Descrizione del modulo "Materiali e dispositivi attivi per le telecomunicazioni e la sensoristica (MD.P03.001.001)"

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  • Descrizione del modulo "Materiali e dispositivi attivi per le telecomunicazioni e la sensoristica (MD.P03.001.001)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Biosensori ad alta sensibilità basati su microrisonatori innovativi, potendo ridurre drasticamente le soglie minime di rilevazione di markers di patologie, possono avere un significativo impatto sociale a partire dal singolo individuo e più in generale sui costi del sistema salute. Inoltre la possibilità di rivelare concentrazioni minime di droghe e di sostanze patogene o pericolose per l'ambiente è di sicuro interesse anche nell'ambito della sicurezza e del controllo ambientale. Gli studi sulle proprietà emissive di substrati vetrosi con nanoparticelle possono offrire soluzioni innovative nel settore ICT e dell'energia (fotovoltaico). (literal)
Tematiche di ricerca
  • Fabbricazione e caratterizzazione di microrisonatori ottici a modi di galleria in vetro per sensori biochimici innovativi ad alta sensibilità. Fabbricazione e caratterizzazione di risonatori cristallini ad altissimo fattore di qualità per oscillatori optoelettronici a radiofrequenza. Sviluppo delle tecniche di interrogazione dei risonatori. Fabbricazione e caratterizzazione di nanopunte in fibra ottica per applicazioni biosensoristiche e per tecnologia SNOM. Fabbricazione e caratterizzazione di guide integrate in vetri e cristalli per conversione di frequenza e amplificazione ottica. Caratterizzazione di vetri drogati con terre rare e con nano particelle cristalline o metalliche per conversione di frequenza e generazione di luce bianca. Realizzazione di sorgenti supercontinue per effetti non lineari in fibre ottiche microstrutturate per applicazioni alla microscopia biologica. Realizzazione di immunosensori ottici basati su microcavità planari a cristallo fotonico 1D in vetro e 2D in silicio poroso per applicazioni nel campo della sicurezza. Applicazioni delle tecniche di trasmissione ottica al trasferimento dati da rivelatori di particelle. (literal)
Competenze
  • Gli afferenti al modulo possiedono competenze nel campo della fabbricazione e caratterizzazione di dispositivi ottici a luce guidata e delle loro applicazioni alla biosensoristica e alle telecomunicazioni. Queste capacità tecnologiche e applicative sono testimoniate dalla vasta produzione scientifica del modulo. I principali settori di competenza sono in sintesi: - tecnologie di fabbricazione di guide ottiche integrate in substrati vetrosi e cristallini (fotolitografia, deposizione di film sottili, scambio ionico), realizzazione di dispositivi ottici integrati (reticoli, amplificatori) loro caratterizzazione e sviluppo delle relative applicazioni; - fabbricazione di dispositivi in fibra ottica (reticoli, tapers, nanopunte) e sviluppo delle loro applicazioni; caratterizzazione di fibre a cristallo fotonico; - fabbricazione, caratterizzazione e sviluppo di microrisonatori ottici a modi di galleria e delle relative applicazioni; studio di cavità risonanti a cristallo fotonico in vetro e in silicio poroso. - caratterizzazione di vetri drogati con terre rare e nanocristalli o nanoparticelle metalliche (per ottica nonlineare, amplificazione ottica, sensoristica). (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • I risultati delle ricerche portate avanti su dispositivi ottici innovativi possono essere trasferiti tecnologicamente a partire dai prototipi che sono sviluppati in laboratorio. Alcuni dei progetti in cui è coinvolto il modulo prevedono anche lo studio di prototipi preindustriali in collaborazione con aziende. Lo sviluppo di sensori biochimici basati su microrisonatori può condurre alla nascita di una nuova classe di sensori ad alta sensibiltà di interesse industriale per i settori salute, ambiente e sicurezza. Lo sviluppo di oscillatori optoelettronici basati su risonatori cristallini ad altissimo fattore di qualità ha interesse industriale per la realizzazione di radar innovativi come dimostrato dalla collaborazione con partner industriali come Thales R&T e Selex S.I. Gli studi sulle proprietà emissive di guide e substrati vetrosi innovativi drogati con materiali attivi e nanoparticelle possono avere ricadute nel campo delle telecomunicazioni e in quello energetico (fotovoltaico). Per quanto riguarda le tecnologie di fabbricazione di nanopunte dato il potenziale interesse di tipo industriale è in corso il deposito di un brevetto. (literal)
Tecnologie
