ECTS - University of Pisa
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PHOTONICS LABORATORY
FILIPPO GIANNETTI
Academic year2020/21
CourseTELECOMMUNICATIONS ENGINEERING
Code1028I
Credits6
PeriodSemester 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
PHOTONICS LABORATORYING-INF/03LEZIONI60
ANTONELLA BOGONI unimap
FILIPPO GIANNETTI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Alla fine del corso:

  • Gli studenti avranno acquisito conoscenze sui principi fondamentali della fotonica e su dispositivi, apparati e sistemi e basati sulle tecnologie fotoniche.
  • Gli studenti avranno acquisito conoscenza dei vincoli e delle sfide che caratterizzano la progettazione e il funzionamento di un sistema di comunicazione basato sulla fotonica.
  • Gli studenti avranno acquisito conoscenze sulla propagazione in fibra ottica, sulla generazione e rivelazione di radiazione luminosa tramite dispositivi a semiconduttore, sulle tecniche di trasmissione dell'informazione basate sulla fotonica.
  • Gli studenti avranno acquisito conoscenze sugli strumenti analitici e le metodologie per progettare un collegamento fotonico ed analizzarne le prestazioni.
  • Gli studenti avranno acquisito conoscenze sugli strumenti di misura e le metodologie per effettuare misuer su dispositivi, apparati e sisemi fotonici.
  • Gli studenti avranno acquisito conoscenze sugli standard per le trasmissioni in fibra ottica.
Knowledge

By the end of the course:

  • Students will have acquired knowledge on the fundamental principles of photonics and on devices, apparatuses and systems based on photonic technologies.
  • Students will have acquired knowledge of the constraints and challenges that characterize the design and operation of a photonics-based communication system.
  • Students will have acquired knowledge on optical fiber propagation, on the generation and detection of light radiation through semiconductor devices, on photonics-based information transmission techniques.
  • Students will have acquired knowledge on analytical tools and methodologies to design a photonic link and analyze its performance.
  • Students will have acquired knowledge on measuring instruments and methodologies for carrying out measurements on photonic devices, apparatuses and systems.
  • Students will have acquired knowledge of standards for fiber optic transmission.
Modalità di verifica delle conoscenze
  • I progressi accademici saranno monitorati e verificati durante la sessione di prova pratica finale.
Assessment criteria of knowledge
  • Academic progress will be monitored and verified during the final oral practical exam session.
Capacità

Alla fine del corso:

  • Gli studenti sapranno come scegliere i componenenti fotonici più adatti per un dato scenario applicativo.
  • Gli studenti sapranno scegliere ed utilizzare la strumentazione di laboratorio per effettuare misure su dispositivi, apparati e componenti fotonici.
  • Gli studenti sapranno impostare i valori numerici dei parametri per un collegamento di comunicazione in fibra ottica.
  • Gli studenti saranno in grado di valutare numericamente le prestazioni di un collegamento di in fibra ottica.
Skills

By the end of the course:

  • Students will know how to choose the most suitable photonic components for a given application scenario.
  • Students will be able to choose and use laboratory equipment to carry out measurements on photonic devices, equipment and components.
  • Students will be able to set the numerical values of parameters for a fiber optic communication link.
  • Students will be able to numerically evaluate the performance of a fiber optic link.

