Zakład Optoelektroniki IMiO Podstawy fotoniki (2 h wykładu + 1 h laboratorium ) optoelectronics Michał Malinowski Zakład Optoelektroniki IMiO pokój 123 GR tel. 234 7783 m.malinowski@elka.pw.edu.pl

Podstawy fotoniki regulamin przedmiotu optoelectronics 1. Przedmiot składa się z wykładu i laboratorium   2. Warunkiem zaliczenia przedmiotu jest uzyskanie pozytywnej oceny zarówno z wykładu jak i laboratorium. 3. Wykład zaliczany jest na podstawie dwóch kolokwiów; pierwszego w połowie, drugiego pod koniec semestru. Warunkiem zaliczenia jest uzyskanie pozytywnej oceny z każdego z kolokwiów. Studentowi przysługuje jeden termin poprawkowy każdego z kolokwiów. Ocena końcowa jest średnią z wszystkich ocen cząstkowych. 4. Ocena końcowa z laboratorium jest średnią ocen z poszczególnych ćwiczeń. 5. Ocenianie odbywa się w skali od 0 do 5. Osoby które wykazały rażące nieprzygotowanie bądź nie przystąpiły do sprawdzianu lub laboratorium otrzymują ocenę zero. 6. Tablica informacyjna przed wejściem do Zakładu Optoelektroniki IMiO, na 1 piętrze Gmachu Radiotechniki jest właściwym miejscem uzyskania informacji o przedmiocie. 7. Wszelkie wątpliwości i sytuacje nie objęte niniejszym regulaminem chętnie wyjaśni prowadzący wykład.

Podstawy fotoniki Schemat systemu komunikacji światłowodowej optoelectronics Schemat systemu komunikacji światłowodowej przetwarzanie i modulacja źródło generacja propagacja detekcja

Podstawy fotoniki optoelectronics Wykład dotyczy całokształtu zjawisk fizycznych leżących u podstaw działania urządzeń optoelektronicznych związanych z wytwarzaniem, propagacją, przetwarzaniem i detekcją promieniowania elektromagnetycznego z zakresu optycznego. Omawiane zjawiska ilustrowane są konkretnymi zastosowaniami i rozwiązaniami technicznymi. Wykład ma charakter podstawowy, stanowi również wstęp do przedmiotów z obszaru optoelektroniki laserowej, techniki światłowodowej, przetwarzania obrazu i układów optoelektronicznych rozwijanych w ramach specjalności EIK. Jednym z zasadniczych celów jest zwrócenie uwagi na właściwości i specyfikę światła jako nośnika informacji (szczególnie dla potrzeb telekomunikacji i techniki cyfrowej) oraz na aplikacje wynikające z oddziaływania promieniowania z materią. -wstęp; relacje pomiędzy optyką geometryczną, falową, elektromagnetyczną i kwantową -generacja i otrzymywanie promieniowania, -propagacja światła, -przetwarzanie i modulacja, -detekcja promieniowania. Wykład traktuje osobno zagadnienia związane z współczesnymi aplikacjami i perspektywami rozwoju systemów optoelektronicznych w telekomunikacji i informatyce. Inna grupa zagadnień związanych z wykorzystaniem oddziaływania promieniowania z materią zostanie przedstawiona na przykładzie zastosowań laserów w procesie produkcji półprzewodnikowych układów scalonych oraz zastosowań laserów w medycynie.

Podstawy fotoniki Literatura H. Haken „Światło - fale, fotony, atomy” optoelectronics Literatura H. Haken „Światło - fale, fotony, atomy” C. Kittel „Wstęp do fizyki ciała stałego” J. Petykiewicz „Optyka falowa” J. Petykiewicz „Podstawy fizyczne optyki scalonej” I.W. Sawiliew „Wykłady z fizyki 3” J. Helsztyński „Modulacja światła spójnego” F. Kaczmarek „Wstęp do fizyki laserów” K. Gniadek „Optyczne przetwarzanie informacji” K. Shimoda „Wstęp do fizyki laserów” J.I. Pankove „Zjawiska optyczne w półprzewodnikach” R. Feynman „Wykłady z fizyki T1/2” M. Bertolotti „Masery i lasery” A. Kujawski, P. Szczepański „Lasery - podstawy fizyczne” M. Malinowski „Lasery światłowodowe” B. Salech „Fundamentals of photonics”

czas optyczne elektryczne mechaniczne optoelectronics Ludzkość uczy się kształtować właściwości materii: czas Ostatnie osiągnięcia optyczne elektryczne mechaniczne Pinceta laserowa Optyczne schładzanie Stany kwantowe splątane Czujniki światłowodowe Optyczne Mikro-Elektro- Mechaniczne Systemy

