Prefazione - Aracne editrice

A
Antonello Cutolo
Fabio Antonio Bovino
Maria Principe
Armando Ricciardi
Optoelettronica
e fotonica
Copyright © MMXIV
ARACNE editrice S.r.l.
www.aracneeditrice.it
[email protected]
via Raffaele Garofalo, /A–B
 Roma
() 
 ----
I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica,
di riproduzione e di adattamento anche parziale,
con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi.
Non sono assolutamente consentite le fotocopie
senza il permesso scritto dell’Editore.
I edizione: settembre 
A mia madre e mio padre
Alle mie donne
Maria Emilia, Maria Teresa, Maria Alessandra
Indice
Capitolo I
Fondamenti di ottica lineare
1.1 Introduzione
1
1.2 Equazioni di Maxwell
1
1.2.1 Le relazioni costitutive
3
1.2.2 L’indice di rifrazione e le relazioni di Kramers Kroning
6
1.2.3 Il vuoto
8
1.2.4 Le relazioni di Kramers Kroning e la teoria della relatività 10
1.2. L’inÀuenza dei camSi gravitazionali
13
1.3 Diffrazione e funzione di trasferimento ottica
13
1.3.1 Diffrazione di Fresnel e di Fraunhofer
1.3.2 &amSo diffratto da aSerture
1.3.3 $Sodizzazione
1.3.4 Funzione di trasferimento ottica
14
1
21
22
1.4 Ottica geometrica
24
1.4.1 Leggi fondamentali
1.4.2 Formule di Fresenel
1.4.3 Mezzi disomogenei
1.4.4 Mezzi conduttori
1.4. 6tati di Solarizzazione e formalismo di -ones
24
27
2
34
3
1. 3roSagazione nei mezzi anisontroSi e ottica Sarassiale
43
IX
X
Indice
1.5.1 Generalità
1.5.2 Ellisoide degli indici
1.5.3 Cristalli e lamine a Ȝ2 e a Ȝ4
1.5.4 5ifrazione all’interfaccia con un mezzo anisotroSo
1.5.5 Attività otica
1.5.6 DisSersione e costanti di sellmeir
1.5.7 Ottica Sarassiale e formalismo A%CD
1.5.8 Aberrazioni di un sistema ottico
1.5. Aberrazioni indotte termicamente
1.6 3rismi reticoli di diffrazioni Solarizzatori e monocromatori
1.6.1 Prismi
1.6.2 5eticoli di diffrazione
1.6.3 Polarizzatori
1.6.4 Monocromatori
1.7 Interferometria
1.7.1 Introduzione
1.7.2 Interferenza
1.7.3 Interferometri di Michelson e di Mach=ender
1.7.4 Interferometro Fabr\Perot
1.8 6Secchi e trattamenti antiriÀettenti
1.8.1 6Secchi metallici
1.8.2 6Secchi dielettrici ¿ltri e trattamenti antiriÀesso
1.8.3 Tecniche di analisi dei mezzi dielettrici multistrato
43
47
48
52
54
57
65
68
73
77
77
7
84
88
8
8
0
5
7
100
104
Capitolo II
Fasci gaussiani e risonatori ottici
2.1 Fasci gaussiani
2.1.1 L’equazione d’onda Sarassiale
107
108
Indice
2.1.2 Modi di Hermite-Gauss e Laguerre-Gauss
2.1.3 La legge A%CD Ser i fasci gaussiani
2.1.4 Il fattore di qualità M
2.2 Risonatori ottici
2.2.1 Stabilità di un risonatore
2.2.2 Analisi modale
2.2.3 Modi gaussiani di un risonatore stabile
2.2.4 Perdite di un risonatore ottico
2.2.5 Disallineamento e disadattamento
XI
108
115
118
125
126
130
132
136
13
Capitolo III
Ottica non lineare
3.1 Generalità: mixing di frequenze
147
3.2 Generazione di seconda armonica
151
3.2.1 Phase matching
3.2.2 Generazione di seconda armonica con fasci gaussiani
3.2.3 4uasi-Shase matching
3.3 Ottimizzazione della generazione di seconda armonica