 
Modalità di verifica delle capacità
  • Durante le esercitazioni verrsnno illustrate schede ed altra documentazione tecnica relativa a dispositivi ed apparati fotonici.
  • Durante le esercitazioni verrà illustrato il funzionamento e l'utilizzo di strumenti di misura per applicazioni fotoniche.
  • Durante le esercitazioni verranno svolte attività sperimentali per capire come progettare e analizzare con l'impiego di strumentazione un collegamento in fibra ottica.
Assessment criteria of skills
  • During the exercises, sheets and other technical documentation relating to photonic devices and equipment will be illustrated.
  • During the exercises, the operation and use of measuring instruments for photonic applications will be illustrated.
  • During the exercises, projects will be carried out to understand how to design and analyze a fiber optic link with the use of instrumentation.
Comportamenti
  • Gli studenti acquisiranno e/o svilupperanno una consapevolezza delle sfide progettuali dovute a vincoli sia tecnologici che ambientali.
  • Gli studenti saranno in grado di partecipare attivamente e con competenza alle discussioni tecniche in un team di progetto multidisciplinare che coinvolge ingegneri elettronici, ingegneri delle telecomunicazioni e fisici.
Behaviors
  • Students will acquire and / or develop an awareness of the design challenges due to both technological and environmental constraints.
  • Students will be able to actively and competently participate in technical discussions in a multidisciplinary project team involving electronic engineers, telecommunications engineers and physics.
Modalità di verifica dei comportamenti
  • Durante le esercitazioni verrà valutata l'accuratezza e la precisione delle attività svolte.
  • Durante il lavoro di gruppo in laboratorio verranno valutate le modalità di assegnazione di responsabilità, gestione e organizzazione durante le fasi del progetto.
Assessment criteria of behaviors
  • During the exercises, the accuracy and precision of the activities carried out will be evaluated.
  • During laboratory group work, the methods of assigning responsibility, management and organisation during the project phases will be evaluated.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
  • Fondamenti di trasmisisoni digitali
  • Fondamenti di elettronica dei semiconduttori
  • Fondamenti di elettromagnetismo
  • Fondamenti di ottica
  • Fondamenti di reti di telecomunicazioni
Prerequisites
  • Fundamentals of digital broadcasting
  • Fundamentals of semiconductor electronics
  • Fundamentals of electromagnetism
  • Fundamentals of optics
  • Fundamentals of telecommunications networks
Corequisiti

Nessuno
Co-requisites

None
Prerequisiti per studi successivi

Nessuno
Prerequisites for further study

None
Indicazioni metodologiche
  • Modalità in cui si svolgono le lezioni: lezioni frontali con ausili visivi come powerpoint / video.
  • Modalità di svolgimento degli esercizi: esercizi basati sulle schede tecniche dei dispositivi fotonici commerciali, con i personal computer degli studenti.
  • Modalità di svolgimento delle esercitazioni di laboratorio: esercitazioni di laboratorio basate su dispositivi fotonici reali e strumentazione per la misurazione su dispositivi fotonici.
  • Supporti didattici: siti web, schede tecniche di dispositivi, manuali di strumentazione, schede di laboratorio.
  • Utilizzo del sito e-learning del corso: utilizzato per il download di materiali didattici e per la comunicazione tra docente e studenti.
  • Tipo di interazione tra il docente e gli studenti: riunioni fisiche, e-mail, telefono, Teams, Skype.
  • Lingua: Italian.
Teaching methods
  • Way in which the lessons take place: lectures with visual aids such as powerpoints/videos.
  • Way in which the exercises take place: exercises based on the data-sheets of commercial photonics devices, with students’ personal computers.
  • Way in which the laboratory exercises take place: laboratory exercises based on real photonic devices and instrumentatiuon for mesurement on photonic devices.
  • Teaching aids: websites, data-sheets of devices, manuals of instrumentations, laboratory sheets.
  • Use of the e-learning site of the course: used for downloading teaching materials and communication between the lecturer and the students.
  • Type of interaction between the lecturer and the students: physical meetings, email, phone, Teams, Skype.
  • Language: Italian.
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Parte I - Caratterizzazione della propagazione in fibra ottica

Indice di rifrazione. Legge di Snell. Angolo critico. Struttura di una fibra ottica. Fibra multimodo Step Index (MM-SI). Dispersione modale e capacità di una fibra MM-SI. Fibra multimodo Graded Index (MM-GI). Dispersione modale e capacità di una fibra MM-GI. Determinazione della distribuzione del campo elettromagnetico in una fibra. Modi di propagazione. Perdite per piegamento. Costante di propagazione di una fibra SM. Lunghezza d'onda di cut-off. Mode field diameter. Fibre con profilo dell'indice di rifrazione a mantello depresso e a "W". Spettro di un segnale OOK. Materiale dispersivo. Indice di modo. Velocità di gruppo. Dispersione cromatica in fibra. Coefficiente di dispersione cromatica. Caratteristica di dispersione. Capacità di una fibra SM standard. Calcolo della banda di un segnale ottico. Fibre a dispersione traslata: DS e NZDS. Attenuazione in fibra ottica. Fenomeni non lineari in fibra ottica. Tecniche di fabbricazione di una fibra ottica: OVD, VAD, MCVD. Tipi di fibre ottiche e relativi connettori.

