di Carlo G. Someda, Twist Off

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IL FUTURO DEL
WIRELESS
SARA’
VORTICOSO ?
Carlo G. Someda
ANFoV - Milano, 11 Giugno 2014
TWIST OFF srl
• Twist Off srl è una "start up innovativa“.
• Costituita a Padova il 6 novembre 2012.
• Oggetto: ricerca, sviluppo, produzione,
commercializzazione e sperimentazione
industriale di tecnologie basate sullo studio delle
onde elettromagnetiche, con particolare
attenzione allo studio e allo sviluppo tecnologico
di sistemi e apparati per comunicazioni, per
apparati radioelettrici ottici o opto elettronici nel
campo OAM (Orbital Angular Momentum).
Carlo G. Someda – ANFoV Milano, 11 Giugno 2014
TWIST OFF srl (2)
• Tra i soci fondatori: F. Tamburini, F. Romanato,
C.G. Someda, B. Thidè e l'Università di Padova.
• SIAE Microelettronica, avendo sottoscritto un
importante piano di investimenti, è il socio di
maggioranza.
• Il team Twist Off comprende 9 persone che a
vario titolo gravitano nella srl, cui si aggiunge il
consistente apporto di SIAE Microelettronica
in termini di personale, tecnologie e
infrastrutture.
Fabrizio
Tamburini
Carlo Giacomo
Someda
Fabio
Spinello
Giovanni
Massaro
Bo Thidè
Giuseppe
Parisi
Filippo
Romanato
Elettra
Mari
EQUAZIONI DI MAXWELL
(1865)
J
Dalle loro simmetrie (rispetto a trasformazioni di Lorentz)
discendono altrettante leggi di conservazione.
Omogeneità nel tempo
Omogeneità nello spazio
Conservazione dell’energia
Conservazione del momento lineare
In elettromagnetismo, è chiamato correntemente vettore di Poynting.
E’ la grandezza fisica su cui hanno fatto leva le radiocomunicazioni,
da Marconi ai giorni nostri.
Isotropia nello spazio
Conservazione del momento angolare
Momento angolare della luce: J.H. Poynting, 1909
Momento angolare orbitale: M. Abraham, 1914
Momento di spin e momento angolare orbitale
Il momento angolare totale, J, è la somma di due contributi:
J = L+S = costante
J = L+S = costante
- S rappresenta il momento angolare di spin, biunivocamente
collegato con lo stato di polarizzazione del campo EM.
Attualmente, questo grado di libertà è sfruttato per
raddoppiare il numero di canali radio a una data frequenza;
J = L+S = costante
- S rappresenta il momento angolare di spin, biunivocamente
collegato con lo stato di polarizzazione del campo EM.
Attualmente, questo grado di libertà è sfruttato per
raddoppiare il numero di canali radio a una data frequenza;
- L rappresenta il momento angolare orbitale , collegato con
la vorticosità del campo EM.
Attualmente non è sfruttato nelle TLC; in linea di principio,
consente un’infinità numerabile di canali isofrequenziali,
tra loro indipendenti.
MOMENTO ANGOLARE ORBITALE (OAM)
è detto carica topologica. Indica quante volte la fase cambia di
radianti lungo un percorso chiuso attorno alla dislocazione centrale.
è un fascio
gaussiano
il fronte d’onda ha una
forma ad elica.
Una singolarità di fase, detta
vortice ottico, è annidata lungo
l’asse di propagazione.
COME IMPRIMERE OAM
Un particolare tipo di ottiche diffrattive, strutture che
modificano la fase, imprimono un ritardo di fase azimutale.
Fork Hologram
m = ordine diffrazione
N = numero biforcazioni
Spiral
Phase Plate
h = altezza del salto
∆n = differenza di
indice di rifrazione
EFFETTI MECCANICI DEI FASCI OTTICI CHE
TRASPORTANO MOMENTO ANGOLARE
L. Allen (1992) fu il primo a dimostrare che:
A) una lamina birifrangente a λ/2 è soggetta a
