CAPITOLO 1

CAPITOLO 1

Realizzazione dell’idrofono

1.1

Per le misure di campi acustici a banda larga in acqua un idrofono deve adempiere a molte specifiche fondamentali, deve avere un’elevata sensibilità, caratteristiche di banda larga e buona risposta di fase, stabilità temporale e range dinamico ampio, e molto importante che gli elementi acusticamente sensibili siano piccoli in relazione alle lunghezze d’onda al fine di evitare errori causati dalla ripartizione spaziale e per ottenere una risposta omnidirezionale.

Mentre gli idrofoni basati su elementi piezoelettrici possono adempiere a molte di queste richieste, una limitazione fondamentale viene dalla difficoltà di ottenere adeguate sensibilità acustiche con piccoli elementi che richiedono basse sensibilità direzionali a frequenze dell’ordine dei MHz, in aggiunta alla sensibilità di questi idrofoni ai campi elettromagnetici che può alterare la misura che si effettua.

La loro fragilità e il loro costo fanno si che siano inadeguati per misure di segnale con ampiezze elevate e ad essere usati in ambienti particolarmente ostili. Diverse tecniche in fibra ottica per la rivelazione sonora sono state analizzate per superare questo tipo di limitazioni. Infatti i sensori a fibra ottica presentano delle caratteristiche molto importanti che permettono il loro utilizzo anche in situazioni molto particolari e ostili quali

• Ampia gamma di grandezze fisiche misurabili • Elevata sensibilità

• Immunità da interferenze elettromagnetiche • Assenza di connessioni elettriche

• Intrinsecamente sicuri (dielettrici) • Chimicamente e biologicamente inerti

• Piccoli e leggeri

• Flessibilità della lunghezza sensibile • Rivelazione distribuita lungo la fibra • Insensibilità della fibra di collegamento • Possibilità di realizzare reti di sensori.

I sensori a fibra ottica intriseca, realizzati, come elemento acusticamente sensibile, mediante la fibra ottica di una certa lunghezza , utilizzano o un metodo interferometrico o polarimetrico o reticoli di Bragg in fibra per rivelare acusticamente inducendo deformazioni nella fibra.

Anche se l’uso della fibra ci permette di risolvere tante restrizioni che si avevano con l’utilizzo degli idrofoni piezoelettrici perché fa si che si abbia una migliore affidabilità degli elementi acusticamente sensibili, per ottenere un’adeguata sensibilità è richiesta una fibra sufficientemente lunga avvolta con un particolare rivestimento, per cui non è possibile riuscire ad ottenere un “piccolo” elemento. In particolare, in termini di dimensioni del sensore,sono più promettenti i sensori a fibra ottica estrinseca in cui la fibra è utilizzata per fornire luce ad un sensore posto alla sua estremità, ossia il sensore non è parte integrante della fibra. Questi semplici approcci si basano su rivelazioni di cambiamenti indotti sull’indice di rifrazione dalla pressione e dalla temperatura. Il vantaggio dell’utilizzare la fibra ottica consiste nel fatto che la variazione dell’indice di rifrazione e della lunghezza d’onda, dovuti alla pressione, risultano essere semplicemente uno shift di fase se utilizzano dei metodi interferometri o uno shift di frequenza se si utilizza un ricevitore ottico coerente.

1.2 Descrizione del sensore a fibra ottica: idrofono.

Il sensore, realizzato mediante una fibra drogata all’erbio, è formato da due sottosistemi ad alta riflessione posti alle estremità di una struttura laser Fabry-Perrot, che quando è pompata,da una luce a bassa lunghezza d’onda, lasera ad una specifica lunghezza d’onda determinata dai sottosistemi, dalla lunghezza della cavità e dalla banda di emissione del drogante. I due sottosistemi ad alta riflessione sono dei reticoli di Bragg, questi due reticoli sono simmetrici con identiche lunghezze di riflessione, questo

permette un filtraggio maggiore del rumore. I due reticoli di Bragg in fibra consistono in una modulazione periodica dell’indice di rifrazione del core di una fibra monomodale, dove i fronti di fase sono perpendicolari all’asse longitudinale della fibra e con i piani del reticolo avente un periodo costante. In questa configurazione la luce, guidata dal core della fibra è scatterata da ogni piano del reticolo. Se la condizione di Bragg è soddisfatta, il contributo della luce riflessa da ogni piano del reticolo si somma in modo costruttivo nel cammino di ritorno andando a formare un picco riflesso con la lunghezza d’onda centrale definita dal periodo del reticolo. Si nota che sia la trasmettitività che la riflessività sono funzione della lunghezza d’onda. Con appropriate selezioni dei profili dei reticoli e della lunghezza della cavità il laser può essere forzato ad oscillare in un singolo modo longitudinale, in pratica si ha in uscita una trasmissione laser a banda molto stretta, può essere minore di 5kHz, e con potenza di 100µW, ciò è dovuto alla sovrapposizione della risposta della cavità Fabry-Perot con i reticoli di Bragg a banda molto stretta.