Podstawy fotoniki ELEKTRONIKA FOTONIKA optoelectronics silne oddziaływanie elektron-elektron słabe oddziaływanie foton-foton ELEKTRONIKA FOTONIKA

ELEKTRONIKA FOTONIKA Rozmiar Nanoelektronika Nanofotonika Czas Lampy optoelectronics Rozmiar Nanoelektronika Nanofotonika Czas Lampy (1904) Tranzystory (1947) Układy scalone (1958) Układy VLSI (1980-90) Elektronika molekularna (~ 2000) Laser (1960) Optyka światłowodowa Światłowody planarne Zintegrowane układy optyczne OIC Kryształy fotonowe PBG

Historia, geneza laser włókna światłowodowe optoelectronics Nowe osiągnięcia: laser włókna światłowodowe półprzewodnikowe urządzenia optyczne   Nowe dziedziny: optoelektronika zagadnienia związane z wzajemną konwersją promieniowania świetlnego i sygnału elektrycznego elektro-optyka elektronika kwantowa optyka kwantowa technika światłowodowa fotonika

Historia -1000 1000 1600 1700 1800 1900 2000 Teoria falowa (Fresnel) optoelectronics Teoria falowa (Fresnel) Empiryczne prawa załamania (Snell) “...and the foot of it of brass, of the looking glasses of the women assembling,” (Exodus 38:8) Światło i ciśnienie fali (Descartes) Fala poprzeczna, polaryzacja , interferencja (Young) Prostoliniowa propagacja (Euclid) Zasada najkrótszego czasu (Fermat) Światło i magnetyzm (Faraday) Najkrótsza droga (Prawie prawda!) (Hero of Alexandria) v<c, i dwa rodzaje światła (Huygens) Teoria EM (Maxwell) Płaszczyzna padania Zwierciadła wklęsłe (Al Hazen) Odrzucenie eteru, wczesna MQ (Poincare, Einstein) Korpuskuły, eter (Newton) -1000 1000 1600 1700 1800 1900 2000

Historia współczesna optoelectronics http://www.sff.net/people/Jeff.Hecht/chron.html Laser (Maiman) Teleskop Hubblea http://members.aol.com/WSRNet/D1/hist.htm folie Polaroid (Land) Kontrast fazowy (Zernicke) EDFA Włókno optyczne (Lamm) SM włókno (Hicks) HeNe (Javan) Maser optyczny (Schalow, Townes) GaAs Mechanika Kwantowa FEL (Madey) Prędkośc/Światło (Michaelson) CO2 (Patel) Holografia (Gabor) Komercyjne łącze światłowodowe (Chicago) Emisja Spontaniczna (Einstein) Inne lasery 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Kroki milowe optoelektroniki optoelectronics Maiman pierwszy LASER (rubinowy) Javan invents He-Ne laser Spectra -laser szafir-tytan pierwszy system komunikacji optycznej (Chicago) Einstein przewiduje emisję wymuszoną Hall buduje laser półprzewodnikowy Townes pierwszy MASER Chapin, Fuller Pearson ogniwo słoneczne Schawlow and Townes propose LASER Faist builds quantum cascade laser Alferov buduje laser heterozłączowy IBM - pierwsza drukarka laserowa Nakamura niebieska dioda laserowa odtwarzacz CD nanowire laser UCB 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Optoelektronika w życiu codziennym optoelectronics fotografia cyfrowa czytniki kodów paskowych odtwarzacze CD, DVD drukarki laserowe Wyświetlacze obrazu, monitory ...

Światło promień, fala czy cząstka? cząstka - Isaac Newton (1642-1727) optoelectronics promień, fala czy cząstka? cząstka - Isaac Newton (1642-1727) fala - Huygens (1629-1695) dualizm- korpuskularno-falowy De Broglie (1924)

Fale elektromagnetyczne optoelectronics

Dlaczego używamy światło? - Pasmo!' optoelectronics The rate at which you can transmit information is limited to a fraction of the frequency of the 'carrier wave' Fale Nazwa Częstotliwość MF Radio 1MHz, 1000,000Hz HF Radio 10MHz, 10,000,000Hz VHF Radio 100MHz 100,000,000Hz Microwaves 10GHz 10,000,000,000Hz Infrared Light 200THz 200,000,000,000,000Hz! Dlatego dla multi-GHz transmisji musimy używać światło!

