Dispositivi a banda fotonica proibita a cristalli liquidi
Autore
Vincenzo Ingravallo - Politecnico di Bari - [2000-01]
Documenti
Abstract
La possibilità di associare al segnale luminoso informazioni codificate e di poterle trasferire mediante linee a bassissima attenuazione è già una concreta risorsa e un campo di applicazione oggi in fortissima espansione. Il contenuto spettrale del segnale luminoso permette di poter allocare con grande libertà numerosi canali su singoli supporti fisici.
La qualità delle prestazioni ottenibili sul semplice segnale ottico viene degradata nel passaggio al segnale elettronico, a contenuto spettrale più limitato. I dispositivi tutt’ora adoperati sono interruttori ad altissima frequenza o switch elettro-ottici, e rappresentano l’anello debole della catena di segnale.
Già agli inizi dello scorso decennio i contributi di alcuni studiosi indicarono la possibilità di progettare strutture innovative, interruttori, partitori e filtri, in grado di lavorare direttamente sul segnale luminoso, per realizzare reti interamente ottiche ad alte prestazioni. Il punto di partenza era per tutti l’applicazione del concetto di banda fotonica proibita.
Il dispositivo a banda fotonica proibita (photonic bandgap, PBG) è una struttura fisica con elevate caratteristiche di regolarità spaziale, spesso realizzata secondo strati di dielettrico che si alternano lungo una direzione ben precisa, la cui regolarità impone al segnale che la attraversa, ottico nel nostro caso, di subire riflessioni e trasmissioni tali da ricomporsi in modo distruttivo o costruttivo a seconda della frequenza considerata. Il riferimento al segnale ottico non è casuale: la teoria che soggiace al modello PBG è infatti mutuata dall’elettronica quantistica applicata alla diffrazione e ai processi di scattering degli elettroni nei dispositivi a stato solido. Anche nei PBG allora si parla di bande ammesse o proibite: i fotoni responsabili della conduzione di segnale possono interagire o meno con la struttura e determinare un diagramma a bande come nel caso elettronico. Attraverso lo sfruttamento di queste bande localizzate in regioni di frequenza ben precisa, è possibile costruire dei veri e propri canali di trasmissione.
È inoltre possibile estendere il principio di regolarità della struttura alle tre dimensioni dello spazio, ottenendo un dispositivo la cui maschera in frequenza opera selettivamente su direzioni stabilite dall’orientazione della struttura stessa: si ha cioè un partitore di segnale ottico, con geometrie differenti in funzione della realizzazione del reticolo periodico.
È possibile fornire il dispositivo PBG di caratteristiche di tuning pilotabili dall’esterno?
La risposta al quesito è proprio l’argomento della presente tesi: l’applicazione dei cristalli liquidi alla realizzazione di strutture PBG capaci di regolazione mediante pilotaggio esterno dell’orientazione dei cristalli stessi.
La tesi si articola nel seguente modo.
Il primo capitolo espone alcuni elementi teorici utili ad una esauriente comprensione del modello fisico-matematico delle strutture PBG: viene mostrato il metodo di analisi attraverso la matrice di trasferimento (TMM) nel caso mono-, bi- e tridimensionale.
Il secondo capitolo approfondisce il concetto di banda fotonica proibita con maggiore attenzione alle caratteristiche che ne rendono efficiente un suo utilizzo in ambito ingegneristico: vengono trattate natura, prestazioni, esempi e tecnologie produttive dei PBG.
Il terzo capitolo rappresenta, il carattere innovativo del presente lavoro: si introduce, nello studio dei dispositivi PBG, l’uso di materiali quali i cristalli liquidi.
Il quarto capitolo mostra, con utili confronti su dati ormai disponibili in letteratura, le verifiche eseguite sui software preparati in ambiente MATLAB per le strutture PBG scelte.
Il quinto capitolo vede l’applicazione dei cristalli liquidi alle strutture PBG quali dielettrici a indice di rifrazione variabile dall’esterno, e quindi pilotabile: dati sperimentali ottenuti mediante simulazioni al calcolatore completano la sezione.
In ultimo le conclusioni a cui il presente lavoro è giunto, evidenziando i punti di novità esposti e sottolineando le possibili applicazioni future.
