Obiettivi formativi
Il corso si propone di fornire le basi teoriche per lo studio della propagazione elettromagnetica a frequenze ottiche in strutture dielettriche guidanti, guide e fibre ottiche, necessarie per la comprensione del funzionamento dei moderni sistemi di telecomunicazione. Dispositivi di basilare importanza, come laser, amplificatori ottici, accoppiatori ottici e reticoli, saranno analizzati in dettaglio. Verranno illustrati nuovi approcci e strumenti di analisi e progetto nonché discusse le più importanti novità nel campo della fotonica e dell’optoelettronica.
Contenuti dell'insegnamento
• Lastra piana isotropa.
• Fibra ottica.
• Attenuazione delle fibre ottiche.
• Fenomeni di dispersione in fibra
• Fibre ottiche plastiche
• Meccanismi di amplificazione ottica
• LED e Laser a semiconduttore
• Processo di fotorivelazione.
• Componenti passivi
• Reticoli di Bragg.
• Teoria dei modi accoppiati.
• Accoppiatori direzionali in fibra e in ottica integrata.
• Cavità Fabry-Perot. Interferometri.
• Onde piane in mezzi anisotropi.
• Modulatori ottici.
• Cristalli fotonici.
• Fibre ottiche a cristallo fotonico e holey fibers.
• Coerenza di una sorgente.
• Metodi finiti.
Programma esteso
• Lastra piana isotropa. • Fibra ottica. Apertura numerica, V-number, differenza percentuale di indice di rifrazione. Fibra step-index e i modi TE, TM, EH e HE. Fibra a debole guidaggio. I modi LP. Fattore di confinamento della potenza e dipendenza da V. Approssimazione gaussiana: definizione di spot size e mode field diameter. Espressione approssimata dello spot size normalizzato in funzione di V. Fibre graded index e matched cladding. • Attenuazione delle fibre ottiche. Cause intrinseche e cause estrinseche. Scattering di Rayleigh; perdite per micro- e macro-curvatura; assorbimento nell’ultravioletto e nell’infrarosso. Esempi di fibre commerciali. • Fenomeni di dispersione in fibra; dispersione cromatica. Fibre Dispersion Shifted (DSFs), Non-Zero Dispersion Shifted (NZDSFs), Fibre per la compensazione della dispersione (DCFs). Esempio di progetto di una fibra DCF. • Fibre ottiche plastiche: materiale, attenuazione, dimensioni del core e del cladding. • Meccanismi di amplificazione ottica. Population rate equations e sistemi a due, tre e quattro livelli.Equazioni di propagazione, coefficiente di guadagno e di assorbimento. • Amplificatori ottici in fibra drogata. Possibili configurazioni, schemi di pompaggio, guadagno, banda, cifra di rumore. Andamento delle grandezze negli amplificatori in fibra. • Amplificazione in banda C, L, S. Fibre silicate, tellurate e fluorurate drogate con erbio, neodimio, olmio e tulio. Laser in fibra. •Amplificatori ottici a semiconduttore - SOA. • LED e Laser a semiconduttore; schemi costitutivi e fisica del dispositivo. • Laser a semiconduttore singolo modo longitudinale; laser DFB e DBR. Laser tunabili. • Laser ad emissione verticale (VCSEL). Confronto con i laser tradizionali. Caratteristiche, prestazioni e applicazioni. • Processo di fotorivelazione. Assorbimento e trasparenza. Materiali e loro caratteristiche. • Tipi di fotodiodi. Prestazioni, rumore. • Componenti passivi. Accoppiatori e splitters. Wavelength Division Multiplexers and Demultiplexers (WDM MUXs/DEMUXs). Isolatori, Circolatori e Attenuatori. • Reticoli di Bragg in fibra ottica e guida dielettrica. Teoria dei modi accoppiati. Introduzione ed equazioni di riferimento. Applicazioni come specchi, selettori di lunghezza d’onda, per la compensazione di dispersione. • Accoppiatori direzionali in fibra e in ottica integrata. • Reticoli per riflessione, applicazione come demultiplexer e negli analizzatori di spettro. • Cavità Fabry-Perot. Interferometri. • Filtri interferometrici Mach-Zehnder. Divisori e star-couplers, multiplexer e demultiplexer. • Onde piane in mezzi anisotropi. Onda ordinaria e straordinaria. Dispositivi magneto-ottici, ritardatori di fase, polarizzatori, isolatori e circolatori. Applicazioni. • Modulatori ottici: ad elettroassorbimento, elettroottici e acustoottici. Applicazioni per l’elaborazione del segnale, switch ottici, convertitori di lunghezza d’onda. • Cristalli fotonici. Definizione e bande fotoniche proibite. Dispositivi basati sui cristalli fotonici: guide, giunzioni, curve, filtri, accoppiatori. • Fibre ottiche a cristallo fotonico e holey fibers. Definizione, tecnologie di fabbricazione, applicazioni nelle telecomunicazioni e prestazioni. • Coerenza di una sorgente; coerenza spaziale e temporale. • Metodi finiti; il metodo degli elementi finiti, differenze finite, mode matching.
Bibliografia
D.K. Mynbaev, L.L. Scheiner, "Fiber-Optic Communications Technology“, Prentice Hall, 2001.
P. Bassi, G. Bellanca, G. Tartarini, "Propagazione ottica libera e guidata" Clueb, 1999.
J. M. Senior, “Optical Fiber Communications”, Prentice Hall, 1992
