ITMI940548A1 - Rotatore di faraday per fibra ottica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE del brevetto per invenzione industriale

Il presente trovato riguarda un rotatore di Faraday tutto-fibra.

Un tale componente trova molteplici possibilità di impiego nel campo dell’elettronica. Ad esempio i sistemi laser come devono essere protetti dalle cosiddette retroriflessioni, vale a dire dalla possibilità che parte della radiazione emessa, riflessa da quanto sta a valle dell’apparecchiatura laser, rientri in esso. Infatti, in questo caso, si evidenziano effetti negativi che si ripercuotono sulla capacità del laser di emettere radiazione costante per intensità e frequenza. Tali retroriflessioni provocano nel laser delle modulazioni "random" che influenzano in maniera casuale l'ampiezza e la frequenza della radiazione emessa.

Per ovviare a questo problema si utilizzano componenti passivi, i cosiddetti "isolatori", i quali hanno differente trasparenza ottica a seconda del verso con cui i raggi ottici li attraversano. In un verso (laser - sistema), la trasmissione è unitaria (nominalmente) o prossima ad uno, nell'altro (sistema - laser) è zero (nominalmente) o molto piccola.

L'isolatore è costituito da due polarizzatori (comuni) con interposto un rotatore di Faraday non reciproco.

Il rotatore ha la caratteristica di ruotare i 45° in un senso il piano di polarizzazione della radiazione che percorre la fibra in uscita dal laser, e di 45° in senso opposto il piano della radiazione che percorre la stessa in entrata al laser. In questo modo si realizza la perpendicolarità dei due piani di polarizzazione necessaria a che la radiazione in entrata al laser venga fermata dal primo polarizzatore, mentre quella in uscita sia lasciata passare dal secondo polarizzatore.

Delegati alla funzione di variare la giacenza del piano di polarizzazione sono i rotatori nonreciproci, elementi magneto-ottici discreti o tuttofibra.

Sistemi magneto-ottici discreti-comprendono ad esempio la cosiddetta cella di Faraday. Essa consiste in un piccolo cristallo di ossidi di terre rare, quali ad esempio l'ossido di ittrio, di praseodimio, di disprosio, di itterbio, che viene inserito fra due capi di fibra ottica e quindi immerso in un campo magnetico opportunamente creato. Tale cristallo deve avere un elevato grado di purezza e deve essere tagliato in maniera assai precisa. Inoltre si deve curare molto bene l'accoppiamento fibra-cristallo e cristallo-fibra. Per assicurare un buon funzionamento al componente, la precisione di posizionamento richiesta è dell'ordine del micrometro. A questo proposito giova ricordare che fra fibra e cristallo va inserita una opportuna lente per la messa a fuoco del pennello di radiazione sia in entrata che in uscita dal cristallo. Ben si capisce quindi quanto oneroso e complesso sia tale montaggio e quanto incerta possa esserne la durata pratica di utilizzo.

Un secondo approccio per la realizzazione di un tale apparato magneto-ottico di variazione della giacenza del piano di polarizzazione conduce ad elementi che vengono denominati a tutto-fibra. In questi apparati, non si taglia la fibra ottica, ma la si arrotola su di una bobina in un alto numero di spire. Tale bobina viene poi inserita in un campo magnetico appositamente prodotto, ad esempio per mezzo di un elettromagnete. Si sfrutta in questo caso l'effetto Faraday, vale a dire quel fenomeno per il quale il piano di polarizzazione della radiazione che percorre la fibra, se questa è immersa in un campo magnetico, ruota di un angolo che è proporzionale alla lunghezza del tratto di fibra che è nel campo magnetico, all’intensità del campo magnetico e ad una costante, detta di Verdet, che è caratteristica del materiale di cui la fibra ottica è composta.

Il problema principale che nasce da questa realizzazione è che all'interno della fibra si ha la cosiddetta birifrangenza per curvatura, vale a dire un effetto indesiderato e nocivo che va a perturbare la propagazione della radiazione. Tale effetto si evidenzia in una ellitticità dello stato di polarizzazione della radiazione e esso viene compensato e di fatto annullato solo se per ogni spira esso si cumula a dare un angolo (detto di birifrangenza lineare o di ellitticità) pari a 360°. Questa condizione viene usualmente denominata condizione di accordo. Poiché un tale effetto è inversamente proporzionale al raggio di curvatura della fibra, per verificare la condizione di accordo suddetta è necessario che la spira abbia un diametro molto ridotto, che nella fattispecie di una fibra di normale utilizzo e pari a circa 5 mm.

Un diametro cosi piccolo produce però nella fibra insormontabili problemi di natura meccanica, che ne comportano un’elevata fragilità, risultando quindi impossibile realizzare un elemento in grado di funzionare correttamente e durevolmente.

