OPTICAL COMMUNICATIONS

Docenti: 
Crediti: 
9
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2020/2021
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
TELECOMUNICAZIONI (ING-INF/03)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Inglese

Obiettivi formativi

Il corso si propone di fornire i principali strumenti per l’analisi, la comprensione e la progettazione dei moderni sistemi di comunicazione in fibra ottica. In particolare ci si propone di far comprendere allo studente i seguenti argomenti:

- gli effetti lineari in una fibra ottica.
- gli effetti non lineari in una fibra ottica.
- studio della trasmissione/amplificazione/ricezione di un segnale ottico.
- progettazione di un sistema di comunicazione in fibra ottica.
- i principi della simulazione numerica di un collegamento in fibra ottica.

Le capacità di applicare le conoscenze e comprensione elencate risultano
essere in particolare utili per:

- capire e analizzare le distorsioni di un collegamento in fibra ottica.
- capire e saper valutare le principali cause di rumore ai fini del calcolo della probabilità di errore di un ricevitore digitale di segnali ottici.
- individuare le principali strategie di risoluzioni dei problemi sopra elencati.
- progettare un sistema di comunicazione in fibra ottica.
- implementare algoritmi numerici per l'analisi di sistemi non lineari.
- essere in grado di scrivere un rapporto scientifico

Prerequisiti

si suggeriscono conoscenze di base di trasmissione numerica, elaborazione numerica dei segnali, campi elettro-magnetici

Contenuti dell'insegnamento

Introduzione, motivazioni e stato dell’arte.
Richiami sulla propagazione in fibra ottica singolo modo.
Dispersione di velocità di gruppo.
Trasmettitori ottici.
Amplificatori ottici.
Principi di fotorivelazione.
Calcolo delle prestazioni di sistemi ottici.
Dispersione modale di polarizzazione.
Ricezione coerente.
Effetti non lineari in fibre ottiche:
- Self phase modulation
- Cross phase modulation
- Four wave mixing
- Cross polarization modulation
Propagazione in regime solitonico.
Simulazione numerica di sistemi di comunicazione ottica.
Modello Gaussiano dell'interferenza non lineare.
Effetto Raman.
Digital back propagation.

Programma esteso

1) Introduzione. Breve storia delle comunicazioni ottiche.

2) Ottica a raggi. Legge di Snell. Riflessione totale. Richiami sulle fibre singolo modo.

3) Modulatori ottici. Griglia ITU-T. Richiamo sulle comunicazioni digitali e sui laser. 3 dB coupler. Modulatori di fase ottici. Impulsi return to zero. Modulazione di fase con modulatori Mach Zehnder. Modulatori ottici in-fase/quadratura.

4-5) Propagazione in fibre ottiche in regime lineare. Attenuazione. Ritardo di gruppo. Dispersione di velocità di gruppo (GVD). GVD con impulsi Gaussiani. Dispersione anomala e normale. Impatto di un chirp sulla GVD. Frequenza istantanea di GVD.

6) Dispersione di terzo ordine. Eye closure penalty (ECP) indotta dalla GVD. Memoria della GVD.

7-10) Amplificatore ottico. Cross sections di assorbimento ed emissione. Equazione di propagazione e di bilancio. Reservoir. Rumore di emissione spontanea (ASE). Cifra di rumore di un amplificatore ottico. Formula di Friis. Rapporto segnale rumore ottico. Esercizi.

11-12) Fotoricevitori: fotodiodo. Efficienza quantica. Responsivity. Giunzione P-i-n. Fotodiodo a valanga (APD). Statistiche di Poisson. Shot noise. Ricevitori ottici.

13-15) Calcolo dell probabilità di errore (BER) in un sistema ottico on-off keying (OOK). Quantum limit. Potenza di sensitivity. Impatto del rumore termico sulla BER. Approssimazione gaussiana della BER. Power budget. Legame Sensitivity penalty e Eye closure penalty (ECP).
Rumore di battimento segnale-spontaneo, spontaneo-spontaneo. Formula di Personick e di Marcuse. Esercizi.
Misura della cifra di rumore di amplificatori ottici.

16-17) Polarizzazione della luce. Birifrangenza. Formalismo di Stokes. Sfera di Poincaré. Breve richiamo dlle matrici unitarie e Hermitiane. Dispersione modale di polarizzazione (PMD). Ritardo di gruppo differenziale. Stati principali di polarizzazione.

18-19) Ricezione coerente. Accoppiatore ottico. Ricezione coerente differenziale: DPSK. Modulo ibrido ottico. Ricevitore bilanciato. Trasmissione a modulazione di polarizzazione. Digital signal processing al ricevitore. Recupero elettronico della GVD e della PMD. Recupero di fase e frequenza. Recupero di sincronismo.

