PRESENTAZIONE

L'insegnamento Fibre Ottiche e Fotonica affronta il problema della propagazione nelle guide dielettriche, sviluppando in tutti i dettagli il caso della lastra dielettrica simmetrica, e fornisce competenze di base sui più importanti componenti ottici e fotonici, deducendo il funzionamento di filtri per “wavelength division multiplexing” a guide dielettriche accoppiate, di modulatori di fase basati sull’effetto elettroottico, di diodi LED, di amplificatori ottici, di LASER e di fotorivelatori.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

L'insegnamento si propone di fornire agli studenti le nozioni fondamentali relative all'invio dell’informazione mediante la propagazione guidata della luce su fibra ottica. Vengono spiegati i fenomeni che sono alla base della propagazione ottica guidata e le problematiche relative alla attenuazione e alla dispersione. L'ultima parte del corso si occupa di fornire le conoscenze necessarie alla comprensione del funzionamento dei piu' semplici componenti fotonici. Gli argomenti vengono proposti affiancandoli ad attività di simulazione al calcolatore.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

L'insegnamento si propone di fornire agli studenti le nozioni fondamentali relative alla propagazione guidata dei campi elettromagnetici nelle guide dielettriche di maggior interesse pratico. Vengono spiegati i fenomeni della attenuazione e della distorsione dei segnali trasmessi. La seconda e ultima parte del corso si occupa di fornire le conoscenze necessarie alla comprensione del funzionamento di “power splitters”, “power combiners”, accoppiatori direzionali, “switches”, LED, LASER, amplificatori ottici, modulatori elettroottici. Gli argomenti vengono proposti affiancandoli ad attività di simulazione al calcolatore. L'obiettivo è quello di fornire gli strumenti essenziali alla comprensione del funzionamento di importanti sistemi optoelettronici o di telecomunicazioni.
Al termine dell’insegnamento, lo studente sarà in grado di descrivere i concetti fondamentali che stanno alla base del funzionamento di componenti ottici o fotonici e di comprendere i più importanti aspetti della propagazione elettromagnetica guidata. Sarà altresì in grado di risolvere semplici problemi che riguardano il funzionamento di tali componenti o che hanno a che fare con la propagazione elettromagnetica guidata.

MODALITA' DIDATTICHE

Le lezioni e gli esercizi vengono svolti in aula dal docente. Le esercitazioni al calcolatore sono svolte dal docente solo in parte. La rimanente parte dell'esercitazione viene svolta dagli studenti approfondendo alcuni aspetti del tema trattato.

PROGRAMMA/CONTENUTO

1.    Organizzazione dell’insegnamento, motivazioni e applicazioni (2; 2)
2.    Introduzione alle trasmissioni ottiche: storia, applicazioni, componenti fondamentali e possibili sviluppi futuri (3; 5)
3.    Propagazione nelle guide dielettriche: il caso della lastra dielettrica simmetrica e senza perdite
3.1.    modi guidati: comportamento delle componenti del campo elettromagnetico, equazione di dispersione, soluzione dell’equazione di dispersione con metodi grafici o numerici, frequenza di taglio, alcune interpretazioni in termini di ottica geometrica, apertura numerica (12;17)
3.2.    modi irradianti e modi evanescenti: cardinalità dei set dei modi irradianti e dei modi evanescenti, componenti dei modi irradianti e dei modi evanescenti, proprietà principali dei modi irradianti e dei modi evanescenti (2;19)
3.3.    ortogonalità e completezza dei modi: eccitazione dei campi e propagazione in termini di modi (2; 21)
3.4.    commenti sui cosiddetti modi “leaky” (1; 22)
3.5.    esercitazione in laboratorio con COMSOL Multiphysics relativa alla eccitazione dei modi di uno slab dielettrico e alla propagazione in termini di modi (3; 25)
4.    Caratteristiche delle più importanti guide dielettriche:
4.1.    fibre ottiche “step index”: modo fondamentale, modi superiori, frequenze di taglio, terminologia usuale, approssimazioni utili (3; 28)
4.2.    fibre ottiche a gradient di indice (1; 29)
4.3.    fibre a cristallo fotonico, “holey fibers”, principali guide dielettriche per l’ottica integrata (1; 30)
5.    Attenuazione nelle guide dielettriche (1; 31)
6.    Dispersione nelle guide dielettriche (4; 35)
7.    Esercitazione in laboratorio: analisi numerica degli effetti della dispersione su segnali modulati (3; 37)
8.    Lastre dielettriche accoppiate in presenza di debole accoppiamento (4;41)
9.    Possibili applicazioni delle lastre dielettriche accoppiate: “power splitters”, “power combiners”, accoppiatori direzionali,  “switches” (2; 43)
10.    Esercitazione in laboratorio con COMSOL Multiphysics: analisi numerica di lastre dielettriche accoppiate (2; 45)
11.    Effetto elettroottico (2; 47)
12.    Modulatori elettroottici e “switches” (2; 49)
13.    Interazione fotoni-materia: fenomeni di base (2; 51)
14.    Principio di funzionamento dei LED e dei Semiconductor Optical Amplifiers (3; 54)
15.    Cavità risonante Fabry-Perot e principio di funzionamento di oscillatori LASER (2; 56)
16.    “Erbium Doped Fiber Amplifiers” (1; 57)
17.    Fotorivelatori: rivelatori fotoelettrici; fotodiodi a vuoto; tubi fotomoltiplicatori; fotodiodi; fotodiodi “avalanche” (2; 59)
18.    Scattering di Rayleigh, di Raman e di Brillouin; “Raman Fiber Amplifiers” basati sullo “scattering” Raman stimolato (1; 60)

TESTI/BIBLIOGRAFIA

• D. Marcuse, Light transmission optics, Van Nostrand Reinhold Company, 1972, New York, USA
• D. Marcuse, Theory of dielectric optical waveguides, Academic Press Company, 1974, New York, USA
• G. P. Agrawal, Fiber-optic communication systems, Wiley interscience, 2002, New York, USA
• B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley, 2007, New York, USA

Sono inoltre disponibili delle dispense preparate dal docente dell'insegnamento.

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

MIRCO RAFFETTO (Presidente)

GIAN LUIGI GRAGNANI

MATTEO PASTORINO

ANDREA RANDAZZO

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

Come da Calendario didattico

Orari delle lezioni

FIBRE OTTICHE E FOTONICA

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L'esame è orale e si compone di tre domande: almeno una di carattere teorico e almeno una formulata come un esercizio.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

Al termine dell'insegnamento lo studente dovrà dimostrare di aver compreso i punti salienti della teoria della propagazione guidata e gli aspetti fondamentali relativi al funzionamento dei più importanti dispositivi per la trasmissione ottica dell'informazione.

Calendario appelli