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Germanium on Silicon Near-Infrared Photodetectors

Thu, 22 Apr 2010 22:00:00 GMT

Germanium on Silicon Near-Infrared Photodetectors Sorianello, Vito 2010-04-23 In recent years, the of Germanium on Silicon approach has been recognized as the best alternative to the well-established III-V technology for the fabrication of high performance near-infrared photodetectors. Recent results demonstrate that Ge heteroepitaxy on Si is by now mature to compete with standard III-V devices. Unfortunately, the integration of Ge-on-Si technology in standard CMOS process ﬂows is still an open challenge due to the sophisticated growth techniques as well as the high thermal budget involved. This work proposes an alternative approach to the growth of Ge on Si for NIR optoelectronics applications. The ﬁrst chapter introduces NIR detection for optical communication systems, with particular emphasis on Ge as a suitable material for the monolithic integration into NIR photodetectors on a Si platform. In the second chapter, the deposition process is described. Ge is deposited on Si by thermal evaporation, a very simple and low temperature (300◦ C ) technique suitable for both streamline process and back-end monolithic integration of Ge on Si CMOS electronics. Material characterization, both morphological and electrical, is also discussed. Raman and X-Ray analysis, as well as Transmission Electron Microscopy evidenced that Ge is epitaxially grown in a monocrystalline form with a high dislocation density. Hall measurements demonstrated high unintentional p -type doping (1017 ÷ 1018 cm−3 ) associated to the acceptor-like levels due to the large defect density. The transport and detection properties of evaporated Ge on Si heterojunctions are presented in the third chapter. Results demonstrated a trapassisted conduction mechanism explained by energy band pinning at the Ge/Si interface. The NIR detection properties were also investigated by illumination at normal incidence. The high doping together with the short diffusion length were found to drastically limit the responsivity of normal incidence devices. The last part of this work is dedicated to the design and fabrication of optimized NIR photodetector and their integration on SOI optical chips. Waveguide photodetectors (WPD) were fabricated to take advantage from the distributed absorption of light in guiding structures. WPD exhibit very promising performance with typical responsivities exceeding 0.2 A/W at 1 V reverse bias and 1.55 µm wavelength. These devices were monolithically integrated on SOI optical chips for the realization of channel monitors. The integrated devices exhibit very promising performance, with sensitivity of 10 nW and good linearity over about four orders of magnitude.

Optical spatial solitons for all-optical signal processing

Thu, 22 Apr 2010 22:00:00 GMT

Optical spatial solitons for all-optical signal processing Piccardi, Armando 2010-04-23 Nonlinear systems respond to an excitation in a non-proportional way and do not satisfy the superposition principle. Most of the linear models of physical systems (harmonic oscillator is probably the clearest example) are valid approximations only in a perturbative regime; beyond it their intrinsic nonlinear nature must be considered. The nonlinear world is a source of intriguing phenomena (both from theoretical and applicative points of view) and optics is one of the most accessible area where such effects can be studied. When light and matter interact, the former is able to change the medium properties, in particular the refractive index, so affecting its own propagation. Among the nonlinear processes we will consider self-conﬁnement: the ability of a light beam to compensate its natural tendency to spread. When linear spreading is exactly compensated by non-linear self-focusing, a spatial soliton is formed. Spatial solitons preserve their proﬁle during propagation, which makes them suitable candidates to carry and process other signals, just like waveguides. We will deal with spatial solitons in nematic liquid crystals, namely nematicons, in which nonlinearity is enabled by dipolar interactions between molecules and electric ﬁelds: the material is chosen on the basis of its high nonlinearity and versatility. This dissertation reports on the all-optical control of nematicons and some representative applications of signal processing. The work is mostly experimental, with some theoretical considerations wherever it is necessary for the comprehension of the observed phenomena. Chapter 1. Fundamentals of nonlinear optics and spatial solitons are ﬁrstly summarized. Then we examine Nematic Liquid Crystals and their physical properties, focusing the attention on their nonlinear optical response and introducing nematicons. Chapter 2. We report some experiments in standard samples. First, we examine the propagation of a nematicon in the presence of a tunable nonlinearity. Then we treat the nonlinear control of the interaction between two nematicons. Chapter 3. Here we present experiments in dye-doped liquid crystals. We describe the optical response of dye-doped nematics and two experiments. In the ﬁrst, we discuss nonlinear self-steering of light, comparing undoped and doped liquid crystals; in the second we deal with the formation of optical interfaces in order to control the nematicon trajectory. Chapter 4. We introduce liquid crystal light valve as a novel environment for the propagation of nematicons. After a preliminary section where we explain the working principles of the valve, we illustrate the propagation of a nematicon in a fully controllable refractive index landscape. We review brieﬂy the theorical approach, proposing and demonstrating the implementation of a reconﬁgurable set of all-optical signal processors. This activity was mostly carried out at NooEL - Nonlinear Optics and OptoElectronics Lab at the University ROMA TRE. The work on liquid crystal light valve was developed at the INLN (Institut NonLin´aire de Nice), University of Nice - Sophia Antipolis.

