Il corso intende fornire le conoscenze di base nel campo dell’optoelettronica in modo da formare figure di ingegneri elettronici in grado di conoscere i principali dispositivi optoelettronici e di comprendere come le problematiche correlate alla sviluppo delle tecnologie fotoniche impatti sulla progettazione dei sistemi elettronici del futuro.

Il corso fornisce in primo luogo conoscenze sui principali materiali e componenti per l’optoelettronica in modo tale che a partire dalla conoscenza dei componenti che compongono un sistema optoelettronico, gli studenti siano in grado di progettare semplici sistemi optoelettronici. Le conoscenze acquisite verteranno su: Saper riconoscere i principi e le strutture per la propagazione guidata della luce (guide ottiche e fibre ottiche) Saper comparare i diversi materiali semiconduttore per l'optoelettronica e conoscere le differenti applicazioni di ciscuno di essi Conoscere la struttura, funzionamento, metodi di simulazione e caratterizzazione in laboratorio di diodi emettitori di luce: LED e laser a semiconduttore. Conoscere la struttura, funzionamento e metodi di simulazione e caratterizzazione di fotorivelatori, celle solari in semiconduttore e modulatori ottici esterni. Conoscere i principi dei circuiti integrati fotonici, le piattaforme per la fabbrizazione nelle principali fonderie, gli strumenti disponibili per la progettazione Abilità e competenze attese: Capacità di riconoscere i principali parametri e prestazioni dei componenti, leggere i data-sheet, pilotare ed interconnettere i vari dispositivi ottici che formano 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 interfacciarsi 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 e corso di fisica II

Il programma del corso è suddiviso nelle seguenti parti: PARTE A: Confinamento e propagazione della luce nelle guide ottiche (10 ore) - 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 guide ottiche, propagazione in fibra ottica ed utilizzo di guide ottiche per la sensoristica PARTE B: Proprietà ottiche dei semiconduttori e materiali per l’optoelettronica(10 ore) - 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 (15 ore) - 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 sperimentale di LED e diodi laser PARTE D ed E: Rivelazione e modulazione del segnale ottico (15 ore) - Fotodiodi e celle solari - Modulatori ottici - Modulatori ottici nella piattaforma silicon photonics - Laboratorio sulla simulazione di modulatori ottici

L’insegnamento è costituito da lezioni teoriche svolte in aula e 5 laboratori da 3 ore ciascuno (vedi “criteri e procedure per l’esame”). Le lezioni teoriche 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 e l'intero pacchetto di slide dell'a.a. precedente è reso disponibile ad inzio corso. I laboratori prevedono lo sviluppo di semplici programmi in Matlab per la soluzione di problemi proposti oppure l’utilizzo di simulatori già svilippati in Matlab per la simulazione di dispositivi optoelettronici. Nei laboratori è compresa un'esercitazione di 3 ore sperimentale per la caratterizzazione di un sistema trasmettitore ottico controllato in corrente ed in temperatura. La frequenza ai laboratori è obbligatoria per coloro che intendo sostenere esame in MOD B (vedi modalità di esame).

Dispense, guida alle esercitazioni di laboratorio e slide delle lezioni sono disponibili sul portale della didattica nella pagina del corso. Testi consigliati: - J.M Liu "Photonic Devices", Cambridge University Press, 2005 - L. Coldren, C. Corzine, Masanovic, “Diode lasers and photonic integrated circuits”, II Edition, Wiley, 2012 - R. Hui, " Introduction to Fiber-Optic Communication", Academic Press 1st Edition, 2019 Su richiesta al docente verrano messi a disposizioni anche parti di capitoli di libro dati come riferimento durante le lezioni.

Esercitazioni di laboratorio; Video lezioni tratte da anni precedenti; Strumenti di simulazione;

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale facoltativa; Elaborato scritto individuale;

Exam: Written test; Optional oral exam; Individual essay;

... CRITERI: I criteri per la valutazione delle conoscenze ed abilità acquisite saranno: la capacità di rispondere alle domande o esporre un argomento utilizzando il linguaggio tecnico appropriato , 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 e/o semplici esercizi di progetto come trattati durante il corso. 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. Gli studenti che intendono sostenere l'esame secondo questa modalità possono far richiesta al docente per sostenere esame in qualsisi appello (anche anticipatamente rispetto all'acquisizione della frequenza). 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 e verte su domande riguardanti i progetti e/o esperimenti svolti in laboratorio con richiesta di dimostrazioni e giustificazioni di quanto riportato nelle relazioni . Saranno inoltre possibili domande aperte su qualsiasi degli argomenti trattati nel corso. Questa modalità permette di raggiungere il punteggio massimo di 30L/30. Gli studenti che intendono sostenere l'esame in questa modalità devono obbligatoriamente frequentare i laboratori dell'anno accademico in corso e pertanto non potranno richiedere di sostenere l'esame in qualsiasi appello anche anticipatamente rispetto all'acquisizione della frequenza.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.