Università degli Studi del Università degli Studi del SannioSannio

Facoltà di IngegneriaFacoltà di IngegneriaCorso di Laurea in Ingegneria delle Corso di Laurea in Ingegneria delle

TelecomunicazioniTelecomunicazioni

Tesi di Laurea in OptoelettronicaTesi di Laurea in Optoelettronica

Relatore: Prof. Andrea CusanoCorrelatore: Ing. Agostino Iadicicco Candidato:

Fabio G. Caso 196/81

Caratterizzazione Spettrale di Caratterizzazione Spettrale di Reticoli a Passo Lungo Reticoli a Passo Lungo

realizzati con tecnica Laser erealizzati con tecnica Laser eScarica ad ArcoScarica ad Arco

IndiceIndice

Obiettivi e MotivazioniObiettivi e Motivazioni

Descrizione e applicazioni dei un reticoli in fibra a passo lungo standardDescrizione e applicazioni dei un reticoli in fibra a passo lungo standard

Nuovi reticoli a passo lungo realizzati con “Scarica ad Arco”Nuovi reticoli a passo lungo realizzati con “Scarica ad Arco” Setup –riduzione del diametro Setup –riduzione del diametro

– – optoelettronicooptoelettronico

Caratterizzazione di un Reticolo standard e a Scarica ad Arco in funzione Caratterizzazione di un Reticolo standard e a Scarica ad Arco in funzione del diametro della fibradel diametro della fibra

ConclusioniConclusioni

ObiettiviObiettivi Studio di nuovi tipi di reticoli a passo lungo

realizzati mediante “Scarica ad Arco”

Analisi della sensibilità all’indice di rifrazione del mezzo esterno in funzione del diametro della fibra

• Reticoli standard • Reticoli realizzati mediante “Scarica ad Arco”

MotivazioniMotivazioniI reticoli standard in fibra a periodo lungo (LPG) hanno avuto grande successo nel campo delle TLC e della sensoristica per le loro proprietà spettrali

In questo lavoro l’attenzione è focalizzata sull’effetto del diametro della fibra su questi nuovi tipi di reticoli

- Costi minori- Maggiore flessibilità - Semplicità realizzativa

I reticoli realizzati con “Electric Arc Discharge” presentano:

la riduzione del diametro della fibra porta ad un aumento della sensibilità all’indice di rifrazione sterno alla fibra

Reticolo a Periodo Lungo Reticolo a Periodo Lungo (LPG)(LPG)

Forma delle bande di attenuazione in corrispondenza della condizione di phase matching:

Un LPG standard consiste in una modulazione periodica dell’indice di rifrazione del core della fibra.

Causa un accoppiamento di potenza tra il modo fondamentale LP01 e i modi di cladding LP0m

La posizione spettrale La posizione spettrale della bande di della bande di

attenuazione è dipendente attenuazione è dipendente dalle condizioni dalle condizioni

ambientali: strain, ambientali: strain, temperatura e SRItemperatura e SRI

1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700-25

-20

-15

-10

-5

0

Wavelength [nm]

Tra

smitt

ivity

[dB

]

Possibili ApplicazioniPossibili Applicazioni Sensori

Strain Temperatura Bending Indice di rifrazione (SRI)

Telecomunicazioni Filtri accordabili per sistemi WDM (Wavelength Division Multiplexing ) ) Filtri flatteningAmplificatori EDFAs(Erbium Doped Fiber Amplifier)

Fabbricazione di LPG StandardFabbricazione di LPG StandardIl metodo standard di fabbricazione degli Il metodo standard di fabbricazione degli LPG prevede l’utilizzo di un Laser UV.LPG prevede l’utilizzo di un Laser UV.

Monitoraggio Real-Time con Sorgente e Monitoraggio Real-Time con Sorgente e Optical Spectrum Analyser (OSA).Optical Spectrum Analyser (OSA).

Una lente focalizza il raggio del laser su Una lente focalizza il raggio del laser su una zona della fibra.una zona della fibra.

Una maschera di fase crea una Una maschera di fase crea una modulazione periodica, proteggendo modulazione periodica, proteggendo periodicamente un determinato periodo periodicamente un determinato periodo ((ΛΛ) della fibra. ) della fibra.