  • Esercitazioni con documenti tecnici. Raccomandazioni ITU G.651 e G.652. Data-sheet di fibre ottiche commerciali.
  • Attività di laboratorio. Strumenti per la misura di segnali ottici. Tecniche di splicing per le fibre ottiche. Tecniche di polishing per le fibre ottiche. Misure di attenuazione e riflessione (con OTDR) in fibra ottica. Fenomeni non-lineari in fibra. Four-wave mixing.

Parte II - Sorgenti luminose a semiconduttore

Interazione luce-materia: assorbimento, emissione spontanea, emissione stimolata. Semiconduttori a gap diretto ed indiretto. GaAs. Composti ternari e quaternari. Diodo emettitore di luce: LED. Potenza ottica immessa in fibra da una sorgente LED. Spettro di un LED. Banda di modulazione di un LED. Materiali con struttura energetica a 2, 3 e 4 livelli. Principio di funzionamento di un laser. Semiconduttori degeneri. Realizzazione pratica di una struttura a 4 livelli. Caratteristica luce-corrente (L-I) di un laser. Corrente di soglia. Effetti della temperatura sulla caratteristica L-I di un Laser. Rapporto di estinzione. Spettro di un laser FP. Eterogiunzioni ed eterostrutture. Confinamento elettrico. Confinamento ottico. Laser a eterostruttura sepolta (BH). Transitori in un laser: transitorio di potenza; transitorio di frequenza. Chirp. Laser a modulazione diretta e compensazione del chirp tramite fibre a dispersione negativa. Laser CW con modulatore esterno e fibra con dispersione positiva. Banda di modulazione di un laser. Laser monocromatici: DFB, DBR. Laser MQW. Emettitori VCSEL. Variazioni delle caratteristiche del laser con la temperatura. Package di un laser. Controllo della temperatura di un laser. Laser sintonizzabili: a cavità esterna, a due sezioni, a controllo di temperatura. Rumore nei laser. RIN, SNR. Rumore di fase.

  • Esercitazioni con documenti tecnici. Data-sheet di laser commerciali.
  • Attività di laboratorio. Misure su sorgenti Laser.

Parte III - Dispositivi per comunicazione in fibra ottica: fotorivelatori, modulatori, amplificatori ottici

Fotodiodo PIN. Responsivity. Corrente di buio. Fotodiodo APD. Rumore shot. Rapporto segnale-rumore. Front-end (F/E) di un ricevitore ottico e limitazioni di banda. F/E ad alta impedenza. F/E a trans-impedenza. Generazione di segnali ottici modulati OOK. Modulatori per laser: Mach-Zehnder, elettro-assorbimento (EA). Amplificatori ottici: SOA, EDFA.

  • Esercitazioni con documenti tecnici. Data-sheet di: fotorivelatori, modulatori, amplificatori ottici.
  • Attività di laboratorio. Misure su segnali modulati. Misure su EDFA.

Parte IV - Sistemi di comunicazione in fibra ottica e valutazione delle prestazioni

Gerarchia SONET/SDH. Sistemi WDM: Coarse WDM, Dense WDM. Multiplatori e demultiplatori ottici. Filtro ottico Etalon. Probabilità di errore per un sistema di trasmissione a modulazione di intensità (IM) con modulazione OOK. Ricevitore a rivelazione diretta (DD) a conteggio di fotoni. Limite quantistico (QL). Sensibilità di un ricevitore ottico in condizioni ideali. Probabilità di errore per ricevitori reali. Sensibilità di ricevitori ottici reali. Q-Factor (QF).

