PHOTONIC DEVICES

Docenti: 
CANDIANI Alessandro
Crediti: 
9
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2021/2022
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
CAMPI ELETTROMAGNETICI (ING-INF/02)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Anno di corso: 
2
Lingua di insegnamento: 

Inglese

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.

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 con attività sperimentale in laboratorio e lezioni di simulazione numerica.
Il programma del corso potrà essere integrato da seminari.

Programma esteso

La durata di ogni lezione è pari a 2 ore
LEZIONE 1: Introduzione alle moderne tecnologie fotoniche
LEZIONE 2: Lastra piana simmetrica
LEZIONE 3: Proprietà principali e meccanismo di guidaggio delle fibre ottiche standard
LEZIONE 4: Modi guidati di fibre ottiche step-index
LEZIONE 5: Curva di dispersione dei modi, monomodalità e multimodalità
LEZIONE 6: Approssimazione di debole guidaggio e pseudo-modi LP
LEZIONE 7: Attenuazione delle fibre ottiche standard
LEZIONE 8: Dispersione cromatica in fibra ottica
LEZIONE 9: Fibre ottiche con particolari proprietà di dispersione (DSFs, NZDSFs, DCFs)
LEZIONE 10: Fibre ottiche per comunicazioni sottomarine
LEZIONE 11: Fibre ottiche per Space Division Multiplexing (SDM)
LEZIONE 12: Fibre a cristallo fotonico hollow core per comunicazioni ottiche
LEZIONE 13: Principio di funzionamento dei laser e diverse tipologie di sorgenti
LEZIONE 14: Laser a semiconduttore
LEZIONE 15: Meccanismi di amplificazione ottica
LEZIONE 16: Amplificatori ottici in fibra drogata
LEZIONE 17: Processo di fotorivelazione
LEZIONE 18: Fotodiodi
LEZIONE 19: Accoppiatori
LEZIONE 20: Modulatori ottici
LEZIONE 21: Cenni ai circuiti fotonici integrati
LEZIONE 22: Cenni al silicon photonics

Simulazione numerica:
LEZIONE 1: Introduzione alla simulazione numerica di fibre e componenti ottici
LEZIONE 2: Simulazione numerica dei modi guidati in una guida dielettrica
LEZIONE 3: Simulazione numerica dei modi guidati in fibre step-index
LEZIONE 4: Simulazione numerica della dispersione cromatica dei modi guidati in fibra ottica
LEZIONE 5: Analisi numerica delle proprietà di fibre ottiche speciali
LEZIONE 6: Simulazione numerica di un accoppiatore direzionale
LEZIONE 7: Simulazione numerica di un modulatore Mach-Zender
LEZIONE 8: Analisi numerica delle proprietà di guide in silicio

Attività sperimentale in laboratorio:
LEZIONE 1: Introduzione all’attività di laboratorio: strumenti di lavoro e buone pratiche
LEZIONE 2: Il banco ottico: progettazione e implementazione di un setup sperimentale
LEZIONE 3: Fibre ottiche: giunzioni tra fibre (preparazione, giunto, connettori) e caratterizzazione spettarle (attenuazione e dispersione)
LEZIONE 4: Componenti attivi: sorgenti laser e diodi, e accoppiamento in fibra
LEZIONE 5: Componenti passivi: accoppiatori, modulatori e reticoli, e accoppiamento in fibra
LEZIONE 6: Realizzazione di un sistema ottico e valutazione delle prestazioni

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
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 (44 ore). A queste si alternano lezioni sperimentali in laboratorio (12 ore) ed esercitazioni che prevedono l’utilizzo di un software per l’analisi della propagazione di onde elettromagnetiche a frequenze ottiche in mezzi ottici lineari e non lineari (16 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.
Si sottolinea che le modalità di svolgimento delle attività didattiche potranno subire variazioni legate alla situazione sanitaria.
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 il software 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 durante l’ultima lezione 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.
Qualora, a causa della situazione sanitaria, fosse necessario integrare con la modalità a distanza lo svolgimento degli esami di profitto, si procederà con una prova orale a distanza via Teams del tutto analoga a quella svolta in presenza. Si invitano gli studenti a leggere con attenzione le guide disponibili sul sito web http://selma.unipr.it/ nella sezione “Esami online” prima di sostenere l’esame in modalità a distanza.
Ulteriori informazioni sulle modalità d’esame saranno fornite agli studenti durante le lezioni e rese disponibili sul sito Elly del corso.
Si sottolinea che le modalità di verifica dell’apprendimento potranno subire variazioni legate alla situazione sanitaria.