ITTO981063A1

ITTO981063A1 - Dispositivo a reticolo di bragg in fibra ottica con compensazionepassiva della temperatura.

Info

Publication number: ITTO981063A1
Application number: IT1998TO001063A
Authority: IT
Inventors: Luigi Tallone; Laura Boschis; Oriana Rossotto
Original assignee: Cselt Ct Studi E Lab T
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2000-06-21
Also published as: ITTO981063A0; EP1014123A3; JP2000187123A; CA2291700A1; EP1014123A2; IT1305113B1

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"Dispositivo a reticolo di Bragg in fibra ottica con compensazione passiva della temperatura"

La presente invenzione si riferisce ai componenti in guida d'onda ottica, e più in particolare riguarda un dispositivo a reticolo di Bragg in fibra ottica reso insensibile alla temperatura in modo passivo.

Sono diventati di interesse per applicazioni nella sensoristica e nelle telecomunicazioni ottiche reticoli di Bragg in fibra ottica a passo lungo, in cui un modo guidato nel nucleo della fibra è accoppiato con modi che si propagano nel mantello. Nelle telecomunicazioni ottiche i reticoli a passo lungo sono usati per esempio in filtri elimina banda o equalizzatori di guadagno per amplificatori ottici. A differenza dei reticoli a passo corto, essi non riflettono all'indietro la lunghezza d'onda di risonanza.

I reticoli a passo lungo convenzionali hanno passo dell'ordine di qualche centinaio di micrometri e accoppiano il modo guidato dal nucleo con i primi modi del mantello. Questi reticoli però sono fortemente sensibili alla temperatura e, al variare della temperatura, presentano spostamenti dei picchi dello spettro anche superiori a 0,1 nm °C<-1>: pertanto il loro uso, in applicazioni in cui non si sfrutti proprio questa sensibilità, può dare orìgine a problemi, a meno di adottare tecniche di compensazione attiva della temperatura o schemi di montaggio particolari, che sono indesiderabili per ragioni di costo, ingombro e affidabilità.

Sono stati proposti anche reticoli a passo lungo con passo dell'ordine di qualche decina di micrometri (tipicamente 30 - 40 μηη) che accoppiano il modo guidato dal nucleo con i modi elevati del mantello e che hanno dipendenza dalla temperatura molto minore (tipicamente, un ordine di grandezza inferiore rispetto agli altri). Un esempio di questi reticoli è descritto nell'articolo "Temperature-insensitive and straininsensitive long period grating sensors for smart structures", di V. Bhatia e altri, Optical Engineering, Voi. 36, N. 7, Luglio 1997, pagg. 1872 e segg. Tuttavia per certe applicazioni, quali l'equalizzazione del guadagno di amplificatori, la sensibilità alla temperatura è ancora troppo elevata.

Nel documento "Temperature-insensitive long-period fiber gratings" di,J. B. Judkins e altri, presentato alla conferenza OFC '96, , San Jose (California, USA) 25 Febbraio - 1 Marzo 1996, documento PD1, si descrivono reticoli in fibra a passo lungo in cui la sensibilità alla temperatura è praticamente eliminata grazie all'impiego di fibre con un particolare profilo dell'indice di rifrazione. L'uso di fibre speciali rende chiaramente i dispositivi più costosi e origina perdite di accoppiamento con le linee in fibra ottica convenzionali.

Secondo la presente invenzione si fornisce invece un dispositivo a reticolo, in cui si impiega un reticolo con passo tale da dare origine ad accoppiamento tra un modo guidato nel nucleo della fibra e i modi elevati del mantello e in cui si elimina la dipendenza dalla temperatura senza bisogno dì ricorrere a fibre ad hoc.

Il termine "fibra ottica convenzionale per telecomunicazioni" indica, come noto, una fibra ottica monomodo, con profilo a gradino dell'indice di rifrazione, realizzata in silice drogata con germanio e ottimizzata per la trasmissione di segnali a lunghezza d'onda compresa nella cosiddetta seconda finestra di trasmissione (nell'intorno di 1300 nm).

