel modo guidato è
trasmessa alla lunghezza d’onda di phase-matching e dipende dal coefficiente di
accoppiamento e dalla lunghezza del reticolo.
Durante il processo di scrittura del reticolo si ha un’esposizione continua della
fibra nuda alla radiazione UV fino a quando la potenza di trasmissione alla
lunghezza d’onda di accoppiamento si riduce quasi a zero. Questa è chiamata
condizione di completo trasferimento di potenza al modo di cladding e
corrisponde a [15]:
40
2
)( π=Lk m (2.4.14)
Se , una determinata porzione della fibra, a lunghezza costante, è esposta ad una
radiazione UV, la potenza totale trasferita è ottenuta aumentando il coefficiente di
accoppiamento. 2.4 Fabbricazione dei Reticoli Long Period
Il processo di fabbricazione dei Long Period consiste nell’introdurre una
modulazione periodica nel core della fibra ottica modificando permanentemente
l’indice di rifrazione come mostrato in Figura 18.
Figura 18. Reticolo Long Period La fotosensibilità, è il principio fondamentale su cui si basa la loro fabbricazione
essa è la capacità, dei materiali foto-conduttori o elettro-ottici, ad esibire e
mantenere la modulazione dell’indice di rifrazione, dovuta a intense esposizioni
elettromagnetiche. Un materiale foto-conduttivo assorbe fotoni producendo la
conduttività, invece, l’effetto elettro-ottico o l’effetto Pockels, è la variazione
dell’indice di rifrazione dovuto all’influenza del campo elettrico.
La foto-sensibilità, scoperta da Hill et al. nel 1978, viene utilizzata per modulare
l’indice di rifrazione dei materiali nello spazio e quindi per costruire dispositivi
come i reticoli, infatti un reticolo è semplicemente un componente ottico che
41
serve a modulare l’ampiezza o la fase di un’onda incidente. Hill et al.
utilizzarono due fasci di luce blue-green, a 488 o 514 nm, diretti su una fibra
monomodale dopata con germanio, per formare un reticolo nel core della fibra.
Notò che il reticolo accoppiava la luce del modo fondamentale LP01 con il modo
LP01 contro-propagante ad una lunghezza d’onda che soddisfa la condizione di
phase-matching.
I reticoli non ebbero un grosso successo nel campo delle telecomunicazioni, solo
nel 1980, grazie alla tecnica utilizzata da Meltz et al., si riuscì ad avere una
produzione di massa dei reticoli ad una lunghezza d’onda desiderata utilizzando
due fasci UV separati nello spazio e nel tempo [15]. Esistono diversi metodi per la “scrittura” di un reticolo LPG, alcuni utilizzano una
radiazione UV altri, invece, laser CO2. Il metodo più utilizzato è quello che
usufruisce di un laser UV ed una maschera di ampiezza, stampata su vetro cromo-
placcato e di lunghezza che varia, in genere, da 1 a 3 cm. Il fascio di luce pulsato
prodotto dal laser ha un’area di 2.6x1.1cm2, una frequenza di ripetizione di 20
impulsi/secondo, e una durata dell’impulso di 10ns ad una lunghezza d’onda di
248nm. Il tempo richiesto per la produzione di un LPG varia da 5 a 15 minuti per
fibre con il 3-10% di GeO2 e 2-3% di idrogeno. Durante il processo di
fabbricazione, la fibra è tenuta in entrambi il lati della regione nuda, in modo da
evitare piegature che possono influenzare l’accoppiamento dei modi di
cladding[15].
In Figura 19 è mostrato il setup per costruire un LPG mediante radiazione UV, in
particolare possiamo notare il led (sorgente a banda larga) e l’OSA (Optical
Spectrum Analyzer) che hanno la funzione di monitorare in real-time l’intero
42
processo di scrittura del reticolo per controllare l’evoluzione delle varie bande di
attenuazione [15].
Figura 19. Setup per la costruzione di un LPG utlizzando un laser ad eccimeri
L’accoppiamento con i diversi modi di cladding è evidente nello spettro in
trasmissione del reticolo, ogni banda di risonanza ha un picco minimo dovuto ai
distinti coefficienti di accoppiamento per i corrispondenti modi di cladding. In
Figura 19 possiamo notare appunto la variazione di una particolare banda di
attenuazione all’aumentare del tempo di esposizione alla radiazione.
Come si può osservare la lunghezza d’onda di risonanza si sposta verso lunghezze
d’onda maggiori ed aumenta il picco di attenuazione all’aumentare del tempo di
esposizione. Tipicamente le bande a lunghezza d’onda maggiore registrano uno
spostamento che va da 60 a 100 nm durante tutto il processo di fabbricazione.
Figura 20. Evoluzione dello spettro di un LPG all’esposizione ai raggi UV. Le curve da A ad E rappresentano una differenza di un minuto l’una dall’altra.
43
Il maggior vantaggio della tecnica del laser UV consiste nel fatto che possono
essere prodotti più reticoli aventi stesso periodo, semplicemente posizionando più
fibre nude sotto la maschera di ampiezza, come illustrato in Figura 21.
Naturalmente, anche se un solo reticolo viene monitorato, ci si aspetta che anche
gli altri esibiscano la stessa risposta spettrale [15].
Figura 21. Procedura per la fabbricazione multipla di LPG Dopo la “scrittura“ del reticolo si deve procedere con un “annealing” termico,
necessario a stabilizzare le proprietà ottiche. In particolare serve per due
motivi[2]:
1) Eliminare i residui D2/H2, che altrimenti provocherebbero un aumento
della media degli indici e quindi un temporaneo spostamento verso
lunghezze d’onda maggiori delle bande di attenuazione.
2) Eliminare quella pozione creata dalla radiazione UV che è termicamente
instabile sui reticoli long period alle normali temperature di lavoro.
La Figura 22 mostra i risultati ottenuti per un “anneling” a 150 °C di un LPG, il
rapido spostamento della lunghezza d’onda nelle prime due ore è associato alla
eliminazione dei residui di H2, mentre nelle ore successive il cambiamento è
causato dal graduale decadimento del difetto indotto dalla radiazione UV [2].
44
Figura 22. Effetto di un"anneling"termico(@150°C)per più bande di attenuazione di unLPG Questi due effetti sono illustrati anche in Figura 23, dove è mostrato lo spettro del
reticolo per applicazioni specifiche; bisogna tenere presente la riduzione di questi
due parametri. Quindi un reticolo può essere trattato in modo selettivo
controllando la temperatura e la durata del processo di “anneling”.
Figura 23. Spettro in trasmissione di un LPG prima e dopo il processo di anneling Una volta effettuato il processo di “anneling”, la lunghezza d’onda di
accoppiamento di una banda, può essere regolata per una particolare applicazione,
ad esempio, riscaldando la regione del reticolo con una temperatura maggiore di
quella del processo di “anneling” [15].
Un’altra tecnica utilizzata per la costruzione dei reticoli long period è il metodo
laser a onda continua (CW), in cui è utilizzata come sorgente UV un laser ad
45
argon il cui raggio ha un range di centinaia di micrometri. In questo caso, la
modulazione dell’indice di rifrazione del core può essere ottenuta solo su una
lunghezza uguale alle dimensioni del raggio della sorgente UV, perciò le piccole
dimensioni del raggio possono limitare la lunghezza del reticolo. Per ovviare a
questo problema si utilizza un setup come quello illustrato in Figura 24, in cui il
raggio è riflesso da uno specchio posizionato su un sistema mobile che si sposta
parallelamente alla direzione della radiazione incidente. Il principale svantaggio
nell’uso di questa tecnica, consiste nel fatto che le piccole dimensioni del raggio
permettono la fabbricazione di un solo reticolo per volta [15].
Figura 24. Setup per la fabbricazione di un LPG con il metodo laser a onda continua Esistono altri metodi per la fabbricazione dei reticoli, che fanno a meno di
utilizzare costosi laser UV o CW, ad esempio, è stato sfruttato l’effetto dello
shock termico, utilizzando gli impulsi di un laser CO2 a diversi kilohertz[24],
oppure le deformazioni meccaniche introdotte per mezzo di scariche
elettriche[25].
Proprio quest’ultima tecnica risulta essere un metodo molto interessante da
approfondire nel prossimo capitolo.
46
Conclusioni
E’ stata effettuata un’analisi teorica partendo dall’accoppiamento dei modi nei
reticoli di Bragg per giungere ai long period. La differenza sostanziale tra questi
due reticoli è la diversità con cui i modi guidati si accoppiano, mentre i Bragg
hanno un accoppiamento con i modi contro-propaganti, i long period accoppiano
il modo di core con i modi di cladding co-propaganti.
Per quanto riguarda la fabbricazione, il metodo più utilizzato attualmente, è la
tecnica a radiazioni UV, per provocare una variazione periodica dell’indice di
rifrazione nel core. Questa tecnica è molto vantaggiosa per quanto riguarda la
possibilità di scrittura multipla, ma ha lo svantaggio di essere costosa per via delle
maschere di fase e del laser. Nuove tecniche di costruzione si stanno sviluppando
con caratteristiche migliori e costi contenuti, nel prossimo capitolo analizzeremo
la tecnica Elettric Arc Discharge che come vedremo permette una maggiore
flessibilità con costi contenuti e addirittura una migliore qualità del reticolo.
