F O N D R O Z V O J E V Y S O K Ý C H Š K O L 2007

Projekt:

F O N D R O Z V O J E V Y S O K Ý C H Š K O L 2007 Agentura Rady vysokých škol, José Martího 31, 162 52 Praha 6 - Veleslavín tel. 220 172 148-9, fax. 220 560 221 Č.j. Fondu Přenos a detekce optického signálu Spec.:

Tem. okruh: G6 Požadované prostředky: Kapitálové: 0 Běžné: Řešitel: Jméno: Mgr. Michal Mičuda E-mail: [email protected] Škola: Univerzita Palackého v Olomouci Fakulta: Přírodovědecká fakulta Studijní program: Fyzika Studijní obor: Optika a optoelektronika Pracoviště: Katedra Optiky Adresa: tř. Svobody 26, 771 46 Olomouc E-mail: [email protected] 1. spoluřešitel: Jméno: Mgr. Miroslav Ježek E-mail: [email protected] Škola: Univerzita Palackého v Olomouci Fakulta: Přírodovědecká fakulta Pracoviště: Katedra optiky Adresa: 17. listopadu 50, 77200 Olomouc E-mail: [email protected] 2. spoluřešitel: Jméno: Mgr Miroslav Kovařík E-mail: [email protected] Škola: Univerzita Palackého v Olomouci Fakulta: Přírodovědecká fakulta Studijní program: Fyzika Studijní obor: Optika a Optoelektronika Pracoviště: Optiky Adresa: tř. Svobody 26, 771 46 Olomouc E-mail: [email protected]

139

LIST A

1586 /2007

Celkem:

139 tis. Kč

Datum narození: Telefon:

27. 6. 1979 +420585634251

Forma studia: Konec studia:

Ph.D. student prez. 10/2008

Telefon:

+420585634253

Datum narození: Telefon:

1. 1. 1977 +420774044497

Telefon:

+420585634253

Datum narození: Telefon:

20. 2. 1981 603366870

Forma studia: Konec studia:

Ph.D. student prez. 09/2008

Telefon:

585634253

Projekt: Tem. okruh: Řešitel: Škola: Fakulta: Anotace

F O N D R O Z V O J E V Y S O K Ý C H Š K O L 2007 Agentura Rady vysokých škol, José Martího 31, 162 52 Praha 6 - Veleslavín Č.j. Fondu Přenos a detekce optického signálu G6 Spec.: Mgr. Michal Mičuda Univerzita Palackého v Olomouci Přírodovědecká fakulta

LIST B 1586 /2007

Kódování, přenos a zpracování informace dnes představují fundamentální oblasti základního výzkumu i technických aplikací. Speciálně přenos informace optickým signálem se jeví jako velmi perspektivní. Klasické komunikační protokoly a metody detekce světla jsou stále častěji doplňovány protokoly kvantovými a detekcí na úrovni jednotlivých kvant světla - fotonů. Řešitelské pracoviště se zabývá základním výzkumem v této oblasti a poskytuje studentům kvalitní teoretické základy. Absolventi se však stále častěji setkávají v praxi s moderními optickými komunikačními prvky, především vláknovou optikou a citlivými detektory. Laboratorní úlohy a experimentálně orientované bakalářské a diplomové práce doplní teoretické znalosti studentů praktickými dovednostmi a poskytnou jim lepší možnosti uplatnění v komerční sféře. Tento projekt je součástí snahy Katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého poskytnout studentům komplexní vzdělání v oblasti moderních optických komunikací.

Konkrétní výstupy Výstupem projektu Přenos a detekce optického signálu bude soubor laboratorních úloh, které zvýší praktické vědomosti studentů v oblastech optické komunikace a moderní detekce světla. Konkrétně se jedná o problematiku navázání optického svazku do optického vlákna, prostorové filtrace pomocí optického vlákna a pomocí 4-f systému, změn polarizace při šíření optickým vláknem a vlivu mechanických a teplotních fluktuací na mod šířený optickým vláknem. Další úlohy se zabývají charakterizací fotodetektoru klasického signálu, detektorem jednotlivých fotonů a jeho vlastnostmi, časovým multiplexem a multikanálovou detekcí fotonů. Laboratorní úlohy budou sloužit k demonstraci zmíněných problémů pro studenty několika předmětů bakalářského a magisterského studia oboru Optika a optoelektronika, jmenovitě Vlnová a paprsková optika I a II, Koherentní optická měření a komunikace I a II, Kvantová komunikace a zpracování informace I, II a III. Vytvořené úlohy budou dostupné ve formě mini skripta. Úlohy budou prezentovány také v podobě výukových plakátů a budou zpřístupněny na internetových stránkách. Přínos k rozvoji fakulty / VŠ Hlavním přínosem projektu Přenos a detekce optického signálu je zkvalitnění výuky a praktická demonstrace jevů z oblasti optické komunikace a detekce světla na úrovni jednotlivých fotonů. Vytvořené laboratorní úlohy budou představeny na internetových stránkách. Tato prezentace demonstruje výukové možnosti řešitelského pracoviště, což vylepší prezentaci Katedry optiky a podpoří zájem studentů z řad středních škol o studium na Přírodovědecké fakultě Univerzity Palackého. Získané praktické dovednosti umožní absolventům jejich lepší uplatnění v komerční sféře, což zpětně zviditelní Katedru optiky a tím i Přírodovědeckou fakultu Univerzity Palackého.

