ITTO20100214A1 - Fibra ottica realizzata con vetri magneto-ottici - Google Patents
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Description
"Fibra ottica realizzata con vetri magneto-ottici"
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda una fibra realizzata con vetri magneto-ottici.
Negli anni recenti sono stati realizzati dispositivi ottici a base di cristallo i quali sfruttano il noto effetto magneto-ottico, ad esempio deviatori, modulatori o isolatori.
La realizzazione di questi dispositivi à ̈ tuttavia complicata in quanto il cristallo à ̈ un materiale difficile da lavorare, molto delicato e piuttosto costoso.
Per risolvere questi problemi sono stati sviluppati dispositivi fotonici a base di vetro, i quali esibiscono un comportamento non reciproco, ad esempio, sono basati sull’effetto Faraday grazie al quale la rotazione di luce polarizzata piana dipende solo dal campo magnetico applicato e non dalla direzione di propagazione della luce.
Questi vetri sono chiamati vetri magnetoottici.
I vetri magneto-ottici mostrano proprietà magneto-ottiche nell’intervallo spettrale del visibile e dell’infrarosso.
Molti studi sono stati focalizzati su vetri paramagnetici come vetri silicati drogati con terbio. Questi vetri mostrano un elevato paramagnetismo e un’elevata costante di Verdet, tuttavia, soffrono di alcuni svantaggi quando vengono applicati in un ambiente esterno o vengono sottoposti a fattori atmosferici poiché le loro proprietà magnetiche non sono stabili con il cambiamento di temperatura.
Al contrario, vetri magneto-ottici diamagnetici come vetri di ossido di metallo pesante che contengono ioni pesanti come Pb<2+>, Bi<3+>, Sb<3+>, Te<4+>mostrano una buona stabilità termica, ma la costante di Verdet di questi vetri diamagnetici à ̈ troppo bassa per essere utilizzata per la fabbricazione di dispositivi.
In particolare, tra i vari vetri di ossido di metallo pesante, i più interessanti sono i vetri diamagnetici a base di TeO2–PbO. La costante di Verdet ottenuta à ̈ tuttavia solo di 0.093 min/Oe.cm, e inoltre tali vetri soffrono di alcuni problemi legati alla cristallizzazione.
Vetri magneto-ottici con elevata costante di Verdet (rotazione per unità di percorso per unità di forza di campo) hanno trovato applicazione nel campo dell’ottica, dei laser e nei sistemi di telecomunicazione, come anche nella tecnologia dei sensori.
Grazie a vantaggi come isolamento elettrico, alta precisione, velocità di risposta, piccole dimensioni e basso costo, questi dispositivi realizzati con vetri magneto-ottici sono molto interessanti per applicazioni come isolatori, interruttori, modulatori e trasformatori di corrente magnetoottici.
Tuttavia, non tutti i tipi di dispositivi ottici possono essere realizzati con vetri magnetoottici a causa della difficoltà di reperire materiali adatti allo scopo e aventi buone proprietà , quali un’elevata costante di Verdet.
In particolare, i vetri magneto-ottici attualmente disponibili non permettono di realizzare delle fibre ottiche poiché non hanno contemporaneamente buone proprietà ottiche e buone proprietà di lavorazione che li rendano adatti alla realizzazione del core e del cladding di una fibra.
Infatti, fino ad ora gli studi sulle fibre magnetiche si sono principalmente concentrati su fibre di silicio. Tali fibre tuttavia non sono adatte all’impiego in alcuni dispositivi, quali i trasformatori di corrente magneto-ottici, poiché non sono sufficientemente accurate e stabili.
Questo à ̈ principalmente dovuto alla bassa costante di Verdet delle fibre di silicio, e alla loro birifrangenza intrinseca indotta lineare. La birifrangenza lineare nelle fibre monomodali à ̈ principalmente causata dallo stress di fabbricazione, dalla piegatura, dallo stress termico, ed à ̈ generata facilmente in fibre di vetro di silicio.
Scopo della presente invenzione à ̈ dunque quello di proporre una fibra ottica realizzata con vetri magneto-ottici, che abbia un’elevata costante di Verdet e che sia adatta ad essere utilizzata in molti dispositivi quali ad esempio i trasformatori di corrente magneto-ottici.
Questo ed altri scopi vengono raggiunti con una fibra ottica avente le caratteristiche definite nella rivendicazione 1.
Modi e particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto à ̈ da intendersi come parte integrale e integrante della presente descrizione.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati nei quali:
- la figura 1 à ̈ una rappresentazione schematica di una fibra secondo l’invenzione; e
- la figura 2 à ̈ un diagramma della trasmittanza della fibra secondo l’invenzione.
Nella figura 1 con 1 à ̈ indicata una fibra ottica secondo l’invenzione, la quale comprende un core 2 interno e un cladding 4 esterno realizzati con vetri magneto-ottici.
In particolare, la fibra 1 Ã ̈ realizzata con vetri basati su diossido di tellurio e una matrice di ossido di piombo stabilizzata da triossido di diboro (B2O3) e/o diossido di silicio (SiO2) (vetri TPB e/o vetri TPBSi).
Ad esempio, il core 2 della fibra 1 ha la composizione seguente:
(58,8-60%)TeO2–(39,2-40%)PbO–(0,5-2%)B2O3(mol%).
Il cladding 4 della fibra 1 ha invece ad esempio la composizione seguente:
(56-57%)TeO2-(36-38%)PbO–(0,5-4%)B2O3-(0,3-3%)SiO2(mol%).
