COMPONENTI OTTICI PASSIVI. Connettori ottici ferula bussola connettore codino di cavo.

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1 COMPONENTI OTTICI PASSIVI

2 Connettori ottici ferula bussola connettore codino di cavo

3 Connettori ottici I connettori ottici sono necessari quando è richiesta elasticità nella giunzione delle fibre, ad esempio nei telai di centrale o alla borchia d’utente. Caratteristiche importanti di un buon connettore sono bassa attenuazione (decimi di dB), elevata attenuazione di riflessione (da 30 dB sino a 50 dB con connettori tipo PC, 60-70 dB con connettori tipo APC), stabilità nel tempo, ottica e meccanica, elevata affidabilità. La tecnica più diffusa fa uso di ferule, che contengono le fibre da connettere e che sono, a loro volta, inserite in una bussola; il tutto con adeguate tolleranze di lavorazione. In particolare, il diametro del foro della ferula deve essere uguale al diametro della fibra priva del rivestimento primario, con tolleranze di frazioni di  m. Una volta posizionate le fibre, le facce sono lucidate accuratamente. Come già detto, onde evitare riflessioni fibra-aria, le fibre sono a contatto (PC, Physical Contact), con superfici lievemente convesse delle facce; migliori prestazioni si ottengono con facce oblique (APC, Angled Physical Contact)

4 Connettori ottici Chiave Ferula FC E2000

5 Componenti passivi I componenti passivi operano direttamente nel dominio ottico per suddividere (split) e combinare segnali ottici. Tra essi si ricordano gli accoppiatori N  N, i power splitter, gli star coupler; tali componenti possono essere realizzati in fibra o tramite guide ottiche planari (Niobato di Litio - LiNbO 3 - o Fosfuro di Indio - InP). Per lo più, tali componenti sono varianti dello star coupler, che può svolgere funzioni di splitter e combinatore. In linea generale, uno star coupler combina i segnali presenti su più fibre di ingresso e li suddivide tra più fibre di uscita. Così, ad esempio, ognuna della N uscite può ricevere un N-simo delle potenze presenti in corrispondenza a ciascuno degli ingressi.

6 Componenti passivi - Accoppiatore 2  2 L’accoppiatore passivo 2  2 è il più semplice componente della categoria degli accoppiatori N  M, in generale ad N ingressi ed M uscite. Comunemente, l’accoppiatore 2  2 è realizzato con la tecnica detta “fused-fibre”, avvolgendo assieme, portando al rammollimento e comprimendo due fibre monomodali, cosicchè esse siano fuse per una lunghezza W. La potenza di ingresso a ciascuna fibra, P 0, è suddivisa tra la potenza P 1 che continua a propagarsi nella stessa fibra, e la potenza P 2 che si propaga nell’altra fibra; la potenza riflessa in ingresso (P 4 ) e quella accoppiata sull’altra fibra di ingresso (crosstalk P 3 ), devono essere molto basse (dell’ordine dei 60 dB sotto P 0 ). La graduale riduzione delle dimensioni (“tapered region”) delle fibre terminali è necessaria per ridurre le riflessioni.

7 Componenti passivi - Accoppiatore 2  2 L’entità dell’accoppiamento dipende dall’estensione della regione di accoppiamento, dalla riduzione del raggio della fibre in tale regione, dalla differenza dei raggi delle fibre, sempre in tale regione. Indicando con  il coefficiente di accoppiamento, che dipende dalla lunghezza d’onda, per una lunghezza z, se le fibre hanno identici diametri del core e se le perdite sono nulle, P 2 = P 0 ·sin 2 (  z), P 1 = P 0 ·cos 2 (  z). zona di accoppiamento W Tapered region L P0P0 P1P1 P2P2 P4P4 P3P3

8 Componenti passivi - Accoppiatore 2  2 La caratteristica di trasmissione degli accoppiatori può ricavarsi a partire dalla teoria dei modi accoppiati. Tale teoria esamina le modalità con cui un modo elettromagnetico, di ampiezza a(z) si accoppia ad un altro modo, di ampiezza b(z), relativo alla medesima struttura guidante del primo modo, o, più di frequente, ad una struttura guidante adiacente. La teoria qui presentata è una semplificazione del problema teorico, di per sé in generale molto complesso, ed offre una soluzione semplice e, tuttavia, accettabile in pratica, almeno se i modi in esame sono debolmente accoppiati, ovvero se le due strutture guidanti sono esse stesse debolmente accoppiate o reciprocamente “abbastanza” lontane.