47
CAPITOLO 3
Reticoli a Passo Lungo realizzati mediante
“Scarica ad Arco”
Nel capitolo precedente abbiamo analizzato le tecniche standard che permettono
la fabbricazione di reticoli. Come già detto la tecnica più utilizzata è quella a
radiazione UV ma lo svantaggio consiste nel dover avere a disposizione un
elevato numero di maschere di fase per costruire il reticolo con lo spettro
desiderato, inoltre bisogna effettuare il processo di anneling per stabilizzare il
reticolo, il che rende il processo più lungo, difficile e costoso.
Una nuova tecnica è stata analizzata, chiamata “Elettric Arc Discharge”, è basata
sullo shock termico, indipendente dalla fotosensibilità e non richiede il dopaggio
della fibra con idrogeno prima della scrittura. Questa tecnica crea una
modulazione periodica dei parametri geometrici della fibra che permettono un
accoppiamento modale tra modi di core e di cladding. Caratteristiche importanti,
per questo metodo di fabbricazione, sono i bassi costi, la flessibilità e l’eccellente
qualità del reticolo.
In questo capitolo si analizzerà questa nuova tecnica, confrontando i vari metodi
di costruzione trovati in letteratura, concentrandoci poi sulla caratterizzazione del
reticolo utilizzato nella sperimentazione del lavoro di tesi. Comunque molti studi
sono stati compiuti per analizzare modifiche spettrali ad alte temperature[25],
questa tesi, invece, riporterà un’analisi spettrale al variare del diametro della fibra
attraverso il wet etching.
48
3.1 Tecnica “Elettric Arc Discharge”
I reticoli long period sono delle perturbazioni periodiche che accoppiano il modo
fondamentale del core con i modi che si propagano nella stessa direzione nel
cladding. L’utilizzo della tecnica basata sulla proprietà di fotosensibilità con
radiazione UV, è considerata il metodo standard per la fabbricazione di questi
dispositivi, ma non è detto che sia il migliore. Uno dei problemi è la necessità di
un ampio numero di maschere di fase per la costruzione di reticoli con diversi
periodi, inoltre si richiede un dopaggio di idrogeno per aumentare la sensibilità
della fibra alle radiazioni UV e l’utilizzo di costosi laser UV [26].
Di recente si stanno sviluppando tecniche che non si basano sulla fotosensibilità,
esse utilizzano deformazioni fisiche introdotte da scariche elettriche, non avendo
bisogno, quindi, di costosi laser o maschere di fase, evitando anche il post-
trattamento termico di annealig per stabilizzare il reticolo.
I reticoli utilizzati nel processo sperimentale di questo lavoro di tesi, sono del tipo
Arc Induced, costruiti utilizzando scariche elettriche, un metodo flessibile e
semplice da implementare; i reticoli ottenuti hanno piccole perdite di inserzione e
possiedono un’alta stabilita termica [25].
La tecnica Elettric Arc Discharge ha ottenuto grande attenzione grazie ai suoi
bassi costi di fabbricazione, alla sua ampia flessibilità e all’eccellente qualità dei
reticoli ottenuti. Di recente, i reticoli costruiti sfruttando questa nuova tecnica,
sono stati sviluppati per riuscire ad ottenere reticoli short che risultano essere
poco sensibili alle curvature e alle alte temperature.
49
3.2 Analisi Teorica Elettric Arc Discharge
Le equazioni che descrivono le operazioni di un reticolo long period sono le ben
note equazioni di accoppiamento dei modi discusse nel capitolo due. La lunghezza
d’onda di risonanza semplificata è ottenuta dalla condizione di phase matching
[26]: Λ
=−πββ 2m
clco (2.6.1)
dove coβ e mclβ sono rispettivamente le costanti di propagazione del modo di core e
del modo di cladding, Λ è il periodo spaziale del reticolo.
Se definiamo la perturbazione dell’indice effettivo del core e del cladding δnco e
δnvi [25]:
∫∫
∫∫
−
→
−
→
−−
⋅
⋅=
),(),(
),(),(),(),(
yxeyxedxdy
yxeyxeyxndxdyyxn
cocococo
cocococoeffco
δδ (2.6.2)
∫∫∫∫
−
→
−
→
−
→
−
→
⋅
⋅=
),(),(
),(),(),(),(
yxeyxedxdy
yxeyxeyxndxdyyxn
vjvjvjvj
vjvjvjvjeffvi
δδ (2.6.3)
possiamo poi esprimere la lunghezza d’onda risonante [25]:
Λ−+−= )]()())(()([( max,max,maxeffvj
effco
ncleffcoeff nnznnn δδδλλλ (2.6.4)
Nell’equazione (2.6.4) il valore della differenza dell’indice efficace tra il modo di
core e di cladding dato da )( effvj
effco nn δδ − può essere diverso secondo la tecnica di
fabbricazione del reticolo[24]. Per il metodo di scrittura a radiazione UV, per
esempio, effvj
effco nn δδ >> e quindi la perturbazione si ha solo nel core. Invece per la
tecnica Arc Induced, effvj
effco nn δδ ≈ , il cladding subisce la stessa alterazione
dell’indice di rifrazione efficace che subisce il core a causa dell’arc discharge.
50
Mentre il periodo del reticolo definisce la regione di interazione della lunghezza
d’onda di risonanza, la potenza dell’accoppiamento è determinata dal integrale di
sovrapposizione dato dal coefficiente di accoppiamento dei modi [25]:
∫ ∫∞
∆=π
φωε 2
0 02
*1
0
4nErdrEdk (3.2.1)
Dove E1 ed E2 sono la distribuzione di campo traverso del core e del cladding, ∆n
è la variazione dell’indice di rifrazione.
Utilizzando le equazioni dell’accoppiamento dei modi, il coefficiente di
trasmissione del reticolo long period è dato da [25]:
)(cos)(sin 222
2
gg LLT γγγσ
+= (3.2.2)
dove 222 σγ += k , 2/)2( 2211 δσ +−= kk , kii è il coefficiente di auto
accoppiamento ed Lg è la lunghezza del reticolo.
3.3 LPG realizzati mediante Scarica ad Arco
In questo paragrafo sono riportati alcuni esempi di reticoli long period costruiti
con una nuova tecnica che si basa su un ascarica elettrica ad arco. La novità
fondamentale riguarda i reticoli Short che possono avere anche solo due periodi e
risultano essere poco sensibili allo strain e alla temperatura.
3.3.1 Ultra Short LPG
Due tipi di metodi sono utilizzati per creare reticoli con questa tecnica [25]: La
prima genera delle microbends, introducendo un piccolo spostamento laterale ad
51
un'estremità della fibra [27]. L'altro metodo crea il reticolo, mentre all’estremità
della fibra è fissata una massa [28].
Entrambi i metodi inducono una modulazione dell’indice di rifrazione lungo la
fibra con deformazioni meccaniche, che dipendono dalla posizione della fibra
durante il processo di arc flame, per quanto riguarda il primo metodo e dal peso
applicato all’estremità della fibra, per il secondo.
Il gruppo di ricerca del Dipartimento di Ingegneria delle Pensilvania, negli Stati
Uniti, ha costruito e analizzato reticoli LPG Ultra Short, con soli due periodi,
utilizzando il primo metodo Arc Induced [25].
Il setup utilizzato per la fabbricazione di reticoli LPG è mostrato in Figura 25; una
fibra standard (SMF-28), non dopata con idrogeno e con una piccola porzione
senza coating, è posizionata in due holders che servono a mantenerla rigida e tesa,
due elettrodi, che attivano una scarica elettrica ad una specifica intensità, sono
montati su di un carrello mobile (Translation Stage) che si sposta con una nano-
precisione del period del reticolo Λ mentre lo spettro del reticolo viene monitorato
con un computer ed un OSA (Optical Spectrum Analyzer) [24].
Figura 25. Setup per la costruzione di LPG con tecnica Elettric Arc Discharge
I parametri standard utilizzati sono: arc current ~ 15mA con una frequenza pari a
20 kHz, mentre l’arc duration varia mantenendo costante l’arc current
52
La Figura 26 mostra un esempio dell’evoluzione del reticolo al crescere del
numero dei periodi di Arc Discharge. Per questo reticolo, visibile in Figura 27,
l’arc duration è di 357ms ed il periodo di 500µm, la lunghezza di 2mm fino al
raggiungimento del quarto picco. La lunghezza d’onda risonante cresce molto
rapidamente fino ad arrivare ad un picco di -30dB con quattro periodi di arc
discharge, poi con il quinto periodo si ha il sovra-accoppiamento (over-coupling)
che provoca una diminuzione della profondità del picco fino a -13,2dB [24].
Figura 26. Evoluzione del reticolo durante la costruzione con la Tecnica Arc Induced
Figura 27. Fotografia al microscopio di un reticolo short arc written. Nella Figura 27 possiamo notare le deformazioni meccaniche indotte dall’Arc
Electric Discharge, la grandezza della deformazione è stimata intorno ai 10µm.
Per analizzare l’effetto dell’arc duration, sulla lunghezza d’onda risonante, sono
stati costruiti diversi reticoli con differenti tempi di esposizione, ma con lo stesso
53
periodo di 500µm. Nella Figura 28, notiamo gli spettri di quattro reticoli ottenuti
con lo stesso metodo ed un numero di periodi variabile. Lo spettro è stato fissato
quando si giungeva ad un picco massimo della lunghezza d’onda di risonanza, da
notare è lo spettro (d), il cui reticolo è composto da soli due periodi.
