PROGRAMMA di FOTONICA

Corso di Laurea in: INGEGNERIA ELETTRONICA

A. A. 2003-2004

Docente:

Modulo A: Prof. Raffaello Girlanda

Modulo B: Prof. Salvatore PatanĆ

 

MODULO A

 

Che cosa studia la Fotonica

 

Concetti introduttivi

Le sorgenti di luce. Emissione spontanea, emissione stimolata, assorbimento; il maser ed il laser; principi di funzionamento.

 

Interazione radiazione-materia

Richiami sulla teoria del corpo nero; transizioni stimolate, decadimento spontaneo, decadimento non radiativo; meccanismi di allargamento di riga di tipo omogeneo, inomogeneo e misto; saturazione. Caso di livelli degeneri. Significato della suscettibilitł.

 

Pompaggio ottico

Introduzione. Efficienza del pompaggio, efficienza di trasferimento. Distribuzione dell'energia di pompaggio nel materiale attivo. Potenza di pompa assorbita per unitł di volume.

 

Risonatori ottici passivi

Risonatori a specchi piani e paralleli, confocali, a specchi sferici; condizioni di stabilitł; risonatori instabili. Risonatori a specchi piani e paralleli. Teoria di Schawlow e Townes, teoria di Fox e Li; risonatore confocale e risonatore generico a specchi sferici (cenni).

 

Il laser

Equazioni di bilancio per il laser a tre livelli e per il laser a quattro livelli; comportamento statico del laser: laser a tre livelli e laser a quattro livelli, accoppiamento ottimo, limite di monocromaticitł e fenomeno di attrazione in frequenza; comportamento dinamico del laser; modi di funzionamento di un laser: laser mono modo e metodi di riduzione al singolo modo. Laser multilinea e laser tunabili. Q-switching, mode- locking; studio delle caratteristiche generali ed esame dei tipi principali di laser a stato solido, a gas ed a semiconduttori; Laser a rubino. Laser Nd3+: YAG. Laser He- Ne, laser a gas ionizzati , laser ad Argon. 

 

Proprietł di un fascio laser

Monocromaticitł, coerenza al primo ordine, direzionalitł, rumore di spuntinatura, brillanza, coerenza agli ordini superiori. Misura della lunghezza di coerenza e del tempo di coerenza. Luce coerente da una lampada.

 

 

MODULO B

 

Dispositivi stato solido

Richiami sui semiconduttori: la distribuzione di Fermi- Dirac, sviluppi nel reticolo reciproco. Transizioni interbanda indotte otticamente. Guadagno e perdite in mezzi semiconduttori. Diodi Led: scelta dei materiali e problematiche costruttive. Luce emessa da un led. Led a cavitł verticale, Burrus Led. Incapsulamento e metodi di accoppiamento led-fibra ottica. Circuito di pilotaggio. Modulazione. Laser a diodo, laser GaAs/Ga1-xAlxAs, laser GaInAsP. Laser ad eterostrutture. Potenza d' uscita e corrente di iniezione. Modulazione in corrente di laser a semiconduttore. "Chirping" di frequenza in laser modulati in corrente; Cause di allargamento della riga in un laser a stato solido. Densitł di corrente di soglia potenza di uscita e dipendenza di Jth dalla temperatua. Laser ad eterogiunzioni: laser a Quantum Wells (di semiconduttori III-V e II-VI): cenni sulle caratteristiche elettroniche di una QW. Applicazione a QW III-V (GaAlAs/GaAs/GaAlAs) e II-VI (ZnSSe/ZnSe/ZnSSe). Regole di selezione, densitł di stati, guadagno in laser a QW. Laser a quantum well multiple (MQW). Laser a feedback distribuito. Laser a cavitł accoppiate.  Metodi alternativi per il pompaggio

 

Principali applicazioni del laser

 

Trasformazione di fasci laser

Propagazione. Trasformazione nelle caratteristiche spaziali: propagazione di fasci gaussiani. Trasformazione nell' ampiezza: amplificazione laser. Conversione di frequenza: generazione di seconda armonica, oscillazione parametrica. Trasformazione nel tempo: compressione dell' impulso.

 

Interruttori e processori ottici

Interruttori opto-meccanici, Interruttori elettroottici: effetto Pockels, effetto Kerr. Modulatori di fase e di Ampiezza. Mezzi ottici non lineari e generazione di seconda armonica. Conversione di frequenza. Non linearitł del terzo ordine. Interruttori totalmente ottici. Principi della bistabilitł ottica, dispositivi bistabili ottici ibridi, dispositivi bistabili completamente otticidispositivi bistabili ottici ibridi. Interconnessioni ottiche: interconnessioni olografiche, interconnessioni ottiche in microelettronica. Calcolo: calcolo ottico digitale, processing ottico analogico.

 

 

 

Testi consigliati:

 

O. Svelto, Principi dei laser, Tamburini editore O. Svelto, Principles of laser, Plenum Press (1994)

 

P. Bhattacharya,Semiconductor Optoelectronic Devices Prentice hall International Edition

 

B. E. A. Saleh e M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley Interscience, 1991

 

G. F. Neumark et al., Phys.Today 47, 26 (1994)

 

P. L. Gourley Nature 371, 571 (1994); J. Faist et al. Science 264, 553 (1994);

 

R. Tsu Nature 369, 442 (1994)

 

 

Prove d'esame

 

L'esame consiste di una prova orale