9 Componenti passivi - Accoppiatore 2  2 Con riferimento alla figura, i modi sulle due guide d’onda abbiano ampiezza a(z) e b(z), rispettivamente, all’ascissa z; siano, inoltre,  1 e  2 le costanti di propagazione dei due modi in assenza di accoppiamento. z z +  z a(z) a(z+  z) b(z) b(z+  z) Riguardo al secondo modo, se non vi fosse accoppiamento, l’ampiezza relativa all’ascissa z+  z sarebbe b(z+  z) = b(z)e –j  2  z ; indicando con  21 il coefficiente di accoppiamento, si ha, invece, b(z+  z) = b(z)e -j  2  z +  21 a(z)  z. Similmente, per il primo modo, se il coefficiente di accoppiamento è  12, si ha, globalmente, a(z+  z) = a(z)e -j  1  z +  12 b(z)  z.

10 Componenti passivi - Accoppiatore 2  2 In forma di sistema differenziale, si ha, quindi ( si noti che si è supposto, in prima approssimazione, nulla la costante di attenuazione per i due modi, approssimazione lecita in dispositivi generalmente di dimensioni limitate), ovvero

11 Componenti passivi - Accoppiatore 2  2 in cui  sono i coefficienti di accoppiamento, indipendenti dall’ascissa z; tali coefficienti di accoppiamento dipendono dalle costanti di propagazione nelle due fibre (parametro  ), dal gap geometrico tra le fibre stesse, dall’esponente di attenuazione tra i core delle due fibre e dalle configurazioni trasverse del campo e.m.. Nel caso dell’accoppiatore 2  2 si ha, quindi, indicando con V e W le ampiezze dei due modi elettromagnetici accoppiati,

12 Inoltre, per la conservazione dell’energia, si deve avere, trattandosi in questo caso di propagazione co-direzionale Componenti passivi - Accoppiatore 2  2 da cui si ottiene Tale condizione è verificata se e solo se  12 = -  21 *.

13 Posto, quindi, V = X(z) e -j  z, W = Y(z) e -j  z, poiché non vi sono ragioni per un cambiamento di costante di propagazione, si ottiene ovvero, Componenti passivi - Accoppiatore 2  2

14 La risoluzione del sistema di equazioni indicato è particolarmente semplice; derivando, si ottiene Le soluzioni sono, per X(z) o Y(z) del tipo e ± j |  | z. Se la lunghezza della zona di accoppiamento è L, le condizioni al contorno sono X(0) = 1 (normalizzata), Y(0) = 0 (l’accoppiamento inizia da z = 0). Posto, allora Componenti passivi - Accoppiatore 2  2

15 Si ponga tale soluzione generica nella relazione Componenti passivi - Accoppiatore 2  2 e, ricavato Y(z), lo si ponga uguale a 0 per z = 0; si ottiene W = 0.5, col che Riguardo al valore di , per simmetria i coefficienti di accoppiamento tra le due guide d’onda devono essere uguali, e dovendo, per la conservazione dell’energia, essere anche l’uno il negativo del complesso coniugato dell’altro, allora  = i , con  reale, quindi (notare la periodicità di accoppiamento tra i due modi)

16 Componenti passivi - Accoppiatore 2  2 Da quanto trovato si ottiene, 123456 0.2 0.4 0.6 0.8 1 P X /P 0 P Y /P 0 z Se z = L è tale che  L=  /2 si ha scambio completo di potenza tra i due modi; se z = L è tale che  L=  /4 si ottiene uno splitter – accoppiatore al 50% (con segnali in quadratura, come già indicato).

