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94 I QUADERNI DI TELÈMA formare una sottile intercapedine riempita con cristallo liquido nematico. Sulle facce interne dei vetri dell’intercapedine è presente un elettrodo trasparente di ossido di stagno ed indio e sopra di esso, a contatto con il cristallo liquido, un film di polimero. Quest’ultimo viene stirato in modo che a livello microscopico assomigli alle coste di un tessuto di velluto orientate in una direzione lungo la quale si allineano le molecole di cristallo liquido. In una cella TN le molecole di cristallo liquido compiono una rotazione di 90° passando da un vetro ad un altro lungo lo spessore dell’intercapedine, essendo le direzioni di allineamento sui due vetri perpendicolari tra loro. Sulle facce esterne dei vetri sono presenti dei filtri polarizzatori lineari, che sono in grado di far passare luce in cui il campo elettrico della radiazione luminosa oscilli in una direzione determinata dall’orientamento del polarizzatore. I due polarizzatori sono perpendicolari tra loro e rispettivamente allineati con la direzione dei film polimerici di allineamento del cristallo liquido. Quando un fascio di luce proveniente da una sorgente luminosa posizionata dietro la cella, attraversa il primo polarizzatore, si propaga nel cristallo liquido lungo il cui spessore, il campo elettrico della radiazione elettromagnetica subisce una rotazione di 90°, seguendo lo stesso orientamento delle molecole di cristallo liquido, per poi attraversare il secondo polarizzatore e completare l’attraversamento della cella. Quindi un osservatore dalla parte opposta alla cella rispetto alla Rappresentazione schematica della struttura e del principio di funzionamento di una cella a cristallo liquido in trasmissione. sorgente vedrà un segnale di luce (stato di bianco). Applicando un segnale di tensione di pochi volt alla cella le molecole perdono il delicato orientamento imposto dal film di allineamento, per disporsi perpendicolarmente alla cella. Il campo elettrico del fascio di luce polarizzato, che attraversa la cella, non subirà alcuna rotazione ed incontrando il secondo polarizzatore, orientato perpendicolarmente ad esso, non sarà in grado di completare l’attraversamento della cella che apparirà scura all’osservatore (stato di nero). Cambiando con continuità la tensione applicata alla cella a cristallo liquido l’orientamento delle molecole può variare tra le due posizioni con gradualità producendo una scala di grigi tra bianco e nero. Oltre ai polarizzatori si usano, in corrispondenza di ciascun pixel, anche tre filtri di colore rosso verde e blu, i tre colori fondamentali, con cui possono essere creati tutti i possibili colori, combinando opportunamente le intensità luminose che attraversano i pixel. Le celle a cristallo liquido sono in grado di interagire non solo con luce che cade nello spettro del visibile ma anche con luce del vicino infrarosso impiegata nelle fibre ottiche per le comunicazioni a larga banda. Infatti sono stati realizzati, anche se ancora a livello di prototipi da laboratorio, commutatori ottici in grado di reinstradare i segnali di luce che viaggiano nelle fibre ottiche delle reti di telecomunicazione. Il vantaggio principale nell’impiegare commutatori a cristallo liquido consiste nell’assenza di parti in movimento ed inoltre le tensioni di pilotaggio sono relativamente basse rispetto a componenti analoghi realizzati con altre tecnologie basate sull’impiego di materiali semiconduttori o dielettrici cristallini, come ad esempio il niobato di litio, oggi largamente utilizzati in ottica. Dal punto di vista scientifico i cristalli liquidi offrono ancora oggi grande motivo di attenzione per la ricerca scientifica per i numerosi effetti derivanti dall’interazione con la luce. Infatti segnali di luce possono innescare fenomeni di riorientamento delle molecole di cristallo liquido aprendo una serie di nuovi scenari di sviluppo di dispositivi tuttoottici in cui la luce può essere controllata da un altro segnale di luce anziché da uno di tipo elettrico. Inoltre celle speciali possono essere utilizzate per immagazzinare informazione ottica in ologrammi con capacità più elevate rispetto agli attuali sistemi di memoria di massa. Antonio d’Alessandro Rita Asquini Dipartimento di Ingegneria Elettronica – Università degli Studi di Roma “La Sapienza”- INFM Iquadernidi
