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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 100/140/250µm (core/cladding/coating), �bra sin-golo modo a λ = 633nm 4/120/250µm, �bra singolo modo a λ = 1300nm 9/120/250µm,�bra a conservazione di polarizzazione a λ = 633nm 4/120/250µm, laser HeNe(633nm), laser verde (532nm), laser a diodo (830nm), LED (830nm), lancia-tore, lente di grin, scramble, porta�bra, taglierina, power meter, dicloro-metano,altoparlante, polaroid, schermo, goniometro, obiettivo x40, macchina fotogra�ca

Procedimento:

Parte I: misura dell'apertura numerica della �bra multimodo

In questa parte dell'esperienza abbiamo lavorato con una �bra multimodo di lunghezza 2mca.. Abbiamo spellato e tagliato le estremità della �bra, una delle quali è stata posta (permezzo di un porta�bra) al centro di un goniometro e l'altra è stata allineata con il fasciolaser emesso dall'HeNe. L'obiettivo di questa misura è stato quello di studiare la distribuzioneangolare dell'emissione, rilevata per mezzo del power meter al silicio, per ricavare l'aperturanumerica della �bra, data dal seno dell'angolo associato al 5% dell'intensità massima. Loschema è illustrato in �gura 1.

goniometro

power meter

Laser

fibra

portafibra

Figura 1: Apparato per la misura dell'apertura numerica della �bra multimodo.

I dati ed il gra�co dell'intensità emessa in funzione dell'angolo sono riportati nell'allegato 1.Al termine di questa parte è stato individuato per l'apertura numerica il valore

N.A. = 0, 29± 0, 01

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

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Parte II: veri�ca della propagazione del modo LP01 in �bra

singolo modo 633

A�nché possa propagarsi il modo LP01 deve valere la relazione

V =2π

λ0NA · a 6 2, 405

in cui V è il parametro modale, a è il raggio del core e NA è l'apertura numerica. Abbiamomontato 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) sulrivelatore ci ha permesso di rilevare spicchi sottili di emissione, ed analizzare così l'emissioneangolare della �bra. L'andamento gaussiano dei dati sperimentali (si veda l'allegato 2) ciindica che il modo LP01 si propaga all'interno della �bra.

Parte III: misura del coe�ciente di attenuazione di una �bra

multimodo

L'obiettivo in questa fase è stato misurare il coe�ciente di attenuazione per laser di lunghezzed'onda diverse (λ1 = 633nm, λ2 = 532nm) e veri�care, utilizzando anche il dato fornito dalladitta (Γ dB

km(850nm) = 4), che tale coe�ciente segue la legge

Γ ∼ 1λ4

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

fibra

lanciatore

Laser

power meter

x20

scramble

portafibra

Figura 2: Apparato per la misura del coe�ciente di attenuazione in �bra multimodo.

La legge che lega Γ alla potenza in ingresso in una �bra (Pin), a quella in uscita (Pout) ealla lunghezza della �bra stessa (z) è

Γ dBkm

=1z

∣∣∣∣10 log(

Pout

)∣∣∣∣2

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Pout è stata presa a 293, 7m dal lanciatore e Pin tagliando la �bra dopo 2m. I dati rilevatie quelli teorici ricavati a partire dal coe�ciente di attenuazione riportato dalla ditta sono:

λ [nm] Pin [µW ] Pout [µW ] z [m] Γ [dB] Γteorico [dB]850 - - - - 4

633 107 ± 1 43 ± 1 293,7 ± 0,1 13,5 ± 0,5 13

532 94 ± 1 15,1 ± 0,1 291,1 ± 0,1 27,3 ± 0,3 26

Parte IV: osservazione dei modi di emissione per �bra a singolo

modo 1300

Per la �bra utilizzata in questa parte il parametro modale V è minore di 2, 405. Se utilizziamouna radiazione con λ 6 1300nm questa condizione non è più veri�cata e sarà possibile osservarepiù di un modo. Utilizzando, quindi, le sorgenti a 633nm e 532nm è stato possibile osservarealcuni modi guidati.

