| Objetivos
Proporcionar formação em optoeletrónica e fotónica, abordando os conceitos fundamentais para compreensão dos princípios de funcionamento de dispositivos e de operação de circuitos e de sistemas optoelectrónicos e fotónicos, incluindo noções básicas de desenho de dispositivos, de circuitos e sistemas, e ainda a análise das principais aplicações da optoelectrónica e da fotónica. |
Objectives The course addresses the fundamental concepts and the basic principles of operation of the optoelectronic devices and circuits and the associated technologies, the trends of optoelectronic and photonic integrated circuits and systems, including aspects of the design of optoelectronic circuits and systems, together with the analysis of the main applications of optoelectronics and photonics. |
| Programa 1. Introdução à optoelectrónica e à fotónica: Blocos fundamentais dos circuitos e sistemas optoelectrónicos, instrumentação e equipamentos baseados em tecnologia optoelectrónica, e tendências das tecnologias emergentes como os circuitos fotónicos integrados, a fotónica em silício e a nanofotónica. 2. Revisões de eletromagnetismo e de ótica: ótica geométrica e ótica ondulatória, propriedades das ondas eletromagnéticas, velocidades de fase e de grupo, relações de dispersão, condições fonteira em interfaces dielétricas, polarização, coerência temporal e espacial, absorção, emissão e amplificação da radiação. 3. Guias de onda dielétricos e fibras óticas: materiais dielétricos, guias de onda planar e guias de onda em canal, modos guiados, relações de dispersão; fibras óticas de índice em degrau e de índice gradual, fibras monomodo e fibras multimodo, atenuação e dispersão em fibras óticas, janelas de comunicação ótica e largura de banda. Redes de Bragg em fibra ótica, filtros e sensores em fibra; divisores de potência e acopladores em fibra; solitões em fibras óticas. 4. Díodos emissores de luz e díodos lasers: propriedades optoelectrónicas dos materiais; processos de absorção e de emissão de radiação em semicondutores, semicondutores de hiato direto e de hiato indireto; heteroestruturas e estruturas semicondutoras de baixa dimensionalidade, poços quânticos, fios quânticos e pontos quânticos, heterojunções p-n e p-i-n, díodos emissores de luz (LEDs); princípio de operação e características dos díodos laser, díodos laser de emissão longitudinal, díodos laser Fabry-Perot, lasers DBR e lasers DFB; díodos laser de emissão vertical (VCSELs); Lasers de cascata quântica (QCLs); acoplamento de LEDs e de díodos laser a fibras óticas e a guias de onda; técnicas de encapsulamento de díodos laser; modulação direta de LEDs e de díodos laser, e resposta em frequência. 5. Amplificadores óticos e aplicações: princípio de operação de amplificadores óticos em fibra e em guias de onda semiconductores, fibras dopadas com érbio e neodímio, amplificadores em fibra EDFA e Raman, esquemas de bombeamento, espectro do ganho e emissão espontânea estimulada, tipos e aplicações dos amplificadores. 6. Fotodetetores e aplicações: materiais; fotodetetores condutivos e fotodetetores baseados em junções p-n e p-i-n; responsividade, limiar de fotodeteção, corrente escura; fotodetetores de avalanche; respostas em frequência; fotodetetores de poucos fotões; estruturas fotodetetoras avançadas. 7. Moduladores, multiplexadores e filtros óticos: dispositivos interferométricos, divisores de potência, redes de difração, acopladores direcionais; electroabsorção em semicondutores, moduladores de eletroabsorção; efeitos eletro-óticos, moduladores de fase, interferómetros Mach-Zehnder, moduladores de intensidade; filtros óticos sintonizáveis; multiplexadores baseados em acopladores direcionais e em redes de difração; multiplexagem por divisão de comprimento de onda, multiplexadores e desmultiplexadores; multiplexadores óticos de inserção/extração; isoladores e circuladores óticos; conversores de comprimento de onda; linhas de atraso, comutação ótica. 8. Sistemas fotónicos e optoelectrónicos: equipamentos de medida e de caracterização, circuitos fotónicos integrados, sistemas interferométricos, sistemas LIDAR, sistemas espectroscópicos, sistemas de processamento ótico e de transmissão de informação; Sistemas de comunicação entre satélites; fotónica em silício, biofotónica, aplicações na biotecnologia e medicina. Laboratório - Caracterização de fibras óticas e componentes; - Caracterização de fotodetetores; - Caracterização de LEDs e díodos laser; - Implementação/caracterização de um sistema de comunicação ótico; - Acompanhamento de atividades de investigação e participação em seminários. Tópicos para o estudo avançado:
Bibliografia recomendada - Electronic, Magnetic, and Optical Materials (Advanced Materials and Technologies) 2nd Edition, CRC Press; 2 edition (2016) - Photonics Essentials: An Introduction with Experiments, T. A. Pearsall, McGrawHill, 2003. - Computational Photonics: An Introduction with MATLAB, Marek S. Wartak, Cambridge University Press, 2013 - Electronics and Optoelectronics properties of Semiconductor Structures, J singh, Cambridge University Press, 2003 - Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices, S.O. Kasap, International Edition (2e) Pearson Education, 2013. - Physics of Photonic Devices, Shun Lien Chuang, John Wiley & Sons, Inc., 2009 - Fundamentals of photonics, Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich, Wiley Series in Pure and Applied Optics, 2019. Avaliação O método de avaliação compreende a apreciação da participação do aluno nas aulas (avaliação contínua), incluindo a resolução de exercícios e de problemas, a realização de atividades de natureza experimental e/ou simulação computacional e/ou o estudo de tópicos avançados com a elaboração de relatórios e discussão/apresentação oral, e a realização de dois testes e/ou exame final global sobre os temas tratados na UC. Os testes/exame terão um peso de 50% na nota final; apreciação da participação do aluno nas aulas e nas demais atividades da UC, e o grau de participação na componente experimental e/ou de simulação computacional, contribuirão para 20% da nota final; e o estudo de tópicos avançados ou a realização de trabalho experimental mais avançado, com a elaboração de relatórios e discussão/apresentação oral, terá um peso de 30%. |
