OPTOELEKTRONIKA A INTEGROVANÁ OPTIKA, FSI-TOI-A GARANT PŘEDMĚTU: Prof. RNDr. Jiří Petráček, Dr. (ÚFI) VYUČUJÍCÍ PŘEDMĚTU: Prof. RNDr. Jiří Petráček, Dr. (ÚFI), CSc., Yasa Eksioglu Özok, Dr. (ÚFI) JAZYK VÝUKY: angličtina TYP A ROZSAH VÝUKY: 2 hodiny přednášek a 1 hodiny cvičení týdně ZPŮSOBY HODNOCENÍ: zápočet a (písemná a ústní) zkouška PREREKVIZITY: Fyzika: základní znalosti z optiky (paprsková optika, interference a difrakce světla, princip laseru), teorie elektromagnetického pole (Maxwellovy rovnice, vlnová rovnice, rovinná vlna, vlny v látkovém prostředí) a fyziky polovodičů (energiové pásy, přechod p-n). Matematika: znalosti odpovídající obvyklému univerzitnímu kurzu (např. schopnost řešit základní typy obyčejných a parciálních rovnic). VÝSTUPY VÝUKY A KOMPETENCE: Základní znalosti z optoelektroniky a integrované optiky. Pochopení činnosti optických prvků jako jsou vlnovody, optická vlákna, laserové diody, optické modulátory a mřížové členy. Schopnost návrhu jednoduchých vlnovodných prvků. ANOTACE: Cílem kurzu je získání základního přehledu v oblasti optoelektroniky a integrované optiky včetně výchozích principů a některých současných trendů. Přednáška pokrývá tyto oblasti: elektromagnetická teorie optických vlnovodů, teorie vázaných vidů, vazba mezi vlnovody a vazební členy; technologie výroby vlnovodných prvků; modulace a spínání ve vlnovodech; zdroje a detektory záření pro integrovanou optiku; vybrané aplikace integrované optiky, fotonické krystaly, mikrorezonátory.
PODROBNÝ OBSAH PŘEDMĚTU Úvod • • • • • •
Vymezení pojmů: elektronika a fotonika, optoelektronika, integrovaná optika Koncept integrované optiky (IO) (1969) Aplikace IO Optické komunikace včera a dnes Vývoj optických technologií Vlnovody
Lekce I - Elektromagnetická teorie optických vlnovodů Část 1. Vlny v optice • • • • • •
Maxwellovy rovnice (MR) Odezvová funkce Struktura rovinné vlny, homogenní a nehomogenní rovinná vlna Dvojrozměrné struktury (2D) Rozklad na TE a TM řešení Vlny na rozhraní o úplný odraz o evanescentní vlna o Goosův-Hänchenové posuv o optické tunelování
Část 2. Mody vlnovodu •
•
Planární vrstevnatý vlnovod o kvalitativní popis, vedené a zářivé mody o podmínka příčné rezonance o disperzní rovnice o kritická tloušťka o obecné řešení MR pro 1D problém, aplikace na planární vrstevnatý vlnovod o výkon o vytékající mody Optické vlákno o kvalitativní popis základních vlastností optického vlákna se skokovou změnou indexu lomu meridiánové a kosé paprsky hybridní mody numerická apertura o obecné řešení MR pomocí formulace používající podélné složky pole o aplikace této formulace na vlákno se skokovou změnou indexu lomu o kvalitativní popis TE, TM, EH a HE modů o slabě vedoucí vlákna – lineárně polarizované (LP) mody kvalitativní popis řešení MR pro LP mody profily polí a disperzní rovnice pro LP mody o mezní frekvence o počet modů v daném vlákně
Část 3. Obecné vlastnosti modů • • • • • • •
Definice modů Hledání modů pomocí formulace používající příčné složky pole Vlastnosti šířivých a evanescentních modů Ortogonalita a úplnost systému modů Důsledek: rozklad do modů Excitace vlnovodu pomocí libovolného vstupu Důsledek pro celkový výkon přenášený vlnovodem
Část 4. Teorie vázaných modů • • •
Rovnice vázaných modů Uniformní porucha – Δε nezávisí na z Periodická porucha o příklady periodických struktur o podmínka synchronizace fáze, Braggova podmínka o systém vázaných rovnic o vazba mezi stejnými mody jdoucími v opačných směrech příklad: braggovská mřížka na vlnovodu odraz od braggovské mřížky o vazba mezi různými mody, které se šíří ve stejném směru
Část 5. Vazba mezi vlnovody • • •
Využití symetrie, popis interakce pomocí představy interference symetrického a antisymetrického modu Formulace pomocí vázaných rovnic a jich řešení Optický směrový vazební člen
Část 6. Vstupní a výstupní členy • • • • • • •
Základní charakteristiky, účinnost vazby, vazební ztráta Přímá fokusace Přímé navázání Hranolový vazební člen Mřížový vazební člen Úžený vlnovod Měření ztrát
Lekce II - Technologie výroby optických vlnovodů a vláken (vybrané příklady) •
• •
Planární vlnovody o depozice tenkých vrstev naprašování depozice z roztoků polymerizace CVD o difúze o iontová výměna o iontová implantace o odstranění nositelů náboje o epitaxní růst Výroba trojrozměrných prvků Výroba optických vláken
Lekce IV - Ovládání světla – modulátory •
•
•
