Photonic devices (10 CFU)
Prof. Andrea Melloni
Photonics is emerging in various areas of communications, electronics and sensors to support the need for transparency, speed, and ability to handle huge data streams and multiplexing, as request from the evolution of communication systems today. The course examines in detail the integrated optics sector, focusing on theoretical, technological and applicative aspects. We discuss various issues related to the perspective of photonics technologies, the actual and future markets and potentialities, the generic foundry scheme and, in detail, down to photonics devices: waveguides, passive devices such as filters and (de)multiplexers, modulators, integrated lasers and photodetectors, amplifiers and technologies and materials. When communications occur on very small scales as inside electronics chip, chip-to-chip or board-to-board then it comes to optical interconnects, an emerging field that will be the lifeblood of the future high speed electronic.
In particular, the course covers:
The perspective of photonics integration. Integrated optic for optical communications, sensors and optical interconnects (electronics). The generic foundry scheme in photonics. Technological platforms: glass on silicon, Lithium Niobate, Indium Phosphide, Silicon Photonics. The ubiquitous market of photonics devices. Potentialities and limits.
Optical components: Integrated-optic components. The propagation in planar guided-wave structures. Guided, radiative and leaky modes. The coupled mode theory. Bent waveguides, couplers and Y. Star couplers. Filters, (de)multiplexer and AWG. Switch. Integrated-optic modulators: phase and amplitude, novem modulation formats. Travelling wave electrodes. Fiber-optic grating: uniform, apodized and chirped. Fiber Bragg gratings. Isolator and circulator. Integrated Lasers and Phototodetectors.
Materials and technologies: Materials for integrated optic circuits. Electro-optical and magneto optical effects. Technologies for integrated optic circuits: glass on silicon, Lithium Niobate, Indium Phosphide and Silicon Photonics. The photorefractive effect and fiber Bragg gratings. Technological processes for the realization of passive components. Layer deposition, photolitography and etching. The packaging issue.
Optical circuits: The circuits for the photonic networks and switching. Components for Wavelength Division Networks. The wavelength routers. Switching fabric for optical signals. Add-drop and cross connects. Principles of optical signal processing. Components and circuits for EDFA and SOA. Gain and noise figure. SOA for optical signal processing. Optical time-domain reflectometry. Optical spectrum analyzer. Optical low-coherence interferometry.
Optical Interconnect: The interconnect problem. Analysis of the electrical interconnect and the optical alternative. Limits, advantages, constraints. From short range rack to rack to intra-chip links. Link performance (comparison). Integration technologies for combining optoelectronics, optics, and electronic integrated circuits: Silicon Photonics, Indium phosfide and Polymers. Monolithic vs hybrid solutions. CMOS compatible solutions.
Examples of data-intensive on-chip communication are considered and discussed: Luxtera (OptoPHY), IBM (TeraMux) and INTEL (LightPeak)
COURSE MATERIAL
ONDE ELETTROMAGNETICHE E MEZZI TRASMISSIVI (5 CFU)
Prof. Francesco Morichetti
ll corso mira a presentare i concetti di base legati alla fisica della trasmissione dell’informazione su breve e lunga distanza. Partendo dalle basi di elettromagnetismo e dalle equazioni di Maxwell, vengono affrontate le principali tematiche riguardanti la propagazione delle onde irradiate e guidate nei principali mezzi materiali. Sono presentati i principali mezzi trasmissivi oggi utilizzati nella trasmissione dell’informazione, che possono essere raggruppati in 3 categorie principali: spazio libero (WiFi), cavi metallici (cavi coassiali e doppini) e fibre ottiche. I mezzi trasmissivi sono confrontati in base alle principali caratteristiche fisiche, alle prestazioni, ai limiti e al sistema che le utilizza. Sono inoltre discussi i criteri di progetto e dimensionamento dei vari tipi di collegamento, gli scenari applicativi attuali e le possibili evoluzioni in ambito ICT. Per il corso si è adottato un approccio “ingegneristico”, che consiste nell’evitare un formalismo eccessivo pur fornendo allo studente gli strumenti teorici necessari ad affrontare problemi concreti partendo da una solida base culturale.
DISPOSITIVI PER LA TRASMISSIONE DELL’INFORMAZIONE (5 CFU)
Prof. Francesco Morichetti
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.