Podstawy inżynierii fotonicznej

Początek zajęć laboratoryjnych (sala 503)

– koniec października

Szczegółowa informacja będzie podana później na wykładzie

Zaliczenie 6 ćwiczeń

na podstawie wszystkich sprawozdań

Rok III, semestr V, wykład 30 godz., laboratorium 15 godz.

Zaliczenie wykładu na podstawie

sumy punktów z 2 kolokwiów

Prof.dr hab.inż. Romuald Jóźwicki

Instytut Mikromechaniki i Fotoniki

Pokój 513B – tylko

konsultacje

Uwaga

: treść wykładów w

Internecie

zto.mchtr.pw.edu.pl

Nie wszystko będzie jasne

,

chociaż mówimy o świetle

Filozofia zdobywania wiedzy

Chętnie odpowiadam

na pytania !!!

1. Nie rozumiem, ale piszę o

tym, bo kolokwium

2. Wykonuję projekty, bo tak

mnie nauczono

3.

Końcowy etap po kilku

latach pracy

:

takie to proste

.

Dlaczego tego wcześniej nie

rozumiałem (-am) ?

Cele wykładu i laboratorium

1. Poszerzyć Waszą wiedzę

2. Zapoznać z nowymi możliwościami pomiarów, badania zjawisk,

przesyłania informacji

i ich fizycznymi ograniczeniami

3. W przyszłej Waszej karierze, w przypadku zaistniałej potrzeby

rozwiązania problemu metodami fotonicznymi, radzę zwrócić się
do fachowców

Po zaliczeniu przedmiotu

(wykładu i laboratorium)

zalecam ostrożność z głoszeniem opinii, że

jesteście specjalistami z inżynierii fotonicznej

Spis treści

Fotonika

,

optyka

a

elektronika

Podstawowe wiadomości z optyki geometrycznej

układ optyczny

Statystyka fotonów

Elementarne wiadomości z elektrodynamiki

Propagacja fali

Emisja promieniowania przez atom

Zjawiska polaryzacji światła

Zjawiska dyfrakcji, granice poznania

Interferencja i interferometry

Spis treści cd

Technika światłowodowa

Czujniki światłowodowe

Zastosowanie światłowodów w telekomunikacji

Budowa lasera

Laser He-Ne i półprzewodnikowy

Wiązka laserowa i jej przekształcanie

Bibliografia

Dla różnych różnych zagadnień literatura dodatkowo na wykładzie

B.E.A.Saleh, M.C.Teich :

Fundamentals of Photonics

John Wiley & Sons, New York 1991

CD –

R.Jóźwicki, M.Kujawińska, K.Patorski:

Podstawy fotoniki

Studia internetowe Politechniki Warszawskiej III rok

Wydziały:

Mechatroniki

Elektryczny

Elektroniki i Technik Informacyjnych

Fotonika, optyka a elektronika

Przyczyny powstania i rozwoju fotoniki

W elektronice – elektron nośnikiem informacji

Prąd sterowany różnicą potencjałów

Fala elektromagnetyczna generowana przez oscylator

telegraf

→

telefon

→

radio

(fale długie

→ średnie → krótkie → UKF)

→

telewizja

→

radar

→

elektroniczna maszyna cyfrowa

Rozwój:

od niższych do wyższych częstotliwości

Przyczyna -

większe upakowanie informacji w

jednostce czasu

Brak generatora promieniowania i odbiornika

dla wyższych częstotliwości niż

300 GHz

Elektron ma zbyt dużą masę dla tak wysokich częstotliwości

Bariera elektroniki

∼

300

GHz

Naturalny kierunek zmian :

przejście w pasmo optyczne fal elektromagnetycznych

Foton nie ma masy

spoczynkowej

Problemy:

detektor rejestruje średnią moc fali
brak elastyczności w sterowaniu fotonu

samoistna propagacja fotonu

Widmo fal elektromagnetycznych

Częstotliwość

ν

a długość fali

λ

0

[ ]

