Sistema di trasmissione di vortici ottici su fibra multimodale

Questa tesi prevede l'analisi di un sistema di comunicazioni ottiche mediante una multiplazione a divisione di momento angolare orbitale. Lo scopo di questo lavoro è dimostrare l'effcienza di un innovativo sistema di multiplazione basato sulle proprietà di fase dei fasci ottici che presentano uno specifico valore di momento angolare orbitale, generalmente chiamati vortici ottici. Tali vortici sono caratterizzabili mediante un profilo di fase elicoidale, grazie alla presenza del termine di fase exp(-ilφ)nell'espressione di campo. Per aumentare la capacità trasmissiva totale dei sistemi di comunicazione ottici, le tecniche comunemente usate sono la multiplazione a divisione di lunghezza d'onda (WDM) e la multiplazione a divisione di polarizzazione (PDM). Utilizzando quest'ultima tecnica si è stati in grado di raddoppiare la capacità trasmissiva, in quanto vengono multiplati due stati ortogonali di spin. E' possibile sfruttare anche gli stati ortogonali del momento angolare orbitale con l'obiettivo di incrementare la capacità totale del sistema. Questi stati di momento orbitale sono, in linea di principio, illimitati e vengono identificati dal parametro azimutale l, che può assumere solo valori interi. L'utilizzo del momento orbitale per identificare differenti canali propaganti ha attirato l'attenzione dei ricercatori solo negli ultimi anni. In questo elaborato, dopo aver osservato che lo specifico valore di momento angolare orbitale è legato alla presenza di una struttura di fase elicoidale, vengono presentate e analizzate due famiglie di fasci ottici che presentano un profilo di fase a spirale: i fasci di Bessel e i fasci di Laguerre-Gauss. In un primo momento viene studiata, per entrambe queste famiglie di modi, la propagazione in spazio libero che, grazie alla conservazione del momento angolare in uno spazio omogeneo, non produce alcuna difficoltà nella trattazione. La successiva descrizione della propagazione nello spazio confinato delle fibre ottiche richiede un'analisi più dettagliata. Viene riportata la classica teoria modale che consente di ricavare le costanti di propagazione dei quasi-modi LP, soluzioni dell'equazione scalare delle onde. Seguendo la teoria perturbativa si è in grado di sintetizzare i valori delle costanti di propagazione dei modi reali HE, EH, TE e TM. Questa teoria, già conosciuta per le famiglie dei fasci di Bessel, viene estesa per la prima volta ai fasci di Laguerre-Gauss. Diversamente dalla multiplazione di polarizzazione (PDM), un vantaggio del sistema di multiplazione a divisione di OAM risiede proprio nella possibilità di permettere un incremento arbitrario, e potenzialmente illimitato, della capacità trasmissiva. La modulazione PDM infatti fornisce la possibilità di incrementare solo di un fattore due la capacità trasmissiva. Dopo aver definito i vortici ottici omogenei come una precisa combinazione di modi HE pari e dispari ed etichettati da uno specifico valore di indice azimutale l, è stato verificato che, in condizioni standard di propagazione, il fenomeno della diafonia tra vortici con diverso valore assoluto di l è molto limitato. La completa analisi di un sistema di trasmissione su fibra multimodale richiede inoltre di investigare la fase di demultiplazione. Per separare vortici, caratterizzati da valori di OAM diversi in modulo, viene usata una cascata di interferometri di Mach-Zehnder arricchiti da un prisma di Dove in ogni braccio. In particolare, scegliendo di trasmettere solo i vortici con indici +l, si verifica che è molto improbabile, in condizioni ambientali standard, il trasferimento di potenza tra vortici con indici diversi in modulo, a causa della significativa diversità delle costanti di propagazione. L'unico trasferimento di potenza possibile, indotto dalla birifrangenza, rimane quello tra vortici opposti. In questo elaborato viene, per la prima volta, progettato un sistema di demultiplazione in grado anche di separare i contributi dei vortici opposti e quantificarne il casuale trasferimento di potenza al fine di ricostruire perfettamente il segnale d'ingresso.