Tutto il sensore è realizzato in fibra ottica con la particolarità che la cavità laser è realizzata con un tratto di fibra drogato all’erbio. La fase di deposizione nel core della fibra avviene con un mescolamento tra i gas di terre rare quali l’erbio e altri gas che contengono co-dopanti che fanno si che si innalzi l’indice di rifrazione. L’oscillazione

laser viene innescata attraverso il pompaggio di una radiazione luminosa con un’alta densità di potenza ottica ad una ben determinata lunghezza d’onda, detta radiazione di pompa, attraverso la quale si va a produrre un’inversione di popolazione tra i livelli del drogante. Il livello di soglia è legato alla radiazione di pompaggio. Il pompaggio ottico è ottenuto con un laser a semiconduttore che emette a 980 nm, tale laser deve essere stabile affinché il guadagno dell’EDFL non fluttui. Questo guadagno è una funzione della concentrazione del drogante e della lunghezza della fibra usata oltre a dipendere dalla potenza e dalla distribuzione spaziale della radiazione di pompa. Il guadagno di emissione di una fibra drogata all’erbio è molto alto in una banda molto stretta, pari a circa 40 nm , centrata su una lunghezza d’onda pari 1530 nm; è possibile vedere che lo spettro di assorbimento si trova in III finestra. Il tipo di emissione di questa fibra è di tipo fluorescente e poiché i laser ad erbio funzionano correttamente a temperatura ambiente la fluorescenza degli ioni di erbio può essere generata tranquillamente alla temperatura ambiente con l’accoppiamento della luce di pompa a 980 nm.

Possiamo di seguito vedere un possibile schema relativo ad un pompaggio ottico per una fibra all’erbio

Figura 1. 0.1 pompaggio di una fibra all'erbio

Il processo di pompaggio ottico richiede l’uso di tre livelli di energia, il massimo livello di energia a cui l’elettrone è portato per mezzo dei fotoni deve essere energeticamente sopra il livello del laser desiderato. Il fotone di pompa ha quindi un’ energia più elevata rispetto al fotone di segnale, per cui la lunghezza d’onda di pompa è minore di quella di segnale.

1.2.1 Funzionamento di un laser a fibra ottica drogato con

erbio

Nelle fibre ottiche si utilizza un pompaggio di tipo ottico che, per mezzo di fotoni, porta direttamente gli elettroni negli stati eccitati; il livello, a cui gli elettroni sono portati, deve essere superiore, energeticamente, a quello di laseramento desiderato. Dopo il raggiungimento dello stato eccitato, l’elettrone rilascia parte della sua energia e ricade nel livello laser. I fotoni del segnale di pompa devono avere un’ energia maggiore di quelli del segnale. Analizziamo, fenomenologicamente, come un laser a fibra drogata con erbio lavora attraverso la struttura a livelli energetici dell’erbio .

Gli atomi di erbio nel silicio sono ioni Er3+, sono degli ioni che hanno perso 3 dei loro elettroni esterni. I due principali livelli per le applicazioni di trasmissione sono il livello metastabile , il cosiddetto livello I13\2, e il livello di pompa, I11\2. Il livello

metastabile, quello di pompa e quello di ground sono livelli di energia molto vicini e quello che si ha è l’effetto conosciuto come STARK SPLITTING. Ogni livello di Stark è ampliato dagli effetti termici in una banda quasi continua, per cui il livello metastabile è separato dal livello basso del livello I15\2 da un gap di energia di circa

0.814 eV, mentre il livello di pompa è separato da quello di ground da un gap di 1.27 eV. La banda di pompa è molto stretta per cui la sua lunghezza d’onda deve essere esatta in pochi nanometri. Il gap tra il massimo del livello I15\2 e il minimo del livello

metastabile è di circa 0.775 eV.

In normali operazioni i fotoni di un laser di pompa a 980 nm sono utilizzati per eccitare gli ioni dallo stato di ground al livello di pompa, questi ioni eccitati decadono molto velocemente, in circa 1µsec, dalla banda di pompa al livello metastabile. Durante questo decadimento, l’eccesso di energia è rilasciato mediante fotoni o equivalentemente mediante vibrazioni meccaniche nella fibra. All’interno della banda metastabile gli elettroni eccitati vanno ad occupare i livelli più bassi della banda, qui sono caratterizzati da un lungo tempo di fluorescenza di circa 10 msec.

