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• amplificazione ottica
• comunicazioni ottiche

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di mostrare la possibilità di realizzare amplificatori integrati in guide ottiche utilizzando cristalli drogati con terre rare. Il principio sul quale si basa l’amplificazione ottica di segnali di comunicazione è lo stesso che regola il funzionamento dei laser. La banda spettrale utilizzata commercialmente per comunicazioni ottiche WDM , è compresa fra 1530nm ed i 1610nm. Lo ione Erbio, quale drogante in materiali vetrosi consente di ottenere amplificazione ottica su tale banda che coincide inoltre con il minimo dell’attenuazione delle fibre monomodo di trasmissione, ed è quindi la terra rara più diffusa come drogante negli amplificatori ottici. Dispostivi commerciali per amplificazione ottica utilizzano fibre ottiche in silica drogata con Erbio e consentono di ottenere amplificazione su una banda di qualche decina di nm. La formazione di cluster di ioni Er3+ nel materiale vetroso ad elevate concentrazioni dà luogo a fenomeni di interazione fra ioni, limita dunque il livello di massimo di drogaggio utilizzabile e non consente l’integrazione dell’amplificatore ottico. L’interazione fra ioni di Erbio nel materiale è uno dei principali fattori limitanti per il coefficiente di guadagno che caratterizza l’amplificatore. Il principale vantaggio dell’uso di un materiale cristallino come ospite per gli ioni droganti è quello di evitare la formazione di coppie (o gruppi più numerosi) di ioni interagenti, permettendo quindi un drogaggio più elevato e quindi la possibile integrazione dell’amplificatore. Inoltre materiali cristallini drogati con terre rare consentono amplificazione su una banda più larga rispetto al caso di materiali vetrosi (fino a 100 nm contro i 30-40 nm nel caso di vetri).
In questa tesi proponiamo dunque la caratterizzazione sperimentale di materiali cristallini drogati con Erbio ed il loro impiego nel progetto di amplificatori ottici in guida a larga banda.
Per valutare questa possibilità è stato studiato il cristallo di BaY2F8 (BaYF). In un primo tempo è stato svolto uno studio sperimentale spettroscopico dell’Erbio in questo cristallo, che ci ha permesso di ricavarne alcune proprietà fondamentali quali i tempi di vita media dei livelli di interesse per l’amplificazione e la sezione d’urto spettrale di assorbimento. Per completare la caratterizzazione del cristallo sono state svolte misure di fluorescenza a temperatura ambiente nella banda compresa fra 1450nm e 1650nm e nelle 6 diverse possibili polarizzazioni di campo elettromagnetico. Successivamente è stata calcolata la sezione d’urto spettrale di emissione tramite il metodo della reciprocità partendo dalla sezione d’urto di assorbimento.
E’ stato inoltre sviluppato un modello teorico in grado di fornire le caratteristiche principali di un amplificatore ottico in guida (guadagno, figura di rumore, potenza del segnale in uscita, etc), utilizzando come input parametri fisici del materiale individuati sperimentalmente mediante misure spettroscopiche. Il modello utilizza il metodo degli elementi finiti (FEM) per l’analisi elettromagnetica della guida, ed è basatosu equazioni di propagazione per individuare l’evoluzione longitudinale delle potenza di pompa, segnale e rumore ottico corrispondente all’ASE (Amplified Spontaneous Emission) lungo la guida. Queste equazioni vengono utilzzate in combinazione con le equazioni di rate che descrivono la popolazione dei vari multipletti dell’Erbio nel BaYF. Come prima approssimazione abbiamo assunto un sistema a tre livelli, 4I15/2, 4I13/2e 4I11/2 in cui viene eccitata la transizione 4I15/2®4I13/2, alla lunghezza d’onda di 1480nm. Le equazioni di propagazione sono risolte numericamente combinando il FEM con un algoritmo di Runge-Kutta al quarto ordine, e tengono conto di schemi di pompaggio co- e contropropagante, segnali WDM e della distribuzione spettrale dell’ASE in entrambe le direzioni di propagazione.
Inanzitutto abbiamo studiato le caratteristiche di guadagno spettrale della guida, e trovato la lunghezza d’onda di guadagno massimo, poi abbiamo studiato l’effetto di un aumento della concentrazione di ioni droganti sul coefficiente di guadagno e sulla figura di rumore dell’amplificatore, trovando la concentrazione di Erbio ottimale. Mantenendo questa concentrazione fissata abbiamo poi studiato il guadagno in funzione della lunghezza della guida, della potenza di pompa e la curva di saturazione dell’amplificatore, cioè la curva di guadagno in funzione della potenza d’ingresso del segnale. Infine abbiamo simulato l’amplificazione contemporanea di più canali WDM.
I risultati delle simulazioni mostrano che la concentrazione di Erbio ottimale nel BaYF, NErOtt=3.4x1026 ioni/m3, è molto più elevata di quanto non sia nei vetri (tipicamente si hanno concentrazione di un ordine di grandezza in meno). Inoltre è possibile ottenere amplificazione su una banda di oltre 80nm, con valore di picco di oltre 2dB/cm, mentre nei vetri drogati esclusivamente con Erbio i valori tipici di guadagno massimo sono dell’ordine di 1dB/cm e le bande di guadagno limitate a circa 30-40 nm. Abbiamo dunque mostrato la possibilità di amplificare segnali ottici con guide cristalline, ed i vantaggi apportati dai cristalli rispetto ai vetri in termini di concentrazione di ioni droganti, banda di amplificazione e coefficiente di guadagno.