In appendice, infine, oltre ad utili complementi a quanto esposto nei capitoli precedenti, si dà largo spazio alla descrizione del codice software scritto in ambiente Matlab per simulare una generica struttura PBG mono-, bi- e tridimensionale. Vengono pertanto riportati i listati dei programmi, con corredo di opportuni commenti.
La qualità delle prestazioni ottenibili sul semplice segnale ottico viene degradata nel passaggio al segnale elettronico, a contenuto spettrale più limitato. I dispositivi tutt’ora adoperati sono interruttori ad altissima frequenza o switch elettro-ottici, e rappresentano l’anello debole della catena di segnale.
Già agli inizi dello scorso decennio i contributi di alcuni studiosi indicarono la possibilità di progettare strutture innovative, interruttori, partitori e filtri, in grado di lavorare direttamente sul segnale luminoso, per realizzare reti interamente ottiche ad alte prestazioni. Il punto di partenza era per tutti l’applicazione del concetto di banda fotonica proibita.
Il dispositivo a banda fotonica proibita (photonic bandgap, PBG) è una struttura fisica con elevate caratteristiche di regolarità spaziale, spesso realizzata secondo strati di dielettrico che si alternano lungo una direzione ben precisa, la cui regolarità impone al segnale che la attraversa, ottico nel nostro caso, di subire riflessioni e trasmissioni tali da ricomporsi in modo distruttivo o costruttivo a seconda della frequenza considerata. Il riferimento al segnale ottico non è casuale: la teoria che soggiace al modello PBG è infatti mutuata dall’elettronica quantistica applicata alla diffrazione e ai processi di scattering degli elettroni nei dispositivi a stato solido. Anche nei PBG allora si parla di bande ammesse o proibite: i fotoni responsabili della conduzione di segnale possono interagire o meno con la struttura e determinare un diagramma a bande come nel caso elettronico. Attraverso lo sfruttamento di queste bande localizzate in regioni di frequenza ben precisa, è possibile costruire dei veri e propri canali di trasmissione.
È inoltre possibile estendere il principio di regolarità della struttura alle tre dimensioni dello spazio, ottenendo un dispositivo la cui maschera in frequenza opera selettivamente su direzioni stabilite dall’orientazione della struttura stessa: si ha cioè un partitore di segnale ottico, con geometrie differenti in funzione della realizzazione del reticolo periodico.
È possibile fornire il dispositivo PBG di caratteristiche di tuning pilotabili dall’esterno?
La risposta al quesito è proprio l’argomento della presente tesi: l’applicazione dei cristalli liquidi alla realizzazione di strutture PBG capaci di regolazione mediante pilotaggio esterno dell’orientazione dei cristalli stessi.
La tesi si articola nel seguente modo.
Il primo capitolo espone alcuni elementi teorici utili ad una esauriente comprensione del modello fisico-matematico delle strutture PBG: viene mostrato il metodo di analisi attraverso la matrice di trasferimento (TMM) nel caso mono-, bi- e tridimensionale.
Il secondo capitolo approfondisce il concetto di banda fotonica proibita con maggiore attenzione alle caratteristiche che ne rendono efficiente un suo utilizzo in ambito ingegneristico: vengono trattate natura, prestazioni, esempi e tecnologie produttive dei PBG.
Il terzo capitolo rappresenta, il carattere innovativo del presente lavoro: si introduce, nello studio dei dispositivi PBG, l’uso di materiali quali i cristalli liquidi.
Il quarto capitolo mostra, con utili confronti su dati ormai disponibili in letteratura, le verifiche eseguite sui software preparati in ambiente MATLAB per le strutture PBG scelte.
Il quinto capitolo vede l’applicazione dei cristalli liquidi alle strutture PBG quali dielettrici a indice di rifrazione variabile dall’esterno, e quindi pilotabile: dati sperimentali ottenuti mediante simulazioni al calcolatore completano la sezione.
In ultimo le conclusioni a cui il presente lavoro è giunto, evidenziando i punti di novità esposti e sottolineando le possibili applicazioni future.
In appendice, infine, oltre ad utili complementi a quanto esposto nei capitoli precedenti, si dà largo spazio alla descrizione del codice software scritto in ambiente Matlab per simulare una generica struttura PBG mono-, bi- e tridimensionale. Vengono pertanto riportati i listati dei programmi, con corredo di opportuni commenti.
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