Italiano

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.

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

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 fotonici e optoelettronici

Fondamenti di Elettronica, Fisica, Campi Elettromagnetici

Lezioni frontali e esercitazioni in laboratorio

Una relazione scritta e una prova orale. Il punteggio finale sarà determinato in egual modo dalla relazione scritta e dalla prova orale.

Le trasparenze delle lezioni sono rese disponibili a cura del docente.

FONDAMENTI DI FOTONICA:
Principi di ottica: Spettro elettromagnetico - Equazioni di Maxwell - Ottica geometrica - Riflessione e rifrazione – Diffrazione – Ottica parassiale – Dualismo onda-particella - Equazione di Schrödinger - - Propagazione nei mezzi anisotropi – Polarizzatori – Reticoli di diffrazione - Reticoli di Bragg –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 –
Componenti optoelettronici: Polarizzatori - Accoppiatori direzionali e Circolatori - Isolatori - Filtri interferenziali –
Sorgenti e rivelatori di luce: Lampade - Diodi emettitori di luce (LED) – Diodi laser (LD), Fotoresistori – Fotodiodi a giunzione – Fotodiodi a vuoto e fotomoltiplicatori- Sensori piroelettrici - Sensori di immagini (CCD) – Spettrometri ottici.

FOTONICA PER ICT:
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 pulsate.
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 -Approfondimenti sui diodi emettitori di luce (LED) -LED a eterostruttura – Spettro di emission e dipendenza dalla temperatura - Principio di funzionamento dei laser a semiconduttore (LD) – LD a feedback distribuito (DFB) - LD a reticolo di Bragg (DBR) - LD a Multi-Quantum-Well – Fotodiodi PIN – Fotodiodi a valanga. Rumore nei fotorivelatori -
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).
Trasmissioni su fibra ottica: Bande per le comunicazioni ottiche - Tecniche di modulazione su fibra ottica- Diagramma a occhio - Time Division Multiplexing - Wavelength Division Multiplexing, Space division nmultiplexing- Arrayed Waveguide Gratings (AWG) - Dispositivi Add&Drop.
Comunicazioni ottiche in spazio libero - Free Space Optics (FSO) – Caratteristiche e problematiche
Light Fidelity (LiFi).
Dispositivi fotovoltaici: Spettro solare - Funzionamento delle celle fotovoltaiche - Efficienza quantica - Caratteristica I-V - Celle in serie e parallelo.

SENSORI FOTONICI:
Sensori di misura optoelettronici:
Caratteristiche generali dei sensori fotonici
Sensori puntuali 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
Sensori distribuiti in fibra ottica:
Fenomeni di scattering in fibra ottica (Rayleigh, Raman, Brillouin)
Principio di funzionamento dei sensori basati su scattering di Rayleigh
Principio di funzionamento dei sensori basati su scattering di Raman
Principio di funzionamento dei sensori basati su scattering di Brillouin
Applicazioni al monitoraggio strutturale e ambientale:
Monitoraggio di opere civili e geotecniche
Monitoraggio di strutture meccaniche
Monitoraggio di condutture

Italian

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.

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

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

Fundamentals of electronics, Physics, Electromagnetism

Classroom lessons and laboratory practice

A written report and oral test. The final score will be equally determined by the written report and the oral test.

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

FUNDAMENTALS OF PHOTONICS:
Principles of Optics: Electromagnetic Spectrum - Maxwell's Equations - Geometric Optics - Reflection and Refraction - Diffraction - Paraxial Optics - Wave-Particle Duality - Schrödinger Equation - Propagation in Anisotropic Media - Polarizers - Diffraction Gratings - Bragg Gratings - Interferometry - Michelson Interferometer - Fabry-Pérot Interferometer - Mach-Zehnder Interferometer - Gaussian Beams - Optical Resonators - Electro-optical Effect - Acousto-optical Effect.
Fiber optics and guided optics: Propagation in dielectric structures – Characteristics of optical fibers – Losses – Dispersion – Propagation in planar waveguides – Classification of planar waveguides – Fiber/waveguide coupling – Insertion losses – Fiber optic fabrication –
Optoelectronic components: Polarizers – Directional couplers and circulators – Isolators – Interference filters –
Light sources and detectors: Lamps - Light-emitting diodes (LEDs) – Laser diodes (LDs) - - Photoresistors - Junction photodiodes – pyroelectric sensors – Image sensors (CCD) – Optical spectrometers.

PHOTONICS FOR ICT:
Lasers: Radiation-matter interaction – Absorption – Spontaneous emission – Stimulated emission – Population inversion and rate equations – Laser operating principles – Laser classification – Continuous-wave and pulsed lasers.
Optical properties of semiconductor materials: Photon absorption and emission - Bloch's theorem - Direct and indirect bandgap materials - Radiative and nonradiative recombination - Classification of materials – Insights on light emitting diodes (LED) – Heterostructure LEDs – Emission spectrum and temperature dependence – Working principle of semiconductor lasers (LD) - Distributed feedback LDs (DFBs) - Bragg grating LDs (DBRs) - Multi-quantum-well LDs – PIN photodioded - Avalanche photodiodes – Noise in photodetectors -
Optical modulators and amplifiers: Direct modulation of radiation emitted by LEDs – Direct modulation of radiation emitted by semiconductor lasers – Absorption-shift modulators – Phase-shift modulators – Modulators based on the electro-optic effect – Modulators based on the acousto-optic effect – Operating principle of optical fiber amplifiers (EDFA) – Semiconductor optical amplifiers (SOA).
Fiber optic transmission: Optical communication bands - Fiber optic modulation techniques – Eye diagram - Time Division Multiplexing – Wavelength Division Multiplexing, Space division multiplexing – Arrayed Waveguide Gratings (AWG) – Add&Drop devices.
Free Space Optics (FSO) – Characteristics and Challenges
Light Fidelity (LiFi)
Photovoltaic devices: Solar spectrum – Operation of photovoltaic cells – Quantum efficiency – I-V characteristic – Cells in series and parallel.


PHOTONIC SENSORS:
Optoelectronic Measurement Sensors:
General Characteristics of Photonic Sensors
Fiber Optic Point and Planar Guide Sensors:
- Strain Sensors – Temperature Sensors – Current Sensors – Electric and Magnetic Field Sensors – Pressure Sensors – Position and Vibration Sensors
Distributed Fiber Optic Sensors:
Fiber Optic Scattering Phenomena (Rayleigh, Raman, Brillouin)
Operating Principle of Rayleigh Scattering-Based Sensors
Operating Principle of Raman Scattering-Based Sensors
Operating Principle of Brillouin Scattering-Based Sensors
Applications to Structural and Environmental Monitoring:
Monitoring of Civil and Geotechnical Works
Monitoring of Mechanical Structures
Monitoring of Pipelines