Podstawy inżynierii fotonicznej
Prof.dr hab.inż. Romuald Józ
wicki Pokój 513B  tylko
Instytut Mikromechaniki i Fotoniki konsultacje
Rok III, semestr V, wykład 30 godz., laboratorium 15 godz.
Zaliczenie wykładu na podstawie
sumy punktów z 2 kolokwiów
Początek zajęć laboratoryjnych (sala 503)
 koniec paz
dziernika
Szczegółowa informacja będzie podana póz
niej na wykładzie
Zaliczenie 6 ćwiczeń
na podstawie wszystkich sprawozdań
Uwaga: treść wykładów w Internecie zto.mchtr.pw.edu.pl
Filozofia zdobywania wiedzy
Nie wszystko będzie jasne,
chociaż mówimy o świetle
1. Nie rozumiem, ale piszÄ™ o
tym, bo kolokwium
2. WykonujÄ™ projekty, bo tak
mnie nauczono
3. Końcowy etap po kilku
latach pracy: takie to proste.
Dlaczego tego wcześniej nie
rozumiałem (-am) ?
Chętnie odpowiadam
na pytania !!!
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
Propagacja fali
Elementarne wiadomości z elektrodynamiki
Statystyka fotonów
Emisja promieniowania przez atom
Interferencja i interferometry
Zjawiska dyfrakcji, granice poznania
Zjawiska polaryzacji światła
Spis treści cd
Budowa lasera
Wiązka laserowa i jej przekształcanie
Laser He-Ne i półprzewodnikowy
Technika światłowodowa
Zastosowanie światłowodów w telekomunikacji
Czujniki światłowodowe
Bibliografia
B.E.A.Saleh, M.C.Teich : Fundamentals of Photonics
John Wiley & Sons, New York 1991
CD  R.Józ
wicki, M.Kujawińska, K.Patorski:
Podstawy fotoniki
Studia internetowe Politechniki Warszawskiej III rok
Wydziały:
Mechatroniki Elektryczny
Elektroniki i Technik Informacyjnych
Dla różnych różnych zagadnień literatura dodatkowo na wykładzie
Fotonika, optyka a elektronika
Przyczyny powstania i rozwoju fotoniki
W elektronice  elektron nośnikiem informacji
Prąd sterowany różnicą potencjałów
Fala elektromagnetyczna generowana przez oscylator
Rozwój: od niższych do wyższych częstotliwości
telegraf telefon
radio (fale długie średnie krótkie UKF)
telewizja radar elektroniczna maszyna cyfrowa
Przyczyna - większe upakowanie informacji w
jednostce czasu
Bariera elektroniki <" 300 GHz
Brak generatora promieniowania i odbiornika
dla wyższych częstotliwości niż 300 GHz
Elektron ma zbyt dużą masę dla tak wysokich częstotliwości
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
Nadfiolet
1 c c
CzÄ™stotliwość ½ a dÅ‚ugość fali 0
½ [Hz]= = =
T cT 0
Prędkość światła w próżni
Pasmo optyczne
c = 299 792.4562 Ä… 0.0011
0 " 1nm , 1 mm
H" 300 000 km/s
½ " 3·1017 , 3·1011 Hz
Niezmiennik ruchu falowego

Dp sin Ń H"
2
2¸ - kÄ…t rozbieżnoÅ›ci wiÄ…zki Dp  Å›rednica przewężenia
Średnica przewężenia nie może być mniejsza od /2
Uzyskanie małej średnicy Dp
poÅ‚Ä…czone jest z dużym kÄ…tem rozbieżnoÅ›ci 2¸
Przesyłanie (przetwarzanie) informacji
Przetwornik
Generator
Modulator Odbiornik
nośnika
nadajnik
Informacja
Elektronika - do niedawna tylko modulator czasowy
radio telewizja
Optyka - wyłącznie modulator przestrzenny mikroskop
Fotonika  modulator czasowy i przestrzenny
telekomunikacja światłowodowa
magnetooptyczny dysk z laserem półprzewodnikowym
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
Siatka dyfrakcyjna
m = 0
Ä…
m = -1 m = 1 
sin Ä… = m
d
Mikroskop
Skośne oświetlenie
d  okres siatki
Przedmiot
Fala
Siatka nie przepuszcza informacji
o strukturach d d" 
Możliwość obserwacji
szczegółów nie mniejszych
niż /2 dla skośnego
oświetlenia
Wyzwania dla wieku XXI
Nanostruktury
Odbiornik
Kryształy fotoniczne Metamateriały
Trójwymiarowa siatka dyfrakcyjna
Przedmiot
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 zwiÄ…zane z fotonikÄ…
Elektronika jest dziedzinÄ… techniki zajmujÄ…cÄ… siÄ™
sterowaniem elektronów w celu przesyłania informacji
Fotonika jest dziedzinÄ… techniki
zajmującą się sterowaniem fotonów w
tym samym celu
Optoelektronika zajmuje siÄ™ budowÄ…
z
ródeł 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
- promieńświetlny
Obszar całkowitej
Punktowe diafragma ekran
ciemności
z
ródło
Obszar pełnej
jasności
Doświadczenie
Jest światło
Fala ??
Analogia do wpływu przeszkody na fale na wodzie
Historyczny rozwój optyka fotonika
Fala ugięta na
przeszkoda
przeszkodzie
Analogia do wpływu
przeszkody na fale na
wodzie
Fale na wodzie
Fala ??
Historyczny rozwój optyka fotonika
Diafragma
kołowa
Punktowe
z
ródło
Różna odległość
wyższa intensywność niż jej
wartość bez diafragmy
Dowód możliwy przy założeniu: światło jest falą !!!
Fala, Fresnel pocz. XIX wieku,
Poszukiwanie eteru
tylko jakiej natury?
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 falÄ…
Dwoistość natury promieniowania
Historyczny rozwój optyka fotonika
Optyka geometryczna
- promieńświetlny
Optyka falowa - fala nieznanej natury
? ? ?
Elektrodynamika  fala ELM
Optyka kwantowa - kwant
? ? ? ? - ?
R.Józ
wicki: Fotonika - przyszłość techniki informacyjne. II
Konferencja Naukowo-Techniczna Mechatronika 94, 23-28