Il corso intende fornire le conoscenze di base nel campo dell’optoelettronica in modo da formare figure di ingegneri elettronici in grado di progettare semplici sistemi optoelettronici e di comprendere come le problematiche correlate alla sviluppo delle tecnologie fotoniche impatti anche la progettazione dei sistemi elettronici del futuro. Per tale ragione, nel corso vengono anche introdotte le interconnessioni ottiche (tra ed entro la board) ed i circuiti fotonici integrati nella piattaforma in silicio CMOS compatibile.

Il corso fornisce in primo luogo conoscenze sui principali materiali e componenti per l’optoelettronica in modo tale che a partire dalla conoscenza dei blocchi funzionali che compongono un sistema optoelettronico, gli studenti siano in grado di progettare semplici sistemi optoelettronici.
Le conoscenze acquisite verteranno su:
Strutture per la propagazione della luce: guide e fibre ottiche; utilizzo di metodi semplificati e strumenti CAD per la loro analisi.
Proprietà ottiche dei semiconduttori
Struttura, funzionamento, metodi di simulazione e caratterizzazione in laboratorio di diodi emettitori di luce: LED e laser a semiconduttore.
Struttura, funzionamento e metodi di simulazione e caratterizzazione di fotorivelatori e celle solari in semiconduttore.
Struttura e funzionamento di modulatori ottici integrati in circuiti fotonici.
Problematiche e soluzioni legate alle tecnologie per le interconnessioni ottiche.
Problematiche e soluzioni legate all’integrazione della sorgete laser nella piattaforma silicon photonics CMOS compatibile.

Abilità e competenze attese:
Capacità di riconoscere , pilotare ed interconnettere i vari blocchi funzionali di un sistema optoelettronico.
Capacità di eseguire in laboratorio semplici caratterizzazioni di dispositivi optoelettronici.
Capacità di comprendere ed interpretare in modo critico la letteratura tecnica e scientifica sull’argomento.
Riconoscere le problematiche legata all’utilizzo delle interconnessioni ottiche in sistemi elettronici.
Capacità di colloquiare con ingeneri optoelettronici e/o tecnologi esperti del settore.

Conoscenze sui materiali, tecnologie e funzionamento dei dispositivi a semiconduttore.
Conoscenze di base di elettronica, in particolare oscillatori elettronici.
Conoscenze di base di campi elettromagnetici

Il programma del corso è suddiviso nelle seguenti parti:


PARTE A: Confinamento e propagazione della luce nelle guide ottiche (0.8 crediti)
- Concetto di guida ottica
- Analisi della guida dielettrica planare
- Esempi di guide ottiche: fibre ottiche, guide ottiche in semiconduttore per realizzazione della cavità laser, guide ottiche in silicio per circuiti fotonici integrati in silicio
- Problematiche di accoppiamento tra guide diverse
- Laboratorio sull’analisi numerica di strutture per guide ottiche

PARTE B: Proprietà ottiche dei semiconduttori e materiali per l’optoelettronica(0.7 crediti)
- Interazione del segnale ottico con il materiale semiconduttore: modello classico dell’oscillatore
- Emissione stimolata, spontanea ed assorbimento di fotoni
- Silicio, Germanio e materiali III/V
- Heterostrutture
- Calcolo analitico dello spettro di assorbimento e di guadagno di un materiale semiconduttore
- Cenni ai materiali a dimensionalità ridotta: Quantum Well, Quantum Wire, Quantum Dot

PARTE C: Diodi per la generazione ed amplificazione della luce (2 crediti)
- LED, laser a semiconduttore presentati attraverso l’approccio fenomenologico delle equazioni di bilancio
- Amplificatori ottici a semiconduttore (SOA) e diodi superluminescenti.
- Analisi delle caratteristiche statiche e dinamiche dei laser a semiconduttore
- Rumore e larghezza di riga
- Realizzazione della cavità laser: specchi, strutture a feedback distribuito, laser a cavità esterna accordabili
- Packaging
- Integrazione del laser a semiconduttore nella piattaforma silicon photonics CMOS compatibile
- Laboratorio sulla simulazione e caratterizzazione di diodi laser
- Laboratorio sulla simulazione e caratterizzazione di SOA e diodi superluminescenti

