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

2. IndiceIndice
Obiettivi e MotivazioniObiettivi e Motivazioni
Descrizione e applicazioni dei un reticoli in fibra a passo lungo standardDescrizione e applicazioni dei un reticoli in fibra a passo lungo standard
Nuovi reticoli a passo lungo realizzati con “Scarica ad Arco”Nuovi reticoli a passo lungo realizzati con “Scarica ad Arco”
Setup –riduzione del diametroSetup –riduzione del diametro
–– optoelettronicooptoelettronico
Caratterizzazione di un Reticolo standard e a Scarica ad Arco in funzioneCaratterizzazione di un Reticolo standard e a Scarica ad Arco in funzione
del diametro della fibradel diametro della fibra
ConclusioniConclusioni

3. ObiettiviObiettivi
 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. MotivazioniMotivazioni
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
In questo lavoro l’attenzione è focalizzata
sull’effetto del diametro della fibra su questi nuovi
tipi di reticoli
- Costi minori
- Maggiore flessibilità
- Semplicità realizzativa
I reticoli realizzati con “Electric Arc Discharge”
presentano:
la riduzione del diametro della fibra porta ad un aumento
della sensibilità all’indice di rifrazione sterno alla fibra

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

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

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

8. Particolare di un Reticolo costruito mediante tecnica Arc Induced
Reticoli “Electric Arc-Induced”Reticoli “Electric Arc-Induced”
Parametri Standard:Parametri Standard:
Periodo Λ = da 400-800Periodo Λ = da 400-800 μμmm
Lunghezza L = da 10 a 40 mmLunghezza L = da 10 a 40 mm
Tempo diTempo di arc dischargearc discharge ΤΤ== 400ms400ms
Arc Current = 9-15mAArc Current = 9-15mA
Spettro di un Generico LPG “ Arc Induced”Spettro di un Generico LPG “ Arc Induced”
ConCon Λ = 755Λ = 755 μμm, L = 20 mmm, L = 20 mm
1450 1500 1550 1600
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Wavelength[nm]
Trasmittivity[dB]
Reticolo Fornito dal:Reticolo Fornito dal:
Centro di ricerca di Fotonica,Centro di ricerca di Fotonica,
Dipartimentoe d'ingegneria,Dipartimentoe d'ingegneria,
Università del Québec, CanadaUniversità del Québec, Canada

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

10. Spettro Originale Reticolo realizzatoSpettro Originale Reticolo realizzato
con “Scarica ad Arco”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.
Analisi al microscopio ottico per la
stima dei diametri
1400 1450 1500 1550 1600 1650
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Wavelength [nm]
Trasmittivity[dB]

11. Analisi del reticolo imperturbatoAnalisi del reticolo imperturbato
Variazione massima inVariazione massima in
lunghezza d’ondalunghezza d’onda
4.8 nm4.8 nm
SensibilitàSensibilità
Max sensibilità (SRI=1.45):Max sensibilità (SRI=1.45):
0.120.12
dSRI
d res
res
λ
λ
1
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5
-5
-4.5
-4
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
DeltaLambdaBaricentrale
SRI
Wavelenght[nm]
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
Sensitivity
SRI
Sensitivity
SRIres
SRI
res
Γγλ
dn
dλ
⋅⋅=
dove 2
3
22
,
3
32
))((8 SRIcl
eff
mcl
eff
coclcl
SRIresm
SRI
nnnnnr
nu
−−
−=Γ
π
λ
um = m-esima radice della funzione
di Bessel del primo tipo di ordine zero
rcl ,ncl= raggio e indice di rifrazione del cladding
nSRI = indice di rifrazione del mezzo esterno
γ= fattore di sensitività generale

12. Primo Attacco Chimico (30 minuti):Primo Attacco Chimico (30 minuti):
Le bande di attenuazioneLe bande di attenuazione
si muovono versosi muovono verso
lunghezze d’ondalunghezze d’onda
maggiorimaggiori
ZonaZona
PerturbataPerturbata
ZonaZona
ImperturbataImperturbata
RiduzioneRiduzione
diametro:diametro:
5,15,1 μμmm 6,26,2μμmm
BareBare
(nm)(nm)
3030 minutiminuti
Etching(nm)Etching(nm)
wavelengthwavelength
((~~11)11)
15401540 15511551
0 5 10 15 20 25 30
1540
1542
1544
1546
1548
1550
1552
Waveleght[nm]
Trasmittivity[dB]
1500 1520 1540 1560 1580 1600
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
transmission[dB]

13. Confronto con il reticolo originaleConfronto con il reticolo originale
Max sensibilità (SRI=1.45):Max sensibilità (SRI=1.45):
Bare = 0.12Bare = 0.12
Dopo 30 minuti etching =Dopo 30 minuti etching = 0.160.16
1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
Delta Lambda Baricentrale
SRI
WavelenghtShift[nm]
1.34 1.36 1.38 1.4 1.42 1.44 1.46
0
0.05
0.1
0.15
0.2
Sensitivity
SRI
Sensitivity
Max Spostamento in Lunghezza d’ondaMax Spostamento in Lunghezza d’onda
Bare = 4.8 nmBare = 4.8 nm
Dopo 30 minuti etching =Dopo 30 minuti etching = 6.8 nm6.8 nm

14. Successivi Attacchi in Acido HFSuccessivi Attacchi in Acido HF
Spostamento delle LunghezzeSpostamento delle Lunghezze
d’onda centrali e Variazioned’onda centrali e Variazione
della Trasmittivitàdella Trasmittività al variare delal variare del
tempo di Etching con SRI=1tempo di Etching con SRI=1
0 20 40 60 80
95
100
105
110
115
120
125
EtchingTime[minutes]
GratingDiameter[micron]
zonaimperturbata
zonaperturbata
1500 1520 1540 1560 1580 1600
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Wavelength [nm]
transmission[dB]
Bare
30 minuti
60 minuti
90 minuti
0 20 40 60 80 100
1540
1560
1580
1600
Wavelength[nm]
0 20 40 60 80 100
-40
-30
-20
-10
0
Etching Time [minutes]
Trasmittivity[dB]

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

16. Analisi della SensibilitàAnalisi della Sensibilità
Dopo 60 minuti di etching si ha unDopo 60 minuti di etching si ha un
aumento della sensibilità di un fattoreaumento della sensibilità di un fattore
2 per SRI=1.452 per SRI=1.45
1.75 per SRI=1.331.75 per SRI=1.33
1.7 per SRI=11.7 per SRI=1
0 20 40 60 80 100
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Etching Time [minutes]
Sensitivity
SRI=1.45
0 20 40 60 80 100
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
x10
-4
Etching Time [minutes]
Sensitivity
SRI=1
0 20 40 60 80 100
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
x10
-3
EtchingTime [minutes]
Sensitivity
SRI=1.33

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

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

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

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