DOFS basati sulla diffusione Brillouin spontanea

La diffusione Brillouin è simile all’effetto Raman, in quanto una pompa ottica causa l’eccitazione delle molecole che si trovano allo stato zero o ad uno stato già eccitato; il decadimento da questi nuovi stati conduce a componenti Stokes (una lunghezza d’onda più lunga di quella della pompa) o anti-Stokes (una lunghezza d’onda più corta di quella della pompa). L’importante dif-ferenza è che, nella diffusione Brillouin, l’eccitazione degli stati è legata ad un movimento di grandi quantità di molecole, piuttosto che alle rotazioni e alle vibrazioni delle singole molecole, come nel caso Raman.

La diffusione avviene, essenzialmente, in conseguenza di una riflessione di tipo Bragg su reticoli di diffrazione mobili creati da variazioni dell’indice di rifrazione causate da onde acustiche che si propagano nel materiale lungo l’asse principale della fibra. Alcune onde acustiche possono essere generate spontaneamente da un’eccitazione termica e, quando questo accade, l’effetto risultante sulle onde è conosciuto come diffusione Brillouin ‘spontanea’. L’on-da Stokes riflessa, quindi, nasce L’on-da un’onL’on-da acustica che si propaga, lungo l’asse della fibra, allontanandosi da un impulso generato dalla pompa otti-ca, mentre l’onda anti-Stokes nasce da un’onda acustica che si muove verso l’impulso; essi sono, di fatto, effetti Doppler quantizzati e, nella teoria dei quanti, sono visti come una diffusione di fotoni da fononi. L’effetto Brillouin porta ad uno spostamento delle frequenze di Stokes e di anti-Stokes nella fibra ottica che è dato da:

νB = ±^2nva λp

dove n è l’indice di rifrazione del materiale della fibra, va è la velocità acus-tica e λp è la lunghezza d’onda che viene pompata nello spazio libero. Per una fibra in silicio ad una lunghezza d’onda di pompa di 1,55 µm si ha

Figura 5.3: Dipendenza della variazione di frequenza Brillouin dalla temperatura

νB = 11, 1 GHz. Le variazioni di frequenza, quindi, avvengono nel dominio elettronico, piuttosto che in quello ottico e, perciò, sono richieste tecniche di ricezione molto differenti da quelle usate per l’effetto Raman. Altre differenze si riscontrano nel fatto che la forza delle interazioni è più grande, poiché sono coinvolte molte più molecole; la larghezza di banda riflessa è molto più stret-ta, poiché il mezzo, nell’insieme, dal punto di vista acustico si sposstret-ta, e in più ora devono essere applicate delle condizioni sull’accoppiamento di fase. Tali condizioni possono essere soddisfatte soltanto su un range di frequenze rela-tivamente stretto. La larghezza delle linee Stokes e anti-Stokes è tipicamente di 30-40 MHz. Inoltre, in conseguenza delle condizioni sull’accoppiamento di fase, il pompaggio ottico deve essere effettuato a banda stretta e in maniera coerente, per ottenere una grande efficienza di diffusione. I requisiti sulla pompa, quindi, sono più rigidi di quelli per l’effetto Raman.

Un altro punto importante riguardante i DOFS è che sia la variazione delle frequenze Brillouin, sia i livelli di potenza riflessa sono dipendenti dalla temperatura (Fig. 5.3) e dalla deformazione longitudinale (Fig. 5.4), visto che la velocità del suono nel materiale e la sezione trasversale riflettente sono entrambe dipendenti dalle grandezze in esame. E’ dunque possibile misurarne alcune in maniera distribuita usando l’effetto Brillouin e una considerevole

Figura 5.4: Dipendenza della variazione di frequenza Brillouin dalle deformazioni

mole di lavoro è stata fatto in questa campo. Nei laboratori è stato progettato il ‘riflettometro ottico Brillouin nel dominio del tempo’ (BOTDR).

