URZĄDZENIA i SYSTEMY FOTONICZNE Prof. dr hab. inż. Małgorzata Kujawinska Dr inż. Tomasz Kozacki Dr inż. Michał Józwik Specjalność: Inżynieria Fotoniczna

URZĄDZENIA I SYSTEMY FOTONICZNE Prowadzący: M. Kujawińska z udziałem T. Kozackiego i M. Józwika Wykład: 30 godz., Laboratorium: 30 godz. Egzamin z wykładu 60 pkt Zaliczenie z lab. 40 pkt Literatura podstawowa: 1. Gupta M.C.: Handbook of photonics, CRC Press, 1997 2. Domański A.W.: Układy i urządzenia optoelektroniczne, Wyd. w ramach "Tempus Series in Applied Physics", Oficyna Wyd. PW, Warszawa 1997 3. Saleh A.E., Teich M.C.: Fundamentals of Photonics, J. Wiley & Sons, Inc. New York 1991 4. Sinzinger S., Jahns J.: Microoptics, Wiley-VCH, 1999 5. World of Microsystems: materiały z płyty multimedialnej ISBN 2-88238-004-6, 2004

Architektura urządzeń i systemów fotonicznych Materiały fotoniczne Zakres tematyczny Architektura urządzeń i systemów fotonicznych Materiały fotoniczne - półprzewodnikowe, ferroelektryczne, materiały organiczne Podstawowe technologie Fotoniczne urządzenia i optyka - urządzenia optoelektroniczne (półprzewodnikowe) - miniaturowe lasery na ciele stałym - optyczne modulatory - optyka dyfrakcyjna – ćwiczenia (TK) - urządzenia falowodowe (światłowody: wykł. TŚ) - technologie i elementy MEMS i MOEMS Systemy fotoniczne - magazynowanie danych, optyczny „computing” - optyczna telekomunikacja, sieci sensorów - „lab-on-chip” - optyczne systemy zabezpieczeń, systemy „display” Ateriały fotoniczne

LABORATORIUM Prowadzący: T. Kozacki, P. Kniażewski, A. Pakuła, J. Kacperski 1 zajęcia wstępne – programowanie w MathLab 3 cykle po 3 cwiczenia X 3 godz 1 zajęcia wyjazdowe WAT : czujniki interferencyjne i sieci św. mikrolasery, ciekłe kryształy Zajęcia wykładowe podwójne (3-4 godz.) Październik, listopad

Wykaz ćwiczeń: Zajęcia wstępne wraz z wykładem (3 h ): Programownie w Matlabie Cykle II – IV poprowadzone zostaną w terminach listopad-styczeń na godzinach wykładowych i laboratoryjnych (wg wywieszonego harmonogramu). Cykl II Badanie podstawowych parametrów światłowodowych i wybranych elementów toru światłowodowego Optoelektroniczne przesyłanie sygnału audio i video torem światłowodowym Badanie aktywnych elementów MOEMS Cykl III Dyfrakcyjne elementy optyczne Projektowanie elementów dyfrakcyjnych (elementy ogniskujące) Modulatory fazowe i intensywnościowe Cykl IV Badanie optycznych operatorów logicznych i modelowanie sieci neuronowych Cyfrowa rejestracja i optoelektroniczna rekonstrukcja hologramu cyfrowego Realizacja i badania wybranych czujników interferometrycznych

Materiały fotoniczne Półprzewodniki Ferroelektryki Mat. organiczne III-V, II-VI, III-N źródła (λ=0.65 i 1.55) detektory modulatory skanery przetworniki częstotliwości pamięci holograficzne wyświetlacze efekty nieliniowe PMMM polistyren Rodzina LiNb KDP, TGS(trigliceryn), KTN,……..

