Obiettivi formativi
Al termine del corso ci si attende che lo studente abbia
− acquisito le principali conoscenze sulla propagazione della luce in guide e fibre ottiche, e sui principi di funzionamento dei componenti fotonici fondamentali per i sistemi di telecomunicazione (laser, modulatori, accoppiatori, amplificatori);
− acquisito la capacità di analizzare e descrivere un sistema di comunicazione basato sulla fibra ottica;
− sviluppato la capacità di analizzare con un metodo numerico le proprietà di guide e fibre ottiche, e dei principali dispositivi fotonici;
− sviluppato la capacità di riassumere e comunicare i principali risultati di un’attività di analisi numerica, utilizzando un’adeguata terminologia tecnica;
− acquisito la capacità di comprendere le specifiche tecniche di fibre e componenti ottici al fine di progettarne l’utilizzo in un setup di laboratorio;
− riassumere e comunicare i principali risultati di un’attività sperimentale in laboratorio.
Prerequisiti
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Contenuti dell'insegnamento
Il corso fornisce le basi teoriche per lo studio della propagazione della luce in guide e fibre ottiche, e sui principi di funzionamento dei componenti fotonici fondamentali per i sistemi di telecomunicazione. Le fibre ottiche convenzionali sono descritte nel dettaglio, con particolare riferimento alle caratteristiche che le rendono particolarmente adatte per le comunicazioni ottiche. I principali componenti e dispositivi fotonici per i moderni sistemi di comunicazioni ottiche, quali laser, modulatori, accoppiatori e amplificatori ottici, vengono presentati in modo approfondito. Particolare attenzione viene dedicata ai temi di ricerca di maggiore interesse nel campo della fotonica applicata alle comunicazioni ottiche.
Sono previste lezioni di simulazione numerica e alcune lezioni con attività sperimentale in laboratorio
Il programma del corso potrà essere integrato da seminari.
Programma esteso
La durata di ogni lezione è pari a 2 ore
LEZIONE 1: Principali proprietà della luce e dello spettro elettromagnetico, con riferimento alle moderne tecnologie fotoniche
LEZIONE 2: Lastra piana dielettrica: modi TE e TM, onde piane e modi guidati
LEZIONE 3: Lastra piana dielettrica: condizione di cut-off dei modi, confinamento del campo, curva di dispersione
LEZIONE 4: Guide dielettriche in ottica integrata: diverse tipologie (buried, strip-loaded, ridge, rib) e relativi andamenti di campo dei modi guidati
LEZIONE 5: Fibre ottiche standard: geometria, materiali, processo di fabbricazione, meccanismo di guidaggio, apertura numerica, regime di monomodalità
LEZIONE 6: Fibre ottiche standard: attenuazione (assorbimento, scattering, micro e macro bending), fibre multi-modo e singolo-modo
LEZIONE 7: Modi guidati delle fibre ottiche standard: modi ibridi, TE e TM, curva di dispersione
LEZIONE 8: Modi guidati delle fibre ottiche standard: approssimazione di debole guidaggio e pseudo-modi LP
LEZIONE 9: Dispersione in fibra ottica: dispersione intermodale e intramodale, dispersione cromatica (materiale, guidaggio, polarizzazione)
LEZIONE 10: Fibre ottiche per comunicazioni sottomarine
LEZIONE 11: Fibre con hollow core: tipologie e meccanismi di guidaggio, cristalli fotonici e loro proprietà
LEZIONE 12: Fibre ottiche per Space-Division Multiplexing (SDM): fibre multicore e few-mode
LEZIONE 13: Divisori di potenza e accoppiatori: giunzione a Y, accoppiatore direzionale
LEZIONE 14: Divisori di potenza e accoppiatori: accoppiatore a 3 dB, multiplexer e demultiplexer
LEZIONE 15: Filtri e interferometri: filtro Fabry-Perot, interferometro multimodale (MMI)
LEZIONE 16: Filtri e interferometri: interferometro Mach-Zehnder, arrayed-waveguide grating (AWG)
LEZIONE 17: Modulatori ottici: modulatori al niobato di litio, modulatori a elettro-assorbimento
LEZIONE 18: Amplificatori ottici: livelli energetici e fotoni, interazione tra onde elettromagnetiche e materia, principali parametri
LEZIONE 19: Amplificatori ottici in fibra drogata con Erbio (EDFAs): componenti principali, schemi di pompaggio
LEZIONE 20: Amplificatori ottici in fibra drogata con Erbio (EDFAs): propagation e population rate equations, lunghezza ottima, figura di rumore
LEZIONE 21: Meccanismo di funzionamento del laser: modello dell'atomo di Bohr, emissione stimolata, cavità risontante, modi longitudinali e trasversi
LEZIONE 22: Laser a gas e laser a semiconduttore: semiconduttori III-V per dispositivi fotonici, meccanismo di emissione
LEZIONE 23: Laser a stato solido e laser in fibra: schema di principio, schemi di pompaggio, fibre attive a doppio cladding per laser ad alta potenza
