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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2019/2020
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 088712 - OPTOELETTRONICA
Docente Ielmini Daniele
Cfu 5.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (357) INGEGNERIA ELETTRONICA*AZZZZ088712 - OPTOELETTRONICA
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - MI (363) INGEGNERIA BIOMEDICA*AZZZZ088712 - OPTOELETTRONICA
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (474) TELECOMMUNICATION ENGINEERING - INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI*AZZZZ088712 - OPTOELETTRONICA

Obiettivi dell'insegnamento

L’optoelettronica studia i dispositivi atti alla generazione, alla rivelazione e al controllo della luce, allo scopo di elaborare informazioni, trasmettere dati o convertire energia. Considerata la varietà dei fenomeni e dei dispositivi, lo studio dell’optoelettronica richiede uno sforzo interdisciplinare che coinvolge la fisica dei materiali (in particolare i semiconduttori), la meccanica quantistica, l'ottica e l’analisi dei circuiti elettrici ed elettronici.

Il corso affronta lo studio dell’optoelettronica illustrando i principali aspetti della rivelazione, della generazione e della trasmissione della luce. Lo scopo è quello di fornire i fondamenti della fisica e della progettazione dei dispositivi e dei circuiti optoelettronici. Il corso si rivolge ad allievi elettronici, biomedici, matematici, e di altri corsi di laurea, interessati al funzionamento e alle applicazioni dell’optoelettronica.

Il corso si articola in 30 ore di lezione teorica e 20 ore di esercitazione pratica in aula.


Risultati di apprendimento attesi

Sulla base dei descrittori di Dublino (DdD), i risultati attesi sono i seguenti:

 

DdD 1: (conoscenza e comprensione)

  • comprensione dei fenomeni di propagazione della luce nei mezzi e di interazione con i mezzi,
  • comprensione dei concetti di fibra e guida per la trasmissione dell’informazione,
  • comprensione del funzionamento delle sorgenti di luce (laser e LED) per la conversione di segnali elettrici in ottici,
  • comprensione del funzionamento dei fotorivelatori per la conversione di segnali ottici in elettrici,
  • comprensione del funzionamento delle celle fotovoltaiche per conversione di energia solare in energia elettrica.

 

DdD 2: (capacità di applicare conoscenza e comprensione)

  • soluzione di semplici problemi sulla trasmissione luminosa e conversione di segnali elettrici/ottici,
  • dimensionamento di semplici dispositivi optoelettronici.

 

DdD 3: (autonomia di giudizio)

  • autonomia nel giudicare quale sia il dispositivo, il circuito, o il sistema più appropriato per una specifica applicazione dell'optoelettronica, come ad esempio la trasmissione di impulsi luminosi, la loro ricezione e conversione in impulso elettrico, o la loro conversione a partire da impulsi elettrici
  • autonomia nel giudicare il migliore sistema fotovoltaico per la conversione di energia solare in energia elettrica  

Argomenti trattati

Introduzione (4 ore di lezione teorica + 2 ore di esercitazione)

-          Richiami di onde elettromagnetiche: Equazioni di Maxwell, pacchetti d'onda, velocità di gruppo.

-          Ottica geometrica, riflessione interna totale, onda evanescente ed effetto di Goos-Hanchen. Tunneling ottico e beam splitter.

-          Strati antiriflesso, distributed Bragg reflector (DBR).

-          Coerenza spaziale e coerenza temporale.

-          Effetto di interferenza, interferometro di Fabry-Perot, free spectral range.

Guide d'onda planari (4 ore di lezione teorica + 4 ore di esercitazione)

-          Struttura a core/cladding, modi di propagazione, V-number, condizione di propagazione a singolo modo.

-          Dispersione in guida: dispersione intermodale, dispersione intramodale, dispersione di guida e di materiale.

Fibre ottiche (2 ore di lezione teorica + 2 ore di esercitazione)

-          Fibra step-index: modi di propagazione, V-number, effetti di dispersione, attenuazione da scattering, assorbimento e piegamento.

-          Fibra graded-index (GRIN): apertura numerica, profilo di indice.

-          Cenni sui processi di fabbricazione delle guide.