Cílová skupina projektu Řešitelské pracoviště je akreditováno MŠMT ČR pro obor Optika a optoelektronika. Cílovou skupinou projektu Přenos a detekce optického signálu jsou studenti prezenčního bakalářského a magisterského studia Optika a optoelektronika. Projekt bude rozvíjet praktickou část výuky vlnové optiky v rámci bakalářského studia a specializovaných předmětů týkajících se optické komunikace v rámci magisterského studia. Seznam těchto předmětů je uveden níže. Předměty (ročník/semestr/rozsah výuky(hodiny)/kredity): *Vlnová a paprsková optika I: (3/zimní/4/5) *Vlnová a paprsková optika II: (3/letní/4/5) *Koherentní optická měření a komunikace I: (4/zimní/3/2) *Koherentní optická měření a komunikace II: (4/letní/3/4) *Kvantová komunikace a zpracování informace I: (4/zimní/3/2) *Kvantová komunikace a zpracování informace II: (4/letní/3/2) *Kvantová komunikace a zpracování informace III: (5/zimní/3/2)

F O N D R O Z V O J E V Y S O K Ý C H Š K O L 2007 Agentura Rady vysokých škol, José Martího 31, 162 52 Praha 6 - Veleslavín Projekt: Č.j. Fondu Přenos a detekce optického signálu Škola: Univerzita Palackého v Olomouci Fakulta: Přírodovědecká fakulta příspěvek školy K A P I T Á L O V É V Ý D A J E (tis. Kč) - doložte nabídkou Kapitálové výdaje celkem 0 B Ě Ž N É N Á K L A D Y (tis. Kč) - konkretizujte dle položek Odměny za řešení projektu 1 Stipendia 10 Ostatní osobní náklady 0 Služby 1 Cestovné zahraniční 0 Ostatní 18 Běžné náklady celkem 30 Celkem 30 PROHLÁŠENÍ ŘEŠITELE A SPOLUŘEŠITELŮ

LIST C 1586 /2007 TO: G6 Spec.: dotace z FRVŠ požadavek přiděleno 0 9 30 0 5 0 95 139 139

Prohlašujeme, že jsme uvedli úplné a pravdivé údaje a bereme na vědomí, že v opačném případě nebo při porušení obecně uznávaných zásad vědeckopedagogické etiky nebo pro hrubé závady při řešení projektu a hospodaření s přidělenými prostředky a při kontrole výsledků při závěrečném oponentním řízení můžeme být zbaveni práva ucházet se o grant až po dobu tří let. Souhlasíme s tím, aby ARVŠ používala osobní údaje uvedené v této žádosti při zpracování a evidenci projektu ve výběrovém řízení vypsaném pro rok 2007, během jeho řešení a po skončení pro účely hodnocení projektů. Souhlasíme se zveřejněním jmen řešitelů projektu. Spoluřešitelé dále souhlasí, aby uvedený řešitel řídil práce na projektu a disponoval poskytnutou dotací.

FOND ROZVOJE VYSOKÝCH ŠKOL 2007

Přihláška projektu FRVŠ 1586/2007/G6

Přenos a detekce optického signálu

Mgr. Michal Mičuda

Univerzita Palackého v Olomouci Přírodovědecká fakulta

Číslo projektu

1586/2007

Tem. okruh a specifikace

G6

Řešitel

Mgr. Michal Mičuda

Název projektu

Přenos a detekce optického signálu

Vysoká škola a fakulta

Univerzita Palackého v Olomouci Přírodovědecká fakulta

Anotace Kódování, přenos a zpracování informace dnes představují fundamentální oblasti základního výzkumu i technických aplikací. Speciálně přenos informace optickým signálem se jeví jako velmi perspektivní. Klasické komunikační protokoly a metody detekce světla jsou stále častěji doplňovány protokoly kvantovými a detekcí na úrovni jednotlivých kvant světla - fotonů. Řešitelské pracoviště se zabývá základním výzkumem v této oblasti a poskytuje studentům kvalitní teoretické základy. Absolventi se však stále častěji setkávají v praxi s moderními optickými komunikačními prvky, především vláknovou optikou a citlivými detektory. Laboratorní úlohy a experimentálně orientované bakalářské a diplomové práce doplní teoretické znalosti studentů praktickými dovednostmi a poskytnou jim lepší možnosti uplatnění v komerční sféře. Tento projekt je součástí snahy Katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého poskytnout studentům komplexní vzdělání v oblasti moderních optických komunikací.