Fale elektromagnetyczne optoelectronics

Światło widzialne optoelectronics f 1015 Hz =

Światło widzialne od 360 do 720 nm długość fali 400 nm 450 nm 500 nm optoelectronics od 360 do 720 nm 400 nm 450 nm 500 nm długość fali 550 nm 60 0 nm 650 nm 70 0 nm

Światło widzialne optoelectronics od 360 do 720 nm

Światło widzialne od 360 do 720 nm Komunikacja optyczna optoelectronics od 360 do 720 nm Komunikacja optyczna

czas OPTYKA KWANTOWA TEORIA POLA EM OPTYKA FALOWA OPTYKA GEOMETRYCZNA optoelectronics czas OPTYKA KWANTOWA TEORIA POLA EM OPTYKA FALOWA OPTYKA GEOMETRYCZNA

Fale Cząstki Zlokalizowane w przestrzeni. Tor prostoliniowy. optoelectronics Fale Cząstki Zlokalizowane w przestrzeni. Tor prostoliniowy. Mają zdefiniowany pęd. Nie mogą się nawzajem przenikać. Rozciągłe w przestrzeni. Mogą zakrzywiać swój bieg. Charakteryzują się zakresem pędu. Mogą się sumować (interferować) konstruktywnie bądź destruktywnie.

„Optyka geometryczna” optoelectronics Podstawy fotoniki wykład 1 „Optyka geometryczna”

Optyka geometryczna ò = n Podstawowe pojęcia i postulaty = ds r n ) ( optoelectronics Podstawowe pojęcia i postulaty Światło rozprzestrzenia się w postaci promieni Ośrodek optyczny jest scharakteryzowany współczynnikiem załamania n: Czas potrzebny na przebycie drogi d: t = d/c = nd/c0 droga optyczna: nd Ośrodek optycznie niejednorodny: n(r) r=(x,y,z) czas jaki jest potrzebny by światło pokonało drogę od punktu A do B jest proporcjonalny do drogi optycznej n = c c ò = B A ds r n ) ( Droga Optyczna = DO

Współczynnik załamania optoelectronics prędkość światła w próżni prędkość światła w ośrodku n =  1 c0= 2.998 x 108 m/s (niezależnie od ruchu obserwatora) sekunda jest definiowana przy pomocy zegarów atomowych jako 9.192631770 x 109 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu pomiędzy poziomami atomu Cezu 133 w 0 K, metr to dystans jaki pokonuje światło w próżni w czasie 1/(2.99792458 x 108) s 1 rok świetlny = (3.00×105 km/sec) × (3.16×107 sec) = 9.42×1012 km (odległość do najbliższej gwiazdy (Proxima Centauri) wynosi około 4.2 lat świetlnych)

Dlaczego światło zwalnia w czasie propagacji przez ośrodek? optoelectronics w zasadzie prędkość światła się nie zmniejsza, wydaje się, że tak się dzieje ponieważ światło jest wielokrotnie absorbowane i reemitowane (po pewnym czasie) przez atomy, molekuły ośrodka.

Dyspersja n = n(l) n =  1 prędkość światła w próżni optoelectronics prędkość światła w próżni prędkość światła w ośrodku n =  1 Dyspersja n = n(l)

Dyspersja n = n(l) optoelectronics Tęcza

Odbicie światła optoelectronics

Załamanie światła Prawo Snella W 1621 r, Duński fizyk optoelectronics Prawo Snella W 1621 r, Duński fizyk Willebrord Snell (1591-1626), odkrył zależność pomiędzy kątami padania i załamania światła przy jego przechodzeniu przez granicę różnych ośrodków:

Załamanie światła optoelectronics

Całkowite wewnętrzne odbicie optoelectronics Całkowite wewnętrzne odbicie dla  >c dla qc:

Droga optyczna • Najlepsza droga? • Vbiegu = 2Vpływania ocean ląd optoelectronics ocean ląd • Najlepsza droga? • Vbiegu = 2Vpływania

[ ] Droga optyczna; DO [ ] ( ) d d t = + v v d = X - X + Y d = X + Y v optoelectronics tr = czas na uratowanie pływaka d d t = 1 + 2 r v v 1 2 (0, Y) OCEAN [ ] 1 / 2 ( ) 2 d = X - X + Y 2 1 1 1 d2 [ ] 1 / 2 d = X 2 + Y 2 d1 (X,0) 2 o v = prędkość na lądzie 1 v = LAND (X1, Y1) 2 prędkość w wodzie

Zasada najkrótszego czasu optoelectronics w 1657 r.– Pierre Fermat zaproponował zasadę najkrótszego czasu Promienie optyczne biegną od punktu A do B po trajektoriach dla których droga optyczna posiada ekstremum- minimum = czas na przebycie drogi jest najmniejszy W ośrodku jednorodnym: n=const światło porusza się po liniach prostych (1601-1665) rachunek wariacyjny:

å ò s n DO = ds s n DO ) ( Droga optyczna; DO c v optoelectronics m å = i s n DO 1 ò = P S ds s n DO ) ( v c Czas przejścia od A do B

Droga optyczna; DO B A n(r) r=(x,y,z) optoelectronics Czas dt niezbędny na przebycie drogi od x do x+dx wynosi: B Szukamy drogi która zminimalizuje n(r) r=(x,y,z) A Rozwiązaniem jest równanie Eulera

Ośrodek niejednorodny optoelectronics Łatwo pokazać, że rozwiązanie jest równoważne prawu Snella zakładając bieg światła w serii warstw o różnej wartości współczynnika załamania.