Non utilizza la proprietà di fotosensibilità

Nuova Tecnica di fabbricazione degli LPG: Nuova Tecnica di fabbricazione degli LPG: “Electric Arc Discharge”“Electric Arc Discharge”

Differenza con la tecnica a radiazione UV:Differenza con la tecnica a radiazione UV:

Non ha bisogno di costose maschere di fase Evita il processo di annealing

per stabilizzare il reticolo

(3)(3) Translation stageTranslation stage:: Carrello mobile con Carrello mobile con nanoprecisione ( nanoprecisione (ΛΛ))

(4)(4) Elettrodi: Elettrodi: attivano una scarica elettrica attivano una scarica elettrica

(6) (6) Weight:Weight: fissa la fibra e la tiene tesa a strain fissa la fibra e la tiene tesa a strain costante costante

Deformazioni geometrica della fibra Deformazioni geometrica della fibra ottenuta mediante “Scarica ad Arco”ottenuta mediante “Scarica ad Arco”

Particolare di un Reticolo costruito mediante tecnica Arc Induced

Reticoli “Electric Arc-Induced”Reticoli “Electric Arc-Induced”

Parametri Standard:Parametri Standard:

Periodo Λ = da 400-800 Periodo Λ = da 400-800 μμmmLunghezza L = da 10 a 40 mmLunghezza L = da 10 a 40 mmTempo di Tempo di arc dischargearc discharge ΤΤ= = 400ms400msArc Current = 9-15mAArc Current = 9-15mA

Spettro di un Generico LPG “ Arc Induced”Spettro di un Generico LPG “ Arc Induced”Con Con Λ = 755 Λ = 755 μμm, L = 20 mmm, L = 20 mm

1450 1500 1550 1600

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Wavelength[nm]

Tra

smitt

ivity

[dB

]

Reticolo Fornito dal:Reticolo Fornito dal:Centro di ricerca di Fotonica, Centro di ricerca di Fotonica, Dipartimentoe d'ingegneria,Dipartimentoe d'ingegneria,

Università del Québec, CanadaUniversità del Québec, Canada

Setup per la Riduzione del DiametroSetup per la Riduzione del Diametro

La Riduzione del diametro è stata effettuata mediante Attacco Chimico in Acido Fluoridrico (HF) al 12%.

Bassa concentrazione per avere un maggiore controllo del processo

L’HOLDER è stato costruito presso il laboratorio di optoelettronica dell’Università degli Studi del Sannio

Progetto

Analizzatore di spettro ottico (OSA)Sorgente di Luce Bianca

Setup optoelettronicoSetup optoelettronico

Confinare l’effetto dell’acido Limitare le variazioni dovute

allo strain

Spettro Originale Reticolo realizzato Spettro Originale Reticolo realizzato con “Scarica ad Arco”con “Scarica ad Arco”

E’ stato utilizzato un reticolo realizzato con una tecnica con scarica ad Arco in fibra SMF-28 con diametro di 125μm e periodo di =755m che mostrano la

seguente risposta spettrale in aria.

Analisi al microscopio ottico per la stima dei diametri

1400 1450 1500 1550 1600 1650-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Wavelength [nm]

Tras

mitt

ivity

[dB

]

Analisi del reticolo imperturbatoAnalisi del reticolo imperturbatoVariazione massima in Variazione massima in lunghezza d’ondalunghezza d’onda

4.8 nm4.8 nm

SensibilitàSensibilità

Max sensibilità (SRI=1.45):Max sensibilità (SRI=1.45):

0.120.12

dSRI

d res

res

1

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

Wavele

nght [n

m]

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.50

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16Sensitivity

SRI

Sensitiv

ity

SRIresSRI

res Γγλdn

dλ

dove2322

,3

32

))((8 SRIcleffmcl

effcoclcl

SRIresmSRI

nnnnnr

nu

um = m-esima radice della funzione di Bessel del primo tipo di ordine zerorcl ,ncl= raggio e indice di rifrazione del claddingnSRI = indice di rifrazione del mezzo esternoγ= fattore di sensitività generale

Primo Attacco Chimico (30 minuti):Primo Attacco Chimico (30 minuti):Le bande di attenuazione Le bande di attenuazione si muovono verso si muovono verso lunghezze d’onda lunghezze d’onda maggiorimaggiori

Zona Zona PerturbataPerturbata

Zona Zona ImperturbataImperturbata

Riduzione Riduzione diametro:diametro:

5,1 5,1 μμmm 6,26,2μμmm

BareBare

(nm)(nm)3030 minuti minuti Etching(nm)Etching(nm)

wavelength wavelength ((~~11)11)

