OPISY KURSÓW. Forma zaliczenie zaliczenie zaliczenie zaliczenia Punkty ECTS Liczba godzin

Transkrypt

1 OPISY KURSÓW Kod kursu: ETD 3936 Nazwa kursu: Przyrządy i układy optoelektroniczne Język wykładowy: polski Forma kursu Wykład Ćwiczenia Laboratorium Projekt Seminarium Tygodniowa liczba godzin ZZU * Semestralna liczba godzin ZZU* Forma zaliczenie zaliczenie zaliczenie zaliczenia Punkty ECTS 3 Liczba godzin CNPS Poziom kursu: studia II stopnia niestacjonarne (zaoczne), podstawowy Wymagania wstępne: zjawiska optyczne w ciele stałym, przyrządy półprzewodnikowe podstawy mikroelektroniki, Wykład i laboratorium Półprzewodniki Dielektryki i Magnetyki, wykład Podstawy Optoelektroniki, znajomość programów inŝynierskich, bierna znajomość języka angielskiego. Imię, nazwisko i tytuł/ stopień prowadzącego: Marek Tłaczała, dr hab. inŝ., prof. PWr Imiona i nazwiska oraz tytuły/stopnie członków zespołu dydaktycznego: Ryszard Korbutowicz, dr inŝ.; Beata Ściana, dr inŝ.; Jacek Radajewski, dr inŝ. Rok:..II... Semestr:...3 Typ kursu: obowiązkowy Cele zajęć (efekty kształcenia): Słuchacz poznaje podstawy fizyczne działania podstawowych przyrządów i układów optoelektronicznych mających zastosowanie w telekomunikacji, medycynie, zaawansowanych technologiach wytwarzania i obróbki mechanicznej, technice pomiarowej i czujnikach. Poznaje zasady stosowania lub wytwarzania, modelowania i pomiarów przyrządów optoelektroniki, takich jak diody elektroluminescencyjne i lasery półprzewodnikowe. Dodatkowo, zdobyta wiedza umoŝliwia lepiej zrozumieć i wykorzystać pracę telekomunikacyjnych systemów techniki światłowodowej i innych systemów wykorzystujących źródła i detektory promieniowania. Zapoznaje się z zaawansowanymi konstrukcjami laserów półprzewodnikowych, przeznaczonych przede wszystkim do takich systemów. Ugruntowanie i praktyczne wykorzystanie wiedzy z zakresu podstawowych treści kształcenia (fizyka, technika obliczeniowa i symulacyjna) oraz kierunkowych treści kształcenia (inŝynieria materiałowa, konstrukcja urządzeń, elementy elektroniczne, optoelektronika, podstawy telekomunikacji). Forma nauczania: tradycyjna Krótki opis zawartości całego kursu: Struktury niskowymiarowe. Zjawiska kwantowe w strukturach optoelektronicznych. Związki wieloskładnikowe. Elementy optoelektroniczne. 1