Inoltre bisogna prestare attenzione allo spostamento del picco di risonanza che si
sposta verso lunghezze d’onda maggiori all’aumentare dell’arc duration.
Figura 28. Spettro di 4 diversi LPG costruiti con metodo Arc Induced e diversi parametri. (a) 278ms, 11 periodi (b) 313ms, 7 periodi (c) 357mn, 4 periodi (d) 417ms, 2 periodi.
3.3.2 Bending sensitivity per short LPG
Il caratteristica principale che offrono i reticoli di tipo short è l’insensibilità al
bending a differenza dei reticoli standard che sono molto sensibili a questo tipo di
parametro. Il gruppo di ricerca dell’Università della Pensilvania, ha proposto una
caratterizzazione della sensibilità del reticolo al bending, utilizzando un LPG con
cinque periodi con un intervallo di 530 µm.
Il setup utilizzato è formato da un congegno meccanico che tiene ferma
un’estremità della fibra e fa ruotare l’altra in modo da curvare la fibra con angoli
54
fissati, in ogni caso la fibra viene fissata con dello scotch per avere sempre un
raggio di curvatura costante.
Si può notare, dalla Figura 29, che il picco di risonanza rimane stabile fino a che
la curvatura non giunge a 10 m-1; una delle caratteristiche più importanti di questi
reticoli short, costruiti con il metodo Arc Induced, è la poca sensibilità allo strain
[25].
Figura 29. Risposta Spettrale di un LPG sottoposto a Bending (m-1).
Nella Figura 30 si nota la variazione della profondità di picco al variare
dell’angolo di bending [25].
Figura 30. Variazione del picco di risonanza al variare dell'orientamento della curvatura.
55
Il picco di risonanza risulta essere molto più sensibile con un orientamento pari a
0° che a 90°. Questo risultato è dovuto alla non-simmetria della modulazione
dell’indice di rifrazione indotta dall’arco elettrico.
L’alta sensibilità al bending richiede un rivestimento adeguato del reticolo per
prevenire fenomeni di cross-sensitivity, mentre per i reticoli short la bassa
sensibilità può giovare alla stabilità del dispositivo specialmente in ambienti
difficili [25].
3.3.3 High Temperature sensitivity per short LPG La ricerca sperimentale si è concentrata molto sulla caratterizzazione ad alte
temperature dei reticoli costruiti con la tecnica Electric Arc Discharge, infatti,
grazie alla loro stabilità termica sono degli ottimi candidati per applicazioni in
ambienti molto ostici, ad alte temperature, come caldaie nelle centrali elettriche,
dove solo alcuni tipi di sensori possono sopravvivere.
Si è preso in considerazione un reticolo con soli quattro periodi distanti 530µm. Il
reticolo è stato posizionato in una forno portata dalla temperatura ambiente di
20°C ad una temperatura di 1100°C.
Figura 31. Variazione dello spettro di un LPG short all'aumentare della temperatura.
56
La variazione dello spettro è stata misurata in funzione dell’aumento della
temperatura, come mostrato in Figura 31. Da notare è la riduzione della profondità
del picco di risonanza mentre si sposata verso lunghezze d’onda maggiori. La
sensibilità aumenta a temperature elevate, infatti, da 200°C a 1000°C la sensibilità
è approssimativamente pari a 0.135 nm/°C, mentre a basse temperature, da 20°C a
200°C, la sensibilità è stimata per circa 0.054 nm/°C [25].
Lo shift può essere teoricamente espresso se si va a differenziare l’equazione della
condizione di matching ottenendo la variazione della lunghezza d’onda di
risonanza [29]:
Tnn
Tn
Tn
T meffeffmeffeff
∂Λ∂
−+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂
∂−
∂
∂Λ=
∂∂ )( 001
001λ (3.2.2.1)
Dove il primo termine rappresenta il contributo dato dalla fibra che dipende dalla
differenza del coefficiente di temperatura dell’indice di rifrazione del core e del
cladding. Fino a che il coefficiente di temperatura del core è maggiore di quello
del cladding,lo spettro si sposta verso lunghezze d’onda maggiori all’aumentare
della temperatura. Il secondo termine è il contributo del periodo del reticolo che
può essere anche trascurato.
Questi risultati sperimentali dimostrano che il reticolo costruito con la tecnica Arc
Induced, non è solo poco sensibile al bending, ma può anche resistere ad altissime
temperature (~1000°C) il che lo rende un ottimo candidato per lavorare in
ambienti dove altri sensori o filtri non possono sopravvivere.
57
3.3.3 Filtro EDFA Flattening LPG
Il filtraggio del guadagno non uniforme degli amplificatori EDFAs è stato
l’argomento principale della ricerca negli ultimi anni, soprattutto con lo sviluppo
dei sistemi di comunicazione WDM.
Gli Amplificatori EDFAs presentano un picco di guadagno ad una lunghezza
d’onda di 1530nm riducendo la larghezza di banda del guadagno a soli 10nm. Il
guadagno degli EDFAs dipende da vari parametri come la concentrazione di ioni
di erbio, la lunghezza dell’amplificatore, il raggio del core e la potenza della
sorgente. Per aumentare la larghezza di banda del guadagno, sono stati
sperimentati diversi metodi il filtraggio ottico, ma il filtro LPG risulta essere il
miglior candidato [30].
In questo paragrafo riportiamo un esempio trovato in letteratura[30], proposto da
un gruppo di ricerca portoghese, che è riuscita a costruire un filtro “flattening”
mediante un reticolo cosrtruito a Scarica ad Arco.
Il reticolo è stato costruito dal gruppo stesso di ricerca Portoghese, con la tecnica
Electric Arc Discharge; la fibra è stata posizionata in una Splicing Machine, come
quella descritta nel paragrafo precedente, in cui il carrello mobile si sposta con
una precisione di 0.1µm. Il metodo utilizzato in questo caso, prevede l’utilizzo di
una massa di 5,1g ad una estremità della fibra, per avere una tensione assiale
costante ed una scarica elettrica di durata 1,7s è prodotta con un arc current di
9mA, il tutto controllato in real-time con un computer ed un analizzatore di
spettro.
Il reticolo è stato costruito per avere la lunghezza d’onda di risonanza centrato a
1531nm per equalizzare il guadagno dell’EDFA, esso consiste di 57 periodi posti
ad un intervallo di 611 µm.
58
Per verificare l’effetto del filtro gain-flattening sul guadagno dell’EDFA si è
utilizzato il setup mostrato in Figura 32 [30].
Figura 32. Setup utilizzato per vrificare l'equalizzazione del guadagno dell'EDFA
Due canali WDM, mostrati in Figura 33, sono stati inseriti nell’ingresso
dell’amplificatore che ha uno spettro non uniforme, mostrato in Figura 34 [30].
Figura 33. Due canali WDM posti in ingresso all'EDFA
Figura 34. Spettro non Uniforme dell'Ampliicatore EDFA
I due canali non vengono amplificati allo stesso modo, come mostrato in Figura 35,
ciò è dovuto alla non uniformità dello Spettro del guadagno dell’EDFA.
59
Figura 35. Canali WDM amplificati da EDFA senza Filtraggio
Lo spettro del reticolo long period implementato, per equalizzare lo spettro del
guadagno dell’amplificatore EDFA è mostrato in Figura 36.
Figura 36. Spettro del Reticolo long period implementato Prima del filtraggio, il picco che rende non uniforme il guadagno dell’EDFA ha una
escursione di 15dB, da 1524nm a 1551nm (larghezza di banda pari a 27nm). Dopo
l’implementazione del reticolo long period, che funge da filtro, il picco viene ridotto
fino ad eguagliare l’amplificazione dei due canali, mostrata in Figura 37 [30].
60
Figura 37. Spettro dei due canali WDM amplificati dopo il filtraggio E’ stato quindi prodotto un filtro “flattening” per equalizzare l’uscita di un
amplificatore EDFA, utilizzando un reticolo long period costruito con il metodo
Electric Arc Discharge.
3.5 Scopo del lavoro di Tesi Negli ultimi anni l’interesse scientifico è stato affascinato da nuovi tipi di reticoli.
Il presente lavoro di tesi è focalizzato sullo studio della sensibilità all’indice di
rifrazione esterno. In particolare lo studio ha affrontato il problema della
variazione della sensibilità all’SRI al variare del diametro della fibra. La riduzione
del diametro è ottenuta mediante attacco chimico con Acido fluoridrico (HF).
Il reticolo utilizzato nel processo sperimentale di questo lavoro di tesi, è stato
costruito dal Centro di Ricerca Fotonico del Dipartimento di Ingegneria
dell’Università del Quebec in Canada, utilizzando un apparato Electric Arc
61
Discharge progettato appositamente per questo scopo, evitando cosi l’utilizzo di
costosi laser UV e mostrato in Figura 38.
Il setup utilizzato per la fabbricazione del reticolo prevede una sorgente a banda
larga ed un OSA collegato ad un computer, che servono al monitoraggio in Real-
Time, poi una fibra di tipo standard, monomodale SMF-28 che viene tenuta tesa
mediante una carrucola ed un peso posti ad una estremita dell fibra.Un carrello
mobile, controllato in mado remoto da un PC, esegue gli spostamenti della fibra di
un periodo Λ desiderato, infine i due elettrodi, provocano una scarica ad Arco che
serve a deformare geometricamente la fibra. Il periodo spaziale Λ è 0.755mm, la
lunghezza del reticolo è stata fissata a 20mm e l’arc duration è pari a 400ms [31].