  • Esercitazioni con documenti tecnici. Data-sheet di apparati SONET/SDH, mux/demux WDM, filtri ottici.
  • Attività di laboratorio. Trasmissione dati su fibra ottica. Modulazione OOK e rivelazione dei dati. Misure su segnali WDM.
Syllabus

Part I – Characterization of optical fiber propagation.

Refractive index. Snell's law. Structure of an optical fiber. Step Index multimode fiber (MM-SI). Modal dispersion and capacity of an MM-SI fiber. Graded Index multimode fiber (MM-GI). Modal dispersion and capacity of an MM-GI fiber. Determination of the electromagnetic field distribution in a fiber. Modes of propagation. Propagation constant of an SM fiber. Cut-off. wavelength. Mode field diameter. Fibers with depressed cladding and "W"-shaped refractive index profile. Spectrum of an OOK signal. Dispersive material. Mode index. Group velocity. Chromatic dispersion in fiber. Capacity of a standard SM fiber. Bandwidth of an optical signal. Dispersion-shifted fibers: DS and NZDS. Fiber optic attenuation. Non linear phenomena in optical fiber. Optical fiber manufacturing techniques: OVD, VAD, MCVD. 

  • Exercises with technical documents. ITU Recommendations G.651 and G.652. Commercial fiber optic data sheets.
  • Laboratory activities. Types of optical fibers and related connectors. Instruments for measuring optical signals. Splicing techniques for optical fibers. Polishing techniques for optical fibers. Measurements of attenuation and reflection (with OTDR) in optical fiber. Non-linear phenomena in fiber. Four-wave mixing.

Part II - Semiconductor light sources

Light-matter interaction: absorption, spontaneous emission, stimulated emission. Direct and indirect gap semiconductors. GaAs. Ternary and quaternary compounds. Light emitting diode: LED. Spectrum of an LED. Modulation band of an LED. Materials with 2-, 3- and 4-level energy structure. Principle of operation of a laser. Degenerate semiconductors. Practical realization of a 4-level structure. Light-current characteristic (L-I) of a laser. Threshold current. Effects of temperature on the L-I characteristic of a laser. Extinction ratio. Spectrum of a FP laser. Heterojunctions and heterostructures. Electric confinement. Optical confinement. Buried heterostructure laser (BH). Transients in a laser: power transient; frequency transient. Chirp. Direct modulation laser and chirp compensation through negative dispersion fibers. CW laser with external modulator and fiber with positive dispersion. Modulation band of a laser. Monochromatic lasers: DFB, DBR. MQW laser. VCSEL emitters. Changes in laser characteristics with temperature. Package of a laser. Temperature control of a laser. Tunable lasers: external cavity, two sections, temperature control. Noise in lasers. RIN, SNR. Phase noise.

  • Exercises with technical documents. Commercial laser data sheet.
  • Laboratory activities. Measurements on laser sources.

Part III – Fiber optic communication devices: photodetectors, modulators, optical amplifiers

PIN photodiode. Responsivity. Current of darkness. APD photodiode. Noise shot. Signal to noise ratio. Front-end (F / E) of an optical receiver and bandwidth limitations. High impedance F / E. Trans-impedance F / E. Generation of OOK modulated optical signals. Laser modulators: Mach-Zehnder, electro-absorption (EA). Optical amplifiers: SOA, EDFA.

  • Exercises with technical documents. Data-sheet of: photodetectors, modulators, optical amplifiers.
  • Laboratory activities. Measurements on modulated signals. Measurements on EDFAs.

Part IV - Fiber optic communication systems and performance evaluation

SONET / SDH hierarchy. WDM systems: Coarse WDM, Dense WDM. Optical multiplexers and demultiplexers. Etalon optical filter. Probability of error for an intensity modulated (IM) transmission system with OOK modulation. Photon counting direct detection (DD) receiver. Quantum limit (QL). Sensitivity of an optical receiver under ideal conditions. Probability of error for real receivers. Sensitivity of real optical receivers. Q-Factor (QF).