Laser (4 ore di lezione teorica + 2 ore di esercitazione)

-          Emissione stimolata, modi di cavità, inversione di popolazione. Laser a 3 livelli e laser a 4 livelli.

-          Laser He-Ne: spettro di uscita, allargamento Doppler.

-          Calcolo dei coefficienti di emissione e assorbimento. Sezione d'urto.

-          Erbium-doped fiber amplifier (EDFA): concetto fisico e sistema di amplificazione.

-          Guadagno ottico, soglia di pompaggio per l'innesco di oscillazioni laser. Potenza di output. Vita media di cavità, modi di cavità.

-          Effetti di allargamento: allargamento omogeneo (naturale, collisionale, pressione) e allargamento inomogeneo (Doppler, struttura amorfa).

Light-emitting diode(6 ore di lezione teorica + 4 ore di esercitazione)

-          Richiami della fisica dei semiconduttori: struttura a bande, band gap, densità di stati, doping. Gap diretto e gap indiretto. Semiconduttori III-V.

-          Elettroluminescenza da iniezione, riassorbimento e ricombinazione superficiale.

-          LED a eterogiunzione: struttura, allargamento di riga, dipendenza dalla temperatura e dal drogaggio.

-          LED a quantum well (QW): singola QW, multiple QW.

-          Materiali, lunghezza d'onda, e strutture tipiche.

-          Efficienza quantica interna ed esterna, efficienza di estrazione, efficienza di conversione di potenza, brillanza visiva ed efficacia luminosa.

-          Caratteristiche di LED, LED bianchi, circuiti a LED, risposta in frequenza.

Diodi laser (4 ore di lezione teorica + 2 ore di esercitazione)

-          Inversione di popolazione, cavità ottica.

-          Laser a eterostruttura. Buried double heterostructure.

-          Laser a QW.

-          Caratteristiche potenza/corrente di alimentazione. Efficienza di conversione.

-          Equazione del diodo laser: stato stazionario, corrente di soglia, guadagno ottico di soglia, potenza di uscita.

-          Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL).

Fotorivelatori (4 ore di lezione teorica + 2 ore di esercitazione)

-          Principio di funzionamento, regime di fotodiodo e regime fotovoltaico. Teorema di Shockley-Ramo. Coefficiente di assorbimento. Efficienza quantica e responsivity.

-          Fotodiodo pin: capacità di svuotamento, tempo di risposta.

-          Fotodiodo a valanga (APD): ionizzazione ad impatto, coefficiente di moltiplicazione, tempo di risposta.

-          Circuiti a fotodiodo: risposta in frequenza, rumore, signal-to-noise ratio (SNR), noise-equivalent power (NEP), detectivity.

Celle fotovoltaiche (2 ore di lezione teorica + 2 ore di esercitazione)

-          Struttura e principio di funzionamento. Caratteristica di buio e sotto illuminazione. Funzionamento in corto circuito, circuito aperto, con carico esterno. Fill factor. Circuito equivalente.

-          Materiali ed efficienza di conversione. Ottimizzazione dell'efficienza: celle tandem.


Prerequisiti

Prerequisiti del corso sono i corsi di fisica di base (elettromagnetismo ed ottica) ed i corsi di analisi matematica (studio di funzione, soluzione di equazioni differenziali).


Modalità di valutazione

L'esame consiste in una prova scritta. I quesiti coprono l'intero programma del corso, comprendente le lezioni teoriche e le esercitazioni pratiche. L'esame scritto comprende dai 4 agli 8 esercizi, organizzati in problemi numerici sui dispositivi e circuiti optoelettronici, e quesiti teorici atti a verificare la conoscenza gli argomenti del corso.

Il punteggio finale verrà conteggiato come media pesata dei punteggi sui questiti individuali, e saturerà a 30 e lode.

 


Bibliografia
Risorsa bibliografica facoltativaS. O. Kasap, Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices. Second edition., Editore: Pearson education limited, Anno edizione: 2013

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
30:00
45:00
Esercitazione
20:00
30:00
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 50:00 75:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di materiale didattico/slides in lingua inglese
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
Disponibilità di supporto didattico in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.1 / 1.6.1
Area Servizi ICT
20/01/2020