Elektrooptické modulátory o elektrooptický jev (EO) o fenomenologický popis EO jevu o planární EO modulátor o Machův-Zehnderův modulátor intenzity o senzor pro měření vysokého napětí o EO modulátor využívající povrchových plazmonů o EO směrový vazební člen o laditelný frekvenční filtr o modulátor používající Braggovu difrakci o přepínač používající úplný odraz o šířka pásma u EO modulátorů o kapalné krystaly (LCD) vlnovodné spínače využívající LCD LCD panely Akustooptické modulátory o fotoelastický jev a akustooptický jev o fenomenologický popis AO jevu o Braggova difrakce a Debyeův-Searsův (Ramanův-Nathův) rozptyl o Braggova difrakce v anizotropním prostředí o Braggova difrakce na akustickém svazku uspořádání s malým Braggovým úhlem uspořádání s velkým Braggovým úhlem modulátor deflektor pole měničů s posunutou fází o povrchová akustická vlna (SAW) o spektrální laditelný filtr o spektrální analyzátor Magnetooptické modulátory o magnetooptický jev, Faradayův jev a optická aktivita o magnetooptický izolátor
Lekce V - Zdroje a detektory záření pro IO •
•
Opakování: polovodiče o energiové pásy kovu a polovodiče o elektrony a díry o vlastní polovodič, polovodič typu n a typu p, degenerovaný polovodič o přechod p-n Luminiscenční diody (LED) o popis LED s p−n přechodem o účinnost plošně vyzařující LED
•
•
o používané materiály pro LED o LED s dvojitou heterostrukturou o Charakteristiky LED o LED pro optické vláknové komunikace o hranově vyzařující LED Lasery o stimulovaná emise o inverzní populace o optický zesilovač o laserová dioda (LD) o podmínka laserových oscilací o LD s dvojitou heterostrukturou o charakteristiky LD o LD pro optické vláknové komunikace o laser s rozprostřeným Braggovým reflektorem (DBR) o laser s rozprostřenou zpětnou vazbou (DFB) o laser se štípanou zdvojenou dutinou (C3) o laditelné lasery o laser s kvantovou jámou o VCSEL (mikrolaser) Fotodiody o fotodioda p-n o fotodioda p-i-n o lavinová fotodioda
Lekce VI - Vybrané aplikace a trendy •
•
•
Prstencové rezonátory (integrované kruhové rezonátory) o kvalitativní popis o zesílení intenzity o pomalé světlo o kritická vazba Fotonické krystaly (PhC) o více k periodickým strukturám o elektromagnetizmus jako problém vlastních hodnot o Floquetův-Blochův teorém o rozbor pásového diagramu pro jednorozměrné (1D) PhC o Braggův reflektor jako 1D PhC o příklady 2D a 3D PhC o poruchy v PhC o vlnovody v PhC o vyčleňovací filtry v PhC o nelineární filtry v PhC o další geometrie Nanorezonátory s vysokým činitelem kvality (Q)
o o o
výhody rezonátorů s malým efektivním objemem V a vysokým Q fotonické senzory citlivost senzorů s různým typem nanorezonátorů
Cvičení Program cvičení vychází z řešení samostatných problémů uvedených na přednášce a je rozložen do jednotlivých témat takto: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
Vlny v optice, evanescentní vlna Goosův-Hänchenové posuv Planární vlnovod: podmínka příčné rezonance Planární vlnovod: profily polí Povrchové vlny na rozhraní kov-dielektrikum Excitace vlnovodu pomocí libovolného vstupu Odraz od Braggovy mřížky na vlnovodu Vazba mezi vlnovody, interference symetrického a antisymetrického modu, optický směrový vazební člen Planární EO modulátor Machův-Zehnderův modulátor intenzity Podmínka laserových oscilací Aplikace teorie vázaných modů k analýze laserů typu DBR a VCSEL
Tyto problémy jsou řešeny společně se cvičícím. Kromě toho studenti samostatně řeší další úlohy, které slouží k procvičení dalších znalostí získaných na přednášce. Zadání těchto úloh je uvedeno v souboru problems_optoelectronics_and_integrated_optics.pdf
♣ ZÁKLADNÍ LITERATURA: 1. R. G. Hunsperger, Integrated Optics: Theory and Technology. Springer, Berlin 1991. 2. B. E. A. Saleh, M. C. Teich, Základy fotoniky. Matfyzpress, Praha, 1994-1996. (Fundamentals of Photonics. Wiley, 1991.) 3. J. Čtyroký, I. Hüttel, J. Schröfel, L. Šimánková, Integrovaná optika. SNTL, Praha, 1986.
DALŠÍ DOPORUČENÁ LITERATURA: 4. D. Marcuse, Theory of Dielectric Optical Waveguides. Academic, New York, 1974.
5. S. O. Kasap, Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices. Prentice-Hall, Upper Saddle River, 2001. 6. C-L. Chen, Elements of optoelectronics and fiber optics. Irwin, Chicago, 2001. 7. A. Yariv, P. Yeh, Photonics. Oxford University Press, 2007. 8. T. Tamir, Integrated optics, Berlin, Springer Verlag, 1975.
Předmět je inovován s podporou projektu „Inovace mezioborového studia přírodních věd a inženýrství“ (CZ.1.07/2.2.00/28.0250).
