- “Handbook of Optics”, W. G. Driscoll Editor, W. Vaughan Associated Editor.
- “Handbook of Optoelectronics” Vol.1 e Vol 2, J. P. Dakin and R. G. W. Brown editors.
- “Optics”, E. Hecht, International Edition, Addison Wesley.
- “Principle of Laser” O.Svelto, Plenum Press NewYork and London.
- “Optoelectronics”, J Wilson, J.F.B. Hawkes, Prentice Hall.
- “Lasers Theory and practice”, J Hawkes, I Latimer, Prentice Hall.
- Gerd Keiser, “Optical Fiber Communications, Fourth Edition”, Mcgraw-Hill, ISBN: 978-0-07-338071-1
- Katsunari Okamoto, Fundamentals of Optical Waveguides, Elsevier Accademic Press, ISBN: 978-0-12-815601-8 (in-deep theoretical treatment of optical waveguides)
- M. Yasin, S. W. Harun, H. Arof (Eds.) Fiber Optic Sensors. London, United Kingdom, IntechOpen, 2012 [Online]. Disponibile presso: https://www.intechopen.com/books/870 doi: 10.5772/1379
T. Tamir, Integrated Optics, Springer Verlag, 1982.
https://doi.org/10.1007/978-3-662-43208-2
Ulteriori testi e risorse saranno consigliati durante lo svolgimento del corso.
Obiettivi Formativi
Trasmettere le basi per comprendere e progettare sistemi optoelettronici.
Prerequisiti
Elettronica generale.
Metodi Didattici
Lezioni frontali, esercitazioni.
Modalità di verifica apprendimento
Colloquio finale, test scritto finale.
Programma del corso
PARTE A – Sorgenti Ottiche
Richiami sui semiconduttori: giunzione p-n (es: omogiunzione p-n non polarizzata/polarizzata in diretta; zona attiva; eterogiunzione P-p-N; doppia eterogiunzione non polarizzata/polarizzata in diretta). Sorgenti ottiche come convertitori elettro-ottici (tipologie: LED & LASER; proprietà e caratteristiche generali di una sorgente ottica; materiali semiconduttori & lunghezze d’onda; tipi di decadimento).
LED: definizione, principio di funzionamento e tipologie - caratteristica elettro-ottica di un LED (es: corrente/potenza emessa) – effetto della temperatura – caratteristica spettrale – Alcune applicazioni dei LED (es: display, fosfori, .) – Richiami al concetto di cavità ottica & sue figure di merito.
LASER: definizione, principio di funzionamento e tipologie – il concetto di soglia di un laser – caratteristica elettro-ottica di un laser (es: corrente/potenza emessa) – spettro di emissione di una cavità laser – Alcune applicazioni dei laser.
PARTE B – Propagazione della luce
Portante fisico: spazio libero
Interazione/elaborazione della luce con gli strumenti dell’ottica tradizionale
Principi dell'ottica geometrica: cammino ottico, leggi della riflessione e rifrazione, angolo critico e riflessione totale, concetto di immagine. Diottri sferici e lenti sottili: punti focali, potere, ingrandimento trasversale. Strumenti ottici: ingrandimento effettivo, oculare, microscopio composto, telescopio astronomico rifrattore. Specchi piani e sferici. Telescopi riflettori.
Reticolo diffrattivo: figura d’interferenza, potere risolutivo. Introduzione a spettroscopia e nefelometria: assorbimento, fluorescenza, scattering di Rayleigh e di Mie.
Portante fisico: struttura guidante, propagazione della luce in strutture guidanti
Trattazione elettromagnetica onde piane
Fibre ottiche
Propagazione guidata, ottica geometrica: riflessione interna totale, apertura numerica, dispersione (calcolo tramite ottica geometrica).
Ottica ondulatoria: formazione dei modi guidati, nomenclatura dei modi, approssimazione per fibre debolmente guidanti (modi LPlm). Cenni su soluzione delle eq. di Maxwell in coordinate cilindriche. Cenni sulle funzioni di Bessel, legami con il concetto di onda evanescente. Condizioni per propagazione in singolo modo, frequenza normalizzata, lunghezza d’onda di taglio. Meccanismi di dispersione. Meccanismi di attenuazione. Cenni su fibre speciali (a mantenimento di polarizzazione, multicladding, fotosensibili...).
Amplificatori e laser in fibra ottica.
Sensori a fibra ottica: definizioni, parametri fondamentali: curva di risposta, sensibilità, risoluzione, accuratezza, range, rumore e legami rumore-risoluzione. Vantaggi. Classificazione dei sensori a fibra ottica.
Interferometri in fibra ottica: Mach-Zender, Michelson, Fabry-Perot, Sagnac.