15401540 15511551

0 5 10 15 20 25 301540

1542

1544

1546

1548

1550

1552

Waveleght[nm]

Tra

sm

ittiv

ity[d

B]

1500 1520 1540 1560 1580 1600-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Wavelength [nm]

tra

nsm

issi

on

[dB

]

Confronto con il reticolo originaleConfronto con il reticolo originale

Max sensibilità (SRI=1.45):Max sensibilità (SRI=1.45):Bare = 0.12Bare = 0.12

Dopo 30 minuti etching = Dopo 30 minuti etching = 0.160.16

1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0Delta Lambda Baricentrale

SRI

Wav

elen

ght S

hift

[nm

]

1.34 1.36 1.38 1.4 1.42 1.44 1.460

0.05

0.1

0.15

0.2Sensitivity

SRI

Sens

itivity

Max Spostamento in Lunghezza d’ondaMax Spostamento in Lunghezza d’ondaBare = 4.8 nmBare = 4.8 nm

Dopo 30 minuti etching = Dopo 30 minuti etching = 6.8 nm6.8 nm

Successivi Attacchi in Acido HFSuccessivi Attacchi in Acido HF

Spostamento delle Lunghezze Spostamento delle Lunghezze d’onda centrali e Variazione d’onda centrali e Variazione della Trasmittivitàdella Trasmittività al variare del al variare del tempo di Etching con SRI=1 tempo di Etching con SRI=1

0 20 40 60 8095

100

105

110

115

120

125

Etching Time [minutes]

Gra

ting D

iam

ete

r [m

icro

n] zona imperturbata

zona perturbata

1500 1520 1540 1560 1580 1600-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Wavelength [nm]

tra

nsm

issi

on

[dB

]

Bare30 minuti60 minuti90 minuti

0 20 40 60 80 1001540

1560

1580

1600

Wav

elen

gth[

nm]

0 20 40 60 80 100-40

-30

-20

-10

0

Etching Time [minutes]

Tras

mitt

ivity

[dB

]

Andamento della lunghezza d’onda Andamento della lunghezza d’onda centrale in funzione dell’indice di centrale in funzione dell’indice di rifrazione del mezzo esterno e per rifrazione del mezzo esterno e per diversi valori del diametro della fibradiversi valori del diametro della fibra

Lambda BaricentraleLambda Baricentrale

1 1.1 1.2 1.3 1.4-10

-8

-6

-4

-2

0Delta Lambda Baricentrale Modo LP03

SRI

Wave

lenght [

nm

]

bare30 min Etch60 min Etch90 min Etch

1.34 1.36 1.38 1.4 1.42 1.440

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35Sensitivity -LP03

SRI

Sens

itivity

bare 30 min Etch 60 min Etch 90 min Etch

Durante il processo di etching si osserva che:La sensibilità ha un punto di massimo per il 60°esimo minuto di etching pari a 0.3 per SRI=1.45

Analisi della SensibilitàAnalisi della Sensibilità

Dopo 60 minuti di etching si ha un Dopo 60 minuti di etching si ha un aumento della sensibilità di un fattore aumento della sensibilità di un fattore

2 per SRI=1.452 per SRI=1.451.75 per SRI=1.331.75 per SRI=1.33

1.7 per SRI=11.7 per SRI=1

0 20 40 60 80 1000.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Etching Time [minutes]

Sensi

tivity

SRI=1.45

0 20 40 60 80 1003

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7x 10

-4

Etching Time [minutes]

Sensi

tivity

SRI=1

0 20 40 60 80 1003.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7x 10

-3

Etching Time [minutes]

Sensiti

vity

SRI=1.33

1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650-25

-20

-15

-10

-5

0

Wavelength [nm]

bare DCL

= 125m

20 min DCL

= 121.4m

50 min DCL

= 117.0m

80 min DCL

= 110.8m

LP05

LP06

LP

04

Wavelength [nm]

Tra

nsm

issi

on

[dB

] Reticolo Standard:Reticolo Standard: effetto della riduzione del diametro effetto della riduzione del diametro

1.34 1.36 1.38 1.4 1.42 1.44 1.46

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

wavelength shift LP06

SRI

Wa

ve

len

gth

Sh

ift (n

m)

DCL

=125 micron D

CL=123.7 micron

DCL

=121.4 micron D

CL=119.7 micron

DCL

=117 micron D

CL=112.9 micron

DCL

=110.8 micron D

CL=108.2 micron

DCL

=103.8 micron

1.34 1.36 1.38 1.4 1.42 1.44 1.46-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0wavelength shift LP

