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Luce laser, fibre ottiche e telecomunicazioni
Luce laser, fibre ottiche e telecomunicazioni Guido Giuliani Photonics Group - Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura Università di Pavia [email protected] Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia 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 informazioni Sensori e strumenti di misura Applicazioni alla medicina Disciplina a cavallo tra la fisica e l’ ingegneria (elettronica e telecomunicazioni) Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Onde Elettromagnetiche f = Frequenza dell’onda elettromagnetica Periodo (T) T = 1/f Tempo Lunghezza d’onda (λ) λ = c/f Spazio 1012 Hz = 1 THz (TeraHertz) ν = 3 - 1500 THz λ = 0.2 - 100 µm FREQUENZE OTTICHE ν = 400 - 750 THz λ =0.4 - 0.75 µm LUCE VISIBILE Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Il LASER - 1 LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Luce ordinaria Luce LASER = luce bianca luce monocromatica (“coerente”) Il Laser è stato inventato nel 1960 Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Il LASER - 2 Il LASER è un oscillatore Oscillatore elettronico Oscillatore ottico amplificatore di luce + 2 specchi il Laser ! Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Il LASER - 3 amplificatore di luce + 2 specchi Î retroazione positiva Î effetto laser SPECCHI USCITA USCITA MEZZO ATTIVO SISTEMA DI POMPAGGIO (fornisce energia al mezzo attivo) Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia 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) Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Il LASER - 5 TIPI 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 ottiche pompaggio ottico LASER A GAS mezzo attivo: gas o miscele di gas (atomi, ioni, molecole) pompaggio tramite scarica elettrica LASER LIQUIDI mezzo attivo: molecole organiche di coloranti pompaggio ottico LASER A SEMICONDUTTORE mezzo attivo: semiconduttore (diodo) pompaggio elettrico Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Il LASER - 6 TIPI DI LASER LASER a GAS CO2 He-Ne Argon LASER a STATO SOLIDO Nd:YAG Nd:YAG Photonics Group LASER LIQUIDO Dye Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Laser a Semiconduttore - 1 Cos’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) Silicio Applicazioni: Silicio: materiale perfetto per i circuiti micro-elettronici Æ TRANSISTOR computer, telefonini, ecc. GaAs e InP: Laser a semiconduttore e LED Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Laser a Semiconduttore - 2 Com’è fatto Dispositivo monolitco FLUSSO DI CORRENTE (POMPAGGIO) SPECCHI (RETROAZIONE POSITIVA) regione p DIODO regione n LUNGHEZZA L: 250-500 µm L MEZZO ATTIVO (AMPLIFICAZIONE OTTICA) Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Laser a Semiconduttore - 3 Perché 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) CO2 10 Semiconduttore 0.38-300 1 (lampada) 1 (lampada) 0.01 (DPSSL) 25 (DPSSL) 25-50000 1 10-20 50000 10-3 50 2-15000 Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia 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 / BD Telecomunicazioni (telefono) Internet !! Applicazioni industriali Applicazioni mediche Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Laser a Semiconduttore - 4 Come 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 Æ molto costose Æ ma: prezzo ridotto per il singolo laser perché il processo di produzione avviene in parallelo per migliaia di laser alla volta MOCVD reactor Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia I Laser sono pericolosi? Il laser emette una radiazione elettromagnetica che può avere intensità elevatissime (intensità = potenza/area) Î potenzialmente pericoloso per l’uomo (occhi, cute) Laser Safety Class from: IEC 825 (1993 and ff) 10 CLASS 3B 5 power (mW) 1 CLASS 3B CLASS 3A 3 CLASS 3A 1 CLASS 1 0.6 CLASS 2 0.1 CLASS 1 0.12 CLASS 1 400 700 wavelength (nm) 1000 1400 Photonics Group 1550 Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia 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) Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Cos’è una telefonata ? Ieri: L’altro ieri: Oggi: Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia (breve) Storia dei Sistemi Telefonici 1871 - Brevetto di Antonio Meucci Sistemi telefonici analogici 1990 - Sistemi telefonici digitali Inizia l’era della “convergenza digitale” 1995 - Telefonia cellulare 2005 - VoIP ... Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Una Telefonata voce Î (prima del 1990) segnale Î elettrico (analogico) linea di trasmissione (elettrica) Photonics Group Î segnale Î elettrico (analogico) Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia suono Una Telefonata (prima del 1990) linea telefonica “commutata” Collegamento “fisico” a livello elettrico UN collegamento per UNA telefonata “doppinio” telefonico Interruttori (elettro-meccanici o elettronici) Si fanno muovere degli elettroni in un conduttore elettrico Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Una Telefonata (prima del 1990) Problemi Su un “filo” di collegamento viaggia una sola telefonata Segnale analogico: soggetto a rumore e disturbi Centrali di commutazione complesse La linea telefonica serve solo per... telefonare Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Una Telefonata (cellulare) Il “collegamento” include 2 tipi di trasmissione Trasmissione radio Trasmissione in Fibra Ottica Fibra Ottica Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Una Telefonata (cellulare) QUI: si impiega il laser a semiconduttore voce Î segnale elettrico (digitale) Î linea di trasmissione Î (onde radio + fibra ottica) Photonics Group segnale Î elettrico (digitale) Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia suono Una Telefonata (cellulare) Il “collegamento” include 2 tipi di trasmissione Trasmissione radio Trasmissione in Fibra Ottica Fibra Ottica Cos’è una fibra ottica ?? Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia 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 Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Fibre ottiche - 2 struttura di vetro avente due indici di rifrazione diversi n1 > n2 nucleo (n1) mantello (n2) Sezione longitudinale: n2 =1.485 α n1 =1.5 Photonics Group ∆n =0.015 Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Fibre ottiche - 3 n1 > n2 nucleo (n1) mantello (n2) Diametro: 125 µm = 0.125 mm Diametro del nucleo: 10 µm = 0.01 mm Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Fibre ottiche - 4 Dove stanno le fibre ottiche ? Sotto terra Sul fondo del mare Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Fibre ottiche - 5 Dove stanno le fibre ottiche ? Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Fibre ottiche - 6 Tecniche 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 Æ 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 Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Fibre ottiche - 7 Il segnale che viaggia nelle fibre ottiche assume la forma di impulsi di luce Il segnale elettrico viene convertito in segnale ottico da un laser a semiconduttore Il segnale otticio viene ri-convertito in segnale elettrico da un fotodiodo Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia La convergenza digitale - 1 I segnali digitali sono più immuni al rumore e ai disturbi dei segnali analogici t t Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia La convergenza digitale - 2 Un canale di trasmissione digitale consente di trasmettere informazioni di diversa natura sullo stesso mezzo trasmissivo (es.: fibra ottica): Telefonate FAX Internet Televisione Si rivoluzionano il sistema ed il mercato delle telecomunicazioni Î MULTIMEDIALITA’ La rivoluzione digitale delle telecomunicazioni non sarebbe possibile senza i laser a semiconduttore Riconoscimenti: nel 2000: ALFEROV e KROEMER vincono ¼ di Premio Nobel a testa per 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” Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia La convergenza digitale - 3 Vantaggi: Sistemi più efficienti e flessibili Concetto di “traffico dei dati” Qualche numero... La capacità trasmissiva si misura attraverso il Telefonata GSM: Modem: ADSL: fibra ottica: bit/rate (n° di bit trasmessi in 1 s) 9 kbit/s 56 kbit/s 1-20 Mbit/s da 160 Gbit/s a 3.2 Tbit/s Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 1 Classificazione delle reti di trasmissione in fibra ottica Lunga distanza (> 1000 km) Rete di trasporto (100-600 km) Rete di accesso (connessione con l’utente finale) Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 2 Rete di lunga distanza e di trasporto: WDM – Wavelength Division Multiplexing Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia Sistemi di telecomunicazione in fibra ottica - 3 Rete di accesso: Fiber To The HOME (FTTH)? Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia GRAZIE PER L’ATTENZIONE !! Photonics Group Dipartimento di Ingegneria Civile e Architettura y Università di Pavia