Odbicie światła optoelectronics

Odbicie światła optoelectronics

Załamanie światła optoelectronics

Ośrodek niejednorodny optoelectronics

Ośrodek niejednorodny optoelectronics Refrakcja atmosferyczna, czyli pozorne przesunięcia lub deformacje obiektów obserwowanych poprzez grube warstwy powietrza, np. gwiazd, tarczy słonecznej lub odległych budowli oraz wzniesień widocznych na horyzoncie. Ziemia Słońce Na skutek refrakcji atmosfery obserwujemy opóźnione, eliptyczne zachody słońca Atmosfera

Miraże Chłodne powietrze Gorące powietrze Powierzchnia wody? optoelectronics Gorące powietrze Chłodne powietrze Powierzchnia wody? Gorące powietrze Chłodne powietrze

Miraże górne optoelectronics Rysunek ukazuje jak w atmosferze ziemskiej zakrzywia się kierunek światła słonecznego odbitego od oazy na pustyni. Jeśli podczas bezwietrznej pogody obserwator znajdzie się tam, gdzie do chodzi światło odbite od oazy, to na przedłużeniu promieni wpadających do jego oka zobaczy on obraz prosty tej oazy nad horyzontem na tle nieba- to właśnie będzie miraż. Sama oaza ukryta jest przed obserwatorem za wypukłością powierzchni ziemi.

optoelectronics

optoelectronics

Równanie eikonału optoelectronics Promienie świetlne mogą być charakteryzowane przez powierzchnie do których są prostopadłe. Niech S(r) będzie funkcją skalarną taką, że powierzchnie o stałej wartości S (ekwipotencjalne) S(r) = const. są w każdym punkcie  do promieni. S(r) = const Jeżeli znamy S(r) to łatwo wyznaczyć bieg promieni gdyż normalna do powierzchni w punkcie r jest określona przez gradient wektora

Równanie eikonału gradient wektora Funkcję S(r) nazywamy EIKONAŁEM optoelectronics gradient wektora Funkcję S(r) nazywamy EIKONAŁEM Eikonał jest analogiem do funkcji potencjału V(r) w elektrostatyce, w której rolę promieni świetlnych spełniają linie sił pola elektrycznego E = -V. Aby spełniać zasadę Fermata (główny postulat optyki geometrycznej) eikonał S(r) musi spełniać cząstkowe równanie różniczkowe zwane równaniem eikonału

Równanie eikonału optoelectronics Całkując równanie eikonału wzdłuż trajektorii promieni, między dwoma punktami A i B mamy: to oznacza, że przedstawia drogę optyczną A-B (w elektrostatyce odpowiednikiem drogi optycznej jest różnica potencjałów) W ośrodku jednorodnym n(r) = const  S jest stałe  promienie świetlne są liniami prostymi

Optyka geometryczna xin, qin oś xout, qout położenie, x nachylenie, q optoelectronics oś xin, qin xout, qout Definiujemy promienie jako kierunki w przestrzeni odpowiadające „z grubsza” wektorom falowym K fali świetlnej. Każdy system optyczny posiada oś optyczną i zakładamy, że wszystkie promienie propaguję się pod małymi kątami do tej osi. Promień świetlny można zdefiniować dwiema zmiennymi: oś optyczna promień x q położenie, x nachylenie, q

Optyka geometryczna Można zapisać to wyrażenie w postaci macierzowej: optoelectronics Przykład Jeśli xin i qin są położeniem i nachyleniem na wejściu, to xout i qout są położeniem i nachyleniem po przejściu drogi od z = 0 do z. xin, qin z = 0 xout qout z Można zapisać to wyrażenie w postaci macierzowej:

Dla wielu układów optycznych, można zdefiniować Optyka macierzowa optoelectronics Dla wielu układów optycznych, można zdefiniować 2x2 „Macierze promieni" Wpływ układu na promień = iloczynowi „Macierzy promieni” i „Wektora promieni„ Macierze promieni mogą opisywać zarówno proste jak i złożone układy. System optyczny ↔ Macierz 2x2 o f D Cx B Ax x  + = Takie matryce zwane są często macierzami „ABCD”

Dla połączenia kaskadowego, mnożymy macierze Optyka macierzowa optoelectronics Dla połączenia kaskadowego, mnożymy macierze O1 O3 O2

optoelectronics

Optyka macierzowa optoelectronics f qin n1 qout n2 xin xout z