Dalle terre rare la luce per le comunicazioni ottiche

Firenze CNR IFAC su Ladysilvia; Le terre rare sono un gruppo di elementi con importanti proprietà di fotoluminescenza, tra cui è ben noto il Neodimio (gli ioni Nd, quando eccitati, emettono fotoni nel vicino infrarosso, a 1060 nm): uno dei primi laser mai realizzati era un Nd:vetro, ed oggi uno tra i laser più diffusi sia a livello di ricerca che industriale è il Nd:YAG. Di recente, però, è salita alla ribalta un’altra terra rara, l’Erbio, grazie a due notevoli proprietà : quella di emettere radiazione a lunghezze d’onda intorno a 1530 nm, che sono considerate “eye-safe” (cioè a bassa pericolosità per l’occhio umano); e, soprattutto, quella che tale lunghezza d’onda corrisponde alla banda di minimo assorbimento (e quindi di migliore funzionamento) delle fibre ottiche in silice. Oggi le comunicazioni ottiche si basano appunto sulla trasmissione in fibra di segnali luminosi alla lunghezza d’onda di 1,5 micron.

Il crescente sviluppo delle reti metropolitane, in cui è necessario distribuire uno stesso segnale ad un gran numero di utenti, ha portato alla necessità di disporre di dispositivi integrati in cui l’attenuazione del segnale prodotta dai componenti passivi di distribuzione fosse bilanciata dalla “amplificazione” del segnale stesso, ottenuta grazie all’emissione stimolata da parte di ioni Erbio, eccitati per mezzo di un diodo laser “di pompa”. I ricercatori del Laboratorio di Tecnologie Optoelettroniche dell’IFAC hanno una lunga esperienza nello sviluppo di componenti e dispositivi ottici integrati in materiali vetrosi, e da alcuni anni, anche attraverso la partecipazione a progetti europei ESPRIT ed ACTS, hanno iniziato a studiare vetri drogati con erbio e con altre terre rare. Grazie anche ad una rete di collaborazioni nazionali, con gruppi sia CNR che Universitari, ed internazionali (INESC, Lisbona; Optical Science Center, Tucson; Vavilov Optical Institute, St. Petersburg), è stato possibile sviluppare una serie di nuovi vetri, tutti contenenti Erbio, ma con composizioni molto diverse, dai più tradizionali silicati e fosfati agli innovativi telluriti (vetri basati sull’ossido di tellurio). Due sono stati e tuttora sono gli obiettivi fondamentali: da una parte, progettare vetri in cui sia possibile produrre guide ottiche (attraverso la creazione di uno strato ad alto indice di rifrazione, in cui la luce rimane confinata in seguito ad un processo di riflessioni totali) a bassa attenuazione; dall’altra, ottenere in tali vetri una elevata efficienza quantica. Si è così già arrivati a realizzare amplificatori ottici integrati in vetri silicati con un guadagno ottico di 1,5 dB/cm (in altre parole, l’intensità del segnale entrante nel dispositivo è raddoppiata dopo soli 2 cm), e si sta ora lavorando (anche nell’ambito di un progetto FIRB) a sviluppare laser e amplificatori ottici integrati in vetri telluriti, che consentono una larghezza di banda quasi tre volte superiore rispetto ai vetri silicati.