PARTE D: Rivelazione e modulazione del segnale ottico (1 credito)
- Fotodiodi e celle solari
- Modulatori ottici
- Modulatori ottici nella piattaforma silicon photonics
- Laboratorio su fotodiodi e celle solari


PARTE E: Esempi di sistemi optoelettronici (0.5 crediti)
- Semplice link ottico
- Transceiver WDM realizzato nella piattaforma silicon photonics CMOS compatibile
- Altera Optical FPGA

PART F: High speed electronic devices (1 credito)

L’insegnamento è costituito da lezioni frontali svolte in aula e 4 laboratori facoltativi (vedi "criteri e procedure per l’esame"). Le lezioni frontali sono svolte in aula facendo uso della proiezione di slide. Le slide delle lezioni saranno rese disponibili sul portale della didattica prima dell’inizio delle lezioni.
I laboratori prevedono lo sviluppo di semplici programmi in Matlab per la soluzione di problemi proposti, l’uso di simulatori per la simulazione di dispositivi optoelettronici e la caratterizzazione sperimentale su banchi attrezzati di alcuni dispositivi optoelettronici.

Dispense, guide alle esercitazioni di laboratorio e slide delle lezioni sono disponibili sul portale della didattica nella pagina del corso.
Testi consigliati:
- L. Coldren, C. Corzine, Masanovic, "Diode lasers and photonic integrated circuits", II Edition, Wiley, 2012
- M. Fokuda, "Optical Semiconductor devices", Wiley, 1999

CRITERI: I criteri per la valutazione delle conoscenze ed abilità acquisite saranno: la capacità di rispondere utilizzando il linguaggio tecnico appropriato a domande aperte riguardanti gli argomenti del corso, la capacità di modellizzare e descrivere tramite equazioni il comportamento fisico dei dispositivi presentati durante il corso, la capacità di risolvere semplici problemi di progetto, la capacità di comprendere la letteratura tecnico-scientifica sugli argomenti trattati nel corso e presentare correttamente ed in modo critico quanto letto. Ulteriori criteri saranno la padronanza nell’utilizzare gli strumenti di simulazione utilizzati in laboratorio, la padronanza nell’utilizzo della strumentazione di laboratorio, la capacità di spiegare e comparare i risultati ottenuti sia nella parte simulativa sia nella parte sperimentale delle esperienze in laboratorio.

REGOLE D’ESAME: lo studente può scegliere due diverse modalità per sostenere l’esame:

MODALITA’ A: l’esame consta in una prova scritta della durata di due ore. Vengono proposte domande aperte ed esercizi di progetto. Il superamento della prova scritta e della successiva discussione orale dell’elaborato scritto porta al raggiungimento di un punteggio massimo di 27/30. Gli studenti che lo desiderano posso richiedere un’ulteriore prova orale che consiste nella lettura, presentazione e discussione di un articolo tecnico-scientifico su argomenti trattati durante il corso. Questa seconda prova orale permette il raggiungimento di un punteggio massimo pari a 30L/30. Per questa modalità di esame le esercitazioni di laboratorio sono facoltative.

MODALITA’ B: lo studente deve aver frequentato obbligatoriamente tutti i laboratori proposti nel corso e deve aver redatto per ciascuno di essi una relazione scritta da consegnare all’esame. L’esame è orale, viene svolto in laboratorio e verte su domande riguardanti i progetti e/o esperimenti svolti in laboratorio con richiesta di dimostrazioni e giustificazioni di quanto riportato nelle relazioni di laboratorio. Saranno inoltre possibili domande aperte su qualsiasi degli argomenti trattati nel corso. Questa modalità permette di raggiungere il punteggio massimo di 30L/30.