“Long Period Fiber Optic Gratings Realized by Electric Arc Discharge and Laser: Sensibility according to the Diameter of the Fiber"

1. Università degli Studi del
Sannio
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni
Tesi di Laurea in Optoelettronica
Caratterizzazione Spettrale di
Reticoli a Passo Lungo
realizzati con tecnica Laser e
Scarica ad Arco
Relatore: Prof. Andrea Cusano
Correlatore: Ing. Agostino Iadicicco Candidato:
Fabio G. Caso 196/81

2. Indice
Obiettivi e Motivazioni
Descrizione e applicazioni dei un reticoli in fibra a passo lungo standard
Nuovi reticoli a passo lungo realizzati con “Scarica ad Arco”
Setup –riduzione del diametro
– optoelettronico
Caratterizzazione di un Reticolo standard e a Scarica ad Arco in funzione
del diametro della fibra
Conclusioni

3. Obiettivi
 Studio di nuovi tipi di reticoli a passo lungo
realizzati mediante “Scarica ad Arco”
 Analisi della sensibilità all’indice di rifrazione
del mezzo esterno in funzione del diametro
della fibra
• Reticoli standard
• Reticoli realizzati mediante “Scarica ad Arco”

4. Motivazioni
I reticoli standard in fibra a periodo lungo (LPG) hanno
avuto grande successo nel campo delle TLC e della
sensoristica per le loro proprietà spettrali
la riduzione del diametro della fibra porta ad un aumento
della sensibilità all’indice di rifrazione sterno alla fibra
I reticoli realizzati con “Electric Arc Discharge”
presentano:
- Costi minori
- Maggiore flessibilità
- Semplicità realizzativa
In questo lavoro l’attenzione è focalizzata
sull’effetto del diametro della fibra su questi nuovi
tipi di reticoli

5. Reticolo a Periodo Lungo (LPG)
Un LPG standard consiste in una modulazione periodica dell’indice di
rifrazione del core della fibra. 0
Causa un accoppiamento di potenza tra il modo
fondamentale LP01 e i modi di cladding LP0m
-5
Trasmittivity[dB]
Forma delle bande di attenuazione in -10
corrispondenza della condizione di phase matching: -15
-20
-25
1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700
Wavelength [nm]
La posizione spettrale
della bande di
attenuazione è dipendente
dalle condizioni
ambientali: strain,
temperatura e SRI

6. Possibili Applicazioni
Telecomunicazioni  Sensori
 Filtri accordabili per sistemi WDM  Strain
(Wavelength Division Multiplexing )  Temperatura
 Filtri flatteningAmplificatori EDFAs(Erbium  Bending
Doped Fiber Amplifier)  Indice di rifrazione (SRI)
Fabbricazione di LPG Standard
Il metodo standard di fabbricazione degli
LPG prevede l’utilizzo di un Laser UV.
Una lente focalizza il raggio del laser su
una zona della fibra.
Una maschera di fase crea una
modulazione periodica, proteggendo
periodicamente un determinato periodo
(Λ) della fibra.
Monitoraggio Real-Time con Sorgente e
Optical Spectrum Analyser (OSA).

7. Nuova Tecnica di fabbricazione degli LPG:
“Electric Arc Discharge”
Deformazioni geometrica della fibra
ottenuta mediante “Scarica ad Arco”
 (3) Translation stage: Carrello mobile con
nanoprecisione (Λ)
 (4) Elettrodi: attivano una scarica elettrica
 (6) Weight: fissa la fibra e la tiene tesa a strain
costante
Differenza con la tecnica a radiazione
UV:
Non utilizza la proprietà
di fotosensibilità Non ha bisogno di costose
maschere di fase Evita il processo di annealing
per stabilizzare il reticolo

8. Reticoli “Electric Arc-Induced”
Particolare di un Reticolo costruito mediante tecnica Arc Induced
Parametri Standard: Spettro di un Generico LPG “ Arc Induced”
Con Λ = 755 μm, L = 20 mm
Periodo Λ = da 400-800 μm 0
Lunghezza L = da 10 a 40 mm -5
Tempo di arc discharge Τ= 400ms -10
Arc Current = 9-15mA
Trasmittivity[dB]
-15
-20
-25
Reticolo Fornito dal: -30
Centro di ricerca di Fotonica,
Dipartimentoe d'ingegneria, 1450 1500 1550
Wavelength[nm]
1600
Università del Québec, Canada

9. Setup per la Riduzione del Diametro
La Riduzione del diametro è stata effettuata mediante Bassa concentrazione
Attacco Chimico in Acido Fluoridrico (HF) al 12%. per avere un maggiore
controllo del processo
 Confinare l’effetto dell’acido
Progetto  Limitare le variazioni dovute
allo strain
Setup optoelettronico
 Analizzatore di
spettro ottico (OSA)
L’HOLDER è stato costruito presso il Sorgente di Luce
laboratorio di optoelettronica Bianca
dell’Università degli Studi del Sannio

