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    Luigi ZENI

    Insegnamento di OPTOELETTRONICA E SENSORISTICA

    Corso di laurea magistrale in INGEGNERIA ELETTRONICA

    SSD: ING-INF/01

    CFU: 9,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 72,00

    Periodo di Erogazione: Primo Semestre

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    ITALIANO

    Contenuti

    Principi di ottica; Fibre ottiche e ottica guidata; Componenti optoelettronici; Laser: Interazione radiazione-materia; Proprietà ottiche dei materiali semiconduttori; Sorgenti e rivelatori di luce a semiconduttori;Dispositivi fotovoltaici; Modulatori e amplificatori ottici; Sensori di misura optoelettronici.

    Testi di riferimento

    S. O. Kasap, Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices, Prentice Hill 2001
    R. Noé, Essentials of Modern Optical Fiber Communication, Springer-Verlag 2010
    A. Cutolo, Optoelettronica, ottica, fotonica e laser, McGraw Hill Italia (1997)
    S. Solimeno, B. Crosignani, P. Di Porto, Guiding, confinement and diffraction of optical radiation, Academic Press, New York 1987
    Optical Fiber Sensors: Application, analysis and future trends, J. Dakin and B. Culshaw Editors-Artech House 1997

    Obiettivi formativi

    Fornire gli elementi base per la progettazione e l'analisi di circuiti optoelettronici in guida dielettrica planare e fibra ottica, con particolare enfasi alle applicazioni alla trasmissione delle informazioni, alla conversione diretta dell'energia e alla implementazione di sensori di grandezze chimiche e fisiche

    Prerequisiti

    Fondamenti di Elettronica, Fisica, Campi Elettromagnetici

    Metodologie didattiche

    Lezioni frontali e esercitazioni in laboratorio

    Metodi di valutazione

    Prova orale

    Altre informazioni

    Le trasparenze delle lezioni sono resedisponibili a cura del docente.

    Programma del corso

    Principi di ottica: Spettro elettromagnetico - Equazioni di Maxwell - Ottica geometrica - Riflessione e rifrazione – Diffrazione – Ottica parassiale – Dualismo onda-particella - Equazione di Schrödinger - Formalismo ABCD - Matrici di Jones - Propagazione nei mezzi anisotropi – Polarizzatori – Reticoli di diffrazione - Reticoli di Bragg – Monocromatori – Interferometria - Interferometro di Michelson - Interferometro Fabry-Perot - Interferometro Mach-Zehnder - Fasci gaussiani – Risonatori ottici - Effetto elettro-ottico – Effetto acusto-ottico.
    Fibre ottiche e ottica guidata: Propagazione in strutture dielettriche – Caratteristiche delle fibre ottiche – Perdite – Dispersione – Propagazione nelle guide planari – Classificazione delle guide planari - Accoppiamento fibra/guida – Perdite di inserzione - Fabbricazione delle fibre ottiche - Trasmissioni su fibra ottica - Time Division Multiplexing - Wavelength Division Multiplexing
    Componenti optoelettronici: Polarizzatori - Accoppiatori direzionali e Circolatori - Isolatori - Filtri interferenziali - PHASAR e AWG
    Laser: Interazione radiazione-materia - Assorbimento - Emissione Spontanea - Emissione stimolata - Inversione di popolazione e Rate equations - Principio di funzionamento dei laser - Classificazione dei laser - Laser a onda continua e pulsati - Esempi di laser a gas e a stato solido
    Proprietà ottiche dei materiali semiconduttori: Assorbimento ed emissione di fotoni - Teorema di Bloch - Materiali a bandgap diretto e indiretto - Ricombinazione radiativa e non radiativa - Classificazione dei materiali
    Sorgenti e rivelatori di luce a semiconduttori: Diodi emettitori di luce (LED) – Principio di funzionamento dei laser a semiconduttore (LD) – LD a feedback distribuito (DFB) - LD a reticolo di Bragg (DBR) - LD a Multi-Qantum-Well - Fotoresistori – Fotodiodi a giunzione – Fotodiodi a valanga.
    Dispositivi fotovoltaici: Spettro solare - Funzionamento delle celle fotovoltaiche - Efficienza quantica - Caratteristica I-V - Celle in serie e parallelo
    Modulatori e amplificatori ottici: Modulazione diretta della radiazione emessa dai LED – Modulazione diretta della radiazione emessa da laser a semiconduttore – Modulatori a variazione di assorbimento - Modulatori a variazione di fase - Modulatori basati sull’effetto elettro-ottico – Modulatori basati sull’effetto acusto-ottico – Principio di funzionamento degli amplificatori in fibra ottica (EDFA) - Semiconductor Optical Amplifiers (SOA).
    Sensori di misura optoelettronici: Caratteristiche generali - Sensori in fibra ottica e guida planare - Sensori di deformazione – Sensori di temperatura - Sensori di corrente – Sensori di campo elettrico e magnetico – Sensori di pressione – Sensori di posizione e vibrazioni - Biosensori optoelettronici