17 Componenti passivi - Accoppiatore 2  2 1300135014001450150015501600 1650 0.2 0.4 0.6 0.8 1 P Y /P 0 P X /P 0 Lunghezza d’onda nm L’esempio mette in evidenza lo sfasamento di  /2 nell’accoppiamento della potenza sulla fibra di ingresso tra le due fibre di uscita in funzione di.

18 Star Coupler La funzione fondamentale di tutti gli star coupler è quella di combinare le potenze da N ingressi e dividerle equamente tra le M uscite. Tra le tecniche impiegate per realizzare tali accoppiatori, la fused fibre, le tecnologie micro-ottiche, l’ottica integrata; la tecnica fused fibre è poco efficace per N > 2 essendo difficile controllare l’accoppiamento in potenza tra molte fibre durante il rammollimento e la compressione. Idealmente, in tale accoppiatore, la potenza ottica da ciascun ingresso si divide equamente tra tutte le uscite; in un accoppiatore N  N, il rapporto di potenza in uscita è, quindi, 1/N. Alternativamente, se N = 2 h, gli accoppiatori si possono realizzare ponendo in cascata più accoppiatori a 3 dB, come mostrato di seguito.

19 Star Coupler Realizzazione, scalabile, di star coupler 8  8 tramite interconnessione di accoppiatori da 3 dB. Sono evidenziati, nell’esempio, gli accoppiatori 4  4. L’attenuazione, idealmente, è 9 dB per porta. Inconvenienti di tale tecnica: il numero delle porte N é 2h; grande numero di componenti se N è grande. Accoppiatore a 3dB 1 2 3 4 5 6 7 8 1, 2.. 8

20 Star Coupler

21 Optical Switch Le tecnologie in ottica integrata che permettono di realizzare guide ottiche planari, ad esempio in Niobato di Litio (LiNbO 3 ) oppure in Fosfuro di Indio (InP), consentono la realizzazione di switch elettro-ottici basati sull’effetto Pockels. In questo caso i segnali alle uscite del dispositivo, ad esempio in un switch in LiNbO 3, sono controllati mediante l’applicazione di una opportuna tensione agli elettrodi, in modo tale da selezionare una sola delle due uscite, X oppure Y,  /2 0.2 0.4 0.6 0.8 1 P X /P 0 P Y /P 0 LL Ad esempio, per  L=0, ovvero tensione applicata nulla, si otterrà P Y (L)=0 e P X (L)=P 0, ovviamente a meno di una determinata perdita di inserzione del dispositivo (tipicamente dell’ordine del dB), mentre, applicando una tensione esterna tale per cui  L=  /2 si otterrà la condizione opposta, ovvero P X (L)=0 e P Y (L)=P 0.

22 Optical Switch Esempio di switch elettro-ottico 2x2 in LiNbO 3

23 Filtri ottici I filtri ottici devono selezionare un prefissato canale ottico in ricezione (ad esempio, in sistemi WDM). La banda del filtro deve essere abbastanza larga da permettere di selezionare tutto lo spettro ottico del canale desiderato, ma abbastanza stretta da eliminare gli spettri ottici dei canali adiacenti, cause di interferenza. I filtri ottici si basano su meccanismi selettivi in lunghezza d’onda, tipicamente interferenza o diffrazione, ulteriormente articolati secondo il particolare schema di realizzazione. Più in dettaglio, un filtro dovrebbe avere: ampio intervallo di sintonizzabilità, diafonia (crosstalk) da canali adiacenti trascurabile, buona velocità di sintonizzazione, bassa perdita di inserzione, insensibilità alla polarizzazione, elevata stabilità verso i parametri ambientali e le sollecitazioni meccaniche.