Stabilità elettrica ed effetti di canale corto dei transistor a film sottile a silicio policristallino

Thu, 22 Apr 2010 22:00:00 GMT

Stabilità elettrica ed effetti di canale corto dei transistor a film sottile a silicio policristallino Gaucci, Paolo 2010-04-23 I transistor a film sottile di silicio policristallino (TFT , Thin Film Transistor) hanno raggiunto negli ultimi anni un ruolo sempre più rilevante nella microelettronica su larga area (LAM). La crescente attenzione rivolta a questi dispositivi è dovuta alla possibilità di coniugare un costo relativamente basso con elevate prestazioni, infatti in termini di mobilità e stabilità questi dispositivi sono nettamente migliori a quelli realizzati in silicio amorfo. L’introduzione della ricristallizzazione mediante laser ad eccimeri (ELC, Excimer laser Crystallization) ha permesso la realizzazione di transistor con elevata mobilità ad effetto di campo, µ fe , dell’ordine dei 100 − 200cm 2 / Vs che consente di realizzare display a cristalli liquidi da impiegare nei personal computer portatili e nei telefonini di ultima generazione (UMTS ) , utilizzando i TFT non solo come interruttori della matrice attiva ma anche per realizzare gli elementi integrati della logica di indirizzamento e di controllo per le righe e le colonne della matrice stessa. Però in seguito alla miniaturizzazione sempre più spinta dell’elettronica moderna, sono iniziati a sorgere alcuni effetti legati alle ridotte dimensioni della lunghezza del canale del TFT , indicati sotto il nome di “effetti di canale corto “, che influenzano pesantemente le caratteristiche elettriche dei dispositivi. Inoltre anche la stabilità è uno dei parametri più importanti soprattutto nel caso di applicazioni circuitali dei TFT. Infatti, in questo caso, i dispositivi possono essere polarizzati con tensioni di gate e/o drain elevate con la conseguente formazione di alti campi elettrici ed elevate temperature che possono degradare pesantemente le prestazioni di tali dispositivi. In questo lavoro di tesi sono stati studiati tali effetti attraverso misure sperimentali e con l’aiuto delle simulazioni numeriche per una migliore comprensione delle cause alla loro base

Elettronica per Gamma Camere ad elevate prestazioni per applicazioni mediche

Thu, 22 Apr 2010 22:00:00 GMT

Elettronica per Gamma Camere ad elevate prestazioni per applicazioni mediche Fabbri, Andrea 2010-04-23 La scintigrafia medica è uno strumento diagnostico molto valido i cui campi di applicazione sono sempre più ampi. Gli strumenti per la rivelazione di radiazioni sono apparati complessi il cui assemblaggio richiede competenze diverse che vanno dalla conoscenza dei principi fisici che regolano l'interazione dei fotoni con la materia sino ai sistemi elettronici di lettura e agli algoritmi per la ricostruzione delle immagini. In questo lavoro di dottorato sono state analizzate diverse tipologie di rivelatori che possano sostituire con migliori risultati l'Anger camera, ad oggi il rivelatore più utilizzato in ambito medico. Il sistema proposto in questa tesi, basato su fototubi sensibili alla posizione accoppiati con cristalli ad alta resa luminosa quale il bromuro di lantanio, si propone tra le migliori evoluzioni tecniche di questi dispositivi. Questa soluzione ha comportato la necessità di sviluppare un'elettronica di lettura multicanale dedicata che ha superato i limiti di dinamica, di count rate e di linearità tipici dei sistemi preesistenti. La progettazione del sistema di acquisizione è stata preceduta dallo studio delle dinamiche inerenti la distribuzione di luce all'interno del cristallo nonché dei processi di foto-moltiplicazione. L'analisi dei dati ottenuti attraverso l'utilizzo dell'elettronica multicanale realizzata ha inoltre portato allo sviluppo di un algoritmo alternativo a quelli attualmente in uso basati sul metodo del baricentro. Il nuovo algoritmo permette di identificare, oltre alla posizione di interazione dell’evento intercorso, eventuali anomalie nella forma di luce campionata dal foto-rivelatore. E’ quindi possibile scartare gli eventi mal formati, aumentando il contrasto dell’immagine. I risultati proposti dimostrano la validità del progetto, che mette in evidenza un notevole incremento delle prestazioni di risoluzione spaziale e risoluzione energetica sia in confronto della Anger camera ad uso ospedaliero che rispetto ad altre tipologie di gamma camere sperimentali ad oggi sviluppate.