3.3.1 Mismatch autoindotto: effetti termici
3.3.2 Mismatch autoindotto: effetti di larghezza di riga
3.3.3 :alN-off: effetti sSaziali e temSorali
3.4 Fotorifrazione e coniugazione di fase
3.4.1 Reticoli generati Ser effetto fotorifrattivo
3.4.2 Interazioni non lineari a Si onde
3.4.3 Coniugazione di fase
3.4.4 Matrice A%CD di uno sSecchio di fase e isonatori
3.5 Effetti di autofocheggiamento
153
156
15
161
162
165
168
172
175
17
188
18
13
XII
Indice
3.6 Oscillatori Sarametrici
3.6.1 Equazioni fondamentali
3.6.2 AmSli¿catore Sarametrico
3.6.3 Oscillatore Sarametrico
3.6.4 Metodi di tuning
17
1
202
204
208
Capitolo IV
Sistemi laser
4.1 Introduzione
211
4.2 Livelli di energia
211
4.2.1 Cause di allargamento di riga
4.2.2 Assorbimento emissione sSontanea
ed emissione stimolata
4.3 Rate equations
211
213
216
4.3.1 Sistema a due livelli
218
4.3.2 Sistema a tre livelli
4.3.3 Sistema a quattro livelli
4.3.4 Guadagno Ser Siccolo segnale e saturazione
21
222
223
4.4 PrinciSali tecniche di SomSaggio
4.4.1 Generalità
4.4.2 PomSaggio ottico
4.5 I sistemi laser
4.5.1 Ottimizzazione dell’accoSSiamento di uscita
4.5.2 Laser a gas
4.5.3 Laser a liquidi
4.5.4 Laser a stato solido
225
225
227
233
233
235
241
243
Indice
4.5.5 Laser accordabili
4.6 Sistemi laser Sulsati
4.6.1 4-switching e cavat\ dumSing
4.6.2 Mode locking
4.6.3 Mode locking nei mezzi ad allargamento
di riga omogeneo
4.6.4 Pulse colliding
4.6.5 ComSressore di imSulsi in ¿bra ottica
4.7 La normativa sui sistemi laser
4.7.1 Norme di sicurezza eletrica
4.7.2 Norme di sicurezza sulle radiazioni laser
XIII
246
248
248
256
261
266
266
272
273
275
Capitolo V
Dispositivi optoelettronici a semiconduttori
5.1 Introduzione
277
5.2 Fondamenti di ottica dei semiconduttori
278
5.2.1 %ande di energia nei semiconduttori
5.2.2 ProSrietà ottiche dei semiconduttori:
effetto Slasma ottico
5.3 Sorgenti di radiazione
5.3.1 Diodi LED
5.3.2 Diodi laser
5.4 Fotorivelatori
5.4.1 Fotodiodi a semiconduttore
5.4.2 Fotodiodi a vuoto e fotomoltiSlicatori
5.4.3 DisSositivi CCD e altri tiSi di fotorivelatori
278
284
22
22
26
304
307
314
317
XIV
Indice
5.5 Controllo ottico di disSositivi e circuiti elettronici
5.5.1 OStoisolatori
5.5.2 Interruttori a semiconduttore controllati otticamente
5.5.3 Materiali tiSici e SrinciSali con¿gurazioni
5.5.4 Tiristori e transitori controllati otticamente
5.5.5 generazione ottica di imSulsi di tensione ultracorti
322
323
325
32
332
335
Capitolo VI
Diagnostica dei fasci laser
6.1 Introduzione
33
6.2 Misure nel dominio della frequenza
340
6.2.1 Misure di lunghezza d’onda
6.2.2 Misure di coerenza e di larghezza di riga
340
344
6.3 Misure delle caratteristiche sSaziali
348
6.4 Misure nel dominio del temSo
353
6.4.1 Fotodiodo e oscilloscoSio e streak camera
6.4.2 Autocorrelatori
6.5 Misure delle instabilità
354
355
35
Capitolo VII
Modulatori ottici
7.1 Introduzione
367
7.2 Modulazione diretta
367
7.2.1 Modulazione di diodi LED
36
Indice
7.2.2 Modulazione di diodi laser
7.3 L’effetto elettro-ottico