Konkrétní výstupy Výstupem projektu Přenos a detekce optického signálu bude soubor laboratorních úloh, které zvýší praktické vědomosti studentů v oblastech optické komunikace a moderní detekce světla. Konkrétně se jedná o problematiku navázání optického svazku do optického vlákna, prostorové filtrace pomocí optického vlákna a pomocí 4-f systému, změn polarizace při šíření optickým vláknem a vlivu mechanických a teplotních fluktuací na mod šířený optickým vláknem. Další úlohy se zabývají charakterizací fotodetektoru klasického signálu, detektorem jednotlivých fotonů a jeho vlastnostmi, časovým multiplexem a multikanálovou detekcí fotonů. Laboratorní úlohy budou sloužit k demonstraci zmíněných problémů pro studenty několika předmětů bakalářského a magisterského studia oboru Optika a optoelektronika, jmenovitě Vlnová a paprsková optika I a II, Koherentní optická měření a komunikace I a II, Kvantová komunikace a zpracování informace I, II a III. Vytvořené úlohy budou dostupné ve formě mini skripta. Úlohy budou prezentovány také v podobě výukových plakátů a budou zpřístupněny na internetových stránkách.

Přínos k rozvoji fakulty / VŠ Hlavním přínosem projektu Přenos a detekce optického signálu je zkvalitnění výuky a praktická demonstrace jevů z oblasti optické komunikace a detekce světla na úrovni jednotlivých fotonů. Vytvořené laboratorní úlohy budou představeny na internetových stránkách. Tato prezentace demonstruje výukové možnosti řešitelského pracoviště, což vylepší prezentaci Katedry optiky a podpoří zájem studentů z řad středních škol o studium na Přírodovědecké fakultě Univerzity Palackého. Získané praktické dovednosti umožní absolventům jejich lepší uplatnění v komerční sféře, což zpětně zviditelní Katedru optiky a tím i Přírodovědeckou fakultu Univerzity Palackého.

Cílová skupina projektu Řešitelské pracoviště je akreditováno MŠMT ČR pro obor Optika a optoelektronika. Cílovou skupinou projektu Přenos a detekce optického signálu jsou studenti prezenčního bakalářského a magisterského studia Optika a optoelektronika. Projekt bude rozvíjet praktickou část výuky vlnové optiky v rámci bakalářského studia a specializovaných předmětů týkajících se optické komunikace v rámci magisterského studia. Seznam těchto předmětů je uveden níže. Předměty (ročník/semestr/rozsah výuky(hodiny)/kredity): • Vlnová a paprsková optika I: (3/zimní/4/5) • Vlnová a paprsková optika II: (3/letní/4/5) • Koherentní optická měření a komunikace I: (4/zimní/3/2) • Koherentní optická měření a komunikace II: (4/letní/3/4) • Kvantová komunikace a zpracování informace I: (4/zimní/3/2) • Kvantová komunikace a zpracování informace II: (4/letní/3/2) • Kvantová komunikace a zpracování informace III: (5/zimní/3/2)

Současný stav řešeného problému Výuka v předmětech, které představují cílovou oblast tohoto projektu, je doposud převážně teoreticky orientovaná. Také experimentální bakalářské a diplomové práce zaměřené na praktickou optickou komunikaci a detekci světla jsou nedostatečně podporovány, především z důvodu nedostatečného technického zázemí řešitelského pracoviště. V posledních několika letech

Mgr. Michal Mičuda

6

1586/2007

se situace zlepšuje a některé studentské práce se věnují moderním problémům vláknové komunikace a detekce, i když s využitím prostředků spolupracujících pracovišť. Projekt Přenos a detekce optického signálu usiluje o zlepšení vybavení řešitelského pracoviště, a to konkrétně v oblasti vláknových optických prvků a souvisejících potřebných mechanických komponent. Nové vybavení umožní realizaci dalších prakticky orientovaných bakalářských a diplomových prací. Laboratorní úlohy realizované s použitím těchto prvků budou současně sloužit při výuce ve výše uvedených předmětech.