Figura 38. Apparato per la costruzione di LPG con Tecnica Arc Discharge. 1) Sorgente a Banda Larga 2) Fibra Ottica SMF 3)sistema meccanico di traslazione 4) Elettrodi 5) puleggia 6) Peso 7) OSA 8) Computer
Le proprietà spettrali di questo reticolo sono sempre determinate
dall’accoppiamento del modo fondamentale LP01 con i modi di cladding di ordine
superiore, quando è introdotta nella fibra una perturbazione periodica dell’indice
di rifrazione.
62
1400 1450 1500 1550 1600 1650-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Wavelength [nm]
Tras
mitt
ivity
[dB
]
Figura 39. Spettro in Trasmissioni di un LPG: Λ=0.75mm L=26mm. In Figura 39 è mostrato lo spettro in trasmissioni del reticolo LPG con periodo Λ
pari a 0.755 mm e una lunghezza di 20 mm, in particolare possiamo notaredue
picchi che corrispondi ai modi LP02 ed LP03; la banda di attenuazione a 1574nm
presenta un picco di 30dB a differenza di altri metodi di fabbricazione non
soggetti a radiazioni UV che presentano picchi di profondità ridotte [31].
In Figura 40 è visualizzato un reticolo Electric Arc Induced fotografato con un
microscopio a scansione elettronica.
Figura 40. Reticolo Long Period Arc Induced Possiamo notare le deformazioni geometriche periodiche causate dalla scarica ad
arco e che rendono il reticolo visibile anche a occhio nudo.
63
Conclusioni
In qualsiasi campo è importante sviluppare nuove tecniche per abbassare i costi,
aumentare la flessibilità e la capacità di costruzione di qualsiasi dispositivo.
La costruzione dei reticoli long period può essere facilitata mediante l’utilizzo
della nuova tecnica Electric Arc Discharge, che evita l’utilizzo di costosi laser UV
e delle altrettanto costose maschere di fase. I reticoli prodotti con questa tecnica
risultano di qualità migliore, meno costosi e più flessibili.
L’obiettivo di questa tesi sarà quello di caratterizzare il reticolo in base alla
diminuzione del diametro della fibra ed in funzione della variazione dell’indice di
rifrazione del mezzo esterno.
64
CAPITOLO 4
Analisi del Processo Sperimentale In questo capitolo delineeremo gli obiettivi prefissati, tutti i parametri e gli
strumenti utilizzati per la parte sperimentale.
Abbiamo descritto il reticolo long period, le sue applicazioni nel campo delle
telecomunicazioni e della sensoristica e i vari metodi di realizzazione di tale
dispositivo.
L’interesse nell’utilizzare reticoli LPG e la possibilità di modificare la loro
risposta spettrale anche dopo la scrittura, per aumentare la sensibilità all’indice di
rifrazione del mezzo esternoè evidente da numerose proposte in
letteratura[32,33,34,35,36].
La nostra attenzione è focalizzata sui reticoli costruiti con la tecnica Arc Induced
descritta precedentemente e l’obbiettivo sarà quello di monitorare lo spettro in
trasmissione in funzione delle dimensioni del diametro della fibra, in particolare
l’attenzione è posta sulla sensibilità all’SRI in funzione del diametro della fibra.
In precedenza un’analisi di questo tipo è stata effettuata su di un reticolo costruito
con la tecnica a radiazione UV[37], mentre non è stato trovato nulla in letteratura,
sulla caratterizzazione completa di questo particolare tipo di LPG a cladding
ridotto a vari indici di rifrazione del mezzo esterno.
Lo spettro trasmesso di un LPG, dipende dai parametri fisici e geometrici della
struttura guidante ed anche dal diametro della fibra che influenza in modo
significativo la distribuzione dei modi di cladding e la componente evanescente
nel mezzo esterno. E’ possibile aumentare la sensibilità all’indice di rifrazione
65
esterno grazie alla diminuzione del diametro, poiché la sensibilità stessa è legata
all’interazione tra l’onda evanescente associata ai modi di cladding ed il mezzo
esterno.
4.1 Sensibilità negli LPG al variare dell’indice di
rifrazione esterno (SRI) Il gruppo di ricerca del prof. Bennion, ha ricavato a partire dalla condizione di
phase matching (2.3.4), l’espressione analitica per la sensibilità alla temperatura,
allo strain ed in particolare la sensibilità all’indice di rifrazione del mezzo esterno
come [38]:
SRIresSRI
res
dnd
Γ⋅⋅= γλλ
(4.1.1)
dove γ descrive la lunghezza d’onda di dispersione ed è definita da:
effmcl
effco
res
nnd
d
,−Λ=
λ
γ (4.1.2)
ΓSRI descrive la dipendenza della lunghezza d’onda di dispersione dall’indice di
rifrazione del mezzo esterno definito come:
2/322,
3
32
))((8 SRIcleff
mclefcoclcl
SRIresmSRI nnnnnr
nu−−
−=Γπ
λ (4.1.3)
um è l’m-esima radice di ordine zero della funzione di Bessel del primo tipo, rcl e
ncl sono rispettivamente il raggio e l’indice di rifrazione del cladding della fibra.
Siccome gli indici effettivi dei modi di cladding dipendono dalla differenza tra
l’indice di rifrazione del cladding e quello del mezzo esterno che circonda il
cladding stesso, anche la lunghezza d’onda centrale delle bande di attenuazione
risente di questa dipendenza, per cui si sposta al variare dell’SRI [39].
66
L’influenza che esercita l’SRI sui modi di cladding, però, non segue un
andamento lineare al variare dell’indice esterno, ma cambia a seconda che esso sia
maggiore, minore o prossimo all’indice del cladding. Questo perché la forma e la
distribuzione dei modi di cladding è fortemente dipendente dall’SRI. In
particolare possiamo distinguere diverse regioni di funzionamento di un LPG in
base al variare dell’indice di rifrazione esterno. Quando quest’ultimo è minore
dell’indice del cladding la fibra supporta bene i modi finiti di cladding che sono
ben confinati, per cui il modo fondamentale si accoppia con questi. Come
possiamo notare osservando la Figura 41 con un indice esterno n3, che cambia da
1 a 1.44, il principale effetto è un blue-shift delle lunghezze d’onda di risonanza
delle bande che risulta particolarmente pronunciato nelle bande a lunghezza
d’onda maggiore. Si nota che la sensibilità della lunghezza d’onda di risonanza
all’SRI aumenta quando l’indice di rifrazione del mezzo esterno è prossimo
all’indice del cladding. Quando l’SRI aumenta, infatti, il modo di cladding è meno
confinato nel cladding stesso e quindi la componente evanescente nel mezzo
esterno aumenta. Il risultato è un aumento dell’interazione tra modo di cladding e
mezzo esterno e quindi un aumento della sensibilità.
67
Figura 41. Spettro in trasmissione di un reticolo LPG con periodo Λ=275µm in risposta a SRI minori dell’indice di cladding
Nel passaggio dell’indice di rifrazione esterno da 1.45 a 1.46 si osserva un brusco
cambiamento nello spettro in trasmissione. Quando l’SRI è prossimo all’indice
del cladding, infatti, la radiazione luminosa non è più ben confinata, venendo a
mancare un’interfaccia che separa due mezzi a diverso indice di rifrazione (SRI e
indice del cladding sono infatti uguali), per cui non si ha accoppiamento e non
compaiono bande di attenuazione se non a basse lunghezze d’onda.
Quando invece l’SRI è maggiore dell’indice del cladding, la fibra non supporta
tutti i modi di cladding e il modo di core si accoppia con i modi detti”leaky” [40].
In particolare, ricompare l’interfaccia cladding-mezzo esterno ed abbiamo
nuovamente l’accoppiamento, questa volta però, con modi “leaky”. Come
possiamo notare nella Figura 42, all’aumentare dell’indice esterno i modi “leaky”
sono meglio confinati, e quindi riscontriamo un aumento della profondità del
picco.
68
Figura 42. Spettro in trasmissione di un reticolo LPG con periodo Λ=275µm in risposta a
SRI maggiori o uguali all’indice del cladding. A differenza di quanto avveniva con SRI minori dell’indice del cladding, però,
non si ha spostamento della lunghezza d’onda di risonanza in quanto la fase del
campo parzialmente riflesso all’interfaccia cladding-mezzo esterno non cambia al
variare dell’SRI. Quindi quello che osserviamo è semplicemente che la
trasmittività minima diminuisce man mano che l’SRI si allontana dall’indice del
cladding. Per questo motivo i long period possono essere utilizzati solo per
misurazioni di indici di rifrazione inferiori all’indice del cladding, non essendovi
spostamento in lunghezza d’onda per indici di rifrazione maggiori.
La sensitività dell’LPG all’indice di rifrazione del mezzo esterno è stata sfruttata
per creare sensori di indice di rifrazione[41], sensori di livello di liquido[42] o
come dispositivo per creare filtri spettrali “tunabili”[2].
69
4.2 Riduzione del Diametro mediante Wet Etching
Agendo sulle caratteristiche geometriche della fibra, in particolare riducendo la
dimensione del diametro, si ha uno spostamento della lunghezza d’onda di
risonanza verso lunghezze d’onda maggiori.