7.3.1 Effetto elettro-ottico quadratico (effetto Kerr)
7.3.2 L’effetto elettro-ottico lineare (effetto Pockels)
7.3.3 Effetto elettro-ottico longitudinale e trasversale
7.3.4 Modulatori elettro-ottici
7.3.5 TemSo di risSosta dell’effetto elettro-ottico
7.3.6 ASSlicazioni ai laser Sulsati
7.4 Effetto acusto-ottico
7.4.1 L’effetto elasto-ottico
7.4.2 L’effetto acusto-ottico nei mezzi isotroSi
e nei mezzi anisotroSo
7.4.3 Transitorio ed effetti di larghezza di riga
7.5 Tecniche di modulazioni in oStoelettronica integrata
7.5.1 Effetto Franza-keldish
7.5.2 Modulatori di amSiezza e di fase basati sull’effetto
Slasma ottico
7.5.3 Modulatori integrati in niobato di litio
XV
370
372
373
373
381
386
38
32
32
33
34
403
406
408
40
41
Capitolo VIII
Ottica guidata e ¿Ere otticKe
8.1 Introduzione
425
8.2 Strutture guidanti elementari
425
8.2.1 L’equazione d’onda nelle strutture guidanti
8.2.2 Guide Slanari metalliche
8.2.3 Guide Slanari dielettriche
8.2.4 Guide Slanari dielettriche asimmetriche
426
433
437
440
XVI
Indice
8.2.5 Grandezze normalizzate, cutoff e numero
di modi SroSagativi
8.2.6 Guide dielettriche a sezione circolare: ¿bre ottiche
8.3 Fibre ottiche
8.3.1 ASertura numerica
8.3.2 Attenuazione e Serdite Ser curvatura
8.3.3 Eccitazione e accoSSiamento di ¿bre
8.3.4 DisSersione nelle ¿bre ottiche
8.3.5 Cause di disSersione in una guida: analisi semSli¿cata
8.3.6 Diametro del modo
8.3.7 InÀuenza sulla Solarizzazione
8.4 Materiali e tecnologie delle ¿bre ottiche
8.4.1 Materiali Ser ¿bre ottiche
8.4.2 PrinciSali tecnologie Ser le ¿bre ottiche
8.4.3 Connettori e giunti
8.5 Diagnostica di ¿bre ottiche
448
451
458
463
465
471
474
482
485
488
42
42
46
48
501
8.5.1 Misure di attenuazione e della radiazione retrodiffusiva 501
8.5.2 Misure di disSersione e caratteristiche meccaniche 504
8.6 AmSli¿catori in ¿bra ottica
8.6.1 Problemi realizzativi
8.6.2 ASSlicazioni alle comunicazioni e sistemi sottomarini
8.6.3 Il Sroblema del Solarization hole burning
8.6.4 ASSlicazioni alla sensoristica
8.7 Teoria dei modi accoSSiati
8.7.1 Guida dielettrica con corrugazioni Seriodiche e laser a
feedback distribuito
8.7.2 ProSagazione solitonica in ¿bra ottica
506
511
516
521
523
526
528
534
Indice
XVII
Capitolo IX
3ropaga]ione in strutture periodicKe
.1 Introduzione
545
.2 Teorema di %loch-Floquet
546
.2.1 =ona di %rilluoin
54
.3 Cristalli fotonici 1-D e reticoli di %ragg
.3.1 Teoria dei modi accoSSiati
.3.2 Metodo della matrice di trasmissione
.3.3 Modi localizzati
.3.4 ASSlicazioni
54
552
558
566
567
.4 Cristalli fotonici 2-D
568
.4.1 Modi localizzati
572
.5 Introduzione ai metamateriali
.5.1 Metamateriali con indice di rifrazione negativo
574
57
Capitolo X
Introdu]ione alla crittogra¿a Tuantistica
10.1 Premessa
583
10.2 Inquadramento della crittogra¿a quantistica
585
10.2.1 I sistemi crittogra¿ci
10.2.2 Crittosistemi in chiave Subblica
588
55
10.3 Postulati della meccanica quantistica
600
10.3.1 SSazio di stato
10.3.2 Evoluzione
600
602
XVIII
Indice
10.3.3 Teoria della misura