0

c

cT

c

T

1

Hz

λ

ν

=

=

=

Nadfiolet

Pasmo optyczne

λ

0

∈ 1nm , 1 mm

ν

∈ 3·10

17

, 3·10

11

Hz

c = 299 792.4562 ± 0.0011

≈ 300 000 km/s

Prędkość światła w próżni

Niezmiennik ruchu falowego

2

sin

D

p

λ

ϑ ≈

2

θ -

kąt rozbieżności wiązki

D

p

–

średnica przewężenia

Średnica przewężenia nie może być mniejsza od

λ/2

Uzyskanie małej średnicy D

p

połączone jest z dużym kątem rozbieżności 2

θ

Przesyłanie (przetwarzanie) informacji

Optyka

- wyłącznie modulator przestrzenny

mikroskop

Elektronika

- do niedawna tylko modulator czasowy

radio telewizja

Fotonika

–

modulator czasowy i przestrzenny

telekomunikacja światłowodowa

magnetooptyczny dysk z laserem półprzewodnikowym

Generator

nośnika

Modulator

Przetwornik

nadajnik

Odbiornik

Informacja

Najważniejsze odkrycia dla fotoniki – wiek XX

L a s e r

Światłowody o skrajnie niskich stratach

Półprzewodnikowe elementy optoelektroniczne

diody laserowe (LED’y), odbiorniki CCD, sprzęgacze,

przełączniki, modulatory i inne

Ograniczenia wieku XX

m = -1

m = 1

m = 0

α

m

d

sin

λ

=

α

Siatka dyfrakcyjna

d – okres siatki

Siatka nie przepuszcza informacji

o strukturach

d

≤ λ

Mikroskop

Możliwość obserwacji

szczegółów nie mniejszych

niż

λ/2

dla skośnego

oświetlenia

Przedmiot

Fala

Skośne oświetlenie

Wyzwania dla wieku XXI

Nanostruktury

Kryształy fotoniczne Metamateriały

Trójwymiarowa siatka dyfrakcyjna

Przedmiot

Odbiornik

Analizy teoretyczne propagacji promieniowania przez układy

elementów, których wymiary są mniejsze od długości fali

Prace technologiczne w celu wytworzenia tych elementów

technologia półprzewodnikowa

Prognozy – możliwość odwzorowania szczegółów nanometrowych

Budowa kwantowych maszyn cyfrowych

Nazewnictwo związane z fotoniką

Elektronika

jest dziedziną techniki zajmującą się

sterowaniem elektronów

w celu przesyłania informacji

Fotonika

jest dziedziną techniki

zajmującą się

sterowaniem fotonów

w

tym samym celu

Optoelektronika

zajmuje się budową

źródeł i detektorów światła

Generacja światła i jego detekcja

Pożądane cechy nośnika informacji

duża szybkość przenoszenia
możliwość dużej gęstości upakowania informacji
niska moc generacji nośnika
mała moc przenoszenia informacji (niskie straty)
niskie moce sterowania
zastosowanie w różnych ośrodkach (np. w próżni)
brak

przesłuchów

(niskie wpływy otoczenia, zabezpieczenie

przed dostępem)
niskie koszty generacji, modulacji, propagacji i detekcji
bezpieczna obsługa
elastyczność w dostosowaniu się do różnych warunków i

wymagań
perspektywa dalszej poprawy parametrów

Historyczny rozwój

optyka

→ fotonika

Optyka geometryczna

- promień świetlny

Punktowe

źródło

diafragma

ekran Obszar całkowitej

ciemności

Obszar pełnej

jasności

Fala ??

Doświadczenie

Jest światło

Analogia do wpływu przeszkody na fale na wodzie

Historyczny rozwój

optyka

→ fotonika

przeszkoda

Analogia do wpływu

przeszkody na fale na

wodzie

Fala ??

Fale na wodzie

Fala ugięta na
przeszkodzie

Różna odległość

Historyczny rozwój

optyka

→ fotonika

Diafragma

kołowa

Punktowe

źródło

wyższa intensywność niż jej

wartość bez diafragmy

Dowód możliwy przy założeniu:

światło jest falą !!!

Fala, Fresnel pocz. XIX wieku,

tylko jakiej natury?

Poszukiwanie eteru

Historyczny rozwój

optyka

→ fotonika

Pierwsza połowa XIX w.

Biot i Savart – indukcja magnetyczna wywołana prądem

Faraday – indukcja magnetyczna wywołująca prąd

Koniec XIX w.

Maxwell – zestawił dwa zjawiska - równania Maxwella

Światło jest falą elektromagnetyczną !!!

Przełom XIX i XX w.

Planck – odkrył prawo opisujące promieniowania ciała doskonale czarnego

Światło jest zbiorem fotonów !!!

i zarazem falą

Dwoistość natury promieniowania

Historyczny rozwój

? ? ? ?

- ?

optyka

→ fotonika

Optyka geometryczna

- promień świetlny

Optyka falowa

- fala nieznanej natury

Elektrodynamika

–

fala ELM

Optyka kwantowa

- kwant

R.Jóźwicki:

Fotonika - przyszłość techniki informacyjne. II

Konferencja Naukowo-Techniczna Mechatronika’94, 23-28

? ? ?