Scienza on the road_Piegare la luce _Fibre ottiche in SL

PIEGARE LA LUCE

Vi siete mai chiesti come si fa a piegare la luce? Siete mai entrati in una fibra ottica ?

Scopriamolo insieme !

13/04/2023

Quali sorgenti di luce conoscete?

Sole

Lampadina

2/40Eleonora Porta "Scienza on the road"

Sorgenti di luce

Il laser emette una

luce monocromatic

a che si propaga in linea retta

13/04/2023Eleonora Porta "Scienza on the road" 3/40

Torcia e LaserImmaginiamo di avere uno di quei puntatori che servono per evidenziare un punto su una lavagna luminosa.

COME SI PROPAGA LA LUCE?


La camera oscura

LA LUCE SI PROPAGA IN LINEA RETTA

Ma è sempre vero?

Perché si ? Perché no? Dove è vero?


CONCLUSIONI ?

13/04/2023Eleonora Porta "Scienza on the road" 6/ 40

Che strada farà? Perché?

3

5

1

6

4

2

Perché?

La luce ….. ha fretta!

Velocità c = 3 * 108 m/s (300.000 Km/s)

Sceglie sempre il percorso col minimo tempo di percorrenza


E’ sempre vera solo nel vuoto


Potremmo farle fare un percorso del genere?

13/04/2023Eleonora Porta "Scienza on the road"

Riflessione e Rifrazione

Cosa vedete? Cosa vedete?

E se incontra uno specchio?

E se passa da un mezzo ad un altro?

Per esempio dall’aria all’acqua?

9/40


Velocità della luce nel mezzo

c

v

v = c / n

La luce nell’aria ha velocità V1

La luce nell’acqua ha velocità V2

vacq > var ?

vacq < var ?

nacq > nar ?

nacq < nar ? n = c/ v


Indice di rifrazione n

vacq < var

nacq > nar

n = c / v

SE v1 > v2 allora n1 < n2

L’indice di rifrazione è minore se la velocità è maggiore


Risposta

v1 v2 v3 velocità c0

1

2

3

Indice n


Riflessione e Rifrazione

naria < nacqua

superficie di separazione tra due mezzi

a perpendicolare

varia > vacqua g


LEGGE di SNELL

n1 sen a = n2 sen g

nacqua > naria


a perpendicolare

vacqua < varia

g


LEGGE di SNELL

n1 sen a = n2 sen g

Quando il raggio rifratto (verde) si avvicina alla perpendicolare (tratteggiata) e quando si allontana?


Domanda

Se n1 > n2 (v1 > v2) ovvero se si passa da un mezzo dove la luce ha velocità minore ad uno dove ha velocità maggiore il raggio rifratto si ALLONTANA DALLA PERPENDICOLARE AVVICINANDOSI SEMPRE PIU’ ALLA SUPERFICIE DI

SEPARAZIONE TRA I DUE MEZZI.


Risposta


La luce è più veloce nel vetro o nel vuoto? Quanto vale?

-> PRENDIAMO ORA DUE VETRI DIVERSI con indici n1 > n2 per esempio 1,48 ed 1,46

Se l’indice di rifrazione del vetro è n =1,5 e la velocità della luce nel vuoto è 300.000 Km/s

Qual è la velocità della luce nel vetro?

V = ?

A) 150.000 Km/s B) 450.000 Km/s C) 300.000 Km/s D) 200.000 Km/s E) infinito F) zero G) 600.000 Km/s

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Due vetri diversi PRENDIAMO ORA DUE VETRI DIVERSI con indici n1 > n2 per esempio 1,48 ed 1,46

Cosa farà il raggio rifratto passando dal vetro con indice 1,48 a quello con indice 1,46?

Si allontana o si avvicina alla perpendicolare?

n1 = 1,48 > n2 = 1,46


a perpendicolare

A

B C = ?g


A o B o linea retta?

n1 sen a = n2 sen g

n1 = 1,48 > n2 = 1,46


a perpendicolare

B = ?g


B ! Il raggio rimane confinato

n1 sen a = n2 sen g


a a

a

Raggio riflesso

g

n1 = 1,48

n2 = 1,46

Raggio incidente

Raggio rifratto

Sezioni di fibra ottica

n1

n2

Nucleo

Mantello

Nucleo

Mantello

n 1 sen aL = n 2 sen ( = 90g ° )


Angolo limite aL= arcsen( n2/n1)

90°

aL

n2 = 1,46 n1 = 1,48 aL = 80,57°


Vanno bene tutti gli a > aL

90°

n1 = 1,48

n2 = 1,46


La luce non “esce” dai confini del nucleo


Sistema in fibra ottica

Il segnale che si propaga nelle TLC non è proprio la “luce” cioè la radiazione visibile ma la radiazione nell’infrarosso


Spettro elettromagnetico c = l*f


Le tre finestre

I 850 nm

II 1300 nm

III 1550 nm

1011000100111000101010

Dtin Dtout


Dispersione modale


Che effetto ha sulla banda ?

1 ? 1

E = “0100 0101”


ISI

La massima frequenza del segnale (successione di 0 ed 1) che possiamo inviare dipende dalla dispersione modale affinché i due impulsi attenuati ed allargati non interferiscano tra loro.

Il diametro del nucleo è molto maggiore della lunghezza d'onda , si creano infiniti cammini all'interno della fibra dispersione modale, allargamento

dell'impulso di luce introduzione di interferenza inter-simbolo

(ISI) limitazione della velocità di trasmissione

100 Mbit/s13/04/2023Eleonora Porta "Scienza on the road" 33/ 40

FIBRE MULTIMODALI

Il diametro è dell'ordine di grandezza della lunghezza d'onda

non c'è dispersione modale

maggiore velocità di trasmissione

10 Gbit/s Utilizzando fibre monomodo si ha che molta

potenza trasmessa va a finire nel cladding tuttavia è lo stesso migliore della precedente.


FIBRE MONOMODALI


Perdite


Costruiamo una F.O. ?

50 mm

125 mm

250 mm

Tubicino cilindrico con glow (il nucleo) x,y = 0,05 (proporzionale a 50 mm) Tubicino di diametro più grande ma cavo (il

mantello) d = 0,125 full bright e hollow Tubicino di diametro ancora più grande e

cavo (il rivestimento) D = 0,250; linkiamo. Ed adesso facciamola diventare grande (per

10?) e facciamo entrare i nostri avatar a vedere come si “sente” la luce lì dentro )


Costruiamo una fibra inworld?


Particle


Mappa


PIEGARE LA LUCE "Scienza on the road"Eleonora Porta

GRAZIE PER ESSERE VENUTI

GRAZIE PER L’ATTENZIONE E LA COLLABORAZIONE

40/40

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