Silicon photonic device for wavelength sensing and monitoring

Over the last decade advances and innovations from Silicon Photonics technology were observed in the telecommunications and computing industries. This technology which employs Silicon as an optical medium, relies on current CMOS micro-electronics fabrication processes to enable medium scale integration of many nano-photonic devices to produce photonic integrated circuitry. ^ However, other fields of research such as optical sensor processing can benefit from silicon photonics technology, specially in sensors where the physical measurement is wavelength encoded. ^ In this research work, we present a design and application of a thermally tuned silicon photonic device as an optical sensor interrogator. ^ The main device is a micro-ring resonator filter of 10 μm of diameter. A photonic design toolkit was developed based on open source software from the research community. With those tools it was possible to estimate the resonance and spectral characteristics of the filter. From the obtained design parameters, a 7.8 × 3.8 mm optical chip was fabricated using standard micro-photonics techniques. In order to tune a ring resonance, Nichrome micro-heaters were fabricated on top of the device. Some fabricated devices were systematically characterized and their tuning response were determined. From measurements, a ring resonator with a free-spectral-range of 18.4 nm and with a bandwidth of 0.14 nm was obtained. Using just 5 mA it was possible to tune the device resonance up to 3 nm. ^ In order to apply our device as a sensor interrogator in this research, a model of wavelength estimation using time interval between peaks measurement technique was developed and simulations were carried out to assess its performance. To test the technique, an experiment using a Fiber Bragg grating optical sensor was set, and estimations of the wavelength shift of this sensor due to axial strains yield an error within 22 pm compared to measurements from spectrum analyzer. ^ Results from this study implies that signals from FBG sensors can be processed with good accuracy using a micro-ring device with the advantage of ts compact size, scalability and versatility. Additionally, the system also has additional applications such as processing optical wavelength shifts from integrated photonic sensors and to be able to track resonances from laser sources.^

Navigazione di articoli scientifici e citazioni: un ambiente scalabile e flessibile

Questo lavoro di tesi si concentra sulle estensioni apportate a BEX (Bibliographic Explorer), una web app finalizzata alla navigazione di pubblicazioni scientifiche attraverso le loro citazioni. Il settore in cui si colloca è il Semantic Publishing, un nuovo ambito di ricerca derivato dall'applicazione delle tecnologie del Semantic Web allo Scholarly Publishing, che ha come scopo la pubblicazione di articoli accademici a cui vengono associati metadati semantici. BEX nasce all'interno del Semantic Lancet Project del Dipartimento di Informatica dell'Università di Bologna, il cui obiettivo è costruire un Linked Open Dataset di pubblicazioni accademiche, il Semantic Lancet Triplestore (SLT), e fornire strumenti per la navigazione ad alto livello e l'uso approfondito dei dati in esso contenuti. Gli scholarly Linked Open Data elaborati da BEX sono insiemi di triple RDF conformi alle ontologie SPAR. Originariamente BEX ha come backend il dataset SLT che contiene metadati relativi alle pubblicazioni del Journal Of Web Semantics di Elsevier. BEX offre viste avanzate tramite un'interfaccia interattiva e una buona user-experience. L'utente di BEX è principalmente il ricercatore universitario, che per compiere le sue attività quotidiane fa largo uso delle Digital Library (DL) e dei servizi che esse offrono. Dato il fermento dei ricercatori nel campo del Semantic Publishing e la veloce diffusione della pubblicazione di scholarly Linked Open Data è ragionevole pensare di ampliare e mantenere un progetto che possa provvedere al sense making di dati altrimenti interrogabili solo in modo diretto con queries SPARQL. Le principali integrazioni a BEX sono state fatte in termini di scalabilità e flessibilità: si è implementata la paginazione dei risultati di ricerca, l'indipendenza da SLT per poter gestire datasets diversi per struttura e volume, e la creazione di viste author centric tramite aggregazione di dati e comparazione tra autori.

Leap Aided Modelling (LAM) in Blender

L'evoluzione tecnologica e l'utilizzo crescente della computer grafica in diversi settori stanno suscitando l'interesse di sempre più persone verso il mondo della modellazione 3D. I software di modellazione, tuttavia, si presentano spesso inadeguati all'utilizzo da parte di utenti senza esperienza, soprattutto a causa dei comandi di navigazione e modellazione poco intuitivi. Dal punto di vista dell'interazione uomo-computer, questi software devono infatti affrontare un grande ostacolo: il rapporto tra dispositivi di input 2D (come il mouse) e la manipolazione di una scena 3D. Il progetto presentato in questa tesi è un addon per Blender che consente di utilizzare il dispositivo Leap Motion come ausilio alla modellazione di superfici in computer grafica. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di progettare e realizzare un'interfaccia user-friendly tra Leap e Blender, in modo da potere utilizzare i sensori del primo per facilitare ed estendere i comandi di navigazione e modellazione del secondo. L'addon realizzato per Blender implementa il concetto di LAM (Leap Aided Modelling: modellazione assistita da Leap), consentendo quindi di estendere le feature di Blender riguardanti la selezione, lo spostamento e la modifica degli oggetti in scena, la manipolazione della vista utente e la modellazione di curve e superfici Non Uniform Rational B-Splines (NURBS). Queste estensioni sono state create per rendere più veloci e semplici le operazioni altrimenti guidate esclusivamente da mouse e tastiera.