Cíle řešení Cílem řešení jsou laboratorní úlohy zaměřené na dva základní aspekty optické komunikace, a to přípravu optického signálu a jeho detekce. Všechny níže popsané laboratorní úlohy budou obsahovat nejen experimentální realizaci, ale také teoretický nástin daného fyzikálního problému. Mechanické, optické a přístrojové požadavky potřebné k realizaci úloh jsou souhrnně uvedeny v kapitole Zdůvodnění finančních požadavků. Laboratorní úlohy jsou rozdělené do dvou tématických okruhů. První tématický okruh se zabývá přípravou optického signálu a bude obsahovat následující úlohy: • Navázání optického svazku do optického vlákna Obsahem úlohy je praktická realizace navázání optického svazku do optického vlákna s ohledem na maximalizaci navázaného optického výkonu. • Prostorová filtrace pomocí optického vlákna V této úloze se studenti seznámí s prostorovou filtrací optického svazku pomocí optického vlákna. Optický signál před a za filtrací bude zaznamenám a porovnán. • Prostorová filtrace pomocí 4-f optického systému Prostorová filtrace pomocí Fourierova 4-f optického systému představuje alternativní způsob k filtraci vláknovým vlnovodem. Optický signál před a za filtrací bude opět zaznamenám a následně budou oba záznamy porovnány. Součástí úlohy bude srovnání obou filtračních metod. • Změna polarizace při šíření optickým vláknem Optická vlákna převážně používaná v komunikačních sítích nezachovávají polarizační stav optického signálu. S tímto problémem a způsobem, jak se s ním vyrovnat, se studenti seznámí v této úloze. • Vliv mechanických a teplotních fluktuací na mod šířený optickým vláknem Další jevy, které přímo ovlivňují kvalitu přenášené informace, jsou mechanické a teplotní vlivy. Úloha demonstruje vliv těchto působení na šíření optického modu ve vlákně. Druhý tématický okruh se zabývá detekcí optického signálu a obsahuje následující úlohy: • Charakterizace fotodetektoru klasického (silného) signálu V optických komunikacích se používají různé detekční systémy. Při jejich praktické aplikaci a optimalizaci celého komunikačního protokolu je třeba znát detailně jejich vlastnosti. Tato charakterizace zahrnuje především spektrální citlivost, kvantovou účinnost a rychlost odezvy detektoru. Úloha seznamuje studenty s možnostmi měření časové odezvy a citlivosti detektoru. • Jednofotonový detektor a jeho vlastnosti Jednofotonové detektory umožňující detekci jednotlivých fotonů se používají nejen pro ověření fundamentálních statistických vlastností světla, ale také v nových komunikačních protokolech, jako je kvantová kryptografie. Proto se studenti v této úloze seznámí s detekcí na úrovní jednotlivých fotonů a základní charakterizací jednofotonového detektoru. • Multikanálový detektor fotonů Nevýhodou jednofotonových detekorů je nemožnost rozlišit počet fotonů v optickém pulsu. Zajímavou možností jak obejít tento problém při zachování výhody vysoké kvantové účinnosti je využití časového multiplexu. Vstupní optický puls je rozdělen na několik sub-pulsů, které jsou následně detekovány. Úloha seznámí studenty s metodou multikanálové detekce a její optimalizace.

Způsob řešení Budou vytvořeny osnovy laboratorních úloh, ve kterých se zohlední jak teoretický základ potřebný pro jednotlivé laboratorní úlohy tak i potřebné materiálové zabezpečení pro jejich experimentální realizaci. V další fázi budou objednány mechanické a optické komponenty potřebné pro realizaci jednotlivých laboratorních úloh. Úlohy budou prakticky realizovány s využitím prostředků, které jsou k dispozici na řešitelském pracovišti, a komponent pořízených z rozpočtu tohoto projektu. V průběhu realizace budou jednotlivé úlohy detailně zdokumentovány v podobě výukových textů obsahujících teoretický model a popis experimentální realizace včetně fotodokumentace.

Mgr. Michal Mičuda

7

1586/2007

Prezentace a využití výsledků Vytvořené laboratorní úlohy budou publikovány ve formě mini skripta. Dále budou vytištěny výukové plakáty, které budou použity při výuce a k prezentaci řešitelského pracoviště. Výsledný soubor laboratorních úloh bude zpřístupněn také na internetových stránkách. Témata úloh budou současně představovat motivaci pro bakalářské a diplomové práce studentů v oblasti optické komunikace. Vybavení pořízené z dotace pro účely realizace úloh umožní zvýšit kvalitu studentských prácí.