24 Filtri ottici - Filtri Fabry Perot I filtri Fabry Perot sono filtri interferometrici, composti da una cavità (con indice di rifrazione n g ), terminata da due specchi molto riflettenti; la lunghezza della cavità, e quindi la frequenza di risonanza, è controllabile elettronicamente tramite un trasduttore piezoelettrico, come mostrato in figura. fibra specchi d Cristallo piezoelettrico Le lunghezze d’onda di risonanza, la differenza frequenziale tra due picchi di trasmissione (Free Spectral Range - FSR) ed il rapporto tra quest’ultima e la banda (finesse) sono date da R è il coefficiente di riflessione, riferito al campo elettrico.

25 Filtri ottici - Filtri Fabry Perot Infatti, la funzione di trasferimento in potenza di un sistema con (infinite) riflessioni successive, di valore  R, riferite al campo, a distanza d, con indice di rifrazione n g, nell’intorno della frequenza di risonanza, dopo normalizzazione a valore massimo unitario, è data, in approssimazione quadratica dalla seguente espressione, da cui si ricava la banda (doppia semibanda attorno al valore di picco) Tali filtri hanno banda stretta (finesse F dell’ordine di 100, riflettività del 97%) e una capacità di sintonia ampia (ad esempio, range di 100 canali, ciascuno con una banda di qualche GHz); i trasduttori piezoeletrici rendono i dispositivi piuttosto lenti (tempi di sintonia di circa 100  s).

26 Filtri ottici - Filtri Fabry Perot A titolo di esempio, si mostra la funzione di trasferimento in potenza di un sistema con (infinite) riflessioni successive, di valore  R, riferite al campo, a distanza d = 100  m, con indice di rifrazione 1, nell’intorno della III finestra, con due valori del coefficiente di riflessione. Si noti l’influenza del valore di R sulla finesse del dispositivo.

27 Filtri ottici - Filtri Fabry Perot Filtri sintonizzabili del tipo Fabry Perot possono essere realizzati impiegando cristalli liquidi all’interno della cavità risonante, posti tra le due estremità delle fibre; applicando una tensione ai capi del cristallo, è possibile variare l’indice di rifrazione, con conseguente sintonizzazione. Impiegando opportuni tipi di cristalli liquidi, è possibile raggiungere tempi di sintonia dell’ordine dei 10 ms; tali dispositivi hanno, in III finestra, un tuning range dell’ordine delle decine di nm, con bande dell’ordine dei decimi di nm. Esempio di filtro Fabry-Perot sintonizzabile basato su fibra ottica singolo-modo (FFP-TF, Filter Fabry- Perot-Tunable Filter)

28 Filtri ottici - Filtri basati sul grating Il grating è un elemento importante ove si voglia combinare o separare differenti lunghezze d’onda. Si tratta di una struttura periodica di perturbazioni in un materiale, che ha la proprietà di trasmettere o riflettere la luce a secondo della lunghezza d’onda; pertanto, il grating può essere classificato o come grating trasmittente o riflettente. La figura definisce i parametri più rilevanti di un grating a riflessione:  i è l’angolo di incidenza del fascio ottico,  d è l’angolo di diffrazione,  il periodo del grating, La condizione di somma in fase dei fasci ottici diffratti è, se  i =  d, 2  ·sin(  i ) /( /n g ) = m ; se  i =  /2, la condizione diventa 2  ·n g / = m  ovvero = 2  ·n g /m. ii dd 

29 Il dispositivo è basato sullo scattering di Bragg ( nel caso mostrato in figura si ha scattering con  i =  /2 ); il reticolo, grating, costruito su una guida ottica, genera, ad ogni discontinuità, una piccola riflessione. Se la lunghezza d’onda della radiazione é pari a metà (a un quarto,..) della distanza tra due consecutive discontinuità del reticolo, tutte le riflessioni si compongono in fase e la riflessione globale dovuta al reticolo è alta; altrimenti, la riflessione globale è, di fatto, assente. Il reticolo, in sintesi, é un filtro a riflessione: la frequenza centrale, indicata in precedenza, è controllata dal periodo di grating; la banda è funzione dell’intensità del grating e del chirp del periodo di grating. Accoppiamento (riflessione) per  Filtri ottici - Filtri basati sul grating