Gamification e Machine Learning per migliorare l’esperienza di guida e diminuire i consumi in un veicolo elettrico

Questo progetto di tesi è parte di un programma più ampio chiamato TIME (Tecnologia Integrata per Mobilità Elettrica) sviluppato tra diversi gruppi di ricerca afferenti al settore meccanico, termofluidodinamico e informatico. TIME si pone l'obiettivo di migliorare la qualità dei componenti di un sistema powertrain presenti oggi sul mercato progettando un sistema general purpose adatto ad essere installato su veicoli di prima fornitura ma soprattutto su retrofit, quindi permettendo il ricondizionamento di veicoli con motore a combustione esistenti ma troppo datati. Lo studio svolto si pone l'obiettivo di identificare tutti gli aspetti di innovazione tecnologica che possono essere installati all'interno del sistema di interazione uomo-macchina. All'interno di questo progetto sarà effettuata una pianificazione di tutto il lavoro del gruppo di ricerca CIRI-ICT, partendo dallo studio normativo ed ergonomico delle interfacce dei veicoli analizzando tutti gli elementi di innovazione che potranno far parte del sistema TIME e quindi programmare tutte le attività previste al fine di raggiungere gli obiettivi prefissati, documentando opportunamente tutto il processo. Nello specifico saranno analizzate e definite le tecniche da utilizzare per poi procedere alla progettazione e implementazione di un primo sistema sperimentale di Machine Learning e Gamification con lo scopo di predire lo stato della batteria in base allo stile di guida dell'utente e incentivare quest'ultimo tramite sistemi di Gamification installati sul cruscotto ad una guida più consapevole dei consumi. Questo sistema sarà testato su dati simulati con l'obiettivo di avere un prodotto configurabile da installare sul veicolo.

Rilievo fotogrammetrico da drone per la generazione di modelli termici di porzioni di territorio

In questo elaborato viene sperimentato un iter processuale che consenta di utilizzare i sensori termici affiancati a fotocamere digitale in ambito fotogrammetrico al fine di ottenere prodotto dal quale sono estrapolabili informazioni geometriche e termiche dell’oggetto di studio. Il rilievo fotogrammetrico è stato svolto mediante l’utilizzo di un drone con equipaggiamento multisensoriale, termico e digitale, su una porzione di territorio soggetto ad anomalie termiche nei pressi di Medolla (MO). Per l’analisi termica e geometrica sono stati posizionati sul campo 5 target termici di cui ne sono state misurate le coordinate per la georeferenziazione delle nuvole dense di punti e la temperatura. In particolare sono state eseguite due riprese aeree dalle quali sono stati estratti i frame necessari per i processi di restituzione fotogrammetrica. Le immagini sono state sottoposte ad una fase di trattamento che ha prodotto immagini rettificate prive di delle distorsioni impresse dall’obbiettivo. Per la creazione degli elaborati vettoriali e raster a colori e termici sono stati impiegati inizialmente software di fotogrammetria digitale in grado di fornire scene tridimensionali georeferenziate dell’oggetto. Sono state sviluppate sia in un ambiente open-source, sia sfruttando programmi commerciali. Le nuvole dense sono state successivamente trattate su una piattaforma gratuita ad interfaccia grafica. In questo modo è stato possibile effettuare dei confronti tra i diversi prodotti e valutare le potenzialità dei software stessi. Viene mostrato come creare un modello tridimensionale, contenente sia informazioni geometriche che informazioni termiche, partendo dalla nuvola termica e da quella a colori. Entrambe georeferenziate utilizzando gli stessi punti fotogrammetrici d’appoggio. Infine i prodotti ottenuti sono stati analizzati in un ambiente GIS realizzando sovrapposizioni grafiche, confronti numerici, interpolazioni, sezioni e profili.