Scopo della presente invenzione è realizzare un dispositivo che elimini i suddetti svantaggi dello stato della tecnica.

Oggetto della presente invenzione è un rotatore di Faraday per fibra ottica comprendente una fibra ottica continua disposta ad avvolgimento su di un elemento di supporto amagnetico posizionato in corrispondenza di un campo magnetico, caratterizzato dal fatto che detto rotatore di Faraday comprende due di detti elementi di supporto affiancati, non coassiali e paralleli, e che detto avvolgimento della fibra ottica è a forma di otto realizzato sui due elementi di supporto suddetti.

Caratteristiche e vantaggi della presente invenzione verranno nel seguito, a titolo di esempio e senza pretesa limitativa, meglio descritti ed illustrati facendo riferimento alle figure allegate, delle quali:

la figura 1 mostra una esemplificazione del dispositivo secondo la presente invenzione,

la figura 2 mostra una seconda esemplificazione alternativa del dispositivo secondo la presente invenzione,

la figura 3 mostra una vista dall'alto di un particolare del dispositivo secondo la presente invenzione, e

la figura 4 mostra una vista laterale di un particolare del dispositivo secondo la presente invenzione .

In figura 3 è mostrata una vista dall'alto di un avvolgimento ad otto 21 di una fibra ottica secondo la presente invenzione. Si può notare come la fibra venga avvolta attorno a due elementi di supporto 22 e 23 in modo tale da formare una figura ad otto che si ripete un numero qualsivoglia di volte lungo l'asse principale di sviluppo degli elementi di supporto. In questo modo è possibile compattare in uno spazio limitato un grande numero di spire, le quali corrispondono naturalmente ad una grossa quantità di fibra ottica. Ricordiamo per inciso che l'effetto Faraday, che la presente invenzione sfrutta, è direttamente proporzionale alla lunghezza della fibra ottica immersa nel campo magnetico.

Analizzando la forma dell'otto, così come riportata in figura 4, si nota come una parte curva 25 della fibra si estende per gran parte dell'otto, mentre esistono solo due tratti di raccordo 28 e 29 che sono rettilinei. Variando la distanza interasse fra i due elementi di supporto 22 e 23 è possibile variare il rapporto fra la lunghezza complessiva dei tratti curvilinei e la lunghezza complessiva di quelli rettilinei. L’importanza di questa caratteristica verrà discussa nel seguito.

Gli elementi di supporto sono realizzati in materiale amagnetico, così da evitarsi interferenze con il campo magnetico creato dal magnete. Un tale materiale può ad esempio essere del comune materiale polimerico, oppure vetro, oppure ottone o alluminio.

Con riferimento alla figura 1, viene indicata una possibile esemplificazione del dispositivo secondo la presente invenzione, il quale viene complessivamente indicato con 10. Esso comprende un magnete 11, due elementi di supporto cilindrici 12 e 13 sui quali si avviluppa la fibra ottica indicata con 20.

Sul disegno sono mostrate (senza numeri di riferimento) alcune linee di flusso del campo magnetico creato fra le due estremità del magnete 11; come si vede la linea centrale fra queste è parallela all’asse maggiore dell’otto (vale a dire all'asse che congiunge i due centri degli elementi di supporto cilindrici 12 e 13).

In una seconda realizzazione del dispositivo secondo la presente invenzione, così come illustrato in figura 2, nel dispositivo complessivamente indicato con 110, sono presenti due magneti 111 e 112, fra le estremità libere dei quali si posizionano due elementi di supporto cilìndrici, rispettivamente 113 e 114. La fibra 120 si avvolge ad otto sugli elementi di supporto suddetti. In questo secondo caso l'asse che congiunge i due centri degli elementi di supporto è perpendicolare alle linee di flusso dei due campi magnetici (senza numeri di riferimento) prodotti dai due magneti 111 e 112.

I diametri dei due elementi di supporto sono da determinarsi in modo tale che per ogni giro completo dell’otto venga introdotta per effetto della curvatura una birifrangenza per curvatura pari ad esattamente 360° (condizione d’accordo).

In una realizzazione preferita del dispositivo secondo la presente invenzione i diametri dei due elementi di supporto coincidono.

La forma ad otto dell’avvolgimento della fibra, ove i elementi di supporto abbiano lo stesso diametro, permette di raggiungere la suddetta condizione di accordo, riferita ad un intero giro ad otto, con un diametro degli elementi di supporto che è pari circa al doppio di quello che si ha con un singolo elemento di supporto, in particolar modo essendo preferito un valore di circa 10÷11 mm (dipendentemente dalla lunghezza d’onda di operazione) . In questo modo vengono superati interamente quei problemi di stress meccanico che si riflettevano in una grande facilità di rottura della fibra cui si accennava in precedenza. Questo permette dunque una vita media da parte della fibra sicuramente in linea con i normali valori del mercato .