20) Equazione non lineare di Schroedinger (NLSE). Ragioni della non linearità cubica. Self Phase Modulation (SPM). Confronto tra la visione tempo/frequenza del SPM/GVD.

21) Catene di amplificatori: limitazioni imposte dalla non linearità e dal rumore ASE. Catene disomogenee. Metodo dei moltiplicatori di Lagrange.

22) Solitoni. Dimostrazione del solitone fondamentale. Solitoni di ordine superiore e Dark solitons (cenni).
Problemi dei Solitoni.

23) Sistemi wavelength division multiplexing (WDM). NLSE a campi separati. Cross-phase modulation (XPM) e four wave mixing (FWM). Filtro di XPM. Coefficiente di walk-off.

24) Algoritmo di split-step Fourier method (SSFM). Soluzione formale con operatori. Non commutatività degli operatori. SSFM asimmetrico e simmetrico. Scelta del passo: passo costante, metodo della fase non lineare, metodo dell'errore locale stimato.

25-29) Linguaggio Matlab. Linguaggio di programmazione OptiluX. Software Optilux: esempi.

30) Analisi perturbativa della NLSE. Campo di FWM con segnali CW. Efficienza di FWM. Coefficiente di phase matching.

31-33) Gaussian noise (GN) model. Applicazioni del GN-model per il dimensionamento di collegamenti ottici.

34) Amplificazione Raman. Memoria introdotta dall'effetto Raman. SPM, XPM e FWM in presenza di Raman. XPM risonante Raman. Amplificazione Raman nel caso pompa-segnale.

35) Cross polarization modulation (XpolM). Confronto XPM vs. XPolM. Algoritmo di digital backpropagation (DBP). Effetto del rumore sulle prestazioni del DBP.

36) Esperienza di laboratorio.

Bibliografia

Il corso è corredato da diapositive disponibili sulla piattaforma Elly.

Si consiglia la lettura dei testi:

G. P. Agrawal, "Fiber-optic communication Systems", 3rd ed., Wiley, 2002;

G. P. Agrawal, "Nonlinear Fiber Optics", Academic Press

Articoli scientifici propedeutici sono indicati all'indirizzo:

http://www.tlc.unipr.it/serena/CO/lezioni.html

Metodi didattici

le lezioni teoriche verranno svolte prevalentemente alla lavagna. E' prevista qualche lezione svolta con proiezione di slides disponibili sul portale Elly.
Durante il corso saranno svolti degli esercizi propedeutici. L'interazione con lo studente è motivata da domande a risposta aperta.
E' prevista qualche lezione in laboratorio informatico basata sul linguaggio Matlab, e qualche lezione in laboratorio sperimentale ottico.
A complemento dei metodi didattici finora esposti, se le condizioni lo consentono, vengono organizzati dei seminari tenuti da responsabili di aziende multinazionali che riportano esperienze concrete maturate in casi studio reali.
Nel caso la normale attività in classe non sia possibile causa della COVID-19, la didattica frontale sarà sostituita con delle lezioni preregistrate e liberamente scaricabili, e le esercitazioni e le verifiche intermedie verranno condotte mediante lezioni su MS Teams.

Modalità verifica apprendimento

Gli esami si svolgeranno in presenza e/o con modalità remota in base alle normative ed alle indicazioni di ateneo vigenti alla data dell'appello.
la prova d'esame consiste in una prova orale e in una tesina individuale (max 4 pagine, con template fornito durante il corso). Nella tesina si richiede allo studente di relazionare un progetto di un sistema ottico da effettuare tramite simulazione numerica con il software Optilux. Il progetto è assegnato individualmente. Lo studente può proporre un progetto, previa approvazione dell'insegnante. La tesina è valutata in base alla correttezza, completezza, chiarezza di esposizione, riferimenti bibliografici, con un punteggio, se approvata, tra 16-30. La prova orale consite in domande aperte e brevi esercizi con lo scopo di verificare l'apprendimento dello studente della materia e la capacità di risolvere problemi, e viene valutata, se passata con successo, in una scala da 18-30. Il voto finale è la media aritmetica delle due prove, con la lode assegnata quando il massimo punteggio è raggiunto in ambedue le prove.
Per gli studenti interessati, durante il corso è prevista una prova scritta intermedia, della durata di 2.5 ore, basata principalmente su esercizi ma anche su domande aperte, riguardante circa metà programma. Esercizi e domande, tipicamente in numero totale inferiore a 5, vengono valutati con punteggio indicato nel compito. E' inoltre prevista la possibilità di scrivere un progetto di gruppo (max 2 pagine) su attività sperimentale da effettuare nel laboratorio Optiklab. Tale progetto viene valutato come un bonus tra 0 e 2 punti.

Altre informazioni

nel corso verrà utilizzato un simulatore numerico di collegamenti ottici