30 Il grating può essere ottenuto mediante incisione in fibre ottiche fotosensibili, impiegando ad es. laser UV. La struttura del grating in fibra è mostrata schematicamente in figura; L è la lunghezza del grating; l’incisione del grating causa la variazione spaziale (longitudinale) dell’indice di rifrazione, del tipo n(z) = n +  n cos(kz), con  n/n <<1. La struttura riflette tutte le onde luminose che “soddisfano la condizione di Bragg”, già indicata; le successive riflessioni si combinano in fase se 2  = /n, ove  è il periodo del grating e /n la lunghezza d’onda effettiva nel mezzo; se B è la lunghezza d’onda che soddisfa le condizioni di Bragg, la costante di propagazione a tale B è  B = 2  / B =  / . L 

31 Filtri ottici - Filtri basati sul grating Si deve esaminare la propagazione di onde luminose in tali strutture, ove é presente un’onda diretta, V = V(z)e -j  z, e un’onda riflessa, R = R(z)e j  z. Si hanno, con ipotesi semplificative, le seguenti equazioni di modi accoppiati, nelle quali l’entità dell’onda riflessa prodotta all’ ascissa z è proporzionale alla variazione locale dell’indice di rifrazione (in particolare,    n; il coefficiente e ±j(2  /  )z è necessario per tener conto delle diverse velocità di propagazione delle due onde contro-propaganti). Ad una variazione dell’onda diretta corrisponde una simile variazione dell’onda riflessa, come è usuale nelle riflessioni sulle linee trasmissive; con le solite ipotesi semplificative, le equazioni dei modi accoppiati che regolano il processo possono essere poste nella forma I coefficienti di accoppiamento sono l’uno il complesso coniugato dell’altro

32 Filtri ottici - Filtri basati sul grating Per verificare la correttezza di tali equazioni, si consideri che si ha propagazione contro-direzionale: l’energia fluisce irreversibilmente dall’onda che si propaga in avanti all’onda retrodiffusa; pertanto, per la conservazione dell’energia, si deve avere

33 Filtri ottici - Filtri basati sul grating Si ponga, allora, V = X(z) e -j(  /  ) z, R = Y(z) e j  ) z, col che la costante di propagazione cambia a causa dell’accoppiamento tra modi, quindi ovvero, ponendo  =  –  B, dissintonia rispetto a  B

34 Filtri ottici sintonizzabili - Filtri basati sul grating Da cui, con riferimento a X(z), si ottiene e, similmente, per Y(z)

35 Filtri ottici sintonizzabili - Filtri basati sul grating Le equazioni risolutive sono, quindi, Per |  |  l’onda diretta non si attenua). In tale intervallo, il dispositivo si comporta, quindi, come un filtro a riflessione; la banda è  =  –  B = 2  (1/ – 1/ B ) = 2 .

36 Filtri ottici - Filtri basati sul grating A partire dalla soluzione delle equazioni precedenti, è possibile determinare la funzione di trasferimento del filtro che, nel caso specifico di grating, è espressa dalla riflettività  2 in potenza, mostrata in figura in funzione del rapporto |  |. 0.511.522.53 -10 -8 -6 -4 -2 10 log 10  2 dB   L = 3,2,1 All’aumentare del valore di  aumenta la riflettività ma, corrispondentemente, la banda del filtro (  ) diventa più grande: il filtro è meno selettivo.