Quando si applica un campo magnetico ad una fibra ottica realizzata con vetri magneto-ottici, viene indotto un effetto Faraday all’interno della fibra e la luce polarizzata entrante nella fibra viene ruotata nel suo piano di polarizzazione di un angolo di rotazione che dipende dal campo magnetico applicato secondo l’equazione:
Î ̧F= VHL (1)
in cui Î ̧Fà ̈ l’angolo di rotazione di Faraday, H à ̈ il campo magnetico, L à ̈ la lunghezza d’onda della luce nella direzione di magnetizzazione, V à ̈ la costante di Verdet del vetro.
La fibra ottica della presente invenzione viene realizzata con vetri magneto-ottici ad elevata costante di Verdet (0.2-0.25min/Oe.cm misurata in modo per sé noto ad una lunghezza d’onda di 633nm) e una buona trasparenza nelle lunghezze d’onda comprese nell’intervallo 600-2.000nm.
L’efficienza di trasmissione della fibra misurata à ̈ pari al 70% (assorbimento ottico inferiore a 2% per cm per una lunghezza d’onda compresa tra 600nm e 2.000nm), come mostrato nella figura 2.
Inoltre, la stabilità termica sia dello strato di core 2 sia dello strato di cladding 4 ha una variabilità pari a:
∆T =Tx−Tg≥ 100 ° C (2)
dove Txà ̈ la temperatura di cristallizzazione del vetro (del core 2 o del cladding 4) e Tgà ̈ la temperatura di transizione del vetro (del core 2 o del cladding 4). La temperatura di cristallizzazione Txe la temperatura di transizione Tgvengono ottenute sperimentalmente dalla misura di Differential scanning calorimetry (DSC) con lo strumento di scanning calorimeter (Perkin-Elmer DSC-7).
I vetri utilizzati per realizzare la fibra 1 della presente invenzione sono diamagnetici e la loro costante di Verdet ha una dipendenza trascurabile dalla temperatura.
E’ noto, in base alla teoria quantistica, che la costante di Verdet di un materiale diamagnetico à ̈ legata alle molecole trasportatrici di ioni con uno splitting di livelli di energia, come dato dalla seguente equazione:
V<2 2 2>
<= (>4Ï€Nv<2>
<)>∑ n<[>An/<(>v<−>vn<) ]>(3)
dove N sono le molecole trasportatrici di ioni per unità di volume, v à ̈ la frequenza dell’onda incidente, vnà ̈ la frequenza della migrazione di ioni, Anà ̈ un parametro di per sé noto legato all’intensità di migrazione.
Dall’equazione (3) si nota che la costante di Verdet di un materiale diamagnetico non ha legami con la temperatura di lavoro. Questa proprietà à ̈ vantaggiosa per dispositive basati sull’effetto Faraday, e rende i materiali diamagnetici preferibili rispetto ai materiali paramagnetici.
L’indice di rifrazione del vetro del cladding 4, misurato con lo strumento Metricon Model 2010M, à ̈ compreso nell’intervallo 2.05-2.18.
I vetri del core 2 e del cladding 4 sono stabili, trasparenti, omogenei, possono essere facilmente accoppiati l’uno all’altro per quanto riguarda le proprietà termiche (Tg, Txe a, costante di espansione del vetro), l’indice di rifrazione etc.
Sia il vetro dello strato di core 2 sia il vetro dello strato di cladding 4 sono fabbricati con un metodo di fusione e raffreddamento di per sé noto alla temperatura compresa tra 800°C e 1.200°C in atmosfera per un intervallo di tempo compreso tra 40 minuti e 1 ora.
In seguito viene eseguito un processo di annealing (ricottura) alla temperatura di transizione del vetro, per un intervallo di tempo compreso tra una e quattro ore.
La fibra ottica 1 della presente invenzione può essere utilizzata in una varietà di dispositivi magneto-ottici come rotatori di Faraday, trasformatori di corrente magneto-ottici, sensori di qualità dell’aria etc.
Quando un fascio laser viene accoppiato a tali dispostivi magneto-ottici attraverso un polarizzatore, con il variare del campo magnetico applicato avviene una rotazione di Faraday all’interno dei dispositivi. La luce monocromatica si accoppia nel core 2 della fibra 1 e si trasmette all’interno della fibra 1.
I principali vantaggi della fibra 1 della presente invenzione sono legati al fatto che essa viene realizzata con processi a bassa temperatura (rispetto alle temperature coinvolte nella realizzazione di fibre tradizionali quali le fibre di silicio), à ̈ robusta e resistente in ambienti difficili ed à ̈ più economica rispetto alle fibre di silicio.
Naturalmente, fermo restando il principio dell’invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto à ̈ stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.
Claims (4)
- RIVENDICAZIONI 1. Fibra ottica (1) comprendente uno strato interno (2) e uno strato esterno (4) comprendenti vetri magneto-ottici.
- 2. Fibra ottica (1) secondo la rivendicazione 1, in cui i vetri magneto-ottici sono vetri basati su diossido di tellurio e un matrice di ossido di piombo stabilizzata da triossido di diboro e/o diossido di silicio.
- 3. Fibra ottica (1) secondo la rivendicazione 2, in cui lo strato interno (2) ha la seguente composizione: (58,8-60%)TeO2–(39,2-40%)PbO–(0,5-2%)B2O3(mol%).
- 4. Fibra ottica (1) secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui lo strato esterno (4) ha la seguente composizione: (56-57%)TeO2-(36-38%)PbO–(0,5-4%)B2O3-(0,3-3%)SiO2(mol%).
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