Il primo vantaggio per le misure di temperatura usando il BOTDR è che il livello di retro-diffusione è più grande di quello dovuto all’effetto Raman e che in ricezione viene richiesta solamente la misura di una variazione di frequenza. Il BOTDR permette misure distribuite su lunghezze molto lunghe, anche più di 30 km, e l’utilizzo di una gran varietà di tecniche opto-elettroniche sofisticate, nel processo di ricezione. Gli svantaggi, tuttavia, sono che la persistenza dell’onda acustica (il tempo di vita del fonone nella descrizione quantica) limita la risoluzione spaziale, ben che vada, a circa 1 m, un valore troppo grande per molte applicazioni; un altro svantaggio è che la variazione di frequenza dipende contemporaneamente sia dalla temperatura, sia dalla deformazione longitudinale, rendendo difficile la discriminazione tra queste due grandezze.

Per una misura efficace della variazione Brillouin sono state studiate molte tecniche, si va da una ricezione coerente con un laser a offset di frequenza (Fig. 5.5), all’utilizzo di celle Bragg acusto-ottiche, a modulatori elettro-ottici per il calcolo delle tre caratteristiche dello spettro (Stokes, Rayleigh e anti-Stokes). Nei casi in cui debba venir misurata solo la variazione di frequenza, è impossibile discriminare gli effetti provocati dalla temperatura

Figura 5.5: Schema per un BOTDR

o da una deformazione, cosicché, per misurare solamente una delle due, gli effetti dell’altra devono essere noti o assenti. I coefficienti delle grandezze oggetto di misura, per il calcolo delle variazioni della frequenza di Brillouin, riferiti alla temperatura (θ) e alla deformazione (ε) sono:

Cνθ = 1, 1 MHz K−1

Cνε= 48 kHz µstrain−1

E’ relativamente facile isolare una fibra da una possibile deformazione lon-gitudinale (installandola in un tubo libero, per esempio) e, quindi, misurare la temperatura, ma è quasi impossibile misurare una deformazione isolandola dagli effetti delle variazioni di temperatura. Nella prima dimostrazione del BOTDR la distribuzione della temperatura fu misurata su 11,5 km in uno schema libero da deformazioni e fu ottenuta un’accuratezza della misurazione di temperatura di ±6 ◦C con una risoluzione spaziale di 100 m. Per mis-urare efficacemente la distribuzione della temperatura e della deformazione contemporaneamente, è necessario misurare anche i livelli di potenza riflessi Brillouin. I coefficienti misurati per la dipendenza del livello di potenza dalla temperatura e dalla deformazione sono

Cpθ = 0, 36 % K−1

Tali coefficienti, insieme a quelli che determinano la dipendenza della variazione di frequenza dalle due grandezze, forniscono ai DOFS una matrice per la discriminazione nel momento in cui il livello di potenza e la variazione di frequenza sono misurati in funzione della posizione lungo la fibra. Le misure distribuite della potenza riflessa Brillouin vengono fatte utilizzando un interferometro Fabry-Pérot. Di recente è stato presentato il primo sistema capace di misurare contemporaneamente la distribuzione della temperatura e delle deformazioni. Esso utilizza un interferometro a scansione Fabry-Pérot e un insolito schema di elaborazione capace di rendere lineari i livelli di potenza, in presenza della manifestazione della diffusione ‘stimolata’. L’attività di ricerca in questo campo sta continuando e promette grosse prospettive di sviluppo nel futuro.

Per le misure di temperatura, un sensore basato sulla diffusione Brillouin stimolata compete fortemente con i sistemi basati sull’effetto Raman, mentre per le misure di deformazioni non ha praticamente rivali. Un suo problema rimane, però, il livello estremamente basso del segnale ricevuto che richiede un analisi del segnale più sofisticata e tempi di elaborazione più lunghi.

5.3 Sistemi non lineari basati sulla diffusione