10.3.4 Misure Sroiettive
10.3.5 Il SrinciSio di determinazione di Heisenberg
10.4 4uantum %it
10.4.1 Matrici di SSin di Pauli
10.4.2 Il vettore di SSin di Pauli e la connessione
tra vettori di -ones e vettori di Stokes
10.4.3 Identità notevoli dei vettori di SSin
10.4.4 Conservazione della lunghezza
10.4.5 Stati ortogonali
10.4.6 Stati non ortogonali
10.4.7 Stati di rotazione
10.4.8 OSeratore di rotazione intorno all’asse =
10.4. OSeratore di rotazione intorno all’asse X
10.4.10 OSeratore di rotazione intorno all’asse <
10.4.11 EsSressione della matrice di rotazione
sul vettore di Stokes
10.5 Elementi di teoria dell’informazione
10.5.1 EntroSia di una variabile classica
10.5.2 Comunicazione classica
10.5.3 EntroSia di uno stato quantistico
10.5.4 Holevo bound
10.5.5 Fedeltà di trasmissione
10.5.6 DecomSosizione di Kraus
10.5.7 Modelli di rumore
10.5.8 Rumore con memoria
10.5. Modello di interazione
10.5.10 Soluzione esatta con banda nulla
10.5.11 Rumore di Markov
10.5.12 Rumore telegra¿co non Markoviano
10.5.13 Rumore gaussiano
10.5.14 Fedeltà di trasmissione
604
606
608
610
615
617
620
621
622
623
624
625
627
628
631
636
636
638
63
641
642
643
644
645
648
64
652
654
655
655
Indice
10.6 Crittogra¿a quantistica
10.6.1 One-Time.Pad e Sroblema della distribuzione
delle chiavi
10.6.2 Teorema del no-cloning
10.6.2 Quantum key distribution
10.6.3 Quantum side chanel e attacchi a errore nullo
10.6.4 QKD con decoy state
10.6.5 Pratical QKD con decoy state
10.6.6 Il ruolo della QKD nella Srotezione
delle infrastrutture critiche
XIX
656
656
657
660
668
66
673
681
Capitolo XI
3rocessi di micro e nanofaEErica]ione
11.1 Introduzione
68
11.2 Il wafer di silicio
61
11.2.1 Reticolo ed indici di Miller
11.2.2 Il metodo Czochralski
11.2.3 La camera Sulita
11.3 Le tecniche litogra¿che
11.3.1 Il resist
11.3.1.1 Il Srocesso di sSin-coating
11.3.2 Le tecniche fotolitogra¿che
61
63
65
66
67
68
6
11.3.2.1 Fotolitogra¿a a contatto, a Srossimità
11.3.2.2 Fotolitogra¿a a Sroiezione
701
702
11.3.3 Litogra¿a a raggi X e litogra¿a 8V estrema
11.3.4 Litogra¿a a fascio elettronico e ionico
11.3.5 La tecnica di lift-off
704
706
708
XX
Indice
11.3.6 La soft LithograShy
70
11.4 I Srocessi di Etching
710
11.4.1 Etching wet
11.4.2 Etching dry
712
712
11.4.2.1 Etching a ioni reattivi
714
11.5 Diffusione ed imSiantazione ionica
715
11.6 DeSosizione di ¿lm sottili
717
11.6.1 ESitassia a fascio molecolare
11.6.2 Ossidazione termica
11.6.3 DeSosizione chimica da (fase) vaSore
11.6.3.1 CVD a Sressione atmosferica e bassa Sressione
11.6.3.2 CVD assistita da Slasma
11.6.4 DeSosizione ¿sica da (fase) vaSore
11.6.4.1 EvaSorazione
11.6.4.2 SSuttering
718
71
721
723
725
726
726
727
Capitolo XII
Interazione radiazione-materia
12.1 Generalità
731
12.2 Coef¿cienti di Einstein
731
12.2.1 L’equazione di Schrऺdinger
12.2.2 %arriere di Sotenziale: effetto tunnel
12.2.3 L’oscillatore armonico
12.2.4 Forze centrali: Sotenziali coulombiani
12.3 Interazione radiazione-materia
734
737
741
