PHOTONICS AND OPTOELECTRONIC DEVICES
Anno accademico 2026/2027 - Docente: MARIA JOSE' IRENE LO FARORisultati di apprendimento attesi
Obiettivo formativo del corso è quello di fornire agli studenti i fondamenti della fotonica - la scienza alla base della emissione, controllo e rivelazione dei quanti di luce - nonchè le sue principali applicazioni.
Conoscenza e capacità di comprensione: Conoscenza dei principi dell'interazione radiazione-materia, dei laser, delle guide d'onda e delle fibre ottiche, dei dispositivi optoelettronici a semiconduttore e delle strutture fotoniche.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione: Capacità di applicare i principi acquisiti all'analisi di sistemi e dispositivi fotonici e optoelettronici e all'interpretazione di misure di caratterizzazione ottica.
Autonomia di giudizio: Capacità di analizzare criticamente fenomeni e risultati sperimentali attraverso le attività di laboratorio.
Abilità comunicative: Capacità di descrivere e discutere gli argomenti del corso utilizzando un linguaggio scientifico appropriato, anche attraverso presentazioni orali.
Capacità di apprendimento: Capacità di approfondire in autonomia argomenti di fotonica e optoelettronica attraverso testi e letteratura scientifica.
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
Le lezioni sono suddivise in 35 ore di didattica erogativa e 15 ore di didattica interattiva in laboratorio. Le lezioni frontali sono dedicate ai fondamenti teorici; le attività di laboratorio, alla loro applicazione mediante tecniche di caratterizzazione ottica e all'analisi dei risultati sperimentali. Il materiale didattico integrativo sarà fornito dal docente.
Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza, potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente syllabus.
Prerequisiti richiesti
Conoscenze importanti: elementi di base di elettromagnetismo, meccanica quantistica e fisica dei semiconduttori.
Frequenza lezioni
Frequenza obbligatoria secondo le disposizioni d'Ateneo.
Contenuti del corso
Assorbimento, emissione spontanea ed emissione stimolata. Coefficienti di Einstein. Guadagno ottico e saturazione. Sistemi a tre e quattro livelli. Principi di funzionamento del laser. Cavità di Fabry-Perot, modi ottici e condizioni di oscillazione. Esempi di laser atomici e a stato solido.
Guide d'onda e fibre ottiche
Principi di propagazione e confinamento della luce. Guide d'onda dielettriche planari. Accoppiamento ottico, interferometri e modulatori. Fibre ottiche: propagazione, attenuazione e dispersione. Cenni all'amplificazione ottica in fibra.
Dispositivi optoelettronici a semiconduttore
Proprietà ottiche dei semiconduttori e guadagno ottico. Laser a semiconduttore e laser ad eterostruttura. Principi di funzionamento dei LED. Efficienza quantica ed efficienza di estrazione.
Strutture e materiali fotonici avanzati
Principi di propagazione della luce in strutture periodiche. Cristalli fotonici, band gap fotonico e nanocavità. Effetto Purcell. Cenni ai metamateriali e alle strutture fotoniche disordinate. Introduzione alle nanostrutture optoelettroniche e alle principali applicazioni della fotonica.
Attività di laboratorio e caratterizzazione ottica
Principi della spettroscopia Raman e della Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). Misure di fotoluminescenza e di tempo di vita. Esperienze di caratterizzazione ottica di materiali e dispositivi fotonici.
CONTRIBUTO DELL'INSEGNAMENTO AGLI OBIETTIVI DELL'AGENDA 2030 PER LO SVILUPPO SOSTENIBILE
SDG 9: Imprese, innovazione e infrastrutture, Target 9.5. I contenuti del corso riguardano tecnologie fotoniche e optoelettroniche di elevato interesse scientifico e tecnologico. Lezioni frontali e attività di laboratorio.
Testi di riferimento
- B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, Wiley.
- L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics, Cambridge University Press.
Materiale didattico integrativo sarà fornito dal docente.
Programmazione del corso
| Argomenti | Riferimenti testi | |
|---|---|---|
| 1 | Light-matter interaction and laser principles | 1,2 |
| 2 | Optical waveguides and fibers | 1 |
| 3 | Semiconductor optoelectronic devices | 1,2 |
| 4 | Advanced photonic structures and materials | 1,2 |
| 5 | Lab activities | Materiale fornito dal docente |
Verifica dell'apprendimento
Modalità di verifica dell'apprendimento
L'esame consiste in una prova orale che comprende una presentazione su un argomento inerente al programma e concordato con il docente, seguita generalmente da tre domande sugli altri argomenti del corso. La durata media della prova orale è di circa 40 minuti.
La valutazione terrà conto della pertinenza delle risposte, della conoscenza degli argomenti, della capacità di collegamento, della proprietà di linguaggio scientifico e della chiarezza espositiva.
A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono richiedere un colloquio personale, al fine di programmare eventuali misure compensative e/o dispensative secondo le modalità previste dall'Ateneo e dal CInAP.
È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP, la prof.ssa Catia Petta.
La verifica dell'apprendimento potrà essere effettuata anche in via telematica, qualora le condizioni lo richiedessero.
Esempi di domande e/o esercizi frequenti
- Descrivere il principio di funzionamento di un laser.
- Descrivere la dispersione nelle fibre ottiche.
- Descrivere il principio di funzionamento di un laser a semiconduttore.
- Descrivere il principio di funzionamento di un LED.
- Descrivere il concetto di band gap fotonico.