una torsione quando trasforma la luce
polarizzata circolarmente da levogira a
destrogira;
B) una coppia di lenti cilindriche sospesa a un
filo, è soggetta a una torsione quando
trasforma un fascio di Laguerre - Gauss con
momento angolare orbitale positivo in uno
con momento angolare negativo.
BUCHI NERI ROTANTI
ASSIMILABILI A LENTI
ROTANTI
Nuovo Cim.B119:489-519,2004
ESPERIMENTO PILOTA RADIOCOMUNICAZIONE
OAM: VENEZIA, GIUGNO 2011
©Google 2011
RICEVITORE
TRASMETTITORI
TRIPLO LINK OAM: SCHEMA DI PRINCIPIO
PARABOLE CONFORMATE
SCHEMA DEL FEEDER
MISURE IN CAMPO VICINO
Parabola ‘‘l=+1’’
Parabola ‘‘l=0’’
MISURE DI RETURN LOSS
MISURE DI INSERTION LOSS
Parabola ‘‘l=-1’’
Antenna under
measurement
Return Loss
(dB)
Antenna Status
L=0
13,7
OPEN
L=0
2,3
SHIELD WITH
METAL PLATE
L=+1
14,2
OPEN
L=+1
16,2
SHIELD WITH
METAL PLATE
Tx Antenna
Insertion Loss
(dB)
Rx Antenna
L=0
3,3
L=0
L=0
3,2
L=+1
L=+1
18,6
L=0
L=+1
26,2
L=-1
l=1 radio lobe, intensity, phase and spiral spectrum
Primi test di vere e proprie radiocomunicazioni
(canali isofrequenziali, con lo stesso stato di polarizzazione,
senza alcun post-processing digitale del segnale ricevuto).
Singolo vortice OAM (l=+1 o -1): segnale radio propagato su
5700λ , con modulazione digitale fino a 1024 QAM.
2 vortici OAM sovrapposti: isolamento di circa 25dB. Due segnali
digitali modulati fino a16 QAM.
1 vortice OAM (+1 or -1) sovrapposto a un fascio radio
convenzionale (0): isolamento di circa 22dB. Due segnali digitali
modulati fino a16 QAM.
2 vortici OAM (+1 or -1) e un fascio radio convenzionale:
isolamenti attorno a 10 dB. Tre segnali modulati 4 QAM.
COSTELLAZIONI TRIPLO LINK
COSTELLAZIONI DOPPIO LINK
BIDIREZIONALE
A
B
B
l=+1
l=-1
l=+1
A
l=-1
ESPERIMENTO “LS”
Costellazioni ricevute dalle
radio #1 - #2 - #3 - #4
128 QAM
Esempio di test di comunicazione sul link LS
ESPERIMENTO “LS”
RADIO SNR
CONTROL FEEDBACK
SIGNAL
Software di controllo attivo per l’ottimizzazione dell’SNR delle
radio del link
CONCLUSIONI
• 150 anni dopo Maxwell, e 119 anni dopo Marconi,
non tutte le proprietà fisiche delle onde e.m.
vengono oggi sfruttate nelle radiocomunicazioni.
• Il momento angolare orbitale (OAM) è una di queste.
• L’OAM risulta invece già oggi utilizzato in altre
applicazioni (astronomia, nanotecnologie, ecc.)
• I risultati di laboratorio dei primi esperimenti
sull’impiego dell’OAM nelle comunicazioni ottiche,
tanto in spazio libero quanto in fibra, sono
letteralmente strabilianti.
CONCLUSIONI (2)
• Tutto questo induce a sperimentare l’impiego
dell’OAM anche nelle radiocomunicazioni.
• Il passaggio dall’ottica alle microonde è alquanto
complesso, soprattutto perché:
- la reciprocità delle antenne è irrinunciabile;
- le dimensioni delle antenne non possono scalare in
proporzione alle lunghezze d’onda.
• La saturazione dello spettro radio è una motivazione
molto forte per provarci ….
• … e noi ci stiamo provando !
RINGRAZIAMENTI
HANNO CONTRIBUITO ALLE ATTIVITA’ DESCRITTE IN QUESTA NOTA:
•
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Elettra Mari
Giuseppe Parisi
Fabio Spinello
Fabrizio Tamburini
Filippo Romanato
Paolo Rech
Bo Thidé
Piero Coassini
Matteo Oldoni
Roberto Ravanelli
Twist Off
Twist Off
Twist Off e UNIPD
Twist Off
Twist Off e UNIPD
Twist Off
Twist Off e IRFU
SIAE Microelettronica

di Carlo G. Someda, Twist Off

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