Program 1. Introduction to optoelectronics and photonics: fundamental building blocks of optoelectronic circuits and systems, instrumentation and equipment based on optoelectronic technology, and the trends of emerging technologies such as photonic integrated circuits, silicon photonics and nanophotonics. 2. Optics and electromagnetic theory review: geometrical and wave optics, electromagnetic wave properties, phase and group velocities, dispersion relations, boundary conditions between dielectric interfaces, polarization, temporal and spatial coherence, absorption, emission and amplification of the radiation. 3. Dielectric waveguides and optical fibers: dielectric materials, planar waveguides and channel waveguides, guided modes, dispersion relationships; step-index and graded-index optical fibers, single-mode and multimode optical fibers, attenuation and dispersion in optical fibers, optical communication windows and fiber bandwidth, how the dispersion limits the optical bandwidth/information capacity of an optical fiber; Bragg grating fiber, fiber filters and sensors; power splitters and fiber couplers; solitons in optical fibers. 4. Light emitting diodes and laser diodes: optoelectronic properties of materials; processes of absorption and emission of radiation in semiconductors, direct-gap and indirect-gap semiconductors; heterostructures and low-dimensional semiconductor structures, quantum-wells, quantum wires and quantum dots; p-n and p-i-n heterojunctions, light emitting diodes (LEDs); operation principles and characteristics of diode lasers (LDs), longitudinal emission laser diodes, Fabry-Perot laser diodes, DBR and DFB lasers; vertical emission laser diodes (VCSELs); quantum cascade lasers (QCLs); coupling of LEDs e LDs to optical fibers and waveguides; laser diode packaging techniques; direct modulation of LEDs and laser diodes; LEDs and LDs frequency responses. 5. Optical amplifiers and applications: principle of operation of fiber amplifiers and semiconductor amplifiers, erbium and neodymium doped fibers, erbium doped fiber amplifier and Raman fiber amplifier, pumping schemes, spectrum of gain and spontaneous emission amplification, types and applications of optical amplifiers. 6. Photodetectors and applications: materials; conductive photodetectors and photodetectors based on p-n and p-i-n junctions; responsivity, photodetection threshold, dark current, frequency response, avalanche photodetectors; few photon detectors; advanced photodetector structures. 7. Modulators, multiplexers and optical filters: interferometric devices, power dividers, diffraction gratings, directional couplers; electroabsorption in semiconductors, electroabsorption modulators; electro-optical effects, phase modulators, Mach-Zehnder interferometers, intensity modulators; tunable optical filters; multiplexers based on directional couplers and diffraction gratings; wavelength division multiplexing, multiplexers and demultiplexers; optical add-drop multiplexer; optical isolators and circulators; wavelength conversion; lines of delay, optical switching. 8. Photonic and optoelectronic systems: measurement and characterization equipment, integrated photonic circuits, interferometric systems, LIDAR systems, spectroscopic systems, and information processing and transmission optical systems; satellite intercommunications systems; silicon photonics; biophotonics, applications in biotechnology and medicine. Laboratory sessions - Characterization of optical fibers and components; - Characterization of photodetectors; - Characterization of LEDs and laser diodes; - Implementation / characterization of an optical communication system; - Following research activities and attendance at technical seminars. Essay:
Recommended bibliography - Electronic, Magnetic, and Optical Materials (Advanced Materials and Technologies) 2nd Edition, CRC Press; 2 edition (2016) - Photonics Essentials: An Introduction with Experiments, T. A. Pearsall, McGrawHill, 2003. - Computational Photonics: An Introduction with MATLAB, Marek S. Wartak, Cambridge University Press, 2013 - Electronics and Optoelectronics properties of Semiconductor Structures, J singh, Cambridge University Press, 2003 - Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices, S.O. Kasap, International Edition (2e) Pearson Education, 2013. - Physics of Photonic Devices, Shun Lien Chuang, John Wiley & Sons, Inc., 2009 - Fundamentals of photonics, Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich, Wiley Series in Pure and Applied Optics, 2019. Evaluation The evaluation comprises three aspects: i) the appreciation of student performance in class (continuous assessment), including problem solving and exercises, experimental activities and / or computer simulations; ii) the study of advanced topics or the realization of more advanced/detailed experiments/simulations with writing of a report and oral presentation (essay); and iii) two written tests and / or final exam. The tests / exam mark will account for 50% of the final grade; the evaluation of the student participation in the UC activities, including experimental activities and / or computer simulation will account for 20%; and the study of an advanced topic or realization of more advanced experimental/simulation work (essay), with the elaboration of final reports and oral presentation, will account for the remaining 30%. |
