Photonic Sensing Integrated Systems

Il gruppo Photonic Sensing Integrated Systems (PSIS) conduce ricerche nel campo del sensing con fibre ottiche e della fotonica integrata per applicazioni sensoristiche. Fondato nel 2002, il gruppo partecipa a progetti di ricerca finanziati da enti pubblici e dall'industria in vari settori strategici, tra cui energia, trasporti (automobilistico e ferroviario), spazio e biomedicina.

Il gruppo si concentra su due principali aree di ricerca. La prima riguarda l'uso delle fibre ottiche come sensori altamente sensibili, poiché la propagazione della luce attraverso la fibra risponde a una serie di parametri fisici e chimici, come temperatura, vibrazione, deformazione, pressione e indice di rifrazione. Questo permette di effettuare sia misurazioni puntuali che distribuite lungo la lunghezza della fibra, fornendo dati che altre tecnologie non possono eguagliare. La seconda area di interesse è la miniaturizzazione dei dispositivi di misura (interrogatori), con l'obiettivo di integrarli su chip di silicio. Questo approccio li rende più piccoli, leggeri e convenienti, rendendoli adatti per applicazioni su larga scala. Le applicazioni di questi dispositivi spaziano in campi diversi, come spazio, energia, monitoraggio strutturale, diagnostica medica e monitoraggio ambientale.

Attività di ricerca in corso

Fotonica integrata

La fotonica integrata svolge un ruolo fondamentale nello sviluppo di sistemi avanzati di comunicazione e sensing. Le attività di ricerca del gruppo sono incentrate sulla fotonica basata su silicio e sull'integrazione di rivelatori su chip. Le principali limitazioni dei sensori fotonici basati su componenti discreti riguardano il volume, il costo, il consumo energetico e la robustezza in ambienti ostili. Superare queste difficoltà contribuirà allo sviluppo di sensori integrati per applicazioni su larga scala, inclusi sensori basati su reticoli di Bragg (FBG) integrati su chip, dispositivi lab-on-chip, e interrogatori distribuiti per sensori a basso costo per applicazioni terrestri e sottomarine (sistemi distribuiti per il rilevamento della temperatura e di onde acustiche).

Sensori in fibra ottica

I sensori basati su fibra ottica offrono numerosi vantaggi rispetto ai sensori elettronici convenzionali in molte applicazioni industriali. Sono immuni alle interferenze elettromagnetiche, facilmente scalabili e adatti all'integrazione in materiali intelligenti. Le attività di ricerca in corso in questo ambito sono ampie e multidisciplinari, dal settore automobilistico a quello spaziale, dall'energia ai trasporti, dalla diagnostica medica al monitoraggio ambientale. Studiamo sensori discreti e distribuiti basati su diverse tecnologie, tra cui Fiber Bragg Grating (FBG), Long Period Grating (LPG), e sensori distribuiti basati su effetti Raman, Brillouin e Rayleigh, sfruttando OTDR, OTDR a fase e OFDR. Inoltre, particolare attenzione è dedicata al Distibuted Acoustic Sensing (DAS), con un focus sul miglioramento delle prestazioni, della convenienza economica e della compattezza dell'interrogatore, nonché sulla progettazione e valutazione di schemi di elaborazione del segnale e di archiviazione dei dati basati su cloud. Sviluppiamo, inoltre, modelli fisici agli elementi finiti per la progettazione di nuovi design di sensori integrati e la loro caratterizzazione e calibrazione termo-meccanica in laboratorio e sul campo. Le nostre applicazioni sono corredate da modelli strutturali (analitici e numerici) dei manufatti sensorizzati (smart materials) per l’interpretazione delle misure e l’elaborazione in tempo reale di parametri di sintesi per la diagnostica.

Biosensori e biochip

Queste attività sono focalizzate sull'integrazione di chip al silicio e sensori a fibra ottica con biorecettori (ad esempio, anticorpi, proteine di legame, aptameri, ecc.) e configurazioni microfluidiche per creare dispositivi lab-on-chip e lab-on-fiber. Gli aspetti chiave includono la funzionalizzazione della superficie dell'area sensibile del dispositivo e la progettazione del sistema microfluidico per garantire un controllo preciso nella somministrazione dei campioni. L’obiettivo di queste attività è sviluppare piattaforme sensoristiche opto-microfluidiche per la rilevazione di target rilevanti in ambito sanitario, per l’analisi alimentare e per il monitoraggio ambientale.