Per ridurre il diametro della fibra esistono tre tecniche [43] :
− Metodo mechanical etching, che prevede una riduzione attraverso delle
perforazioni ultrasoniche o scariche elettrochimiche, comunque questo tipo di
etching non può essere utilizzato per ottenere delle superfici regolari;
− Metodo dry etching, che però ha un etching rate molto basso;
− Metodo wet etching, il più utilizzato che assicura una riduzione circolarmente
simmetrica del cladding, grazie alla sua natura isotropica.
La riduzione del diametro della fibra, porta ad una diminuzione dell’neff dei modi
cladding, quindi in base alla condizione di phase matching (2.3.4).
Nel metodo wet etching, l’etching rate è un parametro importante che dipende
dalla concentrazione di acido utilizzata. Il nostro obiettivo prevedeva il massimo
controllo sul processo, il che significa avere un etching rate basso, cioè una
corrosione lenta, si è deciso allora di utilizzare una concentrazione di acido
fluoridrico (HF) al 12% proprio per analizzare ogni variazione dello spettro.
Inoltre, questo tipo di etching richiede una particolare attenzione al tipo di
mascheratura utilizzata per confinare l’azione dell’acido che varia a seconda delle
applicazioni. La riduzione del diametro di cladding è stata ottenuta con questa
tecnica a basso costo basata su attacco chimico in acido HF. Questa tecnica, grazie
alla sua natura isotropica, assicura che la riduzione del cladding avviene in
maniera simmetrica, in questo modo il reticolo ridotto rimane circolarmente
70
simmetrico. L’attacco in HF, d’altra parte, chiede particolare attenzione al sistema
di mascheratura per confinare l’azione dell’acido stesso. A tale scopo è stata
opportunamente progettata, Figura 43 e realizzata, Figura 44, una vaschetta
completamente in teflon (per evitare ogni interazione con l’acido) in grado di
ospitare il reticolo.
Figura 43. Idea di progetto del contenitore in teflon per Wet Etching Questa è costituita da due superfici racchiuse a incastro tra le quali è posta una
guarnizione in silicone al fine di evitare perdite di liquido senza però, allo stesso
tempo, stressare eccessivamente la fibra per mezzo della pressione esercitata
all’atto della chiusura della provetta. In una delle due parti sono stati praticati due
fori utilizzati per introdurre l’acido. Inoltre, come mostrato in Figura 44, la
superficie superiore presenta una plastica trasparente che ci permette di
controllare cosa accade all’interno della provetta. Il tutto è stato costruito con
materiale plastico, per evitare l’attacco da parte dell’acido.
71
Figura 44. Realizzazione del contenitore utilizzato per il Wet Etching
Come abbiamo ampiamente descritto il reticolo long period è molto sensibile oltre
che a SRI, anche allo strain e alla temperatura che agiscono simultaneamente su di
esso. Per questo motivo abbiamo preso un paio di accorgimenti che ci
permettessero di limitare al minimo l’azione di fattori ambientali diversi dall’SRI,.
In particolare, per evitare spostamenti della lunghezza d’onda di risonanza
derivanti dalla sensibilità allo strain, abbiamo utilizzato un sistema di loose tube
che ci permette di esercitare sull’LPG uno strain costante applicando un piccolo
contrappeso di 10g alla parte di fibra esterna alla vaschetta, servendoci di una
piccola carrucola. Inoltre, per evitare variazioni dovute a cambiamenti di
temperatura, abbiamo mantenuto la temperatura dell’ ambiente a 20 ± 1°C.
Lo stesso holder è stato utilizzato per la caratterizzazione del LPG a cladding
ridotto alle variazioni di SRI.
72
4.3 Setup Optoelettronico Analizzeremo ora, la strumentazione utilizzata per il processo sperimentale di
questo lavoro di tesi, riportando per ogni dispositivo utilizzato i dati e le
caratteristiche principali forniteci dai costruttori, inoltre riportiamo il metodo
utilizzato per la misurazione dei diametri delle fibre per mezzo di un microscopio
ottico e di un software di grafica.
Si precisa che tutto il lavoro di ricerca è stato effettuato presso i laboratori di
Optoelettronica dell’Università degli Studi del Sannio.
Figura 45. Setup optoelettronico utilizzato durante il processo sperimentale
Il set-up utilizzato, rappresentato in Figura 45, consiste in una sorgente di luce
collegata al reticolo che a sua volta è collegato ad un Analizzatore di Spettro
Ottico (OSA), controllato in remoto mediante computer, che ci permette di
visualizzare e salvare lo spettro in uscita dall’LPG, con la possibilità di settare i
parametri desiderati come ad esempio la risoluzione, lo spam della banda
desiderata e il numero dei punti da acquisire.
Dopo ogni step di etching, al fine di conoscere quale fosse il diametro effettivo
raggiunto, abbiamo misurato la fibra con un microscopio ottico, modello Leica
MZ 12.5, mostrato in Figura 47, il quale permette di ingrandire fino a 100 volte.
73
Figura 46. Microscopio Leica MZ 12.5, utilizzato nel processo sperimentale.
Le fotografie del reticolo ridotto sono state scattate utilizzando una fotocamera
digitale Canon PowerShot S70 da 7.1 megapixel dotata di uno zoom ottico da
3,6x che ci ha permesso di ingrandire ulteriormente l’immagine della fibra.
Inoltre, per mettere maggiormente in evidenza il bordo delle fibre abbiamo
utilizzato dei particolari filtri colorati che, con un gioco di luci, ci permettono di
ottenere il risultato desiderato. Per poter misurare il diametro avevamo bisogno di
un campione che ci desse una misura da confrontare, per cui abbiamo affiancato
alla fibra etched un tratto di fibra imperturbata dello stesso tipo di quella in cui è
scritto il reticolo. Ogni foto, perciò si presentava come mostrato in Figura 48.
Figura 47. Fibra etched (sopra) fotografata a fianco ad una fibra bare (sotto) Con l’analisi grafica delle foto e con opportuni software riusciamo a stimare i
diametri delle fibre con un errore di ±0.5µm.
74
Nella Figura 48, è mostrato il grafico relativo alla variazione del diametro del
reticolo in funzione del tempo di etching per la zona imperturbata del reticolo e la
zona perturbata dall’Arc Discharge.
0 20 40 60 8095
100
105
110
115
120
125
Etching Time [minutes]
Gra
ting
Dia
met
er [m
icro
n]zona imperturbatazona perturbata
Figura 48. Dimensione del diametro di due reticoli in funzione del tempo di Etching
Procediamo adesso con l’analizzare singolarmente ogni elemento che compone il
setup optoelettronico e precisiamo, innanzitutto, che tutte le fibre ottiche usate per
effettuare i collegamenti necessari rispettano lo standard SMF-28.
Reticolo:
il reticolo utilizzato per il processo sperimentale è un reticolo fornitoci dal Centro
di recerca di Fotonica, Dipartimento d'informatica e d'ingegneria dell’Università
del Québec in Canada, lungo 20mm, scritto all’interno di una fibra tipo SMF-28
Corning ed avente un periodo (Λ) di 755µm. L’individuazione del reticolo stata
75
molto semplice, infatti essendo stato costruito con la tecnica Electric Arc esso era
visibile ad occhio nudo.
Prima dell’etching, esso è stato accuratamente caratterizzato monitorando la sua
risposta al variare dell’indice di rifrazione del mezzo esterno (SRI).
Per ottenere questa variazione di SRI abbiamo utilizzato delle soluzioni di acqua e
glicerina le quali ci hanno permesso di coprire un range che va da un SRI pari a
1.33 (che è ottenuto quando il reticolo è immerso in acqua) fino a un SRI pari a
1,47 (ottenuto quando il reticolo è immerso nella glicerina pura). Come ulteriore
valore abbiamo effettuato anche acquisizioni in aria per avere la risposta ad un
SRI=1. Per ottenere i vari indici di rifrazione a partire dalla glicerina pura,
abbiamo creato alcuni campioni di soluzioni e li abbiamo misurati con un
rifrattometro di Abbe NAR-1T, con un range che va da 1,30 a 1,70 ed una
risoluzione di 10-4.
Sorgente di luce bianca: ANDO AQ4303C [44]
La Sorgente di luce bianca incorpora un sistema di lenti ottiche disegnato per
lanciare la luce
emessa da una lampada alogena al tungsteno all’interno di una fibra ottica.
L’uscita può essere sia luce ad onda continua (CW ) che luce accoppiata a 270 Hz.
La sorgente incorpora anche un sistema di filtri ottici per la rimozione di luce di
ordine superiore, che può essere generata quando insieme all’apparato è usato un
76
monocromatore. Inoltre essa ha tre bande di lunghezza d’onda d’uscita:
400~1800nm, 700~1800nm e 1000~1800nm che possono essere settate
manualmente dalla parte frontale dell’apparato.
Per i nostri esperimenti abbiamo sempre utilizzato il range di lunghezze d’onda
1100~1700nm con luce ad onda continua.
