L'optoelettronica, tecnologia abilitante, rivoluziona i sistemi, i paradigmi e le infrastrutture che stanno alla base della tecnologia odierna e, di conseguenza, di gran parte della nostra società. Incredibilmente versatile, ha dato vita a una pluralità di dispositivi tecnologici altamente performanti: LED, sensori ottici, laser, fibre ottiche, impianti fotovoltaici e molto altro, si caratterizzano per una maggiore velocità, prestazioni elevate, basso consumo, costi ridotti e alto livello d’integrazione con altri dispositivi e sistemi elettronici. Le opportunità offerte dall'optoelettronica sono davvero immense e il loro campo di applicabilità è ampio: dall'illuminazione alla sensoristica, dalle telecomunicazioni al settore medicale fino a giungere alle nuove indagini sui computer ottici e sulla nanofotonica.
Introduzione
L'optoelettronica, branca scientifica appartenente alla fotonica, rivoluziona l'ambito tecnologico combinando principi ottici con principi elettronici e dando vita così a una molteplicità di soluzioni e strumenti fondamentali che, migliorando o sostituendo le vecchie apparecchiature, assicurano una maggiore efficienza, un minor consumo energetico e un alto livello di sicurezza.
Trattandosi di una tecnologia trasversale e rivoluzionaria, essa rientra tra le tecnologie definite abilitanti, ossia capaci di condurre la società verso la trasformazione digitale.
La disciplina si occupa di comprendere e sfruttare i meccanismi di interazione avvenenti tra segnali luminosi (incluse sia le radiazioni elettromagnetiche appartenenti allo spettro del visibile, sia i raggi non percepibili all'occhio umano come IR, UV, gamma e X) e segnali elettrici all'interno di un dispositivo elettronico.
Grazie all'optoelettronica è possibile realizzare degli oggetti, con differenti funzioni, capaci di emettere, rilevare o assorbire la luce, che si suddividono principalmente in due categorie:
- trasduzione dell'elettricità in segnali ottici (emissione luminosa a partire da una corrente elettrica)
- trasduzione dei segnali ottici in elettricità (rilevazione o assorbimento delle radiazioni luminose e conversione di queste in segnale o corrente elettrica)
Si tratta di una tecnologia molto promettente, che ha ridefinito l'utilizzo che facciamo della luce: oltre ad illuminare, la luce può essere sfruttata per rilevare informazioni dall'ambiente esterno, misurare, generare corrente elettrica, trasferire e comunicare dati, tagliare, disinfettare, registrare, scannerizzare, ricostruire le immagini su un supporto e molto altro.
Solitamente, quando si pensa a computer, televisori e digital device, li si classifica come dispositivi elettronici, in realtà anche questi si compongono di molteplici elementi optoelettronici quali, per esempio, LCD (Liquid Crystal Display), OLED (LED organici), stabilizzatori ottici d'immagine, sensori ottici per la regolazione della luminosità dello schermo, etc.
Figura 1: anche i display televisivi e mobile si costituiscono di componenti optoelettroniche
L'optoelettronica fa parte delle KET (Key Enable Technologies) ovvero quelle tecnologie che, facilitando il cambiamento scaturito dalla rivoluzione digitale del XXI secolo, risultano fondamentali al progresso scientifico e alla crescita economica dei paesi.
Esse sono in grado di mutare le infrastrutture e i paradigmi che stanno alla base del settore tecnologico: si prevede che l'optoelettronica rivoluzionerà l'elettronica nei prossimi anni influenzando in maniera preponderante la tecnologia del futuro.
Trattandosi di una tecnologia pervasiva, i settori applicativi sono davvero numerosi:
- ITC e telecomunicazioni: trasmissioni e comunicazioni ottiche (fibre ottiche, trasmissione dei dati in assenza di continuità elettrica)
- Manifatturiero: produzione e lavorazione industriale, tagli e misurazioni di precisione, monitoraggio e controllo della supply-chain, illuminazione industriale (laser, LED e sensori ottici)
- Settore sanitario: ricerca di metodologie diagnostiche e terapeutiche migliorate, non invasive (dispositivi wearable, scanner, sensori di immagine, sensori IR, lampade UV-C e UVGI per la disinfezione, etc.)
- Smart lighting per l'illuminazione pubblica, privata e dei display (LED, fotorilevatori)
- Settore energetico: impianti fotovoltaici per la fornitura di energia elettrica
- Automotive: illuminazione, indicatori di livello e luci di segnalazione, sensori ottici per rilevazione pericoli e ostacoli, sistemi di pilotaggio automatici (LED, fotorilevatori, laser, LIDAR)
- Agricoltura (LED, sensori)
- Ambito domestico e beni di consumo (LED, sensori, fotovoltaico, fibre ottiche)
- Ricerca scientifica, dove gli strumenti optoelettronici possono essere sia mezzi d’indagine, sia oggetti di studio.