37 Filtro ottico grating: possibili applicazioni Molte sono le possibili applicazioni di tali filtri a riflessione. Un esempio, per la realizzazione di un sistema ottico di add&drop (OA&D, Optical Add & Drop), è mostrato di seguito 1, 2, …. N Circolatore ottico 1, 2, …. N Filtri a riflessione di tipo grating a i, j, k demultiplexer multiplexer i, j,  k

38 Filtri ottici – tecnologie possibili e confronti tipoInsertion lossBanda (3dB)Tuning rangeTuning speedTuning mechanism Fiber Fabry Perot (FFP)  2 dB 125 MHz – 800 GHz (1pm–7 nm) Banda C/L/S/C+L 100  s Piezoelectric Technology Liquid crystal Fabry Perot  3 dB 0.05 nm – 10 nm100 nm 10  s Crystal orientation Cascaded Mach Zehnder Interferometer LiNbO 3 19dB Silice 1 dB < 0.1 nm~ 4 nm50 ns/1msElectro/Thermo Optic Fibre Grating Bragg (FGB) ~ 0.1 dB< 0.2 nm< 10 nm2 msTemperature, stretching Acousto Optic Tunable Filter (AOTF) 4 dB< 0.4 nm~ 150 nm 10  s Acousto-Optic Electro Optic Tunable Filter (EOTF) 4 dB~ 0.6 nm~ 10 nm~ nsElectro-Optic Arrayed Waveguide Grating (AWG) < 5 dB< 0.2 nm~ 40 nmmsThermo-Optic Ring resonator3 dB~ 0.2 nm25 nmmsTemperature

39 Isolatori ottici La qualità delle trasmissioni ottiche, specie ad alta velocità, è, tra l’altro, correlata alla stabilità dello spettro ottico dei laser; tale stabilità è normalmente preclusa in presenza di riflessioni, che possono perturbare il funzionamento del laser, che è estremamente sensibile alle riflessioni. Al riguardo, anche minime riflessioni (attenuazioni di riflessione maggiori di 30 dB) sono in grado di destabilizzare il laser, con allargamento dello spettro, salti di modo, incrementi del rumore di intensità (RIN), etc. Le riflessioni lungo le linee ottiche sono, inoltre, in grado di provocare disturbi di intermodulazione nei sistemi SCM (Sub Carrier Multiplexing), talché le attenuazioni di riflessione devono essere maggiori di 60 – 70 dB. Riflessioni ottiche possono, inoltre, degradare le prestazioni degli amplificatori a fibra attiva. Per tutte questi, ed altri motivi, si deve disporre di efficaci isolatori ottici.

40 Isolatori ottici Un isolatore ottico è un dispositivo non reciproco, a due porte, che, idealmente, lascia passare inalterato un fascio ottico in una direzione, bloccandolo nella direzione opposta, come mostrato schematicamente. P in P out PRPR PBPB Gli isolatori sono basati sull’effetto Faraday in base al quale è possibile ruotare il piano di polarizzazione della luce in certi materiali esposti a campi magnetici; alle lunghezze d’onda di interesse (1300–1550 nm) si impiegano cristalli YIG (Yttrium Iron Garnet, Y 3 Fe 5 O 12 ). La rotazione è non reciproca: avviene sempre nello stesso senso rispetto ad un riferimento fissato (la rotazione dipende dalla direzione del campo magnetico e non dalla direzione del fascio ottico).

41 Isolatori ottici Nella direzione “pass”, dopo la collimazione (prima lente), il fascio ottico incontra il prisma P 1, birifrangente, con asse ottico perpendicolare alla direzione di propagazione, che scompone il fascio ottico in due fasci linearmente polarizzati, con piani ortogonali tra loro (raggio ordinario e straordinario); tali fasci sono rifratti con angoli lievemente differenti. Il rotatore di Faraday R ruota entrambi tali fasci di 45°; il secondo prisma, P 2, è identico al primo, ma ruotato di 45°; i due fasci sono quindi rifratti con angoli complementari rispetto al primo prisma, e riemergono paralleli tra loro, rifocalizzati sulla fibra di uscita. P1P1 P2P2 R Si mostra un tipo di isolatore che opera con qualunque stato di polarizzazione.

42 Isolatori ottici Nella direzione “di blocco”, i due fasci scomposti dal prisma P 2 e ruotati di 45° in senso opposto al precedente caso, si ritrovano, al prisma P 1, in posizione scambiata, da ordinario a straordinario e viceversa, e subiscono, pertanto, una ulteriore diffrazione. P1P1 P2P2 R