OSA (Optical Spectrum Analyzer): ANDO AQ6317C [44]
Ci permette di effettuare l’analisi spettrale del segnale trasmesso di un LPG. I
parametri che caratterizzano un OSA sono la risoluzione, cioè la minima
variazione apprezzabile in termini di lunghezza d’onda ∆λ e il costo,
inevitabilmente legati tra di loro: maggiore è la risoluzione dello strumento
maggiore sarà il suo costo. L’ OSA utilizzato mostra le seguenti caratteristiche
principali:
• Risoluzione:10pm garantita
• Dinamica 70 db a ± 0,4nm dal picco
• Accuratezza in lunghezza d’onda 0,02nm typ
• Sorgente di riferimento interna
• Linearità in lunghezza d’onda
• Grande varietà di funzioni
77
Obiettivi e conclusioni In questo lavoro di tesi proponiamo di caratterizzare reticoli long period costruiti
con la tecnica Arc Induced aumentandone la sensibilità all’SRI in funzione della
variazione del suo diametro. In letteratura sono molti gli studi effettuati sulla
caratterizzazione in temperatura [25,29] ed in strain[25,42], ma nessuna
caratterizzazione dell’SRI in funzione della variazione del diametro è stata
effettuata. Effettueremo quindi un confronto diretto con la stessa caratterizzazione
effettuata su reticoli standard.
L’obiettivo principale è quindi, studiare le variazioni spettrali al variare dell’SRI,
in funzione del diametro di etching, aumentandone la sensibilità. Dato che la
sensibilità è legata all’interazione dell’onda evanescente associata ai modi di
cladding e il mezzo esterno, questa aumenta se si riduce il diametro della fibra.
È stato dimostrato[45] che per mezzo di una riduzione del cladding è possibile
spostare le lunghezze d’onda di risonanza verso lunghezze d’onda maggiori.
Quando il diametro della fibra si riduce, ci aspettiamo una diminuzione dell’indice
di rifrazione efficace dei modi di cladding, mentre l’indice di rifrazione efficace
del modo di core rimane imperturbato. Di conseguenza si ha uno spostamento
verso lunghezze d’onda maggiori se il diametro della fibra si riduce.
In particolare il modulo dello shift subito dalle bande dipende dai parametri della
fibra, dalla profondità dell’etching e dall’ordine della banda di risonanza. La
lunghezza d’onda di separazione tra due successive bande aumenta man mano che
il diametro del cladding viene ridotto, in accordo con quanto espresso nella
seguente equazione[15]:
2
2)()1()1,( 12
8 rm
ncl
cutmmmm +Λ≈−= ++ λ
λλδλ (4.4.1)
78
dove r sta ad indicare il raggio del cladding, ncl l’indice di rifrazione del cladding,
m l’ordine del modo interessato e λcut la lunghezza d’onda di taglio.
Inoltre, osservando le equazioni di Bennion riportate nel paragrafo 4.1 ed in
particolare la formula di ГSRI (4.1.3), che esprime la dipendenza della lunghezza
d’onda di dispersione dall’indice di rifrazione del mezzo esterno, notiamo al
denominatore della funzione un fattore r3 che indica una forte dipendenza dal
diametro del cladding.
Siccome la sensibilità all’indice di rifrazione del mezzo esterno è direttamente
proporzionale a ГSRI per mezzo dell’equazione (4.1.1), una riduzione del diametro
del cladding aumenta la sensibilità all’SRI. Naturalmente possiamo immaginare i
vantaggi che ne risultano ai fini della progettazione di sensori e fitri tunabili, i
quali verrebbero ad avere una maggiore risoluzione a parità di sistema di
interrogazione.
Questo capitolo è servito a spiegare il processo sperimentale effettuato,
descrivendo il setup utilizzato con le relative caratteristiche degli strumenti. Nel
capitolo successivo si procederà alla descrizione di tutti i risultati ottenuti da tale
processo.
79
CAPITOLO 5
Risultati Sperimentali
In questo capitolo presentiamo i risultati sperimentali delle sensibilità all’SRI in
funzione della variazione del diametro della fibra.
I reticoli a passo lungo costruiti con la tecnic Electric Arc Discharge in fibra
standard sono molto recenti,,a subito si sono rivelati di grande interesse per la
comunità scientifica. Sono molte le analisi che ancora non sono state effettuate,
una in particolare, la caratterizzazione all’SRI in funzione della variazione di
diametro mediante wet etching. Non ci sono fonti in letteratura che si occupano di
tale caratterizzazione. Ecco dunque che appare più evidente il fine stesso di questo
lavoro, atto proprio a raggiungere una maggior conoscenza sperimentale di come
variano le proprietà di questo nuovo reticolo in funzione del diametro del
cladding. In pratica, in questo capitolo riportiamo la caratterizzazione spettrale di
un LPG , costruito sempre con la tecnica Arc Induced, al variare del diametro del
cladding e degli indici di rifrazione del mezzo esterno. Poi si effettuerà un
confronto con la stessa caratterizzazione, già effettuata in precedenza presso il
laboratorio di Optoelettronica dell’Università degli Studi del Sannio, su di un
reticolo standard per capirne differenze e analogie.
5.1 Caratterizzazione dei Reticoli Bare
Prima di iniziare il processo di etching si è proceduti alla caratterizzazione, in
funzione della variazione dell’indice di rifrazione del mezzo esterno, del reticolo
originale, fabbricato in fibra standard SMF-28 col diametro di cladding pari a
80
125µm. Il reticolo ci è stato fornito dal Centro di Ricerca di Fotonica, del
Dipartimento di Informatica ed Ingegneria dell’Università del Québec, Canada.
Essoè lungo 2 cm con un periodo Λ di 755µm, lo spettro del Reticolo, denominato
F2, è caratterizzato da due bande di attenuazione corrispondenti ai modi LP02 ed
LP03 ed è mostrato in Figura 49. Come si può osservare presenta due bande di
attenuazione: LP02 centrata in 1483nm l’altra, LP03 in 1540nm.
1480 1500 1520 1540 1560
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Wavelength[nm]
Tras
mitt
ivity
[dB]
LP02
LP03
Figura 49. Spettro in Aria del Reticolo F2 La nostra attenzione, sarà concentrata, quindi, sullo studio dei due modi LP02 ed
LP03 .Nella figura 50 è mostrato il comportamento del reticolo per quattro indici
inferiori a quello del cladding,ovvero SRI=1, 1.38, 1.42, 1.45
1460 1480 1500 1520 1540 1560
-30
-20
-10
0
10
Wavelength [nm]
Tras
mittivity [d
B]
SRI=1SRI=1.38SRI=1.42SRI=1.45
Figura 50. del Reticolo F2, per SRI=1, 1.38, 1.42, 1.45
81
Dalla figura si evince ciò che si era predetto in teoria, cioè uno spostamento delle
bande di attenuazione verso lunghezze d’onda minori, che è particolarmente
pronunciato per le bande di attenuazione a lunghezze d’onda maggiori e per indici
di rifrazione che sono vicini all’indice del cladding.
Quando l’SRI è uguale a 1.46 ed è quindi prossimo all’indice del cladding, la luce
non è confinata e quindi non si ha accoppiamento tra modi di core e modi di
cladding. Il risultato è, come possiamo vedere dalla Figura 51, la scomparsa delle
bande di attenuazione che sono osservabili solo a lunghezze d’onda minori.
Quando l’SRI è uguale a 1,47, e quindi è maggiore dell’indice del cladding,
avviene l’accoppiamento con i modi “leaky” che non provoca spostamento della
lunghezza d’onda della banda di attenuazione ma solo una variazione di
trasmittività. Per la loro particolarità, i segnali ottenuti in risposta a SRI=1,46 e
SRI=1,47 non verranno per ora trattati e la nostra analisi si concentrerà solo su
SRI minori di 1,46.
1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Wavelength[nm]
Tras
mittivity
[dB]
SRI=1SRI=1.46SRI=1.47
Figura 51. Spettro dei Reticoli F2 per SRI=1, 1.46, 1.47
Nella Figura 52 abbiamo riportato l’andamento delle lunghezze d’onda centrali
dei modi LP02 ed LP03 del reticoli considerato, in funzione dell’indice di
rifrazione del mezzo esterno.
82
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.51480
1490
1500
1510
1520
1530
1540
1550Lambda Baricentrale con Fitting Lorenziano Cumulativo
SRI
Wav
elen
ght [
nm]
LP02fittingLP03fitting
Figura 52. Lunghezze d’onda centrali delle bande di attenuazione Nella Figura 53 riportiamo in particolare un confronto tra i due modi LP02 ed LP03,
plottando la variazione delle lunghezze d’onda di risonanza.
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5-5
-4.5
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0Delta Lambda Baricentrale
SRI
Wav
elen
ght [
nm]
LP02LP03
Figura 53. Delta Lambda per i modi LP02 ed LP03 dei reticoli F2
Da questi grafici possiamo notare che i modi LP02 sono meno sensibili, infatti lo
spostamento è di appena 1,02nm per il modo LP02; mentre per il modo LP03 lo
spostamento è di 4,8nm.
83
Nella Figura 54 abbiamo invece riportato l’andamento delle trasmittività minime
al variare del SRI.
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
SRI
Wav
elen
ght [
nm]
LP02LP03
Figura 54. Trasmittività per i modi LP02 ed LP03
Per meglio comprendere come LPG sia sensibile alle variazioni di indici di
rifrazione esterni, ora analizziamo la sensibilità. Essa è definita anche come :
dSRId
S res
res
λλ1
=
In accordo con la formula proposta da Bennion e riportata nella (4.1.1), possiamo
calcolare la sensibilità dell’LPG depurata dell’incremento relativo solo ad uno
spostamento delle bande verso lunghezze d’onda maggiori.
