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Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura Università di Pavia
Photonics Group
Luce laser, fibre ottichee telecomunicazioni
Guido GiulianiPhotonics Group - Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura
Università di Pavia
Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura Università di Pavia
Photonics Group
Fotonica - Cos’è?
Scienza che utilizza radiazione elettromagnetica a frequenze ottiche per lo studio e la realizzazione di:
Sistemi di trasmissione, elaborazione e memorizzazione di informazioniSensori e strumenti di misuraApplicazioni alla medicina
Disciplina a cavallo tra la fisica e l’ ingegneria(elettronica e telecomunicazioni)
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Onde Elettromagnetiche
ν = 3 - 1500 THzλ = 0.2 - 100 µm
FREQUENZE OTTICHE
1012 Hz = 1 THz (TeraHertz)
ν = 400 - 750 THzλ =0.4 - 0.75 µm
LUCE VISIBILE
Tempo
Periodo (T)
Spazio
Lunghezzad’onda (λ)
T = 1/f
λ = c/f
f = Frequenza dell’onda elettromagnetica
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Il LASER - 1
LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Luce ordinaria = luce bianca
Luce LASER
luce monocromatica (“coerente”)
Il Laser è stato inventato nel 1960
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Il LASER - 2
Il LASER è un oscillatore
Oscillatore elettronico
Oscillatore ottico
amplificatore di luce + 2 specchi
il Laser !
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Il LASER - 3
amplificatore di luce + 2 specchiretroazione positiva effetto laser
USCITA
USCITA
MEZZO ATTIVO
SPECCHI
SISTEMA DI POMPAGGIO(fornisce energia al mezzo attivo)
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CARATTERISTICHE DEI LASER
Lunghezza d’onda di emissione (colore della luce)
Potenza del fascio
Direzionalità (fascio collimato ; fascio focalizzato)
Coerenza (il campo elettromagnetico è una sinusoide pura)
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Il LASER - 5TIPI DI LASER
Si differenziano per il tipo di mezzo attivo e per il meccanismo di pompaggio
LASER A STATO SOLIDO mezzo attivo: vetri drogati con ioni; cristalli; fibre ottichepompaggio ottico
LASER A GASmezzo attivo: gas o miscele di gas (atomi, ioni, molecole)pompaggio tramite scarica elettrica
LASER LIQUIDImezzo attivo: molecole organiche di colorantipompaggio ottico
LASER A SEMICONDUTTOREmezzo attivo: semiconduttore (diodo)pompaggio elettrico
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Il LASER - 6TIPI DI LASER
LASER a GAS
He-Ne ArgonCO2
Nd:YAG Nd:YAG
LASER a STATO SOLIDO LASER LIQUIDO
Dye
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Laser a Semiconduttore - 1Cos’è un Semiconduttore ?
Semiconduttore = materiale con caratteristiche elettriche a metà tra quelle dei conduttori di elettricità e quelle degli isolanti
Esempi di semiconduttori:Silicio (Si) - Germanio (Ge) - Arseniuro di Gallio (GaAs) -Fosfuro di Indio (InP)
Applicazioni:Silicio: materiale perfetto per i circuiti micro-elettronici TRANSISTOR
computer, telefonini, ecc.GaAs e InP: Laser a semiconduttore e LED
Silicio
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Laser a Semiconduttore - 2Com’è fatto
Dispositivo monolitco
DIODOregione p
regione n
FLUSSO DI CORRENTE
(POMPAGGIO)
MEZZO ATTIVO(AMPLIFICAZIONE OTTICA)
L
LUNGHEZZA L: 250-500 µm
SPECCHI(RETROAZIONE
POSITIVA)
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Laser a Semiconduttore - 3Perché è importante ?
I laser a semiconduttore costituiscono il 55% del mercato mondiale dei laser(6 Miliardi di € / anno)
Vantaggi rispetto agli tipi di laser:copertura di un ampio campo di lunghezze d’onda -piccole dimensioni - alta efficienza - basso costo
Tipo di Laser λ [µm]
Dimensioni [m]
Efficienza [%]
Prezzo [€]
He-Ne 0.632 (rosso)
0.1-1 0.1 100-2000
Nd:YAG 1.064 (0.532)
1 (lampada) 0.01 (DPSSL)
1 (lampada) 25 (DPSSL)
25-50000
CO2 10 1 10-20 50000
Semiconduttore 0.38-300 10-3 50 2-15000
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A cosa servono i laser ?
All’inizio: non servivano a niente ! :-(“Il laser: una bellissima soluzione in cerca di un problema”
OGGI: applicazioni fondamentali per la vita di tutti i giorni !! :-)
Lettori di CD / DVD / BDTelecomunicazioni (telefono)Internet !!Applicazioni industrialiApplicazioni mediche
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Laser a Semiconduttore - 4Come si fabbrica ?
Occorrono materiali semiconduttori purissimi
Occorre mettere a contatto tra loro strati di materiali sotilissimi(10-100 nanometri = 10-100 miliardesimi di metro)
Tecniche di crescita epitassiale molto costose ma: prezzo ridotto per il singolo laser perché il processo di produzione
avviene in parallelo per migliaia di laser alla volta
MOCVD reactor
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I Laser sono pericolosi?