Inoltre, a causa della impossibilità di avere una fibra del tutto regolare e costante non è sempre possibile determinare con precisione il valore della birifrangenza cumulata sul giro. Nel rotatore di Faraday monorullo dello stato della tecnica non è possibile correggere eventuali scostamenti dal valore di 360° della birifrangenza per curvatura, dovuti a tali disomogeneità. Con la presente invenzione, invece, tale possibilità c'è ed è di facile attuazione. Basta infatti allontanare od avvicinare i due elementi di supporto, al fine di alterare leggermente la curvatura della fibra nelle zone di raccordo dell'otto. Questa semplice operazione, effettuabile ad esempio con vite micrometrica o altro meccanismo, consente in ogni caso di pervenire alla condizione di raccordo sopra menzionata, in modo tale da garantire un funzionamento sempre corretto da parte del rotatore oggetto della presente invenzione.

Un ulteriore vantaggio della presente invenzione rispetto allo stato della tecnica risiede nell'eliminazione della necessità, che i sistemi discreti presentano, di cercare cristalli di opportune caratteristiche trasmissive alle lunghezze d'onda di lavoro ove per taluni intervalli di lunghezza d'onda non esistono neppure opportune strutture cristalline. Con il dispositivo secondo la presente invenzione è invece possibile, ad esempio, costruire rotatori per medio infrarosso oppure per vicino ultravioletto, zone per le quali appunto non esiste alcuna controparte in cristallo.

I magneti sopra citati possono essere sia magneti permanenti che elettromagneti. Nel secondo caso è evidente la possibilità di variare a piacimento l'intensità del campo magnetico applicato variando l'intensità della corrente elettrica.

Utilizzando due polarizzatori agli estremi dell'avvolgimento in fibra in combinazione con detto rotatore di Faraday è possibile realizzare un isolatore ottico.

Utilizzando invece uno specchio discreto oppure tutto fibra ad una estremità dell'avvolgimento, sempre in combinazione con un rotatore secondo la presente invenzione si realizza agevolmente uno specchio di Faraday.

Un'altra realizzazione nella quale un dispositivo secondo la presente invenzione può essere vantaggiosamente utilizzato, consiste in un cireolatore ottico che comprende un rotatore di Faraday, un tratto di fibra ritorta, oppure un altro tipo di rotatore reciproco, e due accoppiatori a divisione di polarizzazione agli estremi.

Un'ulteriore applicazione del rotatore di Faraday secondo la presente invenzione consiste nella creazione di un modulatore magnetoottico di ampiezza o di fase, realizzato con detto rotatore di Faraday ed un campo magnetico fornito da un elettromagnete cui si applica il segnale modulante, ed avente due polarizzatori agli estremi dell’avvolgimento in fibra oppure una lamina a mezz'onda ad una estremità dell'avvolgimento in fibra.

La fibra utilizzata nell'avvolgimento può essere in silice oppure in altro materiale (ad esempio ZBLAN oppure vetri drogati con alta costante di Verdet).

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Rotatore di Faraday per fibra ottica comprendente una fibra ottica continua disposta ad avvolgimento su di un elemento di supporto posizionato in corrispondenza di un campo magnetico, caratterizzato dal fatto che detto rotatore di Faraday comprende due di detti elementi di supporto affiancati, non coassiali e paralleli, e che detto avvolgimento della fibra ottica è a forma di otto realizzato sui due elementi di supporto suddetti.
2. 2. Rotatore di Faraday secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la distanza interasse di detti due elementi di supporto è regolabile.
3. 3. Rotatore di Faraday secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti due elementi di supporto hanno lo stesso diametro.
4. 4. Rotatore di Faraday secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detti due elementi di supporto hanno un diametro di 10÷11 mm.
5. 5. Rotatore di Faraday secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti due elementi di supporto sono costituiti da materiale amagnetico.
6. 6. Rotatore di Faraday secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto campo magnetico è prodotto da un solo magnete e che l'asse congiungente i due centri dei suddetti due elementi di supporto è parallelo alle linee di flusso di detto campo magnetico,
7. 7. Rotatore di Faraday secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto campo magnetico è prodotto da due magneti e che l'asse congiungente i due centri dei suddetti due elementi di supporto è perpendicolare alle linee di flusso di detto campo magnetico.
8. 8. Rotatore di Faraday secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto magnete o detti due magneti sono magneti permanenti.
9. 9. Rotatore di Faraday secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto magnete o detti due magneti sono elettromagneti.
10. 10. Rotatore di Faraday secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fibra ottica è costituita da vetro drogato.