AN ADAPTIVE OPTICS SYSTEM FOR THE AUTOMATIC CONTROL OF LASER BEAM JITTERS IN AIR

Wed, 22 Apr 2009 22:00:00 GMT

AN ADAPTIVE OPTICS SYSTEM FOR THE AUTOMATIC CONTROL OF LASER BEAM JITTERS IN AIR Grasso, Salvatore 2009-04-23 Due to their weakness, the direct detection of Gravitational Waves (GW) has never been demonstrated up to date and therefore it is one of the most investigated fields of research in the recent years. Long baseline interferometric antennas are very promising GW detectors as they perform wideband and low noise measurements based on the fine movement of optics properly suspended for seismic isolation. Among the others, the Virgo antenna is a large scale ground based interferometer designed for GW detection in the band 10 Hz ÷10 kHz with sensitivity of Hzh 110 23 = It is installed on Cascina site (Pisa, Italy) and represents one of the most performing systems currently operating in the world. Nonetheless, it has not yet measured any GW event and therefore new efforts are being carried out in order to further suppress the noise and gain an improved sensitivity level that allows several GW measurements per year. The present Doctoral Thesis focuses on the development of a novel Adaptive Optics (AO) system proposed by the author for the active suppression of laser beam jitters at the input of the Virgo antenna. In fact such laser perturbations couple with the interferometer asymmetries and originate additional phase noise that limits the antenna sensitivity. From a short description of the Virgo Project, it is stated that the requirements for the control of input laser beam jitters correspond to reduction of 40 dB in the low frequency band below 1 Hz and of 20 dB in the region of some tens of Hz. These conditions cannot be fulfilled by standard AO systems based on the Shack Hartmann sensor because of high noise and limited speed. On the other hand, starting from the theoretical analysis of the aberrated wavefront, it is possible to demonstrate that laser beam jitters can be alternatively represented in terms of higher order Hermite Gauss modes perturbing the fundamental Gaussian beam or in terms of Zernike polynomials expanding the distorted phase profile. This in turn allows the author to design an innovative AO system that uses interferometric techniques for the extraction of error signals in terms of Hermite Gauss coefficients and automatically corrects the laser beam with an adaptive mirror deformed on Zernike modes. The AO system performs simultaneous correction of 6 degrees of freedom corresponding to first and second order Hermite Gauss modes. In particular its dynamics is well represented by elegant 6x6 matrix equations that are connected to the block diagram of the closed loop automatic control. Using an experimental prototype properly implemented in laboratory, the proposed AO system is completely characterized in terms of effectiveness and stability from the Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Elettronica measurement of its frequency response functions, that exhibit robust operation on all the 6 degrees of freedom. Direct measurements of spectral residual noise show the suppression of 60 dB up to 1 Hz and of 20 dB over 200 Hz, even of astigmatism and defocus modes, which at the best of the present technology fulfils the Virgo requirements previously stated. Finally, the quality control of the laser beam cleaned up from jitters is carried out by measuring its transverse intensity and fitting the experimental data with the expected Gaussian profile, that is matched with 96% reliability using the 2 parameter. The AO system developed in this Doctoral Work performs laser beam jitters reduction in good accordance with the theoretical prediction and therefore can be seriously proposed for application to interferometric Gravitational Wave antennas.

