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  COMUNICAZIONI OTTICHE Docente: SILVELLO BETTI Email: betti@ing.uniroma2.it Telefono: 06 72597447
    Programma del Corso
 
PROGRAMMA DEL CORSO I Introduzione II Fibre Ottiche II.1 Riflessione e rifrazione della luce. II.2 Fibre ottiche: descrizione mediante l’ottica geometrica (core, cladding, fibre step-index; fibre graded-index). II.3 Equazioni di Maxwell. II.4 Modi di propagazione in fibra ottica (lunghezza d’onda di cut-off). II.5 Fibre ottiche singolo-modo (HE11, mode-field diameter). II.6 Attenuazione (coefficiente di attenuazione, assorbimento del materiale, scattering di Rayleigh). II.7 Dispersione cromatica (dispersione della velocità di gruppo, dispersione del materiale, dispersione di guida, dispersione di ordine superiore, ottimizzazione del progetto del profilo dell’indice di rifrazione del core della fibra ottica). II.8 Effetti di polarizzazione in fibra ottica (birifrangenza, fluttuazioni dello stato di polarizzazione, rappresentazione mediante il formalismo di Jones, rappresentazione mediante i parametri di Stokes, dispersione di polarizzazione, stati principali di polarizzazione). II.9 Equazione di propagazione in regime lineare (impulsi gaussiani, impulsi gaussiani affetti da chirping, “larghezza di banda” della fibra ottica). II.10 Cavi ottici. III Interazione luce-materia III.1 Natura ondulatoria e corpuscolare della luce. III.2 Conservazione dell’energia e della quantità di moto. III.3 Struttura delle bande di energia dei semiconduttori. III.4 Assorbimento. III.5 Emissione spontanea. III.6 Emissione stimolata. IV Laser a semiconduttore IV.1 Guadagno ottico IV.2 Feedback e condizioni di soglia. IV.3 Rate equations. IV.4 Strutture di laser a semiconduttore. IV.5 Regime di funzionamento multimodale. IV.6 Regime di funzionamento singolo-modo (DFB, DBR). IV.7 Funzionamento in condizioni statiche: caratteristica Potenza Ottica-Corrente di Polarizzazione. IV.8 Modulazione del laser a semiconduttore: regime di “piccolo” segnale, regime di “grande” segnale (clipping), risposta in frequenza, chirping. IV.9 Rumore della sorgente laser a semiconduttore (RIN, rumore di fase). V Componenti ottici passivi V.1 Accoppiatore direzionale 2x2. V.2 Teoria dei modi accoppiati. Equazioni di accoppiamento. Coefficienti di accoppiamento. V.3 Rappresentazione mediante la matrice di scattering. V.4 Star coupler. V.5 Multiplatori di tipo interferometrico Mach-Zehnder. V.6 Componenti basati su Phase Array (AWG). V.7 Filtri ottici (Fabry-Perot, grating, acusto-ottici). Filtri ottici sintonizzabili. V.8 Isolatori ottici. VI Componenti in ottica integrata VI.1 Effetto elettro-ottico lineare (effetto Pockels). VI.2 Modulatori elettro-ottici di ampiezza e di fase (LiNbO3, a semiconduttore). VI.3 Switch elettro-ottico. VI.4 Effetto acusto-ottico. VII Amplificatori ottici VII.1 Generalità sull’amplificazione ottica; il rumore negli amplificatori. VII.2 Amplificatori ottici in fibra drogata all’erbio (EDFA, Erbium Doper Fiber Amplifier): meccanismo di amplificazione, tecniche di pompaggio, architettura dell’EDFA, caratteristiche del guadagno, efficienza di conversione di potenza ottica, rumore (ASE, Amplified Spontaneous Emission), applicazioni di sistema (booster, amplificatore di linea, preamplificatore). VII.3 Amplificatori ottici a semiconduttore (SOA, Semiconductor Optical Amplifier): pompaggio, caratteristiche del guadagno, rumore, fenomeni