PROGRAMMA di FOTONICA

Corso di Laurea Magistrale in: INGEGNERIA ELETTRONICA

A. A. 2006-2007

Docente:

Modulo A: Prof. Raffaello Girlanda

Modulo B: Prof. Salvatore PatanŹ

 

1° Anno. 2° Semestre

 

CFU 6  (36 ore di Lezione e 24 ore di Esercitazioni)

 

 

MODULO A   (18 ore di Lezione e 12 ore di Esercitazioni)

 

Unitą didattica N.1 (4 ore di Lezione e 2 ore di Esercitazioni)

Richiami di ottica geometrica: riflessione, rifrazione, riflessione totale. Principio di Fermat: cammino ottico. Prismi. Dispersione.

Ottica matriciale: approssimazione parassiale, matrici ABCD, lenti in aria, sistemi di lenti, sistemi periodici di lenti, matrici ABCD per guide d’onda.

Fasci Gaussiani: modo principale o modo TEM00 , la regola ABCD per i modi Gaussiani, focalizzazione con una lente sottile.

Dieter Meschede, “Optics, Light and Lasers”, Wiley-VCH, 2004

ISBN 3-527-40364-7

 

Unitą didattica N.2 (4 ore di Lezione e 2 ore di Esercitazioni)

Polarizzazione: Stati di polarizzazione della luce. Polarizzazione lineare e polarizzazione circolare. Rappresentazione complessa. Rappresentazione con i vettori di Jones*. Luce parzialmente polarizzata e luce non polarizzata. Parametri di Stokes. Rappresentazione di Poincaré di uno stato di polarizzazione di un’onda monocromatica.

Pochi Yeh, “Optical Waves in Layered Media”, John Wiley & Sons, 1988

ISBN 0-471-82866-1

* Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich, “Fundamentals of Photonics”, John Wiley & Sons, INC 1991

ISBN 0-471-83965-5

 

Unitą didattica N.3 (6 ore di Lezione e 2 ore di Esercitazioni)

Riflessione e rifrazione di onde piane:Legge di Snell e formule di Fresnel; riflessione e trasmissione di onde s (onde TE); riflessione e trasmissione di onde p (onde TM); riflettanza e trasmittanza; incidenza normale; principio di reversibilitą; riflessione interna totale; onde evanescenti; shift di Goos-Hanchen. Polarizzazione per riflessione, angolo di Brewster. Riflettanza alla superficie di un mezzo assorbente.

Pochi Yeh, “Optical Waves in Layered Media”, John Wiley & Sons, 1988

ISBN 0-471-82866-1

Guide d’onda planari a specchi piani: modi, costanti di propagazione, distribuzione del campo, numero di modi, velocitą di gruppo,  modi TM, campi multimodo. Guide d’onda planari dielettriche: modi, numero di modi, distribuzione dei campi esterno ed interno, velocitą di gruppo.

Guide d’onda bidimensionali: rettangolari a specchi piani, rettangolari dielettriche, geometrie strip, embedded strip, rib, strip-loaded.

Accoppiamento ottico nelle guide d’onda: accoppiamento in ingresso (eccitazione del modo,  accoppiatori in ingresso, accoppiatore a prisma. Accoppiamento tra guide d’onda.

Guide d’onda e fibre: fibre “step-index”, fibre a singolo modo, fibre “graded-index”, apertura numerica, onde guidate e loro distribuzione spaziale, funzioni di Bessel, parametro V, equazione caratteristica, numero di modi, cutoff e numero di modi, fibre a grande V (numero di modi, costanti di propagazione, velocitą di gruppo),  fibre a singolo modo.

Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich, “Fundamentals of Photonics”, John Wiley & Sons, INC 1991

ISBN 0-471-83965-5

 

Unitą didattica N.4 (2 ore di Lezione e 2 ore di Esercitazioni)

Risonatori ottici: a specchi piani e paralleli, l’etalon Fabry-Perot, modi nei risonatori, il risonatore come analizzatore di spettro, risonatori a due e tre dimensioni; risonatori a specchi sferici, confinamento dei raggi, modi Gaussiani, frequenze di risonanza. Teoria di Schawlow e Townes, teoria di Fox e Li; risonatore confocale e risonatore generico a specchi sferici (cenni)*.

Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich, “Fundamentals of Photonics”, John Wiley & Sons, INC 1991

ISBN 0-471-83965-5

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

 

Unitą didattica N.5 (2 ore di Lezione e 4 ore di Esercitazioni)

Film ottici sottili: film a singolo strato, film multistrato.

Formulazione matriciale per mezzi periodici multistrato: formulazione con  matrici 2x2, trasmittanza e riflettanza.

Riflettori di Bragg. Tunneling risonante.

Pochi Yeh, “Optical Waves in Layered Media”, John Wiley & Sons, 1988

ISBN 0-471-82866-1

 

 

MODULO B   (18 ore di Lezione e 12 ore di Esercitazioni)

 

Unitą didattica N.6 (2 ore di Lezione e 2 ore di Esercitazioni)

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

 

Unitą didattica N.7 (4 ore di Lezione e 2 ore di Esercitazioni)

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 monocromaticitą 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. 

 

Unitą didattica N.8 (2 ore di Lezione e 2 ore di Esercitazioni)

Proprietą di un fascio laser: Monocromaticitą, coerenza al primo ordine, direzionalitą, rumore di spuntinatura, brillanza, coerenza agli ordini superiori. Misura della lunghezza di coerenza e del tempo di coerenza. Luce coerente da una lampada.

 

Unitą didattica N.9 (8 ore di Lezione e 4 ore di Esercitazioni)

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 cavitą 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. Densitą 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, densitą di stati, guadagno in laser a QW. Laser a quantum well multiple (MQW). Laser a feedback distribuito. Laser a cavitą accoppiate.  Metodi alternativi per il pompaggio

 

Unitą didattica N.10 (2 ore di Lezione e 2 ore di Esercitazioni)

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 linearitą del terzo ordine. Interruttori totalmente ottici. Principi della bistabilitą 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