LEZIONE 24: Fotoricevitori: thermal detectors, photon detectors basati sull'effetto fotoelettrico esterno (dispositivi fotoemissivi) e interno (dispositivi a semiconduttore: fotoconduttori, fotodiodi a giunzione)
LEZIONE 25: Sensori di spettro di tipo intrinseco: Fiber Bragg Gratings (FBGs)
LEZIONE 26: Approfondimento sulla progettazione di amplificatori e laser in fibra
Simulazione numerica:
LEZIONE 1: Introduzione alla simulazione numerica di fibre e componenti ottici
LEZIONE 2: Analisi numerica delle guide dielettriche e in tecnologia silicon photonics
LEZIONE 3: Simulazione numerica dei modi guidati in una fibra ottica e della loro curva di dispersione
LEZIONE 4: Simulazione numerica della dispersione cromatica del modo fondamentale di una fibra ottica
LEZIONE 5: Analisi numerica dell'area efficace e dell'integrale di overlap dei modi guidati di una fibra ottca, con Perfect Matched Layers come condizioni al contorno
LEZIONE 6: Simulazione numerica dei modi guidati di una fibra con hollow core anti-risonante e di una fibra a cristallo fotonico solid core
Attività di laboratorio:
LEZIONE 1: Introduzione all’attività di laboratorio con fibre ottiche: taglio, splice, connettori, strumenti (laser tunabile, analizzatore di spettro, ecc.)
LEZIONE 2: Realizzazione di semplici setup sperimentali (ad es., misura di attenuazione di una fibra ottica, misure di sensing con reticoli di Bragg)
2 seminari saranno organizzati in occasione della Giornata Internazionale della Luce.
Bibliografia
S. Selleri, L. Vincetti, A. Cucinotta, “Optical and Photonic Components”, Esculapio, 2015
B. E. A. Saleh, M. C. Teich, “Fundamentals of Photonics”, 3rd Edition, Wiley, 2019
K. Okamoto, “Fundamentals of Optical Waveguides”, 3rd Edition, Academic Press, 2021
Articoli scientifici segnalati durante le lezioni del corso.
Metodi didattici
Le attività didattiche prevedono lezioni svolte in aula dal docente con l’ausilio della lavagna e del computer/proiettore per mostrare presentazioni multimediali, video/immagini e pagine web (52 ore). A queste si alternano lezioni sperimentali in laboratorio (4 ore), seminari (4 ore) ed esercitazioni che prevedono l’utilizzo di COMSOL Multiphysics, un software per l’analisi della propagazione di onde elettromagnetiche a frequenze ottiche in mezzi ottici lineari e non lineari (12 ore).
Le slides delle presentazioni utilizzate a supporto delle lezioni e delle esercitazioni sono caricate sulla piattaforma Elly. Per scaricare le slides è necessaria l’iscrizione al corso.
Le slides vengono considerate parte integrante del materiale didattico. Si ricorda agli studenti non frequentanti di controllare il materiale didattico disponibile e le indicazioni fornite dal docente tramite la piattaforma Elly.
Informazioni dettagliate sulle modalità di svolgimento delle lezioni saranno fornite prima dell’inizio del corso.
Modalità verifica apprendimento
La valutazione dell’apprendimento è effettuata tramite:
− prova orale con domande sugli argomenti trattati durante le lezioni, per verificare il livello di apprendimento dello studente. La prova orale è valutata con scala 0/30;
− report individuale su un’attività di simulazione numerica da svolgere con COMSOL Multiphysics, utilizzato durante le esercitazioni. L’attività, che deve essere svolta in modo individuale, riguarda una delle tipologie di dispositivo ottico o fibra ottica presentate durante le esercitazioni di laboratorio, ed è assegnata nella parte finale del corso o, successivamente, previo appuntamento col docente. Sul sito Elly del corso il docente rende disponibile un template Word (in formato .docx) che lo studente è invitato ad utilizzare per preparare il report. Il report va inviato via e-mail in formato .pdf al docente non più tardi di tre giorni prima della data dell’esame orale. Il report è valutato in base a correttezza, completezza e chiarezza espositiva, con scala 0/30.
Il voto della prova orale viene comunicato immediatamente al termine della prova stessa. Il voto del report è comunicato allo studente al termine della prova orale. Contestualmente, lo studente può visionare il report con le relative correzioni. Il voto finale è calcolato come media aritmetica dei voti dell’interrogazione orale e del report, tutti in trentesimi. La lode viene assegnata nel caso del raggiungimento del massimo punteggio su tutte le prove.
L’iscrizione on-line all’appello è obbligatoria e va effettuata non più tardi di tre giorni prima della data dell’esame.
Ulteriori informazioni sulle modalità d’esame saranno fornite agli studenti durante le lezioni e rese disponibili sul sito Elly del corso.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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