Esiste anche un’altra possibile lunghezza di pompa a 1480 nm, l’energia dei fotoni di pompa è molto simile a quella dei fotoni del segnale, in questo caso l’elettrone eccitato si dispone direttamente sul livello alto della banda metastabile e dopo tende a muoversi verso il basso dello stesso livello. La maggior parte di questi elettroni ricade nel ground

nuovamente in assenza di una stimolazione esterna, questo fenomeno di decadimento è detto emissione spontanea e aggiunge del rumore

Figura 1. 0.2 struttura dei livelli logici dell'erbio

La luce di pompa è solitamente iniettata nella stessa direzione del segnale, conosciuto come CODIRECTIONAL PUMPING. È possibile iniettare la luce di pompa in direzione opposta rispetto a quella del segnale, questo tipo di pompaggio è detto

COUNTERDIRECTIONAL PUMPING. Quest ultimo ammette un alto guadagno mentre

il primo da migliori prestazioni in termini di rumore. Il pompaggio a 980 nm è preferito sia perché introduce meno rumore sia perché dà una maggiore inversione di popolazione rispetto a quella a 1480.

Figura 1. 0.3 a) codirectional pumping, b) counterdirectional pumping, c)codirectional e counterdirectional pumping together.

1.2.2 Realizzazione dei reticoli di Bragg nell’idrofono.

I reticoli di Bragg in fibra rappresentano un elemento importante nel campo dei sensori ottici, nonostante il loro vasto uso, i dispositivi a fibra ottica sono relativamente semplici, tipicamente sono realizzati da un cilindro dielettrico di indice n1, il core,

circondato da un cilindro dielettrico concentrico di indice n2, il cladding, i due indici di

rifrazioni obbediscono alla relazione n1 > n2.

Poiché il campo decade esponenzialmente all’interno della regione di indice n2 si può

Nella sua forma più semplice un reticolo di Bragg in fibra consiste in una modulazione periodica dell’indice di rifrazione nel core di una fibra monomodale, dove i fronti di fase sono perpendicolari all’asse longitudinale della fibra e con il piano del reticolo aventi un periodo costante.

La luce, guidata lungo il core della fibra, è scatterata da ogni piano del reticolo. Se la condizione di Bragg, λB=2neΛ, dove ne l’indice di rifrazione effettivo del modo e Λ il

periodo del reticolo, è verificata, i contributi della luce riflessa da ogni piano del reticolo sono sommati costruttivamente nel cammino di ritorno a formare un picco di riflessione la cui frequenza centrale è definita dal periodo del reticolo.

Molti lavori teorici hanno trattato diversi approcci che hanno dato risultati ragionevoli nel predire la riflettività come funzione della lunghezza d’onda , è possibile dividere questi lavori in due metodi, uno è il metodo della matrice di trasferimento e l’altro è la teoria dell’accoppiamento modale, quello che si predilige è il metodo della matrice di trasferimento in cui il reticolo di Bragg è simulato come un alternanza di strati, nella fibra, posti parallelamente tra loro e perpendicolari all’asse longitudinale della fibra stessa. La particolarità è che la differenza dell’indice di rifrazione tra il core e il cladding è ignorata, il reticolo di Bragg è visto come un’ alternanza di strati aventi indice di rifrazione n e n+ ∆n, in questa approssimazione i modi sono traversi. Quando il reticolo è periodico la riflettività è ottenuta come scansione della lunghezza d’onda, quando la periodicità del reticolo è alterata si ha una misura della deformazione subita attraverso lo shift in lunghezza d’onda.

A differenza dei reticoli standard di Bragg, i reticoli utilizzati nell’idrofono considerato sono realizzati da piani paralleli posti perpendicolarmente all’asse longitudinale e sono realizzati mediante fotoincisione della fibra. È proprio grazie alle caratteristiche fisiche della fibra come l’elongazione, che consiste in un cambio frazionale del passo del reticolo, e al cambio dell’indice di rifrazione dovuto all’effetto fotoeslastico è possibile calcolare la reazione alla deformazione, subita a causa di diversi effetti, in cambiamenti della lunghezza d’onda.