05

SRI

Wa

ve

len

gth

Sh

ift (n

m)

DCL

=125 micron D

CL=123.7 micron

DCL

=121.4 micron D

CL=119.7 micron

DCL

=117 micron D

CL=112.9 micron

DCL

=110.8 micron D

CL=108.2 micron

DCL

=103.8 micron

CARATTERIZZAZIONE IN SRI:CARATTERIZZAZIONE IN SRI:Al diminuire del diametro della fibra si ha Al diminuire del diametro della fibra si ha uno spostamento maggiore delle bande uno spostamento maggiore delle bande

di attenuazione in funzione dell’SRI.di attenuazione in funzione dell’SRI.

Spettro del Reticolo StandardSpettro del Reticolo StandardIn Funzione dei vari step di EtchingIn Funzione dei vari step di Etching

Periodo Periodo ΛΛ = 360 = 360 μμmm

La sensibilità:La sensibilità:

Aumenta con l’ordine del modoAumenta con l’ordine del modo

Aumenta in maniera monotona al Aumenta in maniera monotona al diminuire del diametro della fibradiminuire del diametro della fibra

Confronti di sensibilitàConfronti di sensibilità

0 20 40 60 80 100 1200

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

sensitivity per SRI=1.33

etching time (minuti)

sen

sitiv

ity

LP06

LP05

LP04

0 20 40 60 80 100 1200

1

2

3

4

5x 10

-3

sensitivity per SRI=1

etching time (minuti)

sen

sitiv

ity

LP06

LP05

LP04

0 20 40 60 80 100 1200

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

sensitivity in SRI=1.44

etching time (minuti)

sen

sitiv

ityLP

06LP

05LP

04

Confronto tra due tipi di reticoliConfronto tra due tipi di reticoliPer entrambi i reticoli la sensibilità al SRI:Per entrambi i reticoli la sensibilità al SRI:

• E’ massima per SRI prossimi a quelli della fibraE’ massima per SRI prossimi a quelli della fibra

Differenze tra i due reticoliDifferenze tra i due reticoli

Reticolo Standard Reticolo Standard

(laser UV)(laser UV)Reticolo realizzato con Scarica Reticolo realizzato con Scarica

ad Arcoad Arco

La sensibilità aumenta in maniera La sensibilità aumenta in maniera monotona con la riduzione del diametro monotona con la riduzione del diametro

per tutti i modi per tutti i modi

La sensibilità non presenta un La sensibilità non presenta un andamento monotono con la riduzione andamento monotono con la riduzione

del diametro della fibradel diametro della fibra

0 20 40 60 80 100 1200

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

SRI=1.44

etching time (minuti)

sen

sitiv

ity

LP06

UV-LaserLP

05 UV-Laser

LP04

UV-LaserLP

02 Arc InducedLa sensibilità dei reticoli realizzati La sensibilità dei reticoli realizzati

con Scarica ad Arco sembra con Scarica ad Arco sembra essere maggiore dei reticoli essere maggiore dei reticoli

standard realizzati con UV-Laserstandard realizzati con UV-Laser

ConclusioniConclusioni È stata proposta un’ analisi sperimentale delle È stata proposta un’ analisi sperimentale delle

caratteristiche di un reticolo a passo lungo, caratteristiche di un reticolo a passo lungo, costruito con una nuova tecnica a “Scarica ad costruito con una nuova tecnica a “Scarica ad Arco”, in funzione della variazione del diametro Arco”, in funzione della variazione del diametro della fibra e confrontata con un reticolo standard. della fibra e confrontata con un reticolo standard.

La riduzione del diametro è stata ottenuta La riduzione del diametro è stata ottenuta mediante una tecnica a basso costo basata su mediante una tecnica a basso costo basata su attacco chimico in acido HFattacco chimico in acido HF

I risultati ottenuti mostrano un aumento di I risultati ottenuti mostrano un aumento di sensibilità in funzione al diminuire del diametro sensibilità in funzione al diminuire del diametro della fibra per entrambi i reticoli.della fibra per entrambi i reticoli.

Dal confronto dei risultati dei due reticoli si rivela Dal confronto dei risultati dei due reticoli si rivela che vi sono delle differenze che sono attualmente che vi sono delle differenze che sono attualmente oggetto di studio.oggetto di studio.