Fragile watermarking techniques for image authentication

Wed, 22 Apr 2009 22:00:00 GMT

Fragile watermarking techniques for image authentication De Santis, Michele 2009-04-23 Techniques to establish the authenticity and integrity of digital images are becoming increasly essential over the Intermet. The authentication algorithm should distinguish malicious manipulations from the original watermarked image. Fragile watermarking is recomended for a very sensible image authentication scheme, able to localize the slightest changes occured to the marked image. The fragile watermarking shows the limits of its applicability, when secure transacting of digital content is required. In this case, the authentication algorithm should be able to distinguish incidental integrity maintaining distortions such as lossy compression from malicious manipulations. This has motivated further researches into semi-fragile watermarking. Two novel watermarking algorithms are proposed in this thesis, both robust to self-authenticating. The first algorithm is a fragile spatial parity-checking watermarking method that employs a public-key scheme for still image authentication and integrity verification. The use of the parity-checking scheme and the public-key encryption enables the localization of tampered areas and the authentication of the watermarked image respectevely. The second algorithm is a semi-fragile holographic watermarking system. The previous algorithm is a really powerfull system to be a fragile technique but still not usefull for secure transacting over the Internet. The holographic technique enables good perfomances against distortions and is still able to guarantee the authenticity and the integrity of digital images. The authenticity is achieved by a public-key encryption of the mark and the integrity is achieved by the holography introduced in this technique. In addition, the thesis provides theoretical analysis for the perfomance and the feasibility of both schemes.We also present experimental results to verify the theoretical observations and the comparison results for both algorithms to popular techniques.

Fotonica nonlineare a picosecondi

Wed, 22 Apr 2009 22:00:00 GMT

Fotonica nonlineare a picosecondi Pasquazi, Alessia 2009-04-23

Sistemi di lettura per fotomoltiplicatori multi-anodo

Wed, 22 Apr 2009 22:00:00 GMT

Sistemi di lettura per fotomoltiplicatori multi-anodo D'Abramo, Enrico 2009-04-23 La recente disponibilità di nuovi cristalli scintillanti basati sul Bromuro di Lantanio, che presentano, rispetto agli altri, un'intensa luce di scintillazione, congiuntamente ai progressi nella realizzazione dei fotomoltiplicatori sensibili alla posizione, permettono di realizzare delle gamma camere di nuova concezione. Grazie infatti alle caratteristiche del cristallo e dei fotomoltiplicatori, è possibile ottenere una risoluzione spaziale paragonabile a dispositivi più complessi e costosi, come quelli basati sulle matrici di cristalli. Dalla loro prima realizzazione le gamma camere sono state utilizzate insieme ad un'elettronica che, con un approccio efficace consente di ottenere l'informazione circa la posizione dell'interazione primaria del $\gamma$ emesso dal radiofarmaco sommando tutti i contributi dei singoli anodi. Sebbene questo sia un'approccio che rende il sistema di lettura relativamente semplice, viene preclusa la possibilità di analizzare ed intervenire sulle differenze di guadagno del tubo e sulla ricostruzione della posizione dell'interazione con tecniche diverse da quella del baricentro. In questo studio dottorale ho approfondito il problema e realizzato un'elettronica basata su integrati facilmente reperibili sul mercato che consente non solo di adattarsi ai diversi radioisotopi, che presentano differenti energie di emissione, ma elabora i segnali degli anodi in modo distinto, utilizzando dei componenti discreti. Ho posto quindi una particolare cura nella loro selezione e nella realizzazione dei PCB, al fine di ottimizzarne le prestazioni. La possibilità di accedere a tutta l'informazione fornita dalla gamma camera, consente non solo l'analisi dei fattori che influenzano le caratteristiche finali, ma getta le basi per una rivisitazione delle tecniche finora utilizzate per la ricostruzione delle immagini.

Solitons in Nonlocal Media

Wed, 19 Mar 2008 23:00:00 GMT

Solitons in Nonlocal Media Alberucci, Alessandro 2008-03-20

Rivelatori in diamante sintetico poli e monocristallino per radiazioni e particelli ionizzanti

Wed, 19 Mar 2008 23:00:00 GMT

Rivelatori in diamante sintetico poli e monocristallino per radiazioni e particelli ionizzanti Ciancaglioni, Isabella 2008-03-20

Tecniche di ottimizzazione per trasduttori capacitivi microlavorati su silicio (cMUT)

Wed, 19 Mar 2008 23:00:00 GMT

Tecniche di ottimizzazione per trasduttori capacitivi microlavorati su silicio (cMUT) Longo, Cristina 2008-03-20

Caratterizzazione interferometrica di strutture planari vibranti

Wed, 19 Mar 2008 23:00:00 GMT

Caratterizzazione interferometrica di strutture planari vibranti Gatta, Philipp 2008-03-20

Array di trasduttori capacitivi micro-lavorati (CMUT) per immagini ecografiche e tridimensionali

Wed, 19 Mar 2008 23:00:00 GMT

Array di trasduttori capacitivi micro-lavorati (CMUT) per immagini ecografiche e tridimensionali Bavaro, Vito 2008-03-20