Nella Figura 55 è riportata proprio la sensibilità dei reticoli. Come possiamo
notare questa è particolarmente accentuata quando SRI che si avvicina all’indice
del cladding. Inoltre si nota come la sensibilità maggiore sia esibita dai modi di
ordine superiore.
84
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.450
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16Sensitivity
SRI
Sen
sitiv
ity
LP02fittingLP03fitting
Figura 55. Sensibilità più fitting del Lorenziano Cumulativo del modo LP02 ed LP03
Da notare che la misura delle lunghezze d’onda centrali delle varie bande di
attenuazione è sicuramente affetta da rumore di misura. Di conseguenza anche la
sensibilità presenta un rumore amplificato dalla stessa operazione di derivata,
come mostrato dai dati sperimentali. Per ovviare a questo problema abbiamo
utilizziamo un fitting della lunghezza d’onda centrale rispetto a SRI, mostrato
dalla linea continua in figura. Da numerose prove numeriche con l’ausilio di
opportuni software, il Lorenziano Cumulativo mostra il miglior fitting nella
maggior parte dei casi. Il Lorenziano Cumulativo è espresso dalla seguente
formula:
dc
bSRIay +⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −
= −
2tan 1 π
π
dove a, b, c e d sono costanti opportunamente calcolate.
85
5.2 Primo Step di Wet Etching
Come già descritto in precedenza, la tecnica utilizzata per diminuire il diametro
della fibra, è una tecnica a basso costo che prevede l’utilizzo di una soluzione di
acido fluoridrico (HF) al 12%. Esso è stato scelto perchè permette un attacco
isotropico che non altera la struttura cilindrica della fibra e perché vogliamo che
l’azione di erosione sia molto lenta, in modo da permetterci una attenta
osservazione del processo stesso.
L’intero processo sperimentale è stato suddiviso in tre step da 30 minuti, per un
totale quindi di 90 minuti. Oltre a monitorare il processo durante la fase di etching
con delle acquisizioni veloci, abbiamo effettuato dopo ogni attacco una
caratterizzazione ai vari SRI seguita da uno studio della sensibilità.
In questo capitolo, analizzeremo il processo di etching per i primi trenta minuti e
la relativa caratterizzazione.
Riguardo alle impostazioni dell’OSA, per monitorare anche che cosa avviene
durante l’attacco chimico, utilizziamo dei settagli che ci garantiscono scansioni
della durata effettiva di 50 secondi anche se a risoluzione decisamente inferiore
rispetto a quella fatta durante la caratterizzazione.
Scansioni successive sono lanciate ogni 60 secondi.
Durante i 30 minuti di attacco abbiamo quindi utilizzato i seguenti settagli OSA:
• lunghezza d’onda iniziale 1400 nm
• lunghezza d’onda finale 1700 nm
• risoluzione 0,5 nm
• sensitività HIGH 1
• AVG(media) 1
86
• SMPL( punti di campionamento) 2401
In particolare risultati dell’operazione di attacco in acido possono essere
apprezzati osservando la Figura 56, la quale riporta un ingrandimento, nell’intorno
della lunghezza d’onda LP03 del Reticolo dei vari spettri acquisiti.
1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620
-30
-25
-20
-15
-10
-5
Wavelength[nm]
Tras
mitt
ivity
[dB]
Figura 56. Spettri delle vari e acquisizioni durante il processo di etching.
Come ci aspettavamo i segnali traslano verso lunghezze d’onda maggiori
all’aumentare dei tempi di esposizione all’acido. Dall’analisi dei dati possiamo
ricavarne che questo attacco ha quasi un andamento lineare nei confronti dello
spostamento della lunghezza d’onda di risonanza, tanto che, nell’intorno della
lunghezza d’onda LP03, le lunghezze d’onda minime si spostano di circa 0,4 nm
per ogni minuto di esposizione all’acido.
Quanto detto sopra può essere chiaramente osservato anche nella Figura 57 che
riporta proprio lo spostamento della lunghezza d’onda minima rispetto al tempo di
etching per i modi LP02 e LP03.
87
0 5 10 15 20 25 301540
1542
1544
1546
1548
1550
1552
0 5 10 15 20 25 301482.5
1483
1483.5
1484
1484.5
1485
1485.5
Etching Time[minutes]
Wav
elen
gth[
nm]
LP03
LP02
Figura 57. Variazione delle lunghezze d’onda centrali delle bande di attenuazione in funzione dei minuti di attacco acido per i modi LP02 e LP03.
Per avere un’idea ancora più chiara di quello che è accaduto riportiamo in Figura
58 il confronto tra lo spettro del reticolo bare e quello del reticolo a cladding
ridotto, con aria come mezzo esterno. È molto evidente lo spostamento dello
spettro relativo al reticolo ridotto rispetto a quello del reticolo originale.
1480 1500 1520 1540 1560 1580
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Wavelength[nm]
Tras
mitt
ivity
[dB]
Bareafter 30 minutes Etching
Figura 58. Variazione dello spettro dopo 30 minuti di Etching
88
Dai dati ottenuti ricaviamo, come mostrato in Figura 59 e 60, l’andamento delle
lunghezze d’onda centrali delle bande di attenuazione per il reticolo,
confrontandole con quelle ottenute precedentemente caratterizzando il reticolo
originale. Come possiamo notare dalla figura lo spostamento delle lunghezze
d’onda di risonanza del reticolo a cladding ridotto (indicato con i triangoli)
sembra traslato verso lunghezze d’onda maggiori, e questo spostamento è
particolarmente accentuato per le bande di attenuazione a lunghezza d’onda
maggiore.
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.51479
1480
1481
1482
1483
1484
1485
1486 Lambda Baricentrale Modo LP02
SRI
Wav
elen
ght [
nm]
BareFitting Lorenziano Cumulatvoafter 30 min EtchFitting Lorenziano Cumulatvo
Figura 59. Andamento delle lunghezze d’onda centrali delle bande di attenuazione LP02
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.51530
1535
1540
1545
1550
1555 Lambda Baricentrale Modo LP03
SRI
Wav
elen
ght [
nm]
after 30 min.Etchfitting Lorenziano CumulativoBarefitting Lorenziano Cumulatico
Figura 60. Andamento delle lunghezze d’onda centrali delle bande di attenuazione LP03
89
Come possiamo notare con il primo attacco di 30 minuti si ottiene un aumento del
massimo spostamento di lunghezza d’onda per SRI che varia da 1 a 1.45 di
~11nm per la banda relativa a LP03, mentre i modi LP02 hanno una variazione
minima di soli ~2nm.
Il confronto della sensibilità con i dati del bare evidenzia il suo aumento quando il
diametro si riduce, come possiamo apprezzare in Figura 61.
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.450
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09Sensitivity
SRI
Sens
itivi
ty
Figura 61. Sensibilità per il modo LP02 bare e dopo 30 minuti di Etching
Come possiamo notare l’aumento di sensibilità è maggiore per i modi di ordine
superiore, tanto da registrare un aumento massimo di 0,05 in corrispondenza del
SRI=1,45 nel caso del modo LP02 .
90
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.450
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2Sensitivity
SRI
Sens
itivi
ty
Barefittingafter 30 min.Etchfitting
Figura 62. Sensibilità per il modo LP03 e dopo 30 minuti di Etching Invece l’aumento di sensibilità nel modo LP03 è maggiore per i modi di ordine
superiore, tanto da registrare un aumento massimo di 0,17 in corrispondenza del
SRI=1,45 nel caso del modo LP02 per il reticolo e di 012 nel caso del modo LP02
5.3 Step Successivi di Wet Etching
Dopo la caratterizzazione agli indici esterni, abbiamo sottoposto il nostro LPG ad
altri due attacchi chimici di 30 minuti ognuno, per una durata complessiva di 90
minuti.
Vale la pena sottolineare che le prove sperimentali sono state effettuate nelle
stesse condizioni ambientali delle precedenti.
In Figura 63 è mostrata la variazione di spettro che si ha dopo 60 e 90 minuti di
Etching.
91
1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
Wavelenght [nm]
Tras
mitt
ivity
[dB]
Spettro RETICOLO F2 after 90 min etching
Bare30 min.Etching60 min.Etching90 min.Etching
Figura 63. Spettro del retico dopo 60 minuti di etching
Lo spostamento delle bande di attenuazione per il è stato calcolato in 1,8 nm per il
modo LP02 dopo 60 minuti di Etching, mentre per l’ultimo step, 90 minuti, la
variazione della lunghezza d’onda é stata misurata intorno 2,4nm. Dai dati
ottenuti con i due successivi step di Etching, ricaviamo l’andamento delle
lunghezze d’onda centrali delle bande di attenuazione, confrontandole con quelle
ottenute precedentemente. Come possiamo notare dalla Figura 64 lo spostamento
delle lunghezze d’onda di risonanza del modo LP02, del reticolo a cladding
ridotto sembra ancora essere traslato verso lunghezze d’onda maggiori, e questo
spostamento è particolarmente accentuato per le bande di attenuazione a
lunghezza d’onda maggiore.
92
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5Delta Lambda Baricentrale Modo LP02
SRI
Wav
elen
ght [
nm]
bare30 min.Etch60 min Etch90 min Etch
Figura 64.Delta Lambda Baricentrale LP02 per i 3 step di Etching effettuati. Riportiamo in figura 65 un ingrandimento della regione d’interesse.
