Corso di Microsistemi Fotonici (6 crediti)
per la Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica
a.a. 2013/2014
docente: Ing. Rita Asquini
Obiettivi didattici
Il corso intende fornire allo studente gli strumenti per la comprensione, le tecnologie realizzative e le
prestazioni di sistemi e microsistemi composti da componenti optoelettronici e fotonici.
Programma del corso
Concetti di fotometria e colorimetria
Grandezze radiometriche e grandezze fotometriche. Il sistema visivo umano. Modelli di colore e spazi di
colore. Diagramma di cromaticità. Gamut di un dispositivo optoelettronico. Trasformazioni lineari per il
passaggio tra spazi di colore. Temperatura di colore. Misure di colore.
Concetti di polarizzazione della luce
Polarizzazione lineare, circolare ed ellittica. Legge di Malus. Polarizzatore. Propagazione della luce in mezzi
anisotropi. Birifrangenza. Metodo dell’ellissoide degli indici. Lamine di cristallo birifrangente. Lamine di
ritardo a mezz’onda e a quarto d’onda.
Cristalli liquidi
Cenni storici sui cristalli liquidi. Cristalli liquidi termotropici e liotropici. Strutture molecolari e mesofasi.
Classificazione di cristalli liquidi termotropici. Formule e intervalli di temperatura di cristalli liquidi
nematici. Miscele eutettiche. Parametro di ordine orientazionale. Proprietà elastiche di cristalli liquidi
nematici. Equazione di Oseen-Frank della densità di energia libera. Viscosità e coefficienti di Miesowicz.
Fenomeni di polarizzazione in un cristallo liquido con campo elettrico applicato. Variazioni delle costanti
dielettriche con la temperatura e con la frequenza. Allineamento planare e omeotropico. Effetto elettro-ottico
in un cristallo liquido nematico: transizione di Freedericksz. Geometria splay, bend e twist. Cella twisted
nematics (TN) e super twisted nematics (STN). Birifrangenza nei cristalli liquidi nematici: applicazione
dell’ellissoide degli indici.
Display e microdisplay a cristalli liquidi
Tecnologie e applicazioni di display e microdisplay. Display a cristalli liquidi (LCD) trasmissivi, riflessivi e
transflettivi. Struttura e principio di funzionamento di un display LCD. Proprietà trasmissive di una cella TN
off-state in modalità normally black e normally white. Caratteristiche di visualizzazione, contrasto e angolo
di visuale. Tempi di risposta elettro-ottica di una cella TN. Strutture in-plane switching (IPS), fringe field
switching (FFS), ad allineamento verticale (VA) e ad allineamento verticale sagomato (PVA). Schemi di
indirizzamento attico e passivo per display a cristalli liquidi Tecnologia local dimming. Microdisplay LCD
TFT per proiettori. Sistemi di microdisplay LCoS per proiettori a proiezione frontale e a retroproiezione.
Sistemi Micro-Opto-Elettromeccanici
Microspecchi DMD (Digital Micromirror Device) e sistemi DLP (Digital Light Processing). Fisica della
deflessione di un microspecchio optoelettromeccanico MOEM: studio della stabilità del sistema con il
metodo di Lyapunov. Struttura e packaging di un DMD. Architetture di indirizzamento di DMD. Sistema
DLP basato su DMD. Famiglie di sistemi DLP. Diagramma a blocchi del processore dati DDP (ASIC DLP
Data Processor). Formazione di un’immagine in scala di grigi con un DMD: tecnica di modulazione della
larghezza dell’impulso PWM. Formattazione dei dati per la SRAM che pilota il DMD. Diagramma a blocchi
di un sistema di proiezione frontale DLP. Proiettori integrati in tecnologia DLP. Schema e specifiche di un
pico-proiettore DLP.
Celle fotovoltaiche
Concetti di base sulla radiazione solare. Radiazione del corpo nero. Concetto di Air Mass. Principi di
funzionamento di una cella solare. Effetti della temperatura sulla tensione e sulla corrente, efficienza
quantica, perdite ottiche, rivestimenti antiriflesso, testurizzazione della superficie, spessore del materiale,
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intrappolamento della luce, riflettori Lambertiani. Tecnologie realizzative di celle solari al silicio. Il mercato
delle celle fotovoltaiche.
Microsistemi fotonici per analisi bio-molecolare
Sistemi lab-on-chip. Tecniche di amplificazione molecolare con cicli termici (PCR: Polimerase Chain
Reaction). Tecniche di movimentazione molecolare: electrowetting e microelettroforesi. Tecniche di
riconoscimento molecolare tramite misure ottiche (assorbimento e fluorescenza). Array di fotosensori in
silicio amorfo.
Micro e nano sistemi basati su sensori ottici
Sensori a reticolo di Bragg in fibra ottica (FBG). Interferometri in guida Mach Zehnder. Giroscopio in fibra
ottica. Nanosensori in fibra ottica.
Microsistemi fotonici integrati su silicio
Ottica integrata su silicio. Guide d’onda Silicon-On-Insulator (SOI). Metodo efficace degli indici. Dispositivi
fotonici su silicio. Tecnologia di fabbricazione di dispositivi fotonici su silicio.
Interconnessioni ottiche, tecniche di packaging e assemblaggio nei microsistemi
Limitazioni delle interconnessioni elettriche. Connessioni ottiche tra schede, tra chip e su chip. Tecnologie di
integrazione per sistemi fotonici su chip: integrazione ibrida e integrazione monolitica. Tecnica flip-chip
bonding. Tecniche di packaging per l’integrazione elettronica e fotonica.
Sensori di immagine
Architetture di sensori matriciali di immagine basati su CCD e su CMOS. Applicazioni e prestazioni di
sistemi CCD e di sistemi CMOS.
Esperienze di laboratorio
Tecniche numeriche CAD per la progettazione di micro e nano sistemi optoelettronici e fotonici.
Realizzazione e caratterizzazione di micro e nano sistemi per applicazioni di telecomunicazioni, sensoristica
ed elaborazione delle immagini.
Visita ai laboratori ENEA Casaccia: tecniche di realizzazione di sistemi fotovoltaici.
Testi di riferimento
O. Solgaard, “Photonic Microsystems: Micro and Nanotechnology Applied to Optical Devices and Systems”,
Springer 2009.
M.E. Motamedi, “MOEMS: micro-opto-electro-mechanical systems”, SPIE, 2005.
I.C. Khoo, “Liquid Crystals”, 2nd Edition, Wiley, 2007.
D.K. Yang and S.T. Wu, “Fundamentals of Liquid Crystal Devices”, Wiley, 2006.
J.H. Lee, D.N. Liu, S.T. Wu, “Introduction to Flat Panel Displays”, Wiley, 2008.
P. Yeh and C. Gu, “Optics of liquid crystal displays”, 2nd Edition, Wiley, 2009.
L. Pavesi, G. Guillot, “Optical Interconnects. The Silicon Approach.”, Springer-Verlag, 2006.
Diapositive e materiale del corso forniti dal docente.
Risultati di apprendimento attesi
Gli studenti che abbiano superato l'esame avranno acquisito una conoscenza approfondita dei principali
sistemi realizzati con componenti optoelettronici e fotonici, con particolare riferimento ai principi fisici di
funzionamento dei singoli componenti e delle tecnologie realizzative. Saranno in grado di analizzare e
comparare i sistemi fotonici allo stato dell'arte. Avranno acquisito le competenze per la progettazione di
microsistemi fotonici, e per la loro applicazione nella sensoristica e nella elaborazione delle immagini.
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