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Relazione esperienza su: Fibre otticheData: 18/02/'08

Esperienza svolta da: Sergio De Bonis, Dario Neri, Leonardo Nizzoli (gruppo 2)Materiali e strumenti utilizzati:

banco ottico, bra multimodo 100/140/250m (core/cladding/coating), bra singolo modo a = 633nm 4/120/250m, bra singolo modo a = 1300nm 9/120/250m, bra a conservazione di polarizzazione a = 633nm 4/120/250m, laser HeNe (633nm), laser verde (532nm), laser a diodo (830nm), LED (830nm), lanciatore, lente di grin, scramble, portabra, taglierina, power meter, dicloro-metano, altoparlante, polaroid, schermo, goniometro, obiettivo x40, macchina fotograca

Procedimento: Parte I: misura dell'apertura numerica della bra multimodoIn questa parte dell'esperienza abbiamo lavorato con una bra multimodo di lunghezza 2m ca.. Abbiamo spellato e tagliato le estremit della bra, una delle quali stata posta (per mezzo di un portabra) al centro di un goniometro e l'altra stata allineata con il fascio laser emesso dall'HeNe. L'obiettivo di questa misura stato quello di studiare la distribuzione angolare dell'emissione, rilevata per mezzo del power meter al silicio, per ricavare l'apertura numerica della bra, data dal seno dell'angolo associato al 5% dell'intensit massima. Lo schema illustrato in gura 1.Laser portafibra

fibra

portafibra power meter goniometroFigura 1: Apparato per la misura dell'apertura numerica della bra multimodo.

I dati ed il graco dell'intensit emessa in funzione dell'angolo sono riportati nell'allegato 1. Al termine di questa parte stato individuato per l'apertura numerica il valoreN.A. = 0, 29 0, 01

in accordo con il dato fornito dalla ditta (N.A. = 0, 29). 1

De Bonis, Neri, Nizzoli

Esperienza su Fibre ottiche

Parte II: verica della propagazione del modo LP 01 in bra singolo modo 633Anch possa propagarsi il modo LP 01 deve valere la relazioneV = 2 NA a 0 2, 405

in cui V il parametro modale, a il raggio del core e N A l'apertura numerica. Abbiamo montato l'apparato come nella parte precedente, utilizzando il laser HeNe come sorgente e la bra singolo modo 633 (spellata chimicamente). L'apposizione di una fenditura ( 1mm) sul rivelatore ci ha permesso di rilevare spicchi sottili di emissione, ed analizzare cos l'emissione angolare della bra. L'andamento gaussiano dei dati sperimentali (si veda l'allegato 2) ci indica che il modo LP 01 si propaga all'interno della bra.

Parte III: misura del coeciente di attenuazione di una bra multimodoL'obiettivo in questa fase stato misurare il coeciente di attenuazione per laser di lunghezze d'onda diverse (1 = 633nm, 2 = 532nm) e vericare, utilizzando anche il dato fornito dalla ditta ( dB (850nm) = 4), che tale coeciente segue la leggekm

1 4

L'apparato sperimentale (illustrato in gura 2) era costituito dalla bra, accoppiata, mediante il lanciatore, con il laser, e dal power meter che rilevava il segnale in uscita dalla bra. Per eliminare i modi spuri stato posto lo scramble a 30cm dal lanciatore.lanciatore fibra

Laser

x20

portafibra

scramble

portafibra

power meterFigura 2: Apparato per la misura del coeciente di attenuazione in bra multimodo.

La legge che lega alla potenza in ingresso in una bra (Pin ), a quella in uscita (Pout ) e alla lunghezza della bra stessa (z ) dB =km

1 10 log z

Pout Pin

2

De Bonis, Neri, Nizzoli

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Pout stata presa a 293, 7m dal lanciatore e Pin tagliando la bra dopo 2m. I dati rilevati e quelli teorici ricavati a partire dal coeciente di attenuazione riportato dalla ditta sono: [nm] Pin [W ] Pout [W ] z [m] [dB] teorico [dB]

850 633 532

107 1 94 1

43 1 293,7 0,1 13,5 0,5 15,1 0,1 291,1 0,1 27,3 0,3

4 13 26

Parte IV: osservazione dei modi di emissione per bra a singolo modo 1300Per la bra utilizzata in questa parte il parametro modale V minore di 2, 405. Se utilizziamo una radiazione con 1300nm questa condizione non pi vericata e sar possibile osservare pi di un modo. Utilizzando, quindi, le sorgenti a 633nm e 532nm stato possibile osservare alcuni modi guidati. L'apparato sperimentale per proiettare su uno schermo i vari modi di propagazione del fascio laser nella bra era cos costituito: una estremit della bra (di lunghezza 2m) era posta sul lanciatore allineato con il laser, l'altra era allineata con un obiettivo x40, che aveva lo scopo di far divergere il fascio per proiettarlo sullo schermo come illustrato in gura 3.lanciatore

Laser

x20

portafibra

fibra schermo

portafibra

x40

Figura 3: Apparato per l'osservazione dei modi di emissione mella bra singolo modo 1300nm.