Il laser emette una radiazione elettromagnetica che può avere intensità elevatissime (intensità = potenza/area)
potenzialmente pericoloso per l’uomo (occhi, cute)
Laser Safety Class
1
10
0.1
400 700 1000wavelength (nm)
power (mW)
from: IEC 825 (1993 and ff)
5
0.6
0.12
1400
3
CLASS 1
CLASS 2
CLASS 3A
CLASS 3B
CLASS 3B
CLASS 3A1
1550
CLASS 1
CLASS 1
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i Laser a Semiconduttore e le Telecomunicazioni in Fibra Ottica
Oggi i segnali delle nostre telefonate, ed i dati trasmessi sulla rete Internet viaggiano in formato digitale ed ottico dentro alle fibre ottiche
Le sorgenti di luce che consentono di realizzare i sistemi di trasmissione in fibra ottica sono, appunto, i laser a semiconduttore
perché sono efficienti, di piccole dimensioni, e possono emettere luce esattamente alla lunghezza d’onda in corrispondenza della quale le fibre ottiche sono più trasparenti (1.55 µm)
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Cos’è una telefonata ?
Ieri:
L’altro ieri:
Oggi:
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(breve) Storia dei Sistemi Telefonici
1871 - Brevetto di Antonio Meucci
Sistemi telefonici analogici
1990 - Sistemi telefonici digitaliInizia l’era della “convergenza digitale”
1995 - Telefonia cellulare
2005 - VoIP
...
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Una Telefonata (prima del 1990)
elettrico(analogico)
(elettrica)voce segnale linea di trasmissione segnale suono
elettrico(analogico)
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Una Telefonata (prima del 1990)
linea telefonica “commutata”Collegamento “fisico” a livello elettricoUN collegamento per UNA telefonata
“doppinio” telefonicoInterruttori (elettro-meccanici o elettronici)
Si fanno muovere degli elettroni in un conduttore elettrico
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Una Telefonata (prima del 1990)
Problemi
Su un “filo” di collegamento viaggia una sola telefonataSegnale analogico: soggetto a rumore e disturbiCentrali di commutazione complesse
La linea telefonica serve solo per... telefonare
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Una Telefonata (cellulare)
Il “collegamento” include 2 tipi di trasmissioneTrasmissione radioTrasmissione in Fibra Ottica
Fibra Ottica
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Una Telefonata (cellulare)
elettrico(digitale)
(onde radio + fibra ottica)
voce segnale linea di trasmissione segnale suonoelettrico(digitale)
QUI: si impiega il laser a semiconduttore
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Una Telefonata (cellulare)
Il “collegamento” include 2 tipi di trasmissioneTrasmissione radioTrasmissione in Fibra Ottica
Cos’è una fibra ottica ??
Fibra Ottica
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Fibre ottiche - 1
Una fibra ottica è una guida per la luce
È realizzata in vetro
È flessibile
La luce vi si propaga seguendone le “curve”
Ha un’attenuazione bassissima
Consente la propagazione di segnali per centinaia o migliaia di km
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Fibre ottiche - 2
struttura di vetro avente due indici di rifrazione diversi
Sezione longitudinale:
mantello (n2)
n1 > n2
nucleo (n1)
αn2 =1.485
n1 =1.5 ∆n =0.015
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Fibre ottiche - 3
Diametro: 125 µm = 0.125 mm
Diametro del nucleo: 10 µm = 0.01 mm
mantello (n2)
n1 > n2
nucleo (n1)
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Fibre ottiche - 4
Dove stanno le fibre ottiche ?
Sotto terra
Sul fondo del mare
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Fibre ottiche - 5
Dove stanno le fibre ottiche ?
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Fibre ottiche - 6Tecniche di fabbricazione
Tiraggio della fibra a temperature 1200-1400 °C per estrusione
Accurato controllo on-line del diametro esterno (125µm ± 0.5µm)
La fibra è fragile si applica un rivestimento in resina siliconica (diam. 250 µm) per consentirne la flessione
Cavi ottici per telecominucazioni: 8, 16, 24, 48, 96 fibre + elementi opportuni per conferire resistenza meccanica
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Fibre ottiche - 7
Il segnale che viaggia nelle fibre ottiche assume la forma di impulsi di luce
Il segnale elettrico viene convertito insegnale ottico da un laser a semiconduttore
Il segnale otticio viene ri-convertito in segnale elettrico da un fotodiodo
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La convergenza digitale - 1
I segnali digitali sono più immuni al rumore e ai disturbi dei segnali analogici
t
t
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La convergenza digitale - 2
Un canale di trasmissione digitale consente di trasmettere informazioni di diversa natura sullo stesso mezzo trasmissivo (es.: fibra ottica):
TelefonateFAXInternetTelevisione
Si rivoluzionano il sistema ed il mercato delle telecomunicazioni
MULTIMEDIALITA’
La rivoluzione digitale delle telecomunicazioninon sarebbe possibile senza i laser a semiconduttore
Riconoscimenti:
nel 2000: ALFEROV e KROEMER vincono ¼ di Premio Nobel a testaper l’invenzione del “laser a semiconduttore a doppia eterogiunzione”
nel 2008: KAO vince ½ Premio Nobel per gli studi e gli sviluppi tecnologici sulla “trasmissione di luce nelle fibre per le comunicazioni ottiche”
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La convergenza digitale - 3
Vantaggi:Sistemi più efficienti e flessibiliConcetto di “traffico dei dati”
Qualche numero...
La capacità trasmissiva si misura attraverso il bit/rate(n° di bit trasmessi in 1 s)
Telefonata GSM: 9 kbit/sModem: 56 kbit/sADSL: 1-20 Mbit/sfibra ottica: da 160 Gbit/s a 3.2 Tbit/s
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Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 1
Classificazione delle reti di trasmissione in fibra otticaLunga distanza (> 1000 km)Rete di trasporto (100-600 km)Rete di accesso (connessione con l’utente finale)
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Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 2
Rete di lunga distanza e di trasporto:WDM – Wavelength Division Multiplexing
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Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 3
Rete di accesso: Fiber To The HOME (FTTH)?
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GRAZIE
PER
L’ATTENZIONE !!