Sensori in fibra ottica: i reticoli di Bragg

Percepire l'ambiente che ci circonda è un requisito fondamentale per un qualunque sistema decisionale. Difatti, qualunque sia l'azione di controllo da intraprendere, è necessario conoscere l'ambiente ed avere una misura dell'affidabilità dei dati a disposizione. Spesso le informazioni sono acquisite sul campo, altre volte sono ottenute indirettamente o stimate a partire da dati grezzi. Qualunque sia il processo che le accompagna, le informazioni hanno un costo. Tale costo è spesso legato alle dimensioni ed al tempo di risposta del dispositivo che si utilizzerà per fornire il dato. Tanti sono gli sforzi per rendere sempre più piccoli ed efficienti tali strumenti. L'articolo presenta i reticoli di Bragg, uno strumento di misura realizzato a partire da fibre ottiche contraddistinte da variazioni negli indici di riflessione. I reticoli consentono di studiare le variazioni di propagazione della luce per fornire misure di peso, strizione, allungamento, etc. e costituiscono uno strumento di misura ottimo quando le esigenze di spazio sono al minimo.

Sensori in fibra ottica

Le fibre ottiche sono delle guide d'onda formate da due strati di materiale vetroso (silica) detti core e cladding. L’indice di rifrazione dei due materiali differisce di poco a favore del core che è lo strato più interno. I diametri tipici per le fibre ottiche monomodali dei due strati sono 8-9 µm per il core e 125 µm per il cladding. Tale scelta permette alla luce, che si propaga in fibra, di rimanere confinata all'interno del core e di non subire grosse perdite grazie al fenomeno di riflessione interna totale. Se si vuole realizzare un sensore a partire da una fibra ottica, è necessario far interagire la luce iniettata nel core con il mondo esterno.

Esempio di un semplice sensore in fibra

Un modo semplice per realizzare un sensore consiste nel prendere una fibra e tagliarla in maniera trasversale. Si ottiene così una interfaccia col mezzo esterno come mostrato in Figura 1. In questo modo si crea una interfaccia tra il core e il mezzo esterno che riflette indietro parte della potenza luminosa emessa.

Figura 1: Semplice sensore in fibra.

Figura 1: Semplice sensore in fibra. Schema sezione trasversale di una fibra ottica

Il coefficiente di riflessione è dato da:

Sfruttando questo fenomeno si può utilizzare la sezione trasversale in fibra come sensore chimico. Ad esempio, si può pensare di immergere il dispositivo in ambiente acquoso e monitorare la potenza riflessa, essa dipenderà da next (indice di rifrazione esterno), e pertanto è possibile tenere traccia della presenza o meno di un inquinante (che comporta un aumento dell’indice di rifrazione esterno).

Figura 2: Sensore in fibra con overlay.

Figura 2: Sensore in fibra con overlay

È possibile aumentare la sensibilità del sensore aggiungendo all'interfaccia uno strato di lunghezza di materiale particolarmente sensibile alla presenza di inquinanti, più noto anche come overlay (vedi Figura 2). Si vanno così a creare due interfacce: (i) fibra - overlay, e (ii) overlay - mezzo esterno. Analizzando quello che è lo spettro riflesso, ovvero la potenza ottica riflessa in funzione della lunghezza d’onda, si osserva la presenza di un andamento di una struttura a doppio specchio mostrato in Figura 3. In altre parole, un'onda con periodo ∆λ che dipende sia dall'indice di rifrazione dell’overlay nd e sia dal suo spessore d (∆λ = f(nd,d)). Quindi un overlay che a contatto con l’inquinante è in grado di modificare le sue proprietà in termini di spessore e di indice di rifrazione consentendo di monitorare la concentrazione di inquinante stesso all'interno del mezzo esterno. Tale esempio è molto importante perché permette di introdurre un monitoraggio basato sulle variazioni di lunghezza d’onda che si presenta come metodo sufficientemente robusto a presenze di attenuazioni.

Figura 3: Spettro potenza riflessa.

Figura 3: Spettro potenza riflessa

Modi di propagazione in fibra

Prima di introdurre le strutture reticolari è bene accennare brevemente a cosa si intende per modi di propagazione: particolari configurazioni di campo all'interno di una comunicazione su guida d'onda, ottenute risolvendo le equazioni di Maxwell in cui si impongono condizioni al contorno. Un primo modo si ottiene imponendo che il campo soddisfi determinante condizioni per il core, determinate condizioni per il cladding e che il passaggio del campo da core a cladding sia continuo. Si ottengono analogamente i modi di cladding imponendo la continuità dei campi tra cladding e mezzo esterno.

È possibile distinguere il modo di core dai diversi modi di cladding attraverso delle quantità che caratterizzano totalmente un determinato modo, dette anche costanti di propagazione: un indice di velocità di propagazione. Tali costanti sono strettamente collegate con altre, più note come indici di rifrazione efficace, che similmente agli indici di rifrazione indicano la quantità di luce rifratta nella fibra ma, a differenza dei primi, non assumono alcun significato fisico. Da qui, si può dimostrare che l’indice di rifrazione efficace del modo di core è un valore compreso tra l’indice di rifrazione del cladding e l’indice di rifrazione di core, mentre gli indici di rifrazione efficaci dei modi di cladding sono tutti compresi tra l’indice di rifrazione del mezzo esterno e l’indice di rifrazione del cladding. I modi sono contraddistinti anche da direzione di propagazione, indicati semplicemente dal segno della costante di propagazione. Si definiscono così forwards-modes, i modi propaganti con β > 0, mentre si definiscono backwards-modes, i modi contropropaganti con β < 0.