Per citare un esempio, circuiti integrati ottici, SoC (System on Chip), MOEMS (Micro-Optical-Electro-Mechanical-System) e le recenti indagini sui computer ottici rivelano il potenziale insito nell'utilizzo della luce e danno vita a nuove interessanti indagini sulla nano-ottica e sui micro-sistemi - Sensoristica: rilevazione di informazioni esterne a scopo di studio, monitoraggio, sicurezza e protezione (LED, fotorilevatori, laser, sensori di immagine, videocamere, fotocamere, etc.). La sensoristica è centrale per la razionalizzazione dei consumi, in quanto può fornire dati inerenti all'ambiente esterno con l’obbiettivo di regolare e adattare il consumo energetico necessario per il funzionamento dei dispositivi tecnologici, a seconda delle necessità
Oltre all'ampiezza applicativa e all'incredibile varietà dei suoi componenti, l'optoelettronica si configura come tecnologia abilitante in quanto:
- facilmente integrabile con altri dispositivi elettronici in sistemi complessi, interconnessi e dotati di AI, appartenenti dunque alla vasta famiglia dell'IoT (Internet of Things) che si compone di innumerevoli oggetti dalle funzioni differenti;
- miniaturizzabile e dunque utilizzabile per la produzione di dispositivi basati sulle nanostrutture: i materiali in scala nanometrica si contraddistinguono per interazioni ed effetti che non avvengono invece su scale maggiori e consentono quindi la realizzazione di dispositivi caratterizzati da un’alta precisione (sono, per esempio, meno influenzabili da variabili e condizioni esterne).
Fenomeni fisici e componenti optoelettronici
Data la pervasività della disciplina, citeremo qui di seguito solo alcuni dei componenti optoelettronici più utilizzati al giorno d’oggi.
Elettroluminescenza
L'elettroluminescenza è l'effetto che caratterizza i materiali capaci di emettere onde elettromagnetiche quando attraversati da corrente elettrica.
Su questo effetto si basano i LED, le cui diverse tipologie presenti ad oggi sul mercato sono molte, data la grande varietà di geometrie realizzabili e di materiali utilizzabili.
Qui di seguito una classificazione di base:
- LED inorganici, i primi ad essere realizzati e tuttora i più diffusi
- LED organici, i cosiddetti OLED, che generano fotoni grazie all'impiego di sottili strati di pellicole organiche
- QD-LED (LED a punti quantici - Quantum Dot LED), nanostrutture a semiconduttore capaci di controllare il movimento di elettroni e lacune nelle tre direzioni spaziali
Oltre all'illuminazione, gli indicatori di livello e le luci di segnalazione, i LED vengono utilizzati come sensori ottici, sorgenti luminose per il trasferimento dei dati (la tecnologia Li-Fi sfrutta la luce per la trasmissione di segnale).
Emissione spontanea ed emissione stimolata
La conversione elettro-ottica dei diodi laser segue i principi dell'emissione spontanea e dell'emissione stimolata.
Nel caso dell'emissione spontanea, un sistema si mantiene in uno stato eccitato per un tempo indefinito, per poi ritornare allo stato energetico iniziale. Nel caso dell'emissione stimolata, le radiazioni elettromagnetiche possono eccitare e diseccitare un sistema: un fotone incidente è in grado di stimolare il ritorno del sistema allo stato iniziale.
Figura 2: fasci di luce prodotti da laser
Il diodo laser, costituito da materiale semiconduttore drogato, è in grado di emettere fasci di luce provenienti dalla regione attiva del semiconduttore. Il drogaggio mediante un elemento (detto in questo contesto impurità), ha il compito di creare una giunzione p-n e ottenere così un diodo capace di emettere fasci luminosi. Come avviene per altre tipologie di diodi, quando la giunzione viene polarizzata direttamente, si ha un passaggio di lacune dalla regione p alla regione n, e un passaggio di elettroni dalla regione n alla regione p. In questo modo si creano le condizioni in cui elettroni e lacune si ricombinano per emissione spontanea e ciò causa l'emissione di un fotone la cui energia corrisponde alla differenza tra gli stati dell'elettrone e della lacuna implicati nel processo. L'emissione spontanea è sufficiente solo ad avviare l'oscillazione del laser. Un fotone può causare la ricombinazione di elettroni e lacune grazie all'emissione stimolata; ciò implica la generazione di un altro fotone che ha uguale direzione, polarizzazione e fase del primo. Dunque l'emissione stimolata genera un incremento dell'onda ottica.
Nel caso in cui una radiazione elettromagnetica passi per la cavità ottica costituente il laser, essa viene in parte amplificata per emissione stimolata, in parte sprecata per riflessione e assorbimento: se il grado di amplificazione è superiore al grado di perdita, il diodo laser emette un fascio di luce. Laser sta per "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", ossia amplificazione luminosa ottenuta dall'emissione di onde elettromagnetiche. Le applicazioni sono variegate e spaziano da dispositivi utilizzati, per esempio, in ambito estetico, come il laser a luce pulsata per l'epilazione, a strumenti altamente specialistici, utilizzati in ambito industriale e di ricerca, ai LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging) ossia soluzioni di telerilevamento per l’individuazione della precisa distanza di un oggetto o di un ostacolo (impiegati nelle ricerche inerenti alla guida autonoma dei mezzi di trasporto). [...]
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