L'invenzione sfrutta la elevata sensibilità di questi reticoli alle sollecitazioni di trazione, e in particolare il fatto che l'effetto di queste sollecitazioni è opposto a quello della temperatura, nel senso che l'applicazione di una trazione provoca lo spostamento dei picchi dello spettro del reticolo verso le lunghezze d'onda inferiori mentre un aumento della temperatura provoca uno spostamento verso le lunghezze d'onda superiori.

Pertanto, secondo l'invenzione si fornisce un dispositivo a reticolo di Bragg a passo lungo, comprendente un reticolo in fibra ottica per telecomunicazioni e un elemento di supporto a cui il reticolo è reso solidale, in cui detto elemento di supporto è un elemento di un materiale il cui coefficiente di dilatazione termica è tale da compensare lo spostamento del picco dovuto a variazioni di temperatura in un intervallo di temperature di lavoro del reticolo stesso.

La scelta del materiale del supporto è legata al tipo di fibra utilizzato e deve ovviamente tener conto delle caratteristiche di deformazione della fibra per effetto delle sollecitazioni di trazione dovute alla dilatazione termica del supporto. E' vantaggioso utilizzare reticoli realizzati in fibre convenzionali in silice (eventualmente idrogenata per esaltarne la fotosensibilità), che non danno origine a perdite di accoppiamento con le linee di trasmissione di un sistema, anch’esse realizzate in fibre in silice. In questi reticoli, considerando a titolo di esempio un passo di 40 pm, il coefficiente δt di spostamento dei picchi dello spettro per effetto di variazioni della temperatura è δt = 0,004 nm °C<-1 >e il coefficiente δS di spostamento dei picchi per effetto di una trazione è 6S w - 0,02857 nm g<-1>. In questo caso, materiali adatti per l’elemento di supporto sono i vetri borosilicati ad alto tenore di silice, quali i vetri del tipo noto in commercio come pyrex ®, che hanno un coefficiente di dilatazione termica dell'ordine di δ,δ10<-6 >°C<-1>. Il segno per δS indica che lo spostamento per effetto della trazione è opposto a quello dovuto alla temperatura: in particolare, al crescere della temperatura i picchi si spostano verso lunghezze d'onda superiori e al crescere della trazione verso lunghezze d'onda inferiori. Questi vetri presentano anche il pregio di un prezzo molto basso.

In generale, detta F la forza di trazione da applicare per compensare una variazione di temperatura At, dovrà essere Fδ8 = δ,Δί. D’altra parte, indicando con α il coefficiente di dilatazione termica del supporto, E il modulo di Young della fibra, A l'area della sezione della fibra, si ha anche che F = a At A E (trascurando eventuali fattori di proporzionalità legati alle unità di misura adottate). Quindi si dovrà scegliere per l'elemento di supporto un materiale con coefficiente di dilatazione termica a tale che

Va anche ricordato che 3⁄4 è funzione del passo del reticolo: tenuto conto che può non essere disponibile un materiale il cui coefficiente di dilatazione termica α soddisfi esattamente la (1), è sempre possibile scegliere un passo del reticolo tale che il valore di 5, consenta di soddisfare la (1), una volta individuato un materiale con coefficiente di dilatazione termica soddisfacente. La posizione dei picchi delio spettro, che dipende dal passo e dal diametro complessivo della fibra stessa (nucleo più mantello), può poi essere regolata sottoponendo la fibra a un attacco chimico così da ritoccare il diametro, come è prassi usuale durante la scrittura di reticoli a passo lungo.

Va ancora notato che la (1) considera che le variazioni di δs al variare del passo del reticolo siano trascurabili rispetto a quelle di δt e non tiene conto della dilatazione termica della fibra (che a sua volta è di circa un ordine di grandezza inferiore a quella dei vetri pyrex ®). Si può tener conto di questo secondo fattore aggiungendo un opportuno termine correttivo nella (1).

Va anche precisato che la presenza di un elemento di supporto a cui va fissato il reticolo non rappresenta una complicazione aggiuntiva, perché il fissaggio su un supporto è in ogni caso richiesto all'atto del montaggio del reticolo in un modulo.