L'apparato sperimentale per proiettare su uno schermo i vari modi di propagazione delfascio laser nella �bra era così costituito: una estremità della �bra (di lunghezza 2m) eraposta sul lanciatore allineato con il laser, l'altra era allineata con un obiettivo x40, che avevalo scopo di far divergere il fascio per proiettarlo sullo schermo come illustrato in �gura 3.

x40

fibra

Laser x20

lanciatore

scherm

portafibra

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

Per visualizzare le diverse distribuzioni abbiamo opportunamente modi�cato l'allineamento�bra-laser.

Sono stati osservati i seguenti modi:

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associati, nell'ordine da destra a sinistra e dall'alto in basso, a: LP01, LP02, LP11, LP21.Annotiamo il fatto che per uno di questi (LP21) abbiamo utilizzato il laser verde per

ridurre gli e�etti di�rattivi (θdiff ∼ λD ).

Parte V: osservazione dei battimenti in �bra a conservazione di

polarizzazione

In questa parte dell'esperienza abbiamo usato una �bra stressata con conseguenti e�ettibi-rifrangenti. Grazie a questa proprietà la polarizzazione di un fascio all'interno della �bravaria periodicamente con la distanza percorsa; la periodicità è data dalla formula

δφ =2π

λ0∆n · t

in cui δφ individua la variazione di fase, λ0 la lunghezza d'onda del fascio (633nm), ∆n è lavariazione di indice di rifrazione tra i due assi della �bra e t è la lunghezza percorsa.

Nel nostro caso la �bra era stata leggermente ovalizzata, questo aveva portato ad un diversoindice di rifazione su i due assi dell'ellisse. Dopo aver individuato i due assi della �bra abbiamoorientato l'asse di polarizzazione del polaroid a 45◦ rispetto a questi. Il fascio così polarizzatovariava la sua polarizzazione nella �bra come illustrato in �gura

Spellando chimicamente, con il dicloro-metano, il tratto centrale della �bra abbiamo potutovisualizzare, con l'ausilio di una telecamera collegata ad un monitor, questa variazione dipolarizzazione in quanto corrispondeva a tratti alternativamente più o meno luminosi; inoltre,

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��

(a)

(b)

δφ = π 2π0

Figura 4: Rappresentazione schematica della polarizzazione del fascio nella �bra (a) e della luminosità (b)della �bra stessa in funzione dello sfasamento delle componenti parallele agli assi dell'ellisse.

posizionandolo su carta millimetrata è stato possibile determinare la lunghezza di battimento(L = t|δφ=2π) e da questa risalire a ∆n con la formula precedente

L = 3, 25± 0, 05mm

∆n = (1, 95± 0, 09) · 10−4

Lo schema dell'apparato è illustrato in �gura 5

��

monitor

carta millimetrata

Laser x20

lanciatore

fibra

telecamera

portafibra

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 multimodo

L'obiettivo è determinare le perdite dovute all'accoppiamento tra una �bra con apertura nu-merica N.A. = 0, 29 e sorgenti altamente divergenti (rispetto ai fasci �nora utilizzati): unlaser a diodo (divergenza ∼ 2÷ 3mrad) ed un LED entrambi con λ = 830nm.

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Figura 6: Visualizzazione dei battimenti sul monitor.

Per convogliare quanto più possibile la radiazione emessa dalle sorgenti nella �bra, abbiamofrapposto tra loro una lente di grin ad una distanza di circa 2mm dalla �bra. I dati, rilevaticon il power meter, sono riportati nella tabella seguente

Sorgente Pin [mW ] Pout [mW ] Attenuazione [dB]LED 8, 23± 0, 05 3, 77 · 10−3 ± 0, 01 · 10−3 33, 39± 0, 04Diodo 5, 8± 0, 05 3, 42± 0, 01 2, 29± 0, 05

Parte VII: rivelazione con altoparlante del fascio luminoso in una

�bra multimodo

In quest'ultima parte dell'esperienza abbiamo accoppiato 2m di �bra multimodo con il laserHeNe (alimentato da un generatore di tensione alternata) ed abbiamo prelevato il segnalein uscita dalla �bra con il rivelatore al silicio. Collegando il rivelatore ad un altoparlanteè stato possibile convertire il segnale luminoso in segnale acustico e, agendo sulla manopoladella frequenza sul generatore di tensione, modulare il suono. L'apparato sperimentale èschematizzato in �gura 7.