Comparison of earthquake-related consequences through loss analysis of different braced frame structural systems

Il presente elaborato di tesi tratta la valutazione di differenti sistemi di controventatura, sia dal punto di vista di risposta ad un evento sismico che in termini di perdite economiche legate al danneggiamento delle varie componenti. Tra di esse è presentata anche una nuova tipologia strutturale, ideata per ridurre il comportamento “soft-story” e “weak-story”, tipico delle strutture controventate convenzionali. In questo caso, è integrata alla struttura una trave reticolare metallica, che funge da supporto verticale ed è progettata per rimanere in campo elastico. Tale sostegno garantisce una distribuzione più uniforme degli sforzi lungo l’intera altezza della struttura, anziché concentrarli in un unico piano. La ricerca tratta lo studio della fattibilità economica di questa nuova tecnologia, rispetto alle precedenti soluzioni di controventatura adottate, confrontando le perdite economiche delle diverse soluzioni, applicate ad un unico prototipo di edificio collocato a Berkeley, CA. L’analisi sismica tiene in considerazione di tre diversi livelli di intensità, riferiti a un periodo di ritorno di 50 anni, corrispondente alla vita dell’edificio: questi sono caratterizzati dalla probabilità di ricorrenza, rispettivamente del 2%, 10% e 50% ogni 50 anni. L’ambito di ricerca presentato è estremamente innovativo e di primario interesse per lo sviluppo di uno studio sulla resilienza, che può essere adattato anche in un modello di urbanizzazione futura.

tuProlog su piattaforma Android: reingegnerizzazione in ottica Modern UI e fruibilità "as a service"

Questa tesi si occupa principalmente della revisione grafica in ottica Modern UI dell'app tuProlog Android, nella prospettiva di renderlo in futuro disponibile anche in modalità as-a-service. Dopo una attenta analisi preliminare dell'architettura di tuProlog in generale e in particolare della struttura dell'app tuProlog preesistente e del relativo progetto in ambiente Eclipse, ci si è focalizzati sulla riprogettazione dell'app, dall'analisi dei requisiti - ivi incluso il nuovo strumento di sviluppo da utilizzare, Android Studio - alla successiva analisi e progettazione della nuova soluzione, seguita da implementazione e collaudo.

Home Manager Application su Android ART: progetto e realizzazione in ottica modern UI

Questa tesi si occupa della realizzazione, in ottica Modern UI, di una nuova interfaccia per l'applicazione Android del sistema domotico Home Manager. Dopo una prima fase di analisi preliminare, si affronta la progettazione dell'app, dall'analisi dei requisiti - ivi incluso il nuovo strumento di sviluppo da utilizzare, Android Studio - alla successiva analisi e progettazione della nuova soluzione, seguita da implementazione e collaudo.

Estensione dell'Abstraction Layer di DTNperf alle API di IBR-DTN

Sono dette “challenged networks” quelle reti in cui lunghi ritardi, frequenti partizionamenti e interruzioni, elevati tassi di errore e di perdita non consentono l’impiego dei classici protocolli di comunicazione di Internet, in particolare il TCP/IP. Il Delay-/Disruption-Tolerant Networking (DTN) è una soluzione per il trasferimento di dati attraverso queste reti. L’architettura DTN prevede l’introduzione, sopra il livello di trasporto, del cosiddetto “bundle layer”, che si occupa di veicolare messaggi, o bundle, secondo l’approccio store-and-forward: ogni nodo DTN conserva persistentemente un bundle finché non si presenta l’opportunità di inoltrarlo al nodo successivo verso la destinazione. Il protocollo impiegato nel bundle layer è il Bundle Protocol, le cui principali implementazioni sono tre: DTN2, l’implementazione di riferimento; ION, sviluppata da NASA-JPL e più orientata alle comunicazioni spaziali; IBR-DTN, rivolta soprattutto a dispositivi embedded. Ciascuna di esse offre API che consentono la scrittura di applicazioni in grado di inviare e ricevere bundle. DTNperf è uno strumento progettato per la valutazione delle prestazioni in ambito DTN. La più recente iterazione, DTNperf_3, è compatibile sia con DTN2 che con ION nella stessa versione del programma, grazie all’introduzione di un “Abstraction Layer” che fornisce un’unica interfaccia per l’interazione con le diverse implementazioni del Bundle Protocol e che solo internamente si occupa di invocare le API specifiche dell’implementazione attiva. Obiettivo della tesi è estendere l’Abstraction Layer affinché supporti anche IBR-DTN, cosicché DTNperf_3 possa essere impiegato indifferentemente su DTN2, ION e IBR DTN. Il lavoro sarà ripartito su tre fasi: nella prima esploreremo IBR DTN e le sue API; nella seconda procederemo all’effettiva estensione dell’Abstraction Layer; nella terza verificheremo il funzionamento di DTNperf a seguito delle modifiche, sia in ambiente esclusivamente IBR-DTN, sia ibrido.