Il reticolo è fissato al supporto per esempio incollandolo alle sue estremità. La colla deve essere una colla rigida, tale da resistere alle sollecitazioni indotte sulla fibra per effetto della dilatazione/contrazione della fibra e del supporto. Una colla che si è dimostrata adatta è il "collante per fibre ceramiche" prodotto e commercializzato con questa dicitura dalla ditta Dual Phoenix di Brescia.

Il reticolo, se fissato al supporto a temperatura ambiente, dovrà essere sottoposto a una certa presollecitazione, in modo tale da poter assorbire anche contrazioni del supporto per effetto di un abbassamento di temperatura. Una presollecitazione di pochi grammi sarà sufficiente.

A maggior chiarimento si fa riferimento ai disegni allegati, in cui:

- le figure 1 e 2 sono viste schematiche del dispositivo, rispettivamente in prospettiva e di estremità, e

- le fig. 3 e 4 sono grafici che mettono a confronto le prestazioni del dispositivo secondo l'invenzione con quelle di un reticolo isolato.

Nelle figure 1 e 2 si è indicato nel suo complesso con 1 lo spezzone di fibra ottica monomodo in cui è stato scritto il reticolo 2 (indicato dal tratteggio in fig. 1), e con 1A e 1 B sono indicati il mantello e il nucleo della fibra 1. Questa è incollata su una piastrina 3 di un vetro borosilicato ad alto tenore di silice, in particolare un vetro del tipo noto in commercio come pyrex ®. Con 4 si è indicato il collante.

Nelle figure 3 e 4 si è rappresentato lo spettro di un reticolo a passo lungo, del tipo descritto nell'articolo citato di V: Bhatia e altri, usato in modo convenzionale (cioè non fissato a un supporto di pyrex ®) e lo spettro dello stesso reticolo montato sul supporto di pyrex ®. Per entrambi i reticoli lo spettro è quello ottenuto con un passo di 40 μπι ed è rappresentato a una temperatura di 20°C (linea continua) e a una temperatura 100°C (linea a tratti). I grafici sono ottenuti dai dati sperimentali. Si vede che l'invenzione consente effettivamente di rendere il reticolo praticamente insensibile alla temperatura. La fig. 4 mostra che con l'uso di un vetro pyrex ® la compensazione dello spostamento dovuto all'aumento di temperatura da 20 a 100°C è stata leggermente eccessiva e lo spettro a 100°C è leggermente spostato verso le lunghezze d’onda inferiori rispetto a quello a 20. Con una lieve riduzione del passo è possibile ottenere una sovrapposizione praticamente perfetta.

E' evidente che quanto descritto è dato unicamente a titolo di- esempio non limitativo e che varianti e modifiche possono essere apportate senza uscire dal campo di protezione dell'invenzione.

Claims

Rivendicazioni 1 . Dispositivo a reticolo di Bragg in fibra ottica, comprendente uno spezzone di fibra ottica monomodo (1), che porta un reticolo (2) del tipo in cui il modo guidato oal nucleo (1 A) si accoppia con i modi di ordine elevato del mantello (1 B), e un supporto (3) su cui lo spezzone di fibra (1) è fissato, caratterizzato dal fatto che il supporto è un elemento di un materiale (3) con coefficiente di dilatazione termica tale da indurre nel reticolo (2), in presenza di variazioni delia temperatura deH'ambìente in cui il dispositivo lavora rispetto a una temperatura ottimale, sollecitazioni di trazione tali da compensare sostanzialmente lo spostamento dei picchi dello spettro del reticolo dovute a tali variazioni di temperatura.
2. Dispositivo secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che la fibra è una fibra in silice e detto supporto è una lastrina di un vetro borosilicato ad alto tenore di silice.
3. Dispositivo secondo la riv. 2, caratterizzato dal fatto che detto supporto è una lastrina di un vetro pyrex ®.
4. Dispositivo secondo le rivendicazioni 1 - 3, caratterizzato dal fatto che detto spezzone di fibra (1) è fissato sul supporto in modo tale che, a detta temperatura ottimale, esso sia sottoposto a una pretensione.