  • Exercises with technical documents. Data-sheet of SONET / SDH devices, WDM mux / demux, optical filters.
  • Laboratory activities. Data transmission over optical fiber. OOK modulation and data detection. Measurements on WDM signals.

 
Bibliografia e materiale didattico
  • Gerd Keiser, "Optical Fiber Communications", McGraw-Hill Education, 4th edition (September 10, 2010).
  • Govind P. Agrawal, "Fiber-Optic Communication Systems",  Wiley, 4th edition (October 19, 2010).
  • Jeff Hecht, "Understanding Fiber Optics", Pearson College Div, 5th edition (April 26, 2005).
  • Marco Luise, "Sistemi di trasmissione su fibra ottica", Edizioni ETS, Pisa, 1996 (in ITALIAN).
  • Antonella Bogoni, Luca Potì, "Elementi di Comunicazioni Ottiche", Pitagora Editrice Bologna, 2003 (in ITALIAN).
Bibliography
  • Gerd Keiser, "Optical Fiber Communications", McGraw-Hill Education, 4th edition (September 10, 2010).
  • Govind P. Agrawal, "Fiber-Optic Communication Systems",  Wiley, 4th edition (October 19, 2010).
  • Jeff Hecht, "Understanding Fiber Optics", Pearson College Div, 5th edition (April 26, 2005).
  • Marco Luise, "Sistemi di trasmissione su fibra ottica", Edizioni ETS, Pisa, 1996 (in ITALIAN).
  • Antonella Bogoni, Luca Potì, "Elementi di Comunicazioni Ottiche", Pitagora Editrice Bologna, 2003 (in ITALIAN).
Indicazioni per non frequentanti

Nessuna indicazione particolare.
Non-attending students info

No specific indication.
Modalità d'esame
  • The exam is made up of one practical test session.
  • The oral test consists of an interview between the candidate and the lecturer.
  • During the oral test the candidate must answer to some questions on the design criteria, performance analysis and technologies of space communications.
  • During the oral test the candidate could be requested to also solve written problems/exercises in front of the lecturer.
  • The average length of the interview is about 30 minutes.
  • The number of professors is two.
  • The oral test will be failed in any of the following cases:
  • the candidate shows an inability to express him/herself in a clear manner using the correct terminology
  • the candidate does not respond sufficiently to the questions regarding the basic concepts of communication theory and systems
  • the candidate repeatedly demonstrates an incapacity to relate and link parts of the programme with notions and ideas that they must combine in order to correctly respond to a question.
Assessment methods
  • The exam is made up of one oral test.
  • The oral test consists of an interview between the candidate and the lecturer.
  • During the oral test the candidate must answer to some questions on the design criteria, performance analysis and technologies of space communications.
  • During the oral test the candidate could be requested to also solve written problems/exercises in front of the lecturer.
  • The average length of the interview is about 30 minutes.
  • The number of professors is two.
  • The oral test will be failed in any of the following cases:
  • the candidate shows an inability to express him/herself in a clear manner using the correct terminology
  • the candidate does not respond sufficiently to the questions regarding the basic concepts of communication theory and systems
  • the candidate repeatedly demonstrates an incapacity to relate and link parts of the programme with notions and ideas that they must combine in order to correctly respond to a question.
Stage e tirocini

Nessuno
Work placement

None
Pagina web del corso

https://teams.microsoft.com/l/team/19%3ac104fd65dafe4897b8fdde24c1dee5b1%40thread.tacv2/conversations?groupId=0893ef7c-6ff2-4a77-899e-bf44888f1cd5&tenantId=c7456b31-a220-47f5-be52-473828670aa1
Class web page

https://teams.microsoft.com/l/team/19%3ac104fd65dafe4897b8fdde24c1dee5b1%40thread.tacv2/conversations?groupId=0893ef7c-6ff2-4a77-899e-bf44888f1cd5&tenantId=c7456b31-a220-47f5-be52-473828670aa1
Altri riferimenti web

Nessuno.
Additional web pages

None.
Note

Nessuna.
Notes

None.
Updated: 28/02/2021 16:01