Materiały fotoniczne Materiały półprzewodnikowe: Generacja, detekcja, modulacja światła Wytwarzanie monolitycznych urządzeń optoelektronicznych Nowe technologie: epitaksja z wykorzystaniem wiązki molekularnej Osadzanie chemiczne w parach metal-subst. organiczne Uzyskano: nowe struktury warstwowe (supersiatki i struktury ze studniami kwantowymi, a dzieki temu: - mat. półprzew. z grupy II-V: lasery 1.55um – telekomunikacja i 0.65um – pamięci optyczne - mat. półprzew. z grupy II-IV : ultrafioletowe lasery dla pamięci opt., drukarek, display

Materiały ferroelektryczne (kryształy, ceramika, cienkie warstwy) Efekty: dwójłomności, elektrooptyczne, fotorefrakcyjne, nieliniowe, elektrosprężyste Zastosowania: modulacja, powielenie częstotliwości, wzmocnienie, W optyce zintegrowanej, optycznych pamięciach Materiały organiczne (kryształy i polymery): Efekty: nieliniowości drugiego rzędu Zastosowania: konwersja częstotliwości, wielość strukturalnych i innych własności optycznych (ale walka ze stabilnością w czasie)

Urządzenia fotoniczne Części składowe systemów fotonicznych obejmujące: źródła promieniowania (wraz z zasilaniem, sterowaniem itd.) detektory promieniowania (wraz z zasilaniem,sterowaniem itd.) elementy pasywne: falowody, światłowody, elementy MEMS i MOEMS, mikrooptykę (refrakcyjną, binarną), złączki , sprzęgacze, filtry, polaryzatory, izolatory) elementy aktywne (modyfikujące promieniowanie E-M) wzmacniacze, modulatory: amplitudy, fazy, częstotliwości, polaryzacji długości fali aktywne elementy MEMS i MOEMS

Systemy fotoniczne = funkcjonalnie zestawione urządzenia fotoniczne + ich integracja + ich „packaging” Architektura: smart pixel, optyka zintegrowana (falowody/światłowody), mikrostoły i mikroławy optyczne, lab-on-chip

The food chain in micro-optics EU NoE NEMO www.micro-optics.org Mastering and Prototyping Technologies Applications for the Quality of Life Low - Cost R eplication Meas urement and Instrumentation Assembly, Integration and Packaging M odel l ing and Design EU NoE NEMO www.micro-optics.org

Obiekty zainteresowania micro- i nanomateriały MEMS i MOEMS (zwierciadła, membrany, grzebienie, belki,...) electroniczne elementy & zespoły pakiety M-O & M-E fazowe elementy optyczne (mikrosoczewki, falowody, światłowody, ...) dyfrakcyjne elementy optyczne

Mikro-stoły optyczne Obraz uzyskany z przy użyciu SEM a) widok elementów zintegrowanych na mikro-ławie b) widok umieszczania elementów na waflu Si

Mikro-stoły optyczne Schemat widok modułu a) diody laserowej b) fotodiody mPD- fotodioda monitorująca

Komercyjnie dostępne mikrostoły Niedokładność mocowania w rowku ±0,5 um Chropowatość powierzchni ±0,2 um Niedokładność kątowa ±0,2'

Czemu chcemy integrować (np.. Systemy pomiarowe) Konstrukcja zintegrowanych mikroskopów do pomiarów w mikroskali i aplikacji typu Lab-on-chip

Integration of an individual chip-scale microscope a VCSEL bonded by flip-chip on a membrane with a microlens focusing the VCSEL beam on a scanned sample.  A Fresnel microlens is carried by a vertical microscanner (vertical comb-drive actuator). The microlens will be etched directly on the piston-like membrane of the actuator, performing the vertical motion of the microlens. 

Chip-scale optical scanning confocal microscope multiprobe system an individual “smart pixel” Perspectives: realisation of array-type chip-scale multi-probe microscopes, biological applications

4M Device Miniaturized compound microscope for imaging molecular features of pre-cancer 5.0mm(W)×13.0mm(L) ×2.5mm(H) Battery powered and pen-sized Multi-modal capability: Reflectance imaging, Fluorescent imaging Optical sectioning Hybrid Lenses CMOS image sensor Beam Splitter Condenser Lens Folding Mirror Light Source Sinusoidal Grating Objective Lens Micro Optical Table (MOT) Object in Water

Michelson interferometer with MEMS based actuator:  scheme photograph of a comb drive actuator with mirror 

Integrated Waveguide Microinterferometric System  Measurement modules:  grating interferometer (or ESPI) for in-plane displacement/strain measurement  Twyman-Green interferometer (or DHI) for shape/out-of-plane measurement  digital holographic interferometer for u,v,w displacements measurements  Iluminating/Detection module  Active beam manipulation module

Microinterferometric System Integrated Waveguide Microinterferometric System

Sieć światłowodowa Lucent NxN przełącznik optyczny Układ zintegrowanego interferometru falowodowego

Mikrostoły optyczne