PHOTONIC DEVICES

Crediti: 
9
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2020/2021
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
CAMPI ELETTROMAGNETICI (ING-INF/02)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Inglese

Obiettivi formativi

Conoscenze e capacità di comprendere
Al termine del corso lo studente dovrà aver acquisito le principali conoscenze relative alla propagazione elettromagnetica a frequenze ottiche in strutture dielettriche guidanti, come guide e fibre ottiche. Queste conoscenze sono necessarie per la comprensione del funzionamento dei sistemi di telecomunicazione. Lo studente dovrà acquisire la conoscenza dei principi di funzionamento di dispositivi di basilare importanza, come laser, amplificatori ottici, accoppiatori ottici e reticoli. Verranno illustrati nuovi approcci e strumenti di analisi e progetto nonché discusse le più importanti novità nel campo della fotonica e dell’optoelettronica.Conoscenze e capacità di comprensione applicate
2. Capacità di applicare conoscenza e comprensione- analizzare e descrivere l'architettura di un sistema di telecomunicazione in fibra;- valutare le principali caratteristiche di dispositivi fotonici come laser, fotoricevitori, accoppiatori, reticoli;- individuare le possibili soluzioni per progettazione di fibre ottiche e dispositivi fotonici per diverse applicazioni.Autonomia di giudizio:
Al superamento dell’esame lo studente dovrebbe aver sviluppato la capacità di valutare criticamente le proprietà di diversi dispositivi. L’abilità di analizzare i dati sheets di diversi componenti ottici, anche complessi, allo scopo di prevederne il comportamento e progettarne l’utilizzo.Capacità comunicative:
Al superamento dell’esame lo studente dovrebbe aver maturato una ottima proprietà di linguaggio, in particolare per quanto attiene la terminologia tecnica specifica dell’insegnamento.Capacità di apprendimento:
Lo studente che abbia frequentato il corso sarà in grado di approfondire le proprie conoscenze in materia di dispositivi fotonici attraverso la consultazione autonoma di testi specialistici, riviste scientifiche o divulgative, anche al di fuori degli argomenti trattati strettamente a lezione.

Prerequisiti

Nessuno

Contenuti dell'insegnamento

Il corso si propone di fornire le basi teoriche per lo studio della propagazione elettromagnetica a frequenze ottiche in strutture dielettriche guidanti, come guide e fibre ottiche. Le proprietà trasmissive delle fibre ottiche sono trattate in dettaglio. Dispositivi di basilare importanza, come laser, amplificatori ottici, e accoppiatori ottici 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.

Programma esteso

Lezione 1-2
Introduzione.Lastra piana simmetrica.
Lezione 3
Fibra ottica. Apertura numerica, V-number, differenza percentuale di indice di rifrazione.
Lezione 4-5
Fibra step-index e i modi TE, TM, EH e HE.
Lezione 6
Fibra a debole guidaggio. I modi LP.
Lezione 7
Fattore di confinamento della potenza e dipendenza da V.
Lezione 8
Approssimazione gaussiana: definizione di spot size e mode field diameter. Espressione approssimata dello spot size normalizzato in funzione di V.
Lezione 9
Fibre graded index.
Lezione 10
Attenuazione delle fibre ottiche. Cause intrinseche e cause estrinseche. Scattering di Rayleigh; assorbimento nell’ultravioletto e nell’infrarosso.
Lezione 11
Perdite per micro- e macro-curvatura. Esempi di fibre commerciali.
Lezione 12-13
Fenomeni di dispersione in fibra; dispersione cromatica. Fibre Dispersion Shifted (DSFs), Non-Zero Dispersion Shifted (NZDSFs),
Lezione 14
Fibre per la compensazione della dispersione (DCFs). Esempio di progetto di una fibra DCF. Lezione 15
Fibre ottiche plastiche: materiale, attenuazione, dimensioni del core e del cladding.
Lezione 16
Meccanismi di amplificazione ottica.
Lezione 17
Population rate equations e sistemi a due, tre e quattro livelli.
Lezione 18
Equazioni di propagazione, coefficiente di guadagno e di assorbimento.
Lezione 19-20
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.
Lezione 21
Fibre silicate, tellurate e fluorurate drogate con erbio, neodimio, olmio e tulio.
Lezione 22
Laser in fibra.
Lezione 23
LED e Laser a semiconduttore; schemi costitutivi e fisica del dispositivo.
Lezione 24
Laser a semiconduttore singolo modo longitudinale; laser DFB e DBR. Laser tunabili.
Lezione 25-26 Processo di fotorivelazione. Assorbimento e trasparenza. Materiali e loro caratteristiche.
Lezione 27 Tipi di fotodiodi. Prestazioni, rumore.
Lezione 28
Componenti passivi. Accoppiatori e splitters.
Lezione 29-30
Wavelength Division Multiplexers and Demultiplexers (WDM MUXs/DEMUXs).
Lezione 31-32 Isolatori, Circolatori e Attenuatori.
Lezione 33-34
Filtri interferometrici Mach-Zehnder.
Lezione 35
Divisori e star-couplers, multiplexer e demultiplexer.
Lezione 36
Modulatori ottici.

Bibliografia

S. Selleri, L. Vincetti, A. Cucinotta, Componenti ottici e Fotonici, Società editrice Esculapio, 2012, ISBN: 978-88-7488-552-7

Metodi didattici

Didattica frontale con l'ausilio di Power Point.Esperienze di laboratorio.
Python Lab

Modalità verifica apprendimento

La verifica sommativa degli apprendimenti è effettuata in 3 stadi: una presentazione da parte dello studente su un argomento inerente al corso e concordato con il professore. Durante la presentazione lo studente dovrà dimostrare di avere compreso i principi dell’argomento di cui parla, di conoscere le definizioni e le unità di misura di tutte le grandezze introdotte e di sapere individuare le possibili applicazioni.2) un esame scritto teso a verificare la capacità di calcolare le grandezze di interesse di una fibra ottica o di un dispositivo ottico 3)un esame orale finale teso a verificare la capacità di correlare le conoscenze acquisite per identificare le caratteristiche e le proprietà dei vari dispositivi fotonici considerati durante le lezioni in classe.

Altre informazioni

E’ fortemente consigliata la frequenza del corso.