1.34 1.36 1.38 1.4 1.42 1.44 1.46-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
bare30 min.Etch60 min Etch90 min Etch
Figura 65. Ingrandimento della Delta Baricentrale
Andiamo ora ad analizzare il modo LP03. Come mostrato dalla Figura 66 lo
spostamento è maggiore rispetto al modo LP02, infatti si ha una variazione di
banda pari a 9nm rispetto allo step precedente per 60 minuti di etching e 11nm per
i 90 minuti. In Figura 66 è mostrato un particolare della figura
93
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0Delta Lambda Baricentrale Modo LP03
SRI
Wav
elen
ght [
nm]
bare30 min Etch60 min Etch90 min Etch
Figura 66. Lambda Baricentrale LP03 per i 3 step di Etching effettuati Riportiamo in figura 67 un ingrandimento della regione d’interesse
1.34 1.36 1.38 1.4 1.42 1.44 1.46-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
bare30 min Etch60 min Etch90 min Etch
Figura 67. Ingrandimento della Delta Baricentrale Anche le curve di sensibilità mostrano un sostanziale aumento per tutti e due i
modi in esame, come si evince dalla figura 68.
Possiamo notare in particolare un aumento pari a 0,05 e 0,08 per gli ultimi due
step di Etching relati al modo LP02.
94
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.450
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1Sensitivity-LP02 Reticolo F2
SRI
Sen
sitiv
ity
bare 30 min.Etch 60 min Etch 90 min Etch
Figura 68. Curve di sensibilità relative agli step analizzati del modo LP02
In Figura 69 è mostrata la sensibilità del reticolo per il modo LP03, notiamo anche
qui un aumento della sensibilità, specialmente per i due step di Etching a 60 e a 90
minuti.
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.450
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7Sensitivity -LP03
SRI
Sen
sitiv
ity
bare 30 min Etch 60 min Etch 90 min Etch
Figura 69. Curve di sensibilità relative agli step analizzati del modo LP03 Riportiamo un confronto delle sensibilità in funzione della riduzione dell’Etching.
Abbiamo considerato l’SRI pari a 1, 1.33 e 1.45 in funzione del tempo di etching,
prima abbiamo plottato il modo LP02 poi il modo LP03.
95
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
2x 10-4
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
1
2x 10-3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
0.05
0.1
Sen
sitiv
ity
SRI=1
SRI=1.33
SRI=1.45
Sensitivity - LP02
Etching Time[minutes]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
0.5
1x 10-3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
0.005
0.01
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
0.2
0.4
Etching Time[minutes]
Sen
sitiv
ity
Sensitivity - LP03
SRI=1
SRI=1.33
SRI=1.45
Figura 70.Sensibilità in funzione dell'Etching Time
Il modo LP02 presenta delle strane perdite di sensibilità nel 3 step di Etching, cioè
a 60 minuti , mentre il modo LP03 presenta una crescita piuttosto costante.
Per una maggiore facilità di lettura riportiamo i sensitività gain dei due modi LP02
ed LP03, nelle figure seguenti.
96
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.50
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5Sensitivity gain LP02
Sen
sitiv
ity
SRI
Bareafter 30 min Etchafter 90 min Etchafter 90 min Etch
Figura 71. Sensitivity gain LP02
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.51
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2Sensitivity gain LP03
Sen
sitiv
ity
SRI
bareafter 30 min Etchafter 60 min Etchafter 90 min Etch
Figura 72. Sensitivity gain LP03
97
Per quanto riguarda la variazione del diametro, in Figura 73 abbiamo riportato il
diametro della fibra per i vari step di Etching.
0 20 40 60 8095
100
105
110
115
120
125
Etching Time [minutes]
Gra
ting
Dia
met
er [m
icro
n]zona imperturbatazona perturbata
Figura 73. Misura del Diametro della fibra dopo tre step di Etching. Possiamo notare che la zona imperturbata dalla scarica elettrica ha un andamento
quasi costante durante il processo di Etching, mentre la parte perturbata
dall’Electric Arc Discharge ha una diminuzione più lenta del diametro.
La diminuzione totale del diametro è di circa 23 µm per la zona imperturbata e di
19 µm per la zona imperturbata dall’Arc Discharge.
In Figura 74 possiamo osservare una foto scattata al microscopio del reticolo dopo
90 minuti di Etching, messo a confronto con una fibra bare di 125nm di diametro
Figura 74. Immagine ripresa a microscopio del Reticolo dopo 90 minuti di Etching
98
5.4 Caratterizzazione del Reticolo Standard
Per reticolo standard si intende un reticolo costruito con la tecnica a radiazione
UV, che modifica l’indice di rifrazione del core utilizzando la proprietà di
fotosensibilità.
Il reticolo caratterizzato presenta uno spettro come quello nero mostrato in Figura
75 posto a confronto con un ulteriore reticolo standard, e presenta sei bande di
attenuazione.
1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700-25
-20
-15
-10
-5
0
Tran
smis
sion
[dB
]
LP05
LP06
LP04
SRI=1
Wavelength [nm]
Figura 75. Spettro del reticolo standard
Sono stati presi in considerazione i modi LP04, LP05, LP06, di cui mostriamo i delta
lambda in funzione dei quattro step di Etching e notiamo l’aumento della
lunghezza d’onda all’aumentare del tempo di etching.
99
1.34 1.36 1.38 1.4 1.42 1.44 1.46-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0wavelength shift LP06
SRI
wav
elen
gth
(nm
)
bareDCL 119.2DCL 114.5
1.34 1.36 1.38 1.4 1.42 1.44 1.46-30
-25
-20
-15
-10
-5
0wavelength shift LP05
SRI
wav
elen
gth
(nm
)
bareDCL 119.2DCL 114.5DCL 105.5DCL 95.5
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45-30
-25
-20
-15
-10
-5
0wavelength shift LP04
SRI
wav
elen
gth
(nm
)
bareDCL 119.2DCL 114.5DCL 105.5DCL 95.5
Figura 76. Delta Lambda per i modi LP04, LP05, LP06 Analizzeremo adesso la variazione della sensibilità dei vari modi. Il primo modo
preso in considerazione è il modo LP06 che viene graficato solo per i primi due
step di etching perché poi col terzo attacco chimico non è più visibile alle nostre
lunghezze d’onda.
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.51.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
2.6
2.8GUADAGNO DI SENSITIVITà LP06
SRI
SE
NS
ITIV
ITY
GA
IN
etched 1 lorenzianoetched 2 lorenziano
Figura 77. Sensitivity gain per il modo LP06
100
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.51
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5GUADAGNO DI SENSITIVITà LP05
SRI
SE
NS
ITIV
ITY
GA
IN
etched 1 lorenzianoetched 2 lorenzianoetched 3 lorenzianoetched 4 lorenziano
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.50
1
2
3
4
5
6GUADAGNO DI SENSITIVITà LP04
SRI
SE
NS
ITIV
ITY
GA
IN
etched 1 lorenzianoetched 2 lorenzianoetched 3 lorenzianoetched 4 lorenziano
Figura 78. Sensitivity gain per i modi LP05 ed LP04
101
Conclusioni Il principale fattore che caratterizza un sensore e, in molti casi, che ne determina il
prezzo, è la sua sensibilità. Ecco perché molti ricercatori concentrano i loro studi
al fine di ottenere sensori sempre più performanti da questo punto di vista. In
letteratura esistono diverse scritture dimostranti l’elevata sensibilità dei reticoli
long period nei confronti di strain, temperatura o indice di rifrazione del mezzo
esterno, il che ne giustifica il loro uso in applicazioni sensoristiche e per
telecomunicazioni.
La sensibilità di un LPG all’indice di rifrazione del mezzo esterno è legata al
diametro del cladding in quanto la distribuzione dei modi di cladding è fortemente
dipendente dal diametro della fibra stessa.
Tutto il processo sperimentale è stato effettuato presso il laboratorio di
Optoelettronica dell’Università degli Studi del Sannio e grazie all’esperienza di
tutto il gruppo di optoelettronica.
Abbiamo approfondito lo studio su un tipo di reticolo long period, che sta avendo
un enorme successo negli ultimi anni grazie alla sua flessibilità, alla qualità dei
reticoli ottenuti, ma soprattutto al basso costo di produzione.
Lo studio si è focalizzato sulla diminuzione del diametro della fibra, in tre step di
trenta minuti, analizzando poi lo spettro al variare dell’indice di rifrazione esterno.
In Particolare abbiamo studiato studiato il comportamento di due bande di
attenuazione corrispondenti ai modi LP02 e LP03 di un reticolo Arc Induced con
periodo di 755µm.
La misura del diametro della fibra lungo il reticolo, è stata effettuata nella zona
non perturbata dall’Arc Current, definita Zona Imperturbata, e la zona in cui
102
l’effetto dell’Arc Current produceva delle deformazioni meccaniche. Quindi nella
zona perturbata il valore del diametro dopo novanta minuti di etching risultava
essere pari a 104 µm, con una riduzione del diametro pari a 21 µm, mentre nella
zona imperturbata il diametro misurava 95 µm, con una diminuzione pari a 30 µm.
In conclusione possiamo dire che i risultati ottenuti possono essere soddisfacenti,
mostrando un aumento della sensibilità comunque per verificare i dati si
continuerà ad indagare su questo reticolo.
103
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