Per visualizzare le diverse distribuzioni abbiamo opportunamente modicato l'allineamento bra-laser. Sono stati osservati i seguenti modi:

3

De Bonis, Neri, Nizzoli

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associati, nell'ordine da destra a sinistra e dall'alto in basso, a: LP 01, LP 02, LP 11, LP 21. Annotiamo il fatto che per uno di questi (LP 21) abbiamo utilizzato il laser verde per ridurre gli eetti dirattivi (dif f D ).

Parte V: osservazione dei battimenti in bra a conservazione di polarizzazioneIn questa parte dell'esperienza abbiamo usato una bra stressata con conseguenti eetti bi-rifrangenti. Grazie a questa propriet la polarizzazione di un fascio all'interno della bra varia periodicamente con la distanza percorsa; la periodicit data dalla formula = 2 n t 0

in cui individua la variazione di fase, 0 la lunghezza d'onda del fascio (633nm), n la variazione di indice di rifrazione tra i due assi della bra e t la lunghezza percorsa. Nel nostro caso la bra era stata leggermente ovalizzata, questo aveva portato ad un diverso indice di rifazione su i due assi dell'ellisse. Dopo aver individuato i due assi della bra abbiamo orientato l'asse di polarizzazione del polaroid a 45 rispetto a questi. Il fascio cos polarizzato variava la sua polarizzazione nella bra come illustrato in gura Spellando chimicamente, con il dicloro-metano, il tratto centrale della bra abbiamo potuto visualizzare, con l'ausilio di una telecamera collegata ad un monitor, questa variazione di polarizzazione in quanto corrispondeva a tratti alternativamente pi o meno luminosi; inoltre, 4

De Bonis, Neri, Nizzoli(a)

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= 0(b)

2

111 111 000 000 1 0 1 0 11 00 111 11 11 11 2 000 000000 000 1 0 111 0 11 0 = 0Figura 4: Rappresentazione schematica della polarizzazione del fascio nella bra (a) e della luminosit (b) della bra stessa in funzione dello sfasamento delle componenti parallele agli assi dell'ellisse.

posizionandolo su carta millimetrata stato possibile determinare la lunghezza di battimento (L = t|=2 ) e da questa risalire a n con la formula precedenteL = 3, 25 0, 05mm n = (1, 95 0, 09) 104

Lo schema dell'apparato illustrato in gura 5lanciatore

Laser

x20

portafibra

11111 00000 11111 00000carta millimetrata telecamera

fibra

monitor

Figura 5: Apparato per la visualizzazione dei battimenti in una bra a conservazione di polarizzazione.

In gura 6 sono riportati i battimenti come visualizzati sul monitor

Parte VI: perdite di accoppiamento in una bra multimodoL'obiettivo determinare le perdite dovute all'accoppiamento tra una bra con apertura numerica N.A. = 0, 29 e sorgenti altamente divergenti (rispetto ai fasci nora utilizzati): un laser a diodo (divergenza 2 3mrad) ed un LED entrambi con = 830nm. 5

De Bonis, Neri, Nizzoli

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Figura 6: Visualizzazione dei battimenti sul monitor.

Per convogliare quanto pi possibile la radiazione emessa dalle sorgenti nella bra, abbiamo frapposto tra loro una lente di grin ad una distanza di circa 2mm dalla bra. I dati, rilevati con il power meter, sono riportati nella tabella seguente Sorgente Pin [mW ] Pout [mW ] LED 8, 23 0, 05 3, 77 103 0, 01 103 Diodo 5, 8 0, 05 3, 42 0, 01 Attenuazione [dB]33, 39 0, 04 2, 29 0, 05

Parte VII: rivelazione con altoparlante del fascio luminoso in una bra multimodoIn quest'ultima parte dell'esperienza abbiamo accoppiato 2m di bra multimodo con il laser HeNe (alimentato da un generatore di tensione alternata) ed abbiamo prelevato il segnale in uscita dalla bra con il rivelatore al silicio. Collegando il rivelatore ad un altoparlante stato possibile convertire il segnale luminoso in segnale acustico e, agendo sulla manopola della frequenza sul generatore di tensione, modulare il suono. L'apparato sperimentale schematizzato in gura 7.

6

De Bonis, Neri, Nizzoli

Esperienza su Fibre ottiche

altoparlante

Laser

portafibra

fibra

generatore di tensione

11 00 11 00 11 00 11 00 11 00

portafibra

rivelatore

Figura 7: Apparato per rivelazione con altoparlante.

7

Allegato 1

(Esperienza su Fibre ottiche)

Apertura numerica: tabella e graco [ ]

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 28 36 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22 -24 -28 -36

[ ]

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

P [nW]

2230 2300 2050 1540 930 570 500 280 180 80 37 26 20 16 12 2380 1580 1130 615 375 265 175 115 60 35 26 22 19 12

P [nW]

10 10 10 10 5 5 5 5 5 5 1 1 1 1 1 10 10 10 5 5 5 5 5 5 1 1 1 1 1

2 5 0 0

2 0 0 0

P o te n z a [n W ]

1 5 0 0

1 0 0 0

5 0 0

0

-4 0

-3 0

-2 0

-1 0

0

1 0

2 0

3 0

4 0

[g r a d i]

i

Allegato 2

(Esperienza su Fibre otti