743
745
Indice
12.3.1 L’hamiltoniana di interazione e la suscettività dielettrica
12.3.2 Equazioni di %loch
12.3.3 Sistema a due livelli e oscillazioni di Rabi
12.3.4 Cause di allargamento di riga
12.3.5 Rate equation
XXI
745
750
752
755
763
Prefazione
In questo libro vengono illustrati i fondamenti ed alcune
applicazioni dell’optoelettronica prediligendo l’aspetto descrittivo
omettendo lunghe trattazioni analitiche. Rispetto alle edizioni
precedenti sono stati soppressi alcuni capitoli e ne sono stati
introdotti tre nuovi: uno sui cristalli fotonici e metamateriali, uno
sulle tecnologie impiegate in ottica integrata e nanofotonica e uno
sulla crittografia quantistica. È evitato l’uso della meccanica
quantistica per consentire una migliore comprensione dei fenomeni
descritti. Un solo capitolo, l’ultimo, richiede una conoscenza
preliminare dei fondamenti di meccanica quantistica e la sua lettura
può essere evitata senza compromettere in alcun modo la
comprensione della restante parte del libro. In questo capitolo, sono
svolti alcuni semplici esempi numerici per rendere comprensibile il
passaggio alle nanotecnologie. Nei primi due capitoli, dopo aver
richiamato le nozioni fondamentali di ottica, si analizzano la
propagazione nei mezzi anisotropi e non omogenei, i fasci gaussiani, i
risonatori ottici aperti e alcuni componenti ottici. Nel Cap.3 vengono
discussi i fenomeni fondamentali dell’ottica non lineare, mentre nel
Cap.4 sono descritti i principi di funzionamento dei laser, le tecniche
di produzione degli impulsi di luce e gli oscillatori parametrici. Nel
Cap.5 si passano in rassegna i principali componenti optoelettronici a
semiconduttore (diodi LED e laser, foto rivelatori) discutendone
alcune applicazioni. Dopo aver descritto, nel Cap.6, le tecniche di
diagnostica dei sistemi laser, nel Cap.7 vengono discusse le principali
tecniche di modulazione ottica. Il Cap. 8 è dedicato alla propagazione
XXIII
XXIV
Prefazione
guidata e all’optoelettronica integrata mentre, gli ultimi capitoli sono
dedicati ad una serie di argomenti complementari e/o innovativi quali i
cristalli fotonici, le tecnologie nano fotoniche, la crittografia
quantistica e i fondamenti quantistici dell’interazione radiazione
materia. I capitoli 9, 10 e 11 sono stati scritti da esperti del settore
(rispettivamente Dott.ssa Maria Principe, Dott. Fabio Bovino, e Dott.
Armando Ricciardi).
Desidero ringraziare i colleghi e gli amici dell’Università del
Sannio e gli studenti, per gli utili suggerimenti e le stimolanti
discussioni. Infine, mi si consenta di ricordare un caro amico, Gigi e
di rivolgere un pensiero al mio più caro amico, mio padre, i cui
insegnamenti sono stati e sono un mio costante punto di riferimento.
Antonello Cutolo
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1
2 OStoelettronica e fotonica
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∂Q
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∇× +
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