La Scuola Superiore S. Anna di Pisa e il CNIT sono da anni attivi nello studio e nella sperimentazione di sistemi ottici avanzati di tipo Optical Time Division Multiplexing (OTDM). Superando i limiti dell’elettronica, questi sistemi potranno consentire di raggiungere elevatissime capacità di trasmissione ed elaborazione dei segnali. Al momento lo studio si sta concentrando su sistemi del tipo 160 Gbit/s e in questo contributo sono descritte due soluzioni realizzate per la sorgente di impulsi, realizzate rispettivamente con la tecnica di Mode-locking e con effetti solitonici. Entrambe le soluzioni sono state già utilizzate per sperimentazioni avanzate nell’ambito dello studio dei sistemi OTDM: in particolare, sono state impiegate per la prima dimostrazione in Italia di trasmissione a 160 Gbit/s e per dimostrare particolari tecniche di elaborazione ottica su segnali ultracorti. Sono inoltre in programma ulteriori ricerche per avanzamenti verso velocità di trasmissione ancora più elevate (320 o 640 Gbit/s). Per produrre un segnale a 160 Gbit/s sono quindi necessarie sorgenti di impulsi molto brevi, dell’ordine di 1-2 ps (un miliardesimo di millisecondo). Tecnica di Mode Locking Il Mode Locking (ML) è una tecnica impiegata per la generazione di treni di impulsi ottici mediante un oscillatore laser multimodale. In linea di principio, per ottenere dall’oscillatore multimodale un comportamento impulsato è sufficiente forzare la fase relativa dei modi. Questa tecnica viene impiegata in laser in fibra e a semiconduttore con risultati differenti. Per entrambe le tecnologie esistono tre possibili realizzazioni in funzione del dispositivo usato per costringere la fase. Il Mode Locking viene quindi detto Passivo (PML – Passive Mode Locking) se è ottenuto mediante un dispositivo, per l’appunto, passivo come, ad esempio, un Saturable Absorber (SA) inserito nella le nuove tecnologie fotoniche Generazione di impulsi ultracorti per trasmissioni ed elaborazioni ottiche ad altissima velocità novembre 2003 cavità; Attivo (AML-Active Mode Locking) se viene impiegato in cavità un modulatore d’ampiezza o fase, ed in fine Ibrido (HML – Hybrid Mode Locking) se un segnale ottico di controllo o un dispositivo passivo controllato esternamente vengono usati per forzare la fase. Generazione di solitoni mediante propagazione nonlineare Una tecnica alternativa al mode-locking, per realizzare una sorgente di impulsi ultracorti per trasmettere segnali con tecnologia OTDM è quella della compressione solitonica adiabatica. Questa tecnica è stata proposta e dimostrata nei Laboratori di Pisa e risulta estremamente promettente per una serie di notevoli semplificazioni e di potenziali vantaggi. La tecnica è estremamente complessa a livello teorico, ma risulta di una maggiore semplicità pratica e di una maggiore stabilità. Per una descrizione, sia pure sommaria, della tecnica utilizzata si deve rimandare al concetto di ottica nonlineare e di impulsi solitonici, ovvero di solitoni ottici. Nelle condizione di propagazione nonlineare è possibile che le caratteristiche trasmissive della fibra siano in qualche modo influenzate dal segnale ottico che la sta attraversando, in queste condizioni l’impulso sperimenta la cosiddetta propagazione nonlineare. Come già accennato, la dispersione cromatica delle fibre ottiche tende a modificare, spesso con effetti distruttivi, la forma dei segnali durante la trasmissione. I solitoni sono sostanzialmente immuni da questo effetto poiché in essi si realizza un bilanciamento della dispersione cromatica e degli effetti nonlineari: per questo motivo è possibile che si propaghino mantenendo un profilo inalterato. In termini tecnici, si può dire che i solitoni sono particolari soluzioni dell’equazione di propagazione in fibra, quelle in cui la dispersione lineare viene compensata perfettamente dall’effetto nonlineare di automodulazione di fase (Self Phase Modulation, SPM). Queste soluzioni sono dette 95
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