Ottica integrata
Cenni storici & contesto dell’Ottica Integrata. Definizione di guida ottica e tipologie di guide in Ottica Integrata. Ottica Geometrica: concetto di raggio ottico, cammino ottico e geometrico; riflessione totale ed angolo critico; coefficienti di Fresnel – Analisi guida ottica 1D ("slab"). Classificazione dei modi supportati dalla struttura. Condizione di risonanza trasversa. Equazione di dispersione normalizzata e curve di dispersione. Spostamento di Goos-Hänchen. Metodo di accoppiamento con prisma per la misura degli indici efficaci dei modi supportati da una guida ottica planare 1D (o "slab"). Funzionamento di alcuni strumenti commerciali e/o da laboratorio (es: METRICON e/o COMPASSO) per la misura degli indici efficaci dei modi in guide planari 1D.
Materiali per l’Ottica Integrata (es: vetri, cristalli; polimeri; semiconduttori, ecc.). Processi di fabbricazione di guide ottiche integrate (es: fotolitografia; scrittura laser; processi diffusivi/scambio ionico; processi di deposizione/PVD; ecc.). Dispositivi ottici integrati (es: amplificatore ottico in guida; accoppiatori; filtri; modulatori, PHASARs, ecc.).
PARTE C – Rivelatori Ottici
Rivelatori ottici come convertitori ottico-elettrici (OE): definizione, proprietà generali e principio di funzionamento (giunzione p-n polarizzata in inversa, assorbimento nel materiale semiconduttore). Limiti della giunzione p-n come convertitore OE. Fotodiodi p-i-n (PIN): struttura e funzionamento; circuito equivalente di un fotodiodo PIN; tempo di risposta di un fotodiodo PIN (tempo di deriva, tempo di diffusione, capacità di giunzione). Fotodiodo a valanga (APD): struttura e funzionamento (effetto a valanga); circuito equivalente di un fotodiodo APD; tempo di risposta di un fotodiodo APD (tempo di deriva, capacità di giunzione, tempo per il processo di moltiplicazione). Grandezze caratteristiche di un fotodiodo PIN e APD (efficienza quantica; responsivity; rapporto segnale-rumore (SNR); bit error rate (BER); noise equivalent power (NEP); dinamica). La componente di rumore in un fotodiodo: definizione e cause. Tipi di rumore: nel rivelatore (rumore granulare o “shot noise”; corrente di buio; aleatorietà del guadagno (solo per APD)); nell’elettronica (rumore per effetto Johnson nelle resistenze; rumore negli amplificatori). Il rumore in un fotodiodo PIN. Il rumore in un fotodiodo APD. Confronto tra fotodiodi PIN e APD.
Rivelatori a singolo fotone: tubi fotomoltiplicatori PMT e fotodiodi SPAD (definizione, principio di funzionamento, confronto tra loro prestazioni (vantaggi/svantaggi).
Altri tipi di fotorilevatori: fotomoltiplicatori al silicio (SiPM), CCD, CMOS. Trasferimento della carica. Shift Register. Pixel Reset Gate e Transfer Gate. Antiblooming. CCD lineari e ad Area. Full Frame tranfer - Frame transfer - Interline transfer. CMOS. Strutture a Pixel attivo e passivo. Metodi per la formazione del colore.
I ricevitori. Caratterizzazione del processo di rivelazione (distribuzione poissoniana e gaussiana). Concetto di limite quantico per un rivelatore. Modalità di polarizzazione di un rilevatore. Ricevitori a rivelazione diretta (IM/DD): schema generale e relativa sessione di amplificazione (amplificazione di tensione; amplificazione ad alta impedenza di ingresso; amplificazione a transimpedenza). Rivelazione in assenza di rumore. Rivelazione in presenza di rumore. Scelta della soglia. Sensitivity del ricevitore. Codici per migliorare le prestazioni (in termini di probabilità di errore): codici formato RZ (Return to Zero); codici formato NRZ (Not Return to Zero); codici formato Manchester. Ricevitori a rivelazione coerente, schema di funzionamento; i segnali coinvolti (segnale sorgente, segnale oscillante); i tipi di rivelazione (omodina/eterodina); espressione della potenza ottica rivelata; espressione della corrente emessa dal fotodiodo; espressione della potenza del segnale elettrico nel ricevitore. Ricevitori a rivelazione coerente a separazione di polarizzazione. Ricevitori a rivelazione coerente mediante accoppiatori ottici integrati. Confronto tra ricevitori IM/DD e coerenti.
PARTE D – Alcuni dispositivi ottici di interesse
Risonatori a modi di Galleria (principi & applicazioni)
Reticoli in fibra ottica (principi & applicazioni)
Altri ed eventuali.