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Paolo Bassi

Professore ordinario

Dipartimento di Ingegneria dell'Energia Elettrica e dell'Informazione "Guglielmo Marconi"

Settore scientifico disciplinare: ING-INF/02 CAMPI ELETTROMAGNETICI

Temi di ricerca

L'attività di ricerca riguarda lo studio della propagazione di campi a frequenze ottiche sia in strutture guidanti (in mezzi lineari e non lineari, con linearita' del secondo e terzo ordine) sia in spazio libero.


Per quanto riguarda le strutture guidanti, nel corso degli anni sono state studiate le caratteristiche delle fibre ottiche e di guide ottiche integrate.

L'evoluzione nel tempo delle caratteristiche delle fibre ottiche ha portato ad affrontare problemi di caratterizzazione sia teorica sia sperimentale di fibre ottiche di tipo convenzionale (multimodo prima e monomodo poi) che non convenzionale (fibre a cristallo fotonico).

Per quanto riguarda le strutture ottiche integrate, anche in questo caso di è passati dallo studio di strutture in guidanti ottenute diffondendo ioni in substrati di vetro o in Niobato di Litio sia per diffusione di Titanio che per scambio protonico per poi allargare l'interesse a strutture in semiconduttore (Silicio e ossido di silicio di particolare). Anche in questo caso lo studio ha riguardato non solo strutture di tipo convenzionale (guide e componenti derivati) ma anche su strutture con caratteristiche periodiche (strutture a cristallo fotonico).

 

Per quanto riguarda le strutture in spazio libero, sono state studiate le proprietà di sistemi ottici di  tipo classico, basati su lenti, che di tipo più recente, basati sull'uso di ottiche diffrattive, per sagomare in modo opportuno i campi ottici.


Le attivita' sono state sia di tipo sperimentale che teorico, portando alla messa a punto di codici di calcolo di vario tipo che si sono dimostrati validi strumenti per l'interpretazione di risultati sperimentali ottenuti per lo più presso laboratori di Università, Enti di ricerca e Industrie con i quali sono attivi rapporti di collaborazione.

CL'interesse per la caratterizzazione del funzionamento a frequenze ottiche di componenti e dispositivi è giustificata dal loro impiego corrente nella realizzazione di prodotti ormai familiari a tutti: dai sistemi in fibra ottica, e relativi componenti, per trasmettere segnali con bande sempre maggiori (dai sistemi transoceanici fino alle reti locali), fino a parti indispensabili di oggetti di uso comune, quali, ad esempio, i lettori di CD o DVD o i lettori di codici a barre dei supermercati.

Non meno importanti, poi, sono le nuove applicazioni, legate sia all'utilizzazione di proprietà particolari, come le proprietà non lineari dei materiali. Lo studio della propagazione di segnali in mezzi otticamente non lineari (non linearità del secondo e terzo ordine) utilizza il modello matematico fornito dall'equazione di Schroedinger non lineare. Tale attività, sostanzialmente teorica, è svolta comunque in collaborazione con altri gruppi universitari nazionali o stranieri per poter utilizzare l'attrezzatura necessaria per la realizzazione di esperimenti che forniscano riscontro ai risultati ottenuti numericamente.

Più recentemente sono iniziate anche attività volte allo studio delle particolari caratteristiche derivate dalla periodicità delle strutture considerate. Tali strutture sono costituite da un ripetersi periodico di elementi (difetti) e sono note come Cristalli Fotonici in quanto replicano frequenze ottiche proprietà e fenomeni che si osservano nei cristalli a frequenze nella banda dei raggi X.

Le strutture a cristallo fotonico sfruttano infatti la periodicità delle caratteristiche del materiale in cui il campo elettromagnetico si propaga ortogonalmente alla direzione dei difetti. Gli effetti di interferenza costruttiva e distruttiva ottenuti in tali strutture permettono applicazioni particolari quali la realizzazione di sensori (proprietà chimiche o biologiche, gas, pressione, o altro) caratterizzati sia da particolari caratteristiche geometriche che da prestazioni elevate. La periodicità determina infatti comportamenti particolari (bande proibite, rallentamento del segnale, superdiffrazione o supercollimazione dei fasci) che non si possono ottenere con altre strutture e che possono essere sfruttati per la realizzazione di dispositivi altamente selettivi in lunghezza d'onda.

Un altro tipo di strutture fotoniche periodiche sono le cosiddette Fibre a Cristallo Fotonico (PCF), guide nelle quali la propagazione avviene, questa volta, in direzione parallela a quella dei difetti. Un caso particolarmente interessante è quello in cui i fori che generano la periodicità della struttura nella sezione trasversa sono riempiti con cristalli liquidi. Date le particolari caratteristiche dei cristalli liquidi utilizzati, alcune proprietà ottiche di queste fibre, come ad esempio la banda passante, dipendono dalla temperatura o dalla tensione applicata alla struttura tramite opportuni elettrodi. Queste variazioni debbono essere studiate a fondo per poter essere comprese e sfruttate nel campo delle telecomunicazioni e dei sensori.

Infine, le ottiche diffrattive permettono di operare opportune operazioni di sagomatura dei fasci ottici in modo tale da ottenere fasci con caratteristiche particolari.

Oltre allo studio teorico dei fenomeni, per la messa a punto di opportuni modelli fisico matematici, è quindi anche importante la disponibilità di codici di calcolo in grado di guidare il progetto di tali strutture, ottimizzandone le caratteristiche in vista delle prestazioni desiderate, sia nell'interpretare i risultati misurati su prototipi realizzati in vista della messa punto dei parametri tecnologici. Con riferimento a tutti i temi di ricerca precedentemente illustrati, negli ultimi anni sono stati messi a punto vari codici per studiare gli effetti della propagazione in dispositivi ottici lineari e non lineari: BPM (Beam Propagation Method) per lo studio di tutte le componenti del campo elettromagnetico (formulazione vettoriale) in strutture con caratteristiche variabili lungo la direzione di propagazione in mezzi otticamente lineari e non lineari con linearità del secondo e terzo ordine; (FDTD (Differenze Finite nel Dominio del Tempo) in grado di risolvere le equazioni di Maxwell, in mezzi lineari e non lineari con non linearità del secondo e del terzo ordine, in regime non necessariamente armonico e quindi particolarmente adatto per lo studio di transitori o fenomeni tempo varianti; FEM (Metodo degli Elementi Finiti) che permette lo studio dei modi di strutture realizzate in materiali anisotropi con tensore a elementi anche tutti non nulli, prerogativa questa non disponibile in versioni commerciali del codice; PWM (Metodo dell'Espansione in Onde Piane) per lo studio delle caratteristiche di strutture a cristallo fotonico. Di alcuni di questi codici esistono anche realizzazioni commerciali, ma l'interesse per il loro mantenimento e aggiornamento deriva dal fatto che la possibilità di avere accesso diretto al codice sorgente permette tutte le modifiche necessarie per il progetto di dispositivi particolari.


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