Charakteristika řešitelského kolektivu Řešitelský kolektiv tvoří studenti doktorského studia, magisterského studia a pracovník katedry optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého Olomouc. Celý řešitelský kolektiv úzce spolupracuje s vyučujícími na Katedře optiky. Následují stručné odborné životopisy členů řešitelského kolektivu. Mgr. Michal Mičuda (narozen 27. 6. 1979) je studentem prvního ročníku doktorského studia na Přírodovědecké fakultě Univerzity Palackého v Olomouci. Magisterské studium v oboru Optika a optoelektronika absolvoval se zaměřením Kvantová a nelineární optika a Optické zpracování informace. Studium zakončil obhajobou experimentální diplomové práce věnované multikanálovému detektoru fotonů. V současné době se zabývá vláknovou optikou a generací korelovaných a kvantově provázaných párů fotonů. V této oblasti spolupracuje se skupinou prof. Torrese na pracovišti Institut de Ciencies Fotoniques v Barceloně. Mgr. Miroslav Kovařík (narozen 20. 2.1981) studuje první ročník doktorského studia na Přírodovědecké fakultě Univerzity Palackého v Olomouci. Magisterský titul získal v oboru Učitelství pro střední školy, aprobaci na matematiku-fyziku. V současné době se zabývá teoretickou kvantovou optikou, speciálně problémy kvantového měření a rekonstrukce kvantového stavu. Bc. Lukáš Slodička (narozen 2. 4. 1984) studuje na Přírodovědecké fakultě Univerzity Palackého obor Optika a optoeloektronika. V rámci bakalářské práce se věnoval problematice filtrace prostorových optických modů. Na magisterském stupni studia se specializuje na Kvantovou a nelineární optiku. V rámci diplomové práce se zabývá experimentální realizací frekvenční konverze a generací korelovaných párů fotonů. Mgr. Miroslav Ježek (narozen 1. 1. 1977) pracuje na Katedře optiky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého jako vědecký pracovník. Hlavním směrem jeho výzkumu je kvantové měření a problém rozlišení kvantových stavů. Věnuje se také experimentální kvantové optice, především detekci světla na úrovni jednotlivých fotonů a experimentální realizaci kvantových informačních a komunikačních protokolů. Miroslav Ježek se podílí na výuce předmětů Kvantová fyzika (3. ročník) a Koherentní optická měření a komunikace I,II (4. ročník) a na vedení bakalářských a diplomových prací studentů oboru Optika a optoelektronika. Výběr z publikací: J. Řeháček, Z. Hradil, Z. Bouchal, M. Ježek, Tomographic analysis of vortex information content, J. Mod. Opt. 53, 689 (2006). J. Soubusta, et al., Summary of the experimental results obtained in the laboratory of photon optics, Jemná mechanika a optika 50, 20 (2005). Z. Hradil, J. Řeháček, J. Fiurášek, M. Ježek, Maximum-likelihood methods in quantum mechanics, in M. Paris and J. Rehacek, Eds., Quantum State Estimation, Lecture Notes in Physics, Springer 2004. M. Ježek, Z. Hradil, Reconstruction of spatial, phase and coherence properties of light, J. Opt. Soc. A 21, 081407 (2004). M. Ježek, J. Fiurášek, Z. Hradil, Quantum inference of states and processes, Phys. Rev. A, 68, 012305 (2003). J. Fiurášek, M. Ježek, Optimal discrimination of mixed quantum states involving inconclusive results, Phys. Rev. A, 67, 012321 (2003).

Zdůvodnění finančních požadavků Finanční dotace je určena převážně na nákup vybavení potřebného k praktické realizaci laboratorních úloh (95000 Kč, viz rozpis níže). Menší část je vyhrazena na odměny (9000 Kč) členům řešitelského týmu a na stipendia (30000 Kč) studentům, kteří se budou aktivně podílet na realizaci tohoto projektu. Dotace požadovaná v kategorii Služby (5000 Kč) bude z větší části použita na okonektorování optických vláken a také na tvorbu výukových materiálů, jmenovitě mini skripta a výukových plakátů. V kategoriích Ostatní osobní náklady a Cestovné zahraniční není požadována dotace. Rozpis položek v kategorii Ostatní: • Optická deska (14000 Kč) • Mechanické komponenty: vyvazovač, navazovač, stojánky pro zrcátka, x-y posuv, clonky (47000 Kč)

Mgr. Michal Mičuda

8

1586/2007

• Optické komponenty: zrcátka, čočky, pinhole (24000 Kč) • Manuální polarizační kontroler (6000 Kč) • Optická vlákna (4000 Kč)