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 sui più importanti componenti ottici, optoelettronici e fotonici, dai filtri per “wavelength division multiplexing” a guide dielettriche accoppiate ai modulatori di fase basati sull’effetto elettroottico, dai diodi LED agli amplificatori ottici, dai LASER ai 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 più semplici componenti fotonici. Gli argomenti trattati vengono proposti affiancandoli ad attività di simulazione al calcolatore, in modo da consentire agli studenti di acquisire familiarità con alcuni dei concetti chiave dell'ingegneria elettronica e delle telecomunicazioni.

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 dell'insegnamento si occupa di fornire le conoscenze necessarie alla comprensione del funzionamento di “power splitters”, “power combiners”, "mux" e "demux" per WDM, modulatori elettroottici, LED, LASER, amplificatori ottici e fotorivelatori. Gli argomenti vengono proposti affiancandoli ad attività di simulazione al calcolatore. L'obiettivo è quello di fornire gli strumenti essenziali sia alla comprensione del funzionamento sia alla valutazione delle prestazioni di importanti componenti o sistemi ottici, optoelettronici, fotonici.

Al termine dell'insegnamento, lo studente sarà in grado di:
1. spiegare i più importanti aspetti della propagazione nelle guide dielettriche
2. spiegare i concetti fondamentali che stanno alla base del funzionamento di componenti ottici o fotonici
3. risolvere semplici problemi di propagazione elettromagnetica guidata
4. risolvere semplici problemi che riguardano il funzionamento di componenti ottici o fotonici
5. analizzare le soluzioni dei problemi o i risultati ottenuti per mezzo di simulatori numerici
6. valutare le prestazioni di guide dielettriche e di componenti ottici o fotonici
7. migliorare le prestazioni di guide dielettriche e di componenti ottici o fotonici.

MODALITA' DIDATTICHE

Le lezioni e gli esercizi vengono svolti in aula dal docente. Le esercitazioni al calcolatore sono svolte in laboratorio dal docente solo in parte. Le parti rimanenti delle esercitazioni vengono svolte dagli studenti, sotto la supervisione del docente, approfondendo alcuni aspetti dei temi trattati.

E' consigliata la frequenza e la partecipazione attiva alle attività formative proposte. Non sono previsti test formali di autovalutazione ma gli studenti possono utilizzare allo scopo i molti esercizi proposti e le esercitazioni svolte in laboratorio.

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 gradiente 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.    Principio di funzionamento dei diodi 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).

Tra parentesi sono indicate, rispettivamente, le ore dedicate al singolo argomento e la somma delle ore dedicate ai vari argomenti.

Questo insegnamento, trattando temi di interesse scientifico-tecnologico quali le fibre ottiche e la fotonica, contribuisce al raggiungimento dei seguenti Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda ONU 2030:
8.2 (Raggiungere standard più alti di produttività economica attraverso la diversificazione, il progresso tecnologico e l’innovazione, anche con particolare attenzione all’alto valore aggiunto e ai settori ad elevata intensità di lavoro)
9.5 (Aumentare la ricerca scientifica, migliorare le capacità tecnologiche del settore industriale in tutti gli stati – in particolare in quelli in via di sviluppo – nonché incoraggiare le innovazioni e incrementare considerevolmente, entro il 2030, il numero di impiegati per ogni milione di persone, nel settore della ricerca e dello sviluppo e la spesa per la ricerca – sia pubblica che privata – e per lo sviluppo)

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)

ALESSANDRO FEDELI

ANDREA RANDAZZO (Presidente Supplente)

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

https://corsi.unige.it/9273/p/studenti-orario

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L'esame è orale e si compone di tre domande. Ciascuna domanda consentirà di esporre le proprie tesi per circa quindici minuti. Una delle domande sarà di tipo teorico. Le altre due comporteranno la risoluzione di un esercizio o l'analisi, la discussione e la valutazione di risultati di simulazioni numeriche.

Agli studenti con disturbi specifici di apprendimento (DSA) sarà consentita l’adozione di specifiche modalità e supporti che saranno stabiliti caso per caso in accordo col Delegato dei corsi di Ingegneria nella Commissione per l’inclusione di studenti con disabilità.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

La domanda teorica permetterà di valutare la capacità di spiegare gli aspetti più rilevanti della propagazione elettromagnetica guidata e i concetti fondamentali che stanno alla base del funzionamento dei più importanti componenti ottici o optoelettronici. Le altre due domande, formulate come problemi da risolvere o in termini di simulazioni da gestire e risultati da interpretare, consentiranno da un lato di valutare la capacità di risolvere semplici problemi di propagazione guidata o relativi al funzionamento dei componenti e, dall'altro, di stimare la capacità di analisi, valutazione, interpretazione e sintesi dei risultati.

Calendario appelli