Maini Attività scientifica

L’attività scientifica a partire dal febbraio 2003 si è svolta prevalentemente presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell'Università di Modena e reggio Emilia.

L’attività di ricerca si è concentrata in due diverse direzioni: nell'ambito delle antenne e nell'ambito dell'ottica. Per il primo, ha riguardato l'analisi numerica e sperimentale delle antenne patch e delle schiere di antenne. Per l'ottica l'attività si è incentrata sull'analisi numerica e sullo sviluppo di nuovi metodi numerici per amplificatori ottici in banda S e sull'analisi numerica delle fibre a cristallo fotonico.

Nel seguito, vengono descritti brevemente le principali attività svolte facendo riferimento all’elenco della pubblicazioni in allegato.

Antenne patch e schiere di antenne

L'evoluzione delle applicazioni wireless, congiuntamente alle esigenze di miniaturizzazione e bassi costi, ha determinato un notevole sviluppo nel campo delle antenne patch. Queste antenne sono costituite da un piano di massa e da un elemento radiante planare separati da un substrato dielettrico. L'attività si è concentrata sull'analisi delle proprietà fondamentali al fine di assumere le competenze necessarie per la progettazione di antenne collocate all'interno di sistemi di comunicazione wireless. Nello specifico, i parametri da tenere sotto controllo sono il diagramma di radiazione, e quindi la direttività, e l'impedenza d'ingresso, fondamentale per trasferire il massimo di potenza all'antenna ed evitare che la potenza riflessa comprometta il funzionamento dell'elettronica a monte. E' per ciò necessario progettare insieme all'antenna anche la sua linea di alimentazione, essa deve essere dotata dei dispositivi atti ad adattare l'impedenza di ingresso dell'antenna stessa con l'impedenza della linea, spesso di 50 Ohm.

A questo scopo sono stati impiegati diversi simulatori numerici commerciali, quali ADS: Advanced Design System - Momentum, Sonnet, Ansoft Designer (solutori 2.5D, basati sul metodo dei momenti, MoM) e CST: Computer Simulation Technology (solutore 3D, basato sulla tcnica dell'integrazione finita, FIT). In molti casi sono stati realizzati prototipi delle antenne progettate e le misure sperimentali effettuate con l'analizzatore di reti vettoriale hanno permesso il confronto tra i dati misurati e dati numerici, anche al fine di valutare l'efficacia dei simulatori numerici.

Le antenne patch sono dotate di una bassa direttività, tuttavia in molte applicazioni, non solo nell'ambito delle telecomunicazioni, ma anche nell'ambito della sensoristica o dei radar, si rende necessaria una direttività elevata. In questo contesto, sono state studiate le schiere di antenne, esse sono costituite da un insieme di antenne semplici disposte in un certo ordine spaziale ed alimentate secondo criteri adeguati. Il numero di gradi di libertà aumenta esponenzialmente con il numero di elementi radianti, il progetto delle schiere di antenne quindi si complica notevolmente. Anche in questo caso sono stati utilizzati simulatori numerici commerciali, in particolare CST e Ansoft Designer. Sono state investigate diverse tipologie di alimentazione, sia coplanare che ad apertura, e diverse reti di alimentazione, tese non solo all'adattamento, ma anche all'ottimizzazione di alcuni parametri come la direttività e la soppressione dei lobi secondari del diagramma di radiazione.

Nell'ambito del progetto ministeriale “Radiometro Integrato al Silicio per la Prevenzione di Incendi e la Salvaguardia Civile ed Ambientale”, è stato realizzato il progetto di una schiera di antenne a 13GHz. Le misure sperimentali hanno evidenziato la criticità della connettorizzazione dell'antenna con la linea coassiale. Per questo motivo, sia per numericamente che sperimentalmente, sono state indagate diverse tipologie di connessione.

Ref. [C4]

Fibre a cristallo fotonico

Le fibre a cristallo fotonico (Photonic Crystal Fibers: PCFs) sono costituite da un singolo materiale dielettrico, tipicamente silice, con una serie di cilindri d’aria che si estendono per tutta la lunghezza della fibra. L’indagine si è incentrata essenzialmente sull’analisi delle proprietà ritenute di maggior interesse ai fini dell’applicazione nei sistemi di trasmissione ottici. Nello specifico sono state analizzate numericamente le perdite per confinamento e le caratteristiche di monomodalità delle PCFs mediante l’impiego di solutori modali basati sul metodo degli elementi finiti (Finite Element Method: FEM), alcuni sviluppati nell’ambito del gruppo di ricerca in cui l’ing. Maini opera, altri commerciali, quale FEMLAB.