1.3 Performances della fibra con rivestimento.

La sensibilità del sensore dipende dallo shift di lunghezze d’onda indotto dalla pressione idrostatica e dalla temperatura all’interno della cavità laser e dei reticolo di Bragg della struttura. Questo è dovuto ad una deformazione della lunghezza della cavità e al cambiamento dell’indice di rifrazione in relazione alla deformazione della fibra, perché si altera il passo del reticolo.

Se il sensore è realizzato con una fibra nuda, non rivestita, quando è sottoposto alla pressione idrostatica, gli sforzi e le deformazioni sono identici in ogni direzione. Gli effetti sulla lunghezza d’onda dovuti al cambiamento della pressione idrostatica e dell’indice di rifrazione sono di segno opposto e simili in ampiezza per cui si ha un effetto netto molto piccolo. Se invece si riveste la fibra gli sforzi e le deformazioni nella fibra sono alterati notevolmente. Per cui con la fibra rivestita lo sforzo assiale è aumentato notevolmente mentre lo sforzo radiale aumenta rispetto a quello della fibra non rivestita di poco, questo aumento dello sforzo assiale e il corrispondente aumento della lunghezza della cavità e la deformazione del reticolo fa si che si abbia una variazione della sensibilità perché si ha uno shift di lunghezza d’onda. Lo shift dovuto alla variazione dell’indice di rifrazione non aumenta così rapidamente come quello dovuto alla variazione della lunghezza del sensore. Lo shift di lunghezza d’onda totale è dato dalla differenza degli effetti dovuti alla variazione dell’indice di rifrazione e alle deformazioni e tale differenza può aumentare rapidamente al variare delle deformazioni

ossia al variare della lunghezza d’onda di emissione dell’idrofono. Per cui è di notevole importanza scegliere il rivestimento opportuno per gli idrofoni in maniera da assicurare i miglioramenti da esso apportati e una buona tolleranza alle condizioni degli abissi marini. Solitamente per aumentare la sensibilità si utilizzano dei rivestimenti in poliuretano rivestimento e in maniera da minimizzare il rumore introdotto. Per limitare l’influenza delle fluttuazioni della temperatura si utilizza il polistirene mentre per ridurre il rumore acustico dovuto all’ambiente di lavoro si utilizza un rivestimento di composti di poliammidi.

1.4 Lunghezza d’onda dipendente dalla pressione e dalla

temperatura.

La reazione alla deformazione dovuta all’elongazione fisica del sensore, che corrisponde a cambiamento del passo dei reticoli di Bragg, il cambiamento dell’indice di riflessione dovuto agli effetti fotoplastici e la reazione del sensore agli effetti termici fanno si che si abbia una variazione della lunghezza d’onda della radiazione luminosa che attraversa la fibra.

Lo shift in lunghezza d’onda nei reticoli di Bragg a causa delle deformazioni, dovute alla pressione, alla temperatura è data da

(

)

dove ∆T corrisponde alla variazione di temperatura, Pi,j sono i coefficienti di

deformazione ottica, ε è la deformazione applicata, α è il coefficiente di espansione termica del materiale della fibra. L’informazione di interesse è direttamente contenuta nella lunghezza d’onda , l’uscita non dipende direttamente dalla potenza del segnale di ingresso.

Di conseguenza si è in presenza anche di una modulazione dell’indice di rifrazione data da

(

)

dove r e z sono le direzioni radiali e assiali delle deformazioni subite dalla fibra.

Bisogna tener conto anche del fatto che la variazione dell’indice di rifrazione dovuta alla pressione idrostatica influenza anche il coefficiente di riflessione e di trasmissione dei reticoli di Bragg.

1.5

Collegamento dell’idrofono al suo ricevitore

Il sensore acustico è realizzato da una fibra ottica, in cui vengono fotoincisi due reticoli di Bragg ai capi di una cavità Fabry-Perot, lunga alcuni metriti e avvolta su un mandrino.

Sono questi sensori, che posti in acqua e sottoposti alle condizioni degli abissi marini, effettuano la rivelazione delle particelle che ricadono in acqua e ci forniscono le informazioni rivelate andando a valutare la variazione di lunghezza d’onda.

Per ottenere le informazioni rivelate è necessario demodulare il segnale ricevuto, esistono diversi possibili approcci per interrogare il segnale ma se ne analizzano solo due.