Strutture reticolari

Per realizzare un'accoppiamento modale della luce, che si propaga all'interno di una fibra, è necessario che essa incontri una discontinuità nel suo percorso, come già precedentemente accennato nel caso di un semplice sensore. Quindi il campo che si propaga nel core subisce una modifica ogni qualvolta incontra un’interfaccia con un mezzo diverso dal core stesso.

Le strutture reticolari sfruttano tale principio realizzando all'interno del core delle perturbazioni periodiche dell’indice di rifrazione. I parametri che caratterizzano un reticolo sono la sua estensione longitudinale L e il periodo Λ della modulazione impressa, come rappresentato in Figura 4. Generalmente è difficile diminuire l’indice di rifrazione del core e quindi in realtà si innalza l’indice di rifrazione delle zone oscurate.

Figura 4: Esempio di struttura reticolare.

Figura 4: Esempio di struttura reticolare

Alcuni cenni storici

Alla fine degli anni 70 un gruppo di ricercatori canadesi stava irradiando una fibra ottica con un laser agli ioni di Argon, che lavorava alla lunghezza d’onda di 488 nm e mantenendo la radiazione luminosa a livelli molto intensi per determinati lassi di tempo. Monitorando la potenza riflessa, si osservò che vi era un picco di ampiezza ad una determinata lunghezza d’onda nello spettro di riflessione. Per motivare tale esperimento si introdusse il concetto di fotosensibilità, un fenomeno non lineare che descrive la propagazione dei modi di campo in fibra. In tale esperimento il core, realizzato in silica, era stato drogato con atomi di germanio che permette di incrementare l’indice di rifrazione rispetto alla silica classica. Il fenomeno non lineare della fotosensibilità consiste nell'assorbimento della radiazione luminosa da parte della silica drogata col germanio. Ciò comporta un innalzamento locale e periodico dell’indice di rifrazione in maniera permanente.

Sperimentalmente tale fenomeno poteva verificarsi soltanto se all'intersezione di due fasci e, poiché la luce era iniettata solo da un lato, l’interferenza avveniva tra il raggio luminoso iniettato ed il raggio luminoso riflesso dall'estremità. Esistevano praticamente delle regioni nella fibra dove i fasci risultavano in fase e quindi interferivano in maniera costruttiva e riuscivano così ad aumentare l’indice di rifrazione. Nelle zone restanti, ciò non accadeva e l’indice di rifrazione rimaneva inalterato. Tale fenomeno consentiva di creare una struttura reticolare dal momento che l’indice di rifrazione del core era modificato in maniera periodica. Quindi, questa prima tipologia di reticoli, era contraddistinta da uno spettro come quello di Figura 5, in cui andando a diagrammare la riflettanza in funzione della lunghezza d’onda si ha un picco ad una certa lunghezza d’onda λ1 mentre la parte restante veniva trasmessa dalla fibra.

Figura 5: Spettro della potenza riflessa.

Figura 5: Spettro della potenza riflessa

Questa prima tipologia di reticoli non trovava impiego nel campo delle telecomunicazioni in quanto le lunghezze d’onda con cui si operava erano al di fuori dello spettro del visibile. La tipologia era contraddistinta da una grossa limitazione nell'impossibilità di variare il periodo della modulazione di lunghezza d’onda perché analoga alla periodicità dell’onda elettromagnetica iniettata in fibra.

Figura 8: Metodo di scrittura laterale.

Figura 6: Metodo di scrittura laterale

Il primo step fondamentale che permise di ovviare a tale problema fu il metodo di scrittura laterale. Come mostrato in Figura 6, il metodo fa in modo che la radiazione ultravioletta non incida direttamente sul core ma passi attraverso il cladding, trasparente a tale lunghezza d’onda. Il meccanismo prevede l’utilizzo di uno strumento chiamato beam splitter, in grado di indirizzare il fascio incidente in due diversi percorsi. I due fasci, grazie all'utilizzo di specchi riflettenti azionati meccanicamente, interferivano tra loro nel core con un certo angolo θi e andavano a scrivere il reticolo in fibra. Variando meccanicamente l’orientazione degli specchi si era in grado di modificare il periodo del reticolo. In tal modo, era possibile creare strutture reticolari che permettevano di operare a lunghezze d’onda diverse, utili quindi anche nell'ambito delle telecomunicazioni.

Agli inizi degli anni novanta si introduce un ulteriore tipo di scrittura che si basa sull'utilizzo di maschere di fase (in maniera simile a quanto avviene con la fabbricazione dei circuiti integrati). Una maschera di fase è una lastra di biossido di silicio (SiO2) che presenta una doppia faccia. Un profilo risulta piatto mentre quello opposto è strutturato come un’onda quadra come mostrato in Figura 7.

Figura 7: Maschere di fase.

Figura 7: Maschere di fase

[...]

ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 2484 parole ed è riservato agli ABBONATI. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici che potrai leggere in formato PDF per un anno. ABBONATI ORA, è semplice e sicuro.

Scarica subito una copia gratis

Scrivi un commento

Seguici anche sul tuo Social Network preferito!

Send this to a friend