Dal punto di vista teorico, nelle fibre a cristallo fotonico è possibile una propagazione priva di perdite solo se la disposizione dei fori sul piano traverso alla direzione di propagazione ha estensione infinita. Tuttavia per ovvie ragioni di realizzazione, nella realtà le fibre presentano solo un numero finito di fori d’aria, conseguentemente i modi diventano leaky. Tali perdite, dette di confinamento, possono essere ridotte mediante un opportuno scelta del numero dei fori, del tipo di disposizione, delle loro dimensione e della distanza foro-foro. L’obiettivo della ricerca è stato quello di individuare se è possibile, ed eventualmente in quali condizioni, ottenere un livello di perdite di confinamento trascurabile rispetto a quelle dovute al materiale (assorbimento e scattering di Rayleigh).

In particolare sono state investigate le PCF a banda fotonica proibita a core depresso e a nucleo cavo, nelle seconde è possibile ottenere guidaggio in aria, con notevoli vantaggi determinati dalla riduzione dell'assorbimento e degli effetti non lineari dovuti alla silice. L’impiego del FEM ha consentito un’indagine accurata e precisa anche in PCFs caratterizzate da sezioni traverse estremamente complesse come le honeycomb modificate con nucleo cavo. In questo tipo di fibre si è visto che a parità di cladding e di numeri di fori un core di dimensioni maggiori consente perdite per confinamento inferiori, a scapito di un numero di modi di ordine superiore maggiore. Sono state quindi valutate le regioni di effettiva monomodalità sulla base del confronto tra le perdite per confinamento del modo fondamentale e quelle dei modi di ordine superiore. Un problema non ancora risolto per le honeycomb modificate con nucleo cavo è costituito dalla presenza dei surface modes, modi localizzati nella silice all'interfaccia core-cladding, che interferendo col modo fondamentale rappresentano una forte causa di leakage. L'attività di ricerca è tesa ad investigare diverse geometrie di core al fine di eliminare questi modi.

Ref. [R1], [C2], [C3], [N1], [N2], [N5], [N6]

Amplificatori ottici in banda S

La maggiore limitazione all'utilizzo della banda S nei sistemi di comunicazione a divisione di lunghezza d'onda (Wavelength Division Multiplex: WDM) è rappresentata dalla difficoltà di ottenere amplificazione in tale banda. La tecnologia più consolidata per la realizzazione di amplificatori ottici è quella basata sull'impiego di fibre drogate con erbio (Erbium Doped Fiber Amplifier: EDFA). Purtroppo gli spettri di emissione e di assorbimento dell'erbio sfavoriscono l'amplificazione in banda S ed è dimostrato che per ottenere amplificazione in questa banda è necessaria una forte inversione di popolazione di ioni d'erbio dal livello energetico base al livello energetico eccitato. La causa principale di deterioramento dell'inversione di popolazione è costituito dall'emissione spontanea amplificata (Amplified Spontaneus Emission: ASE) in banda C. La tecnica più affascinante per eliminare l'ASE in questa banda è quella che sfrutta le perdite della fibra ospite dell'erbio. Tali perdite possono essere ottenute sia per piegatura della fibra, che per confinamento.

Allo scopo di progettare questi tipi di amplificatori sono stati sviluppati simulatori numerici basati sull'utilizzo congiunto di solutori modali che sfruttano il FEM e di solutori dell'amplificatore basati sul modello spettrale che risolvono le equazioni di propagazione della potenza atrraverso il metodo iterativo di Runge-Kutta. In particolare, per i solutori modali, è stato implementato un approccio basato sugli strati assorbenti perfettamente adattati (Perfectly Matched Layers: PML) il quale si è dimostrato estremamente efficace e versatile per lo studio dell'attenuazione di strutture guidanti, sia nel caso di perdite per curvatura, che nel caso di perdite per confinamento. Nello specifico, per la valutazione delle perdite per curvatura è stata utilizzata la tecnica della mappatura conforme.

Il simulatore numerico descritto è stato utilizzato per lo studio di un amplificatore realizzato su fibra a cladding depresso in cui le perdite sono ottenute per curvatura. Di questo amplificatore sono disponibili dati sperimentali che hanno permesso il confronto con i risultati numerici ottenuti dal simulatore, verificando la validità del modello.

Negli amplificatori un parametro di merito è costituito dalla sovrapposizione tra segnale, pompa e la porzione della sezione traversa responsabile dell’amplificazione. Tali parametri sono maggiormente controllati impiegando PCF in luogo delle fibre tradizionali. In quest'ambito stato progettato un amplificatore su PCF a doppio cladding drogata con erbio, in cui le perdite sono ottenute per accoppiamento risonante tra il modo fondamentale e i modi del cladding fortemente leaky.

Ref. [R2], [C1], [N3], [N4], [N7]