10. Spettro Originale Reticolo realizzato
con “Scarica ad Arco”
E’ stato utilizzato un reticolo realizzato con una tecnica con scarica ad Arco in
fibra SMF-28 con diametro di 125μm e periodo di Λ=755µm che mostrano la
seguente risposta spettrale in aria.
0
Analisi al microscopio ottico per la
-5 stima dei diametri
-10
Trasmittivity[dB]
-15
-20
-25
-30
-35
1400 1450 1500 1550 1600 1650
Wavelength [nm]

11. Analisi del reticolo imperturbato
1 dλres
Sensibilità
Variazione massima in λres dSRI
lunghezza d’onda
Max sensibilità (SRI=1.45):
4.8 nm
0
Delta La bda B ricen le
m a tra 0.12
-0.5 S n itiv
e s ity
0 6
.1
-1
0 4
.1
avelenght [nm]
-1.5
0 2
.1
-2
e s ity
0.1
S n itiv
-2.5
-3 0 8
.0
W
-3.5 0 6
.0
-4
0 4
.0
-4.5
0 2
.0
-5
1 1 5
.0 1.1 1 5
.1 1.2 1 5
.2 1.3 1 5
.3 1.4 1 5
.4 1.5
0
S I
R 1 1.1 1.2 13
. 1.4 1.5
S I
R
dλ res
= λ res ⋅ γ ⋅ ΓSRI um = m-esima radice della funzione
dn SRI di Bessel del primo tipo di ordine zero
rcl ,ncl= raggio e indice di rifrazione del cladding
nSRI = indice di rifrazione del mezzo esterno
u m λ3 nSRI
2
dove ΓSRI = − res
3
γ= fattore di sensitività generale
8πrcl ncl (nco − ncl ,m )(ncl − nSRI )
3 eff eff 2 2 2

12. Primo Attacco Chimico (30 minuti):
Le bande di attenuazione Bare 30 minuti
si muovono verso (nm) Etching(nm)
lunghezze d’onda
maggiori wavelength 1540 1551
(~11)
Zona Zona
Perturbata Imperturbata
Riduzione 5,1 μm 6,2μm
diametro:
0
1552
-5
1550
transmission [dB] -10
ittivity[dB]
1548
-15
1546
rasm
-20
1544
T
-25
1542
1540
-30
0 5 10 15 20 25 30
W v gh m
a ele t[n ]
-35
1500 1520 1540 1560 1580 1600

13. Confronto con il reticolo originale
Max sensibilità (SRI=1.45):
Max Spostamento in Lunghezza d’onda Bare = 0.12
Bare = 4.8 nm Dopo 30 minuti etching = 0.16
Dopo 30 minuti etching = 6.8 nm
Sensitivity
Delta Lambda Baricentrale 0.2
0
-1
0.15
-2
Wavelenght Shift [nm]
Sensitivity
-3
0.1
-4
-5 0.05
-6
0
-7 1.34 1.36 1.38 1.4 1.42 1.44 1.46
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5
SRI
SRI

14. Successivi Attacchi in Acido HF
1 5
2
z n im e rb ta
o a p rtu a
G tin D m te [m ro ]
ra g ia e r ic n
1 0
2 z n p rtu a
o a e rb ta
Spostamento delle Lunghezze 1 5
1
d’onda centrali e Variazione 1 0
1
della Trasmittività al variare del 1 5
0
tempo di Etching con SRI=1
1 0
0
1600 95
0 20 40 6 0 80
E h g T e [m u s
tc in im in te ]
Wavelength[nm]
1580 0
1560 -5
1540 -10
0 20 40 60 80 100 transmission [dB]
-15
0
-20
-10
Trasmittivity [dB]
-20 -25 Bare
30 minuti
-30 -30 60 minuti
90 minuti
-40 -35
0 20 40 60 80 100 1500 1520 1540 1560 1580 1600
Etching Time [minutes] Wavelength [nm]

15. Lambda Baricentrale
Delta Lambda Baricentrale Modo LP03
0
-2
Andamento della lunghezza d’onda
centrale in funzione dell’indice di
avelenght [nm]
-4 rifrazione del mezzo esterno e per
bare
30 min Etch diversi valori del diametro della fibra
-6 60 min Etch
W
90 min Etch
-8
-10
1 1.1 1.2 1.3 1.4
SRI
Sensitivity -LP03
0.35
0.3
bare
Durante il processo di etching si
30 min Etch
osserva che:
0.25 60 min Etch
La sensibilità ha un punto di
massimo per il 60°esimo minuto di
0.2 90 min Etch
Sensitivity
0.15
etching pari a 0.3 per SRI=1.45
0.1
0.05
0
1.34 1.36 1.38 1.4 1.42 1.44