Il primo consiste nell’utilizzare un sensore interferometrico a fibra ottica che ha un’alta sensibilità per i segnali acustici che lo rende particolarmente adatto ad essere utilizzato come collegamento tra collegare gli idrofoni al fotorivelatore. Il collegamento dall’ idrofono al fotorivelatore è realizzato per mezzo di un interferometro Mach Zender sbilanciato opportunamente schermato al fine di ridurre i possibili rumori aggiuntivi al segnale La pressione idrostatica e la temperatura dell’acqua, a causa della diverse condizioni marine, causano il cambiamento della forma della fibra ottica con cui è realizzato l’idrofono e questo fa si che si abbia uno shift della lunghezza d’onda. è l’interferometro sbilanciato, settato dalla particolare lunghezza d’onda proveniente dai

reticoli di Bragg, a convertire lo shift di lunghezze d’onda in uno shift di fase. Attraverso il MACH ZENDER, si induce una differenza di fase tra il ramo di riferimento e quello di rivelazione.In questo caso è l’interferometro che si comporta da sensore mentre l’idrofono fa da sorgente laser di pompa che emette alla lunghezza d’onda relativa alla particella d’onda rivelata. L’interferometro converte lo shift in lunghezza d’onda in uno shift di fase producendo un guadagno come risultato di un cammino sbilanciato. Per estrarre il segnale acustico così prodotto si utilizza semplicemente un fotoricevitore composto da un fotodiodo e un amplificatore.

Questo semplice dispositivo può essere ampliato in modo da includere i multiplexer a divisione di lunghezza d’onda all’uscita dell’interferometro, il quale permette ad ogni singola lunghezza d’onda, proveniente dai possibili array di laser concatenati, di essere filtrata da un proprio rivelatore, provvedendo così alla realizzazione di un sistema adatto ad interrogare sensori multipli. Nel caso in cui il multiplexer a divisione di lunghezza d’onda sia usato in uscita, è possibile recuperare simultaneamente i segnali provenienti da tutti i laser.

Il secondo approccio consiste nel collegare gli idrofoni per mezzo di un cavo ottico, anch’esso opportunamente schermato in modo da ridurre eventuali disturbi presenti, direttamente al ricevitore coerente in cui il segnale modulato in lunghezza d’onda viene rivelato e trasformato in un segnale di tensione variabile in funzione della lunghezza d’onda. Il segnale così ottenuto può essere visualizzato e analizzato.

Possiamo a questo punto definire tutta la struttura relativa all’idrofono e al suo ricevitore in sei punti fondamentali:

1) particella captata dall’idrofono e trasformata in un’onda luminosa 2) Collegamento in fibra ottica dalla sorgente alla regione di misura 3) Zona di modulazione dei parametri ottici

4) Sistema di ricezione e di elaborazione ottica del segnale ricevuto dal sensore 5) Sistema di elaborazione del segnale elettronico.

Per quanto riguarda le connessioni a fibra ottica tra i vari dispositivi esistono dei criteri di scelta a seconda delle particolari caratteristiche richieste

• Mono o multimodalità: Singolo modo standard (SM)o Multimodo SI e GI • Caratteristiche ottiche (NA, attenuazione, φ core, ecc.)

• Caratteristiche chimico-fisiche (resistenza alla temperatura, agenti corrosivi, ecc.)

1.6 Comportamento

dell’idrofono in mare.

Per mezzo dell’idrofono è possibile rivelare le particelle presenti negli abissi marini sfruttando la particolarità, che gli idrofoni hanno, di essere utilizzati come sensori di pressione.

Quando la radiazione luminosa, generata dalla particella, è iniettata all’interno della fibra, interagisce con il primo reticolo di Bragg, amplificata dalla cavità laser e filtrata nuovamente dai reticoli. In uscita avremo un segnale la cui lunghezza d’onda che si è stata riflessa senza essere perturbata dalle altre lunghezze d’onda. la banda del segnale riflesso è molto stretta.

L’elongazione fisica del sensore, la variazione di temperatura e di pressione cambiano il passo,Λ, del reticolo di Bragg e l’indice di rifrazione della fibra, ciò fa si che si abbia uno spostamento della lunghezza d’onda di Bragg che viene riflessa, per cui il segnale riflesso subisce uno shift in lunghezza d’onda rispetto alla situazione in cui la fibra non è sottoposta a nessun tipo di deformazione.

Figura 1.5

La presenza dei due reticoli fa si che si possano rivelare degli shift di lunghezza d’ onda dell’ordine dei 10-12 nm.

Nel momento in cui si va a rivelare la particella bisogna tener conto dei rumori aggiuntivi presenti nell’oceano quali

• Rumori termici,

• Rumore dovuto al traffico oceanico;

• Condizioni metereologiche che incidono sull’agitazione sulla superficie del mare;

• Terremoti ed esplosioni sottomarine; • Turbolenze e fluttuazioni sottomarina;

che possono alterarne la lunghezza d’onda e alterare così l’informazione relativa alla particolare particella.