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    Principles of optics; Optical fibers and guided optics; Optoelectronic components; Laser: Radiation-matter interaction; Optical properties of semiconductor materials; Semiconductor-based light sources and detectors; Photovoltaic devices; Optical modulators and amplifiers; Optoelectronic sensors.

    Textbook and course materials

    S. O. Kasap, Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices, Prentice Hill 2001
    R. Noé, Essentials of Modern Optical Fiber Communication, Springer-Verlag 2010
    A. Cutolo, Optoelettronica, ottica, fotonica e laser, McGraw Hill Italia (1997)
    S. Solimeno, B. Crosignani, P. Di Porto, Guiding, confinement and diffraction of optical radiation, Academic Press, New York 1987
    Optical Fiber Sensors: Application, analysis and future trends, J. Dakin and B. Culshaw Editors-Artech House 1997

    Course objectives

    Fundamentals for the design and analysis of optoelectronic circuits, in planar waveguides and optical fibers, mainly oriented to data transmission applications, energy conversion and chemical/physical sensors implementation.

    Prerequisites

    Fundamentals of electronics, Physics, Electromagnetism

    Teaching methods

    Classroom lessons and laboratory practice

    Evaluation methods

    Discussion

    Other information

    The slides of the lessons are made available by the teacher.

    Course Syllabus

    Principles of optics: Electromagnetic spectrum – Maxwell’s equations – Geometrical optics – Reflection and refraction – Diffraction – Paraxial optics – Wave-particle duality - Schrödinger equation – ABCD formalism - Jones Matrices – Propagation in anisotropic media – Polarization – Diffraction gratings – Bragg gratings – Interferometry – Michelson interferometer – Fabry-Perot interferometer – Mach-Zehnder interferometer – Gaussian beams – Optical resonators – Electro-optic effect – Acousto-optic effect.
    Optical fibers and guided optics: Propagation in dielectric structures – Characteristics of optical fibers – Losses – Dispersion – Propagation in planar waveguides – Fiber/waveguide coupling – Insertion losses – Fabrication of optical fibers – Optical fiber data links – Time Division Multiplexing - Wavelength Division Multiplexing.
    Optoelectronic components: Polarizers – Directional couplers and circulators – Isolators – Interference filters - PHASAR – AWG.
    Laser: Radiation-matter interaction – Absorption –Spontaneous emission – Stimulated emission – Population inversion and rate equations – Principle of laser – Laser types – CW and pulsed lasers – Examples of gas and solid state lasers
    Optical properties of semiconductor materials: Absorption and emission of photons – Bloch theorem – Direct and indirect bandgap materials – Radiative and non-radiative recombination – Semiconductor alloys.
    Semiconductor-based light sources and detectors: Light emitting diodes (LED) – Semiconductor laser principle (LD) – Distributed feedback LD – Bragg grating LD - Multi-Quantum-Well LD – Photo-resistors – Junction photodiodes – Avalanche photodiodes.
    Photovoltaic devices: Solar spectrum – Working principle of photovoltaic cells – Quantum efficiency – I-V characteristic – Series and parallel combination.
    Optical modulators and amplifiers: Direct modulation of LEDs – Direct modulation of LDs – Modulators based on absorption variation – Modulators based on phase variations – Electro-Optic modulators – Acousto-optic modulators – Erbium Doped Fiber Amplifiers (EDFA) – Semiconductor Optical Amplifiers (SOA).
    Optoelectronic sensors: General characteristics – Fiber optic and planar waveguide sensors – Deformation sensors –Temperature sensors –Current sensors – Electric and magnetic field sensors – Pressure sensors – Position and vibration sensors – Optoelectronic bio-sensors.

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