non-lineari. VII.4 Convertitori di lunghezza d’onda basati su SOA. VIII Ricevitori ottici VIII.1 Fotodiodi: PIN, APD, efficienza quantica, responsività, rumore di rivelazione (shot-noise), tempo di risposta. VIII.2 Struttura del ricevitore ottico a rivelazione diretta (DD): amplificatore di front-end (amplificatore a transimpedenza, amplificatore ad alta impedenza), recupero della sincronizzazione. VIII.3 Configurazione del ricevitore basato su preamplificatore ottico. VIII.4 Limite quantico della rivelazione ottica. VIII.5 Prestazioni del ricevitore ottico: rumore termico, sensibilità del ricevitore, rapporto segnale-rumore (S/N), probabilità d’errore di bit (BER). VIII.6 Degrado delle prestazioni del ricevitore ottico: rapporto di estinzione, rumore d’intensità, jitter temporale. IX Sistemi ottici numerici punto-punto IX.1 Bilancio di potenza del collegamento. IX.2 Effetti dovuti alla dispersione: penalità indotta, limitazioni della larghezza di banda. IX.3 Sistemi a lunga distanza con amplificatori ottici in linea. IX.4 Codifica di linea: NRZ, RZ, codici a blocchi. IX.5 Compensazione della dispersione: post-compensazione, pre-compensazione, tecniche basate sul filtraggio ottico (Fabry-Perot, Mach-Zehnder, grating di Bragg). X Sistemi ottici multi-canale X.1 Sistemi ottici TDM (Time Division Multiplexing). X.2 Sistemi ottici SCM (Sub-Carrier Multiplexing). X.3 Sistemi ottici WDM (Wavelength-Division-Multiplexing): griglia ITU delle lunghezze d’onda, sorgenti ottiche sintonizzabili, effetti lineari di diafonia. XI Effetti ottici non-lineari XI.1 Scattering di Brillouin stimolato. XI.2 Scattering di Raman stimolato. XI.3 Effetto Kerr: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM), Four-Wave Mixing (FWM). XII Propagazione in regime non-lineare XII.1 Equazione di Schrödinger non-lineare. XII.2 Solitone. XII.3 Analisi della propagazione in regime non-lineare di un singolo canale ottico (SPM). XII.4 Propagazione in regime non-lineare nel caso multicanale: sistemi WDM (XPM, FWM). XII.5 Amplificazione Raman. XII.6 Dispersion management. XIII Evoluzione delle reti ottiche XIII.1 Topologie di reti ottiche. XIII.2 PON (Passive Optical Network). XIII.3 Rete di distribuzione in fibra ottica: architetture FTTC, FTTB, FTTH, WDM+PON. XIII.4 Reti completamente ottiche: architettura di rete (ADM, Add and Drop Multiplexer; OXC, Optical Cross Connect). XIV Fibre ottiche speciali (fibre ottiche G656; fibre a mantenimento di polarizzazione; fibre ottiche di ''plastica'', POF). XV Cristalli fotonici e fibre ottiche a cristalli fotonici. XVI Metodi e tecniche di misura per i sistemi di comunicazione ottica (misure di attenuazione, OTDR; misure di dispersione cromatica; misure di dispersione di polarizzazione; misure nelle reti ottiche PON).
RISULTATI DELL'APPRENDIMENTO Comprendere le modalità di funzionamento dei componenti optoelettronici ed ottici per lo studio dei sistemi di comunicazione ottica e delle reti ottiche. Essere in grado di comprendere la letteratura tecnica sull’argomento. Acquisire strumenti per la valutazione delle prestazioni dei sistemi e per il progetto architetturale di reti ottiche.
PROPEDEUTICITA' Fondamenti di Reti e Segnali. Comunicazioni elettriche. Campi elettromagnetici.
TESTI DI RIFERIMENTO
S. Betti, M.Giaconi, ''Comunicazioni Ottiche'' Aracne 2005.
Appunti del docente II parte del corso.
G.P. Agrawal, ''Fiber Optic Communication Systems'' Wiley.