16. -4
Analisi della Sensibilità
x 10
7
SRI=1
6.5
6 Dopo 60 minuti di etching si ha un
5.5 aumento della sensibilità di un fattore
Sensitivity
5 2 per SRI=1.45
4.5 1.75 per SRI=1.33
4
1.7 per SRI=1
3.5
3
0 20 40 60 80 100
x 10
-3 Etching Time [minutes]
7 0.3
SRI=1.33 SRI=1.45
6.5
0.25
6
Sensitivity
Sensitivity
5.5
0.2
5
4.5
0.15
4
3.5 0.1
0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100
Etch Tim [m u
ing e in tes] Etching Time [minutes]

17. Reticolo Standard: effetto della riduzione del diametro
CARATTERIZZAZIONE IN SRI:
Al diminuire del diametro della fibra si ha
uno spostamento maggiore delle bande
di attenuazione in funzione dell’SRI.
Spettro del Reticolo Standard w velength shift LP
a
06
In Funzione dei vari step di Etching
avelength Shift (nm)
-10
-20
0 D L=125 m
C
icron
-30
D L=123.7 m
C
icron
D L=121.4 m icron
-40 C
D L=119.7 m
C
icron
-5 -50 D L=117 m
C
icron
W
D L=112.9 m
C
icron
-60 D L=110.8 m
C
icron
Transmission [dB]
D L=108.2 m
C
icron
-10 -70 D L=103.8 m
C
icron
1.34 1.36 1.38 1.4 1.42 1.44 1.46
SRI
LP
LP 06
-15 04 w velength shift LP
a
0 05
avelength Shift (nm)
bare D = 125µm -2
-20 CL
20 min D = 121.4µm
CL
LP 50 min DCL= 117.0µm -4
05
80 min DCL= 110.8µm D L=125 m
C
icron
-6 D L=123.7 m icron
-25 C
D L=121.4 m icron
1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 C
-8 D L=119.7 m icron
Wavelength [nm] C
D L=117 m icron
W
C
-10 D L=112.9 m
C
icron
D L=110.8 m
C
icron
Periodo Λ = 360 μm
Wavelength [nm] -12 D L=108.2 m
C
D L=103.8 m
icron
icron
C
-14
1.34 1.36 1.38 1.4 1.42 1.44 1.46
SRI

18. -3
x 10
Confronti di sensibilità
5
LP
06
LP sensitivity per SRI=1
05
4 LP
04
La sensibilità:
3
sensitivity
 Aumenta con l’ordine del modo
2
 Aumenta in maniera monotona al
1 diminuire del diametro della fibra
0
0 20 40 60 80 100 120
etching time (minuti)
0.06 1.4
LP LP
06 sensitivity per SRI=1.33 06
LP 1.2 LP sensitivity in SRI=1.44
0.05 05 05
LP LP
04 04
1
0.04
sensitivity
sensitivity
0.8
0.03
0.6
0.02
0.4
0.01 0.2
0 0
0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120
etching time (minuti) etching time (minuti)

19. Confronto tra due tipi di reticoli
Per entrambi i reticoli la sensibilità al SRI:
• E’ massima per SRI prossimi a quelli della fibra
Differenze tra i due reticoli
Reticolo Standard Reticolo realizzato con Scarica
(laser UV) ad Arco
La sensibilità aumenta in maniera La sensibilità non presenta un
monotona con la riduzione del diametro andamento monotono con la riduzione
per tutti i modi del diametro della fibra
1.4
LP UV-Laser
06
1.2 LP UV-Laser SRI=1.44
05
LP UV-Laser
04
1
La sensibilità dei reticoli realizzati LP
02
Arc Induced
sensitivity
con Scarica ad Arco sembra 0.8
essere maggiore dei reticoli 0.6
standard realizzati con UV-Laser 0.4
0.2
0
0 20 40 60 80 100 120
etching time (minuti)

20. Conclusioni
 È stata proposta un’ analisi sperimentale delle
caratteristiche di un reticolo a passo lungo,
costruito con una nuova tecnica a “Scarica ad
Arco”, in funzione della variazione del diametro
della fibra e confrontata con un reticolo standard.
 La riduzione del diametro è stata ottenuta
mediante una tecnica a basso costo basata su
attacco chimico in acido HF
 I risultati ottenuti mostrano un aumento di
sensibilità in funzione al diminuire del diametro
della fibra per entrambi i reticoli.
 Dal confronto dei risultati dei due reticoli si rivela
che vi sono delle differenze che sono attualmente
oggetto di studio.