Questo insegnamento costituisce il naturale complemento del corso di “Onde elettromagnetiche e mezzi trasmissivi” (cod. 099318) e/o “Elettromagnetismo e Campi” (cod. 093506) e tratta dei dispositivi impiegati per la trasmissione dell’informazione nei contesti di maggiore interesse per le tecnologie dell’informazione e delle comunicazioni.

Sono introdotti i principi fisici e gli aspetti elettromagnetici alla base del funzionamento delle sorgenti, dei modulatori, dei filtri e degli amplificatori operanti a radiofrequenza e/o alle frequenze ottiche e sono illustrate le principali tecnologie fotoniche e a microonde oggi utilizzate per la realizzazione di tali dispositivi.

Dei dispositivi presentati sono illustrati i parametri caratteristici, lo schema funzionale e i requisiti per l’utilizzo in un sistema di trasmissione dell’informazione, con particolare attenzione alle problematiche relative ai consumi energetici, allo scaling della quantità di informazione e ai limiti teorici, tecnologici e fisici.

L’obiettivo è quello di fornire una visione d’insieme dello scenario tecnologico per le interconnessioni, dalle brevissime alle lunghe distanze, dai sistemi distribuiti a basso bit-rate a quelli punto-punto ad alta capacità, presentando applicazioni in ambiti diversi, come la radionavigazione e radiolocalizzazione (GPS), automotive e droni, internet of things (IoT), dispositivi per datacenters e fiber to the home (FTTH), interconnessioni nei computers di nuova generazione, tecnologie per l’exascale computing.

L’insegnamento non utilizza didattica innovativa.

Dispositivi per l’informazione: introduzione e concetti generali. Il problema dell’interconnessione e lo scaling della quantità di informazione. Limiti teorici, tecnologici e fisici. Energia per bit.
Richiami di sistemi di comunicazione. Introduzione ai dispositivi per l’interconnessione. Schema funzionale dei front-end RF e ottico. Specifiche, requisiti e parametri caratteristici dei dispositivi.

Onde elettromagnetiche e propagazione guidata. Richiami sulle onde elettromagnetiche. Guide d’onda metalliche. Equazione agli autovalori. Il concetto di modo guidato. Proprietà dei modi: frequenza di cut-off, funzione modale, costante di fase e di attenuazione. Diagramma di dispersione. Velocità di fase e velocità di gruppo. Impedenza d’onda. Potenza. Microstriscia: struttura, parametri caratteristici, criteri di dimensionamento. Cenni alle guide d’onda dielettriche: angolo critico, diagramma di dispersione e forma dei modi.

Filtri. Parametri caratteristici dei filtri: selettività in frequenza, banda passante, reiezione, dispersione. Filtri risonanti a parametri discreti. Frequenza di risonanza. Fattore di qualità intrinseco ed estrinseco. Accoppiamento critico. Filtri risonanti a parametri distribuiti e circuito equivalente a parametri discreti. Filtri risonanti a microonde (microstriscia): filtri ad una porta (arresta-banda) e filtri a due porte (passa-banda). Risposta in frequenza, criteri di progetto e sensibilità alle tolleranze di fabbricazione. Esempi di risonatori ottici passivi (Fabry-Pérot e microring). Applicazioni: filtri, (de)multiplexer, linee di ritardo. Cenni ai filtri a risonatori accoppiati.

Convertitori di frequenza e modulatori. Principi della conversione di frequenza e della modulazione.
Modulatori ottici. Figure di merito. Modulazione diretta e esterna. Modulatori di fase e di intensità. Modulatori risonanti e non risonanti. Effetto termoottico ed elettroottico. Modulatori elettrottici in silicio: plasma dispersion effect, iniezione e svuotamento di carica, prestazioni e limiti. Cenni ai modulatori elettro-assorbitivi. Applicazioni ai tranceivers per datacenters.
Mixer a radio frequenza. Principio di funzionamento e parametri caratteristici: perdita di conversione, frequenza immagine. Mixer nonlineari: prestazioni e limiti, distorsione da intermodulazione. Esempi di architetture di mixers. Ricezione omodina e (super)eterodina. Rumore nei mixer (cenni). Esempi di impiego nei ricevitori wireless per reti 5G.

Amplificatori. Parametri caratteristici degli amplificatori. Amplificatori ottici. Interazione luce-materia: emissione spontanea e emissione stimolata. Inversione di popolazione. Guadagno e saturazione. Amplificatori in fibra drogata all’erbio (EDFA): schema circuitale, pompaggio ottico, banda di guadagno, rumore (cenni), prestazioni e limiti. Amplificatori a semiconduttore (SOA): livelli energetici nei semiconduttori, struttura di un SOA, pompaggio elettrico, prestazioni e applicazioni. Cenni su amplificatori RF.

Sorgenti di onde irradiate. Richiami sulle antenne. Array di antenne. Fattore di array. Array lineari uniformi. Array a singolo fascio e multifascio. Beam steering e beam width. Dipendenza dalla frequenza. Effetto degli errori di fase. Applicazioni: microwave phased array, optical beam forming networks per sistemi 5G, LIDAR.

Sorgenti ottiche. Light emitting diodes (LED): principio di funzionamento e struttura di un LED a semiconduttore. Spettro di emissione, banda e coerenza temporale. Figure di merito, efficienza quantica interna ed esterna. Applicazioni alle comunicazioni (Visible Light Communications e Li-Fi).
Sorgenti laser: principio di funzionamento e struttura di un laser. Risonatori ottici attivi. Guadagno di soglia. Laser a semiconduttore. Modi di cavità. Laser singolo modo e multimodo. Lunghezza d’onda di emissione. Larghezza di riga e coerenza temporale. Corrente di soglia. Caratteristiche dei laser per comunicazioni.

Durante il corso saranno presentati esempi applicativi in ambito di radionavigazione e radiolocalizzazione (GPS), automotive e droni, internet of things, dispositivi per datacenters e fiber to the home, interconnessioni nei computers di nuova generazione, tecnologie per l’exascale computing.

Attività di laboratorio progettuale
Durante il corso saranno assegnati dei semplici progetti di analisi e/o dimensionamento dei dispositivi presentati, da sviluppare in autonomia mediante software di simulazione (Matlab).

Sono necessarie conoscenze di base di circuiti elettrici ed elettromagnetismo (con particolare riguardo alla teoria delle onde elettromagnetiche). Tali argomenti sono previsti nei programmi degli insegnamenti di “Elettrotecnica” (cod. 082748) e di “Elettromagnetismo e campi” (cod. 093506) oppure “Onde elettromagnetiche e mezzi trasmissivi” (cod. 099318).

L’esame consiste in due prove così strutturate:

• prova scritta sugli argomenti trattati nella prima parte del corso (propagazione guidata, risonatori e filtri) con esercizi numerici e possibilità di consultare liberamente libri e appunti durante la prova.
  Su questa parte del corso è prevista anche una prova in itinere.

• prova orale sugli argomenti trattati nella seconda parte del corso (modulatori, amplificatori, array di antenne, sorgenti ottiche) o in alternativa un approfondimento tematico (progetto) che potrà essere svolto in piccoli gruppi (massimo 3 studenti).

Il superamento della prova scritta non è prerequisito per la prova orale o per la consegna del progetto.

Gli studenti che non hanno sostenuto o superato la prova scritta (o la prova in itinere) possono comunque sostenere la prova orale e recuperare la prova scritta in un appello successivo, purché della medesima sessione.

Reperibili durante il corso su indicazione del docente

Reperibili sul sito Beep del corso