  • Fra le tecnologie a disposizione, le più rilevanti sono: - forni per scambio ionico e annealing termico per realizzare guide ottiche in substrati vetrosi e indurre la formazione di nanocristalli al loro interno; - apparecchiature per processi fotolitografici per fabbricare guide ottiche e dipositivi integrati in vetri sia mediante scambio ionico, sia mediante deposizione di film e successivo attacco in plasma; la progettazione di tali dispositivi è assistita da opportuni software di modellazione; - sorgenti e laser ad UV per scrittura diretta di guide d'onda e reticoli di Bragg in substrati fotorifrattivi vetrosi o polimerici; - sistemi per la realizzazione tramite fusione controllata (con archi voltaici) di microrisonatori sferici e a bolla in silice o vetri silicati, setup per fabbricare dischi ad alto fattore di qualità in materiali cristallini mediante lucidatura; - sistema per la sintesi controllata di punte di dimensioni nanometriche in fibra ottica; setup per la realizzazione di fibre ottiche rastremate; - software semianalitici e numerici per design e modellazione di microrisonatori a modi di galleria e delle loro applicazioni. (literal)
Obiettivi
  • In sintesi gli obiettivi principali sono: - sviluppo di sensori biochimici ad alta sensibilità basati su microrisonatori a modi di galleria. Sono due i nuovi progetti in questo ambito (FIRB \"Futuro in Ricerca\" e progetto premiale del Centro Fermi) in cui è coinvolto il modulo. Saranno introdotti nuovi approcci, basati ad esempio sull'utilizzo di nanoparticelle polimeriche, per aumentare ulteriormente la sensibilità dei dispositivi; - sviluppo di risonatori ad altissimo fattore di qualità in cristalli elettro-ottici per la realizzazione di oscillatori optoelettronici accordabili (progetto HIPPOMOS); - sviluppo di sensori biologici cellulari basati su nanopunte in silice; - caratterizzazione di materiali vetrosi drogati con terre rare e nanoparticelle cristalline o metalliche da utilizzare in dispositivi fotonici per amplificazione o conversione di frequenza; - sviluppo di sorgenti a larga banda basate su fibre microstrutturate per applicazioni nella microscopia biologica; - studio di immunosensori ottici basati su microcavità planari a cristallo fotonico 1D in vetro e 2D in silicio poroso. (literal)
Stato dell'arte
  • L'interesse per lo studio di risonatori ottici a modi di galleria con fattori di qualità elevatissimi è legato sia a potenziali applicazioni che a ricerche di base. In particolare microrisonatori in vetro di tipo sferico o a microbolla hanno dimostrato grandi potenzialità come sensori biochimici per rivelare sostanze a concentrazioni molto basse. Risonatori ottici di tipo cristallino ad altissimo fattore di qualità hanno trovato invece impiego nella realizzazione di oscillatori optoelettronici innovativi e nello studio di pettini di frequenza. Nel campo della biofotonica punte in fibra ottica con geometrie controllate su scala nanometrica sono di grande interesse per indagini a livello di singola cellula. Cavità planari risonanti a cristallo fotonico consentono a loro volta di ottenere campi elettrici molto elevati per spettroscopia non lineare. Infine lo studio degli effetti non lineari in fibre ottiche microstrutturate per generare luce bianca continua ad essere di grande attualità. Vetri ossidi drogati con terre rare hanno di recente migliorato le loro caratteristiche spettroscopiche grazie all'inserimento di nanostrutture cristalline o metalliche nella matrice vetrosa. (literal)
Tecniche di indagine
  • Le principali tecniche di indagine dei dispositivi ottici in guida e dei materiali vetrosi comprendono: - misura di indici efficaci di guide planari e ricostruzione del profilo d'indice, misure di perdite di propagazione e di inserzione di guide a canale, misure di campo vicino in guida e fibra ottica, caratterizzazione di dispostivi integrati e confronto con modelli numerici; - misura del guadagno ottico su guide in substrati drogati con terre rare e confronto con opportuni modelli teorici; - spettroscopia in frequenza e risolta nel tempo per la misura degli spettri di emisssione e dei tempi di vita in substrati drogati con terre rare; - caratterizzazione spettrale di reticoli diffrattivi in guida e in fibra ottica e ricostruzione analitica delle relative efficienze; - analisi degli spettri di emissione supercontinui in fibre ottiche microstrutturate; - determinazione del fattore di qualità di microrisonatori ottici tramite l'analisi delle risonanze, sviluppo di tecniche di accoppiamento ai risonatori a modi di galleria, sviluppo di metodi di interrogazione per applicazioni sensoristiche; - analisi topografica e con microscopia di tipo SEM e AFM (per le nanopunte in fibra ottica). (literal)
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