Single Events in a COTS Soft-Error Free SRAM at Low Bias Voltage Induced by 15-MeV Neutrons

This paper presents an experimental study of the sensitivity to 15-MeV neutrons of Advanced Low Power SRAMs (A-LPSRAM) at low bias voltage little above the threshold value that allows the retention of data. This family of memories is characterized by a 3D structure to minimize the area penalty and to cope with latchups, as well as by the presence of integrated capacitors to hinder the occurrence of single event upsets. In low voltage static tests, classical single event upsets were a minor source of errors, but other unexpected phenomena such as clusters of bitflips and hard errors turned out to be the origin of hundreds of bitflips. Besides, errors were not observed in dynamic tests at nominal voltage. This behavior is clearly different than that of standard bulk CMOS SRAMs, where thousands of errors have been reported.

Statistical Anomalies of Bitflips in SRAMs to Discriminate SBUs from MCUs

Recently, the occurrence of multiple events in static tests has been investigated by checking the statistical distribution of the difference between the addresses of the words containing bitflips. That method has been successfully applied to Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) and the original authors indicate that it is also valid for SRAMs. This paper presents a modified methodology that is based on checking the XORed addresses with bitflips, rather than on the difference. Irradiation tests on CMOS 130 & 90 nm SRAMs with 14-MeV neutrons have been performed to validate this methodology. Results in high-altitude environments are also presented and cross-checked with theoretical predictions. In addition, this methodology has also been used to detect modifications in the organization of said memories. Theoretical predictions have been validated with actual data provided by the manufacturer.

Dual self-image technique for beam collimation

We propose an accurate technique for obtaining highly collimated beams, which also allows testing the collimation degree of a beam. It is based on comparing the period of two different self-images produced by a single diffraction grating. In this way, variations in the period of the diffraction grating do not affect to the measuring procedure. Self-images are acquired by two CMOS cameras and their periods are determined by fitting the variogram function of the self-images to a cosine function with polynomial envelopes. This way, loss of accuracy caused by imperfections of the measured self-images is avoided. As usual, collimation is obtained by displacing the collimation element with respect to the source along the optical axis. When the period of both self-images coincides, collimation is achieved. With this method neither a strict control of the period of the diffraction grating nor a transverse displacement, required in other techniques, are necessary. As an example, a LED considering paraxial approximation and point source illumination is collimated resulting a resolution in the divergence of the beam of σ φ = ± μrad.

Giant enhancement of n-type carrier mobility in highly strained germanium nanostructures

First-principles electronic structure methods are used to predict the rate of n-type carrier scattering due to phonons in highly-strained Ge. We show that strains achievable in nanoscale structures, where Ge becomes a direct bandgap semiconductor, cause the phonon-limited mobility to be enhanced by hundreds of times that of unstrained Ge, and over a thousand times that of Si. This makes highly tensile strained Ge a most promising material for the construction of channels in CMOS devices, as well as for Si-based photonic applications. Biaxial (001) strain achieves mobility enhancements of 100 to 1000 with strains over 2%. Low temperature mobility can be increased by even larger factors. Second order terms in the deformation potential of the Gamma valley are found to be important in this mobility enhancement. Although they are modified by shifts in the conduction band valleys, which are caused by carrier quantum confinement, these mobility enhancements persist in strained nanostructures down to sizes of 20 nm.

Method to Improve the Linearity of Active Commutating Mixers Using Dynamic Current Injection

A double balanced (DBM) CMOS mixer providing high linearity is presented in this paper. A cross-coupled pair used in the IF stage of the mixer to dynamically inject current into the to mixer provide a high linearity. The proposed DBM was fabricated using a standard 130-nm CMOS process and was tested on-wafer. The double balanced mixer delivers 10 dB conversion gain, 9.5 dBm IIP3, and input P1dB of -2.4 dBm. RF bandwidth of the proposed mixer is 6 GHz, covering 0.5 GHz to 6.5 GHz with IF bandwidth of 300 MHz. RF to IF and LO to IF isolation are also better than 59 dB in the whole frequency band. The circuit uses an area of 0.015 mm2 excluding bonding pads and draw 4.5mW from a 1.2V supply.

A Decade-Bandwidth Low-Noise Mixer RFIC with a Distortion-Canceling Output Amplifier

This paper presents a 1-10 GHz low-noise downconvert mixer RFIC suitable for wideband receivers. A switched transconductor mixing core is adopted to reduce noise at high frequencies. By adding a series inductor to the RF transconductor, a flat 4-5 dB noise figure (NF) and a high gain of 26.5 dB can be achieved over a broad bandwidth out to 10 GHz. A CMOS output amplifier is also integrated on-chip, employing derivative superposition (DS) for high linearity and an OIP3 of 16.5 dBm. The circuit consumes less than 20 mW of dc power and occupies an active chip area of less than 0.2 mm2.