CdSINGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI
Codice1028I
CFU6
PeriodoSecondo semestre
LinguaItaliano
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 misure su dispositivi, apparati e sistemi fotonici.
- Gli studenti avranno acquisito conoscenze sugli standard per le trasmissioni in fibra ottica.
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.
- I progressi accademici saranno monitorati e verificati durante la sessione di prova pratica e orale finale.
- Academic progress will be monitored and verified during the final oral and practical exam session.
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.
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.
- Durante le esercitazioni verranno 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 il funzionamento della componentistica ottica e come progettare e analizzare con l'impiego di strumentazione un collegamento in fibra ottica.
- 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 the behavior of optical components and how to design and analyze a fiber optic link with the use of instrumentation.
- 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.
- 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 physicists.
- 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.
- 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.
- Fondamenti di trasmissioni digitali
- Fondamenti di elettronica dei semiconduttori
- Fondamenti di elettromagnetismo
- Fondamenti di ottica
- Fondamenti di reti di telecomunicazioni
- Fundamentals of digital communications
- Fundamentals of semiconductor electronics
- Fundamentals of electromagnetism
- Fundamentals of optics
- Fundamentals of telecommunications networks
- 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 su piattaforma Teams: 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: Italiano.
- 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 on Teams: 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.
Introduzione alla fotonica
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". 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 lineari e non-lineari in fibra: Stimulated Brilloiun scattering, self-phase modulation, four-wave mixing. Compressione di impulsi.
Parte II - Sorgenti luminose a semiconduttore e amplificatori ottici
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. 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. Amplificatori ottici: SOA, EDFA.
- Esercitazioni con documenti tecnici. Data-sheet di laser commerciali e amplificatori ottici.
- Attività di laboratorio. Sorgenti laser, EDFA, effetti non lineari in dispositivi a semiconduttore.
Parte III - Fotorivelatori e modulatori per comunicazione ed elaborazione ottiche
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: Mach-Zehnder, elettro-assorbimento (EA).
- Esercitazioni con documenti tecnici. Data-sheet di: fotorivelatori, modulatori.
- Attività di laboratorio. Modulatori di fase e di ampiezza, fotorivelatori e loro utilizzo nella fotonica per le microonde
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. Filtri ottici. 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). Sistemi ottici coerenti.
- 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. Fedeltà di un segnale in un link fotonico, up- e down-conversion di segnali RF, rumore nei sistemi fotonici a microonde.
Introduction to Photonics
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. 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. Linear and non-linear phenomena in fiber: stimulated Brillouin scattering, self-phase modulation, four-wave mixing. Pulse compression.
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. Optical amplifiers: SOA, EDFA
- Exercises with technical documents. Commercial laser and amplifier data sheet.
- Laboratory activities. Measurements on laser sources.
Part III – Photodetectors and modulators for optical communication and processing
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. Modulators: Mach-Zehnder, electro-absorption (EA).
- Exercises with technical documents. Data-sheet of photodetectors and modulators.
- Laboratory activities. Phase and amplitude modulators, photodetectors and their application in microwave photonics.
Part IV - Fiber optic communication systems and performance evaluation
SONET / SDH hierarchy. WDM systems: Coarse WDM, Dense WDM. Optical multiplexers and demultiplexers. Optical filters. 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). Coherent optical systems.
- 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. Signal fidelity on a photonic link, up- and down-conversion of RF signals, noise in microwave photonic systems.
- Gerd Keiser, "Optical Fiber Communications", McGraw-Hill Education, 4th edition (September 10, 2010).
- Govind P. Agrawal, "Fiber-Optic Communication Systems", Wiley, 5th edition (June 2021).
- 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).
- Gerd Keiser, "Optical Fiber Communications", McGraw-Hill Education, 4th edition (September 10, 2010).
- Govind P. Agrawal, "Fiber-Optic Communication Systems", Wiley, 5th edition (June 2021).
- 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).
Nessuna indicazione particolare.
No specific indication.
- L'esame si compone di una prova orale e pratica.
- La prova orale consiste in un colloquio tra il candidato e i docenti.
- Durante la prova orale il candidato deve rispondere ad alcune domande sui criteri di progettazione, sull'analisi delle prestazioni e sulle tecnologie delle comunicazioni ottiche.
- Durante la prova pratica il candidato discute le attività svolte in laboratorio.
- La durata media del colloquio è di circa 30 minuti.
- Il numero di professori è di due.
- La prova orale non sarà superata in uno dei seguenti casi:
- il candidato mostra incapacità di esprimersi in modo chiaro utilizzando la terminologia corretta
- il candidato non risponde in modo sufficiente alle domande relative ai concetti di base di teoria e di pratica dei componenti e dei sistemi di comunicazione ottica
- il candidato dimostra ripetutamente l'incapacità di mettere in relazione e collegare parti del programma con nozioni e idee che deve combinare per rispondere correttamente a una domanda.
- The exam is made up of one oral and practical test session.
- The oral test consists of an interview between the candidate and the lecturers.
- During the oral test the candidate must answer to some questions on the design criteria, performance analysis and technologies of optical communications.
- During the practical test the candidate discusses activities carried out in lab.
- 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 theory and practice of optical communications components 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.
Nessuno.
None.
Nessuna.
None.