2 Podstawy technologii półprzewodnikowych struktur przyrządowych. Podstawy epitaksji. Podstawowe metody charakteryzacji struktur i przyrządów optoelektronicznych. Wydajność źródeł światła. Emitery światła. Diody elektroluminescencyjne. Lasery półprzewodnikowe. Nowoczesne konstrukcje laserów z wnęka rezonansową. Detektory promieniowania, w tym do zastosowań do torów światłowodowych. Podstawy logiki optycznej; konstrukcja inwertera optoelektronicznego oraz zasada działania bramek optoelektronicznych NOR i AND. Wykład (podać z dokładnością do godzin): Zawartość tematyczna poszczególnych godzin wykładowych 1. Klasyfikacja elementów i układów optoelektronicznych. Podstawy generacji światła w półprzewodnikach.. Nowoczesne konstrukcje diod elektroluminescencyjnych. Optoelektronika światła białego. Diody do współpracy ze światłowodem. 3. Rezonator optyczny, warunek rezonansu Przegląd konstrukcji laserów. Lasery typu RFB, BRD, BFR, VCSEL. Charakterystyki i parametry uŝytkowe. 4. Detektory promieniowania. Mechanizmy detekcji. Detektory przeznaczone do współpracy z torem światłowodowym. 5. Konstrukcje detektorów półprzewodnikowych. Detektory MSM i PIN. Parametry. Charakterystyki uŝytkowe. 6. Elementy i układy logiki optycznej. Wzmacniacz i inwerter optyczny. Bramki optoelektroniczne. Bramki optoelektroniczne NOR i AND 7. Wprowadzenie do projektowania i komputerowej symulacji półprzewodnikowych struktur optoelektronicznych. 8. Kolokwium Ćwiczenia - zawartość tematyczna: Seminarium - zawartość tematyczna: Liczba godzin Laboratorium - zawartość tematyczna: Pomiary charakterystyk widmowych źródeł światła. Struktura modowa promieniowania lasera gazowego i półprzewodnikowego. Charakterystyki pracy lasera półprzewodnikowego. Właściwości optyczne heterostruktur półprzewodnikowych i supersieci. Charakterystyki pracy detektorów i emiterów światła. Mikroskopia w świetle podczerwonym. Charakterystyki wyświetlaczy typu LCD. Przetworniki i wzmacniacze światła i obrazu. Projekt - zawartość tematyczna: Zapoznanie z programem do symulacji elementów optoelektronicznych (np. SimWindows v ) takich jak emitery promieniowania, fotodetektory, ogniwa słoneczne, fototranzystory. Celem tej części kursu jest zapoznanie studentów ze środowiskiem i moŝliwościami programu symulacyjnego (np. SimWindows v ) oraz zasadami tworzenia plików przyrządowych róŝnych elementów optoelektronicznych. Następnie studenci realizują główne zdanie projektowe obejmujące zaprojektowanie konkretnego elementu optoelektronicznego, wybranego samodzielnie przez studentów na podstawie przeglądu czasopism naukowych i technicznych oraz wyszukanych w Internecie lub zaproponowanego przez osobę prowadzącą kurs. Do zadań szczegółowych w tej części projektu naleŝy: 1. Zaprojektowanie struktury epitaksjalnej elementu optoelektronicznego (materiał, poziom domieszkowania, grubości poszczególnych warstw), pod kątem konkretnego zastosowania praktycznego. Wszystkie parametry konstrukcyjno-materiałowe muszą wynikać 1

3 z obliczeń teoretycznych, wykorzystujących zaleŝności opisujące zasadę działania i parametry uŝytkowe projektowanego elementu.. Optymalizacja zaproponowanej struktury punktem wyjścia są wstępne wyniki symulacji komputerowej pracy danego elementu (zastosowanie programu SimWindows v ). Propozycja technologii wykonania struktury przyrządowej zaprojektowanego i zoptymalizowanego elementu optoelektronicznego (epitaksja, uproszczony projekt masek fotolitograficznych, technologia warstw dielektrycznych i metalicznych, pomiary międzyoperacyjne i testy końcowe). Realizacja tego zdania stanowi ugruntowanie i poszerzenie wiedzy z zakresu technologii przyrządowej, bazującej na półprzewodnikowych związkach AIIIBV. Literatura podstawowa: B. Mroziewicz, M. Bugajski, Wł. Nakwaski, Lasery półprzewodnikowe, WNT 1985, J. E. Midwinder, Y. L. Guo, Optoelektronika i technika światłowodowa, WKŁ 1995, J. I. Pankove, Zjawiska optyczne w półprzewodnikach, WNT 1984, J. Piotrowski, A. Rogalski, Półprzewodnikowe detektory podczerwieni, WNT 1985, B. Ziętek, Optoelektronika, Wyd. UMK, 004 Z. Bielecki, A. Rogalski, Detekcja sygnałów optycznych, WNT 001, Literatura uzupełniająca: A. Smoliński, Optoelektronika światłowodowa, WKŁ 1985, J. Hennel, Podstawy elektroniki półprzewodnikowej, WNT 1986, J. Godlewski, Generacja i detekcja promieniowania optycznego, PWN 1997, J. Siuzdak, Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ 1997, M. Marciniak, Łączność światłowodowa. WKŁ 1998, G. Einarsson, Podstawy telekomunikacji światłowodowej, WKŁ 1998, K. Booth, S. Hill, Optoelektronika, WKŁ, Warszawa 001, R. Bacewicz, Optyka ciała stałego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Warunki zaliczenia: zaliczenie trzech form dydaktycznych realizowanych w ramach kursu: wykładu, laboratorium i projektu. 3

4 DESCRIPTION OF THE COURSES Course code: ETD 3936 Course title: Optoelectronic Devices and Circuits Language of the lecturer: Polish Course form Lecture Classes Laboratory Project Seminar Number of hours/week* Number of hours/semester* Form of the course getting credit completion getting credit getting credit ECTS credits 3 Total Student s Workload Level of the course (basic/advanced): second cycle studies, mode of study; part-time extramural studies, basic Prerequisites: Optical phenomena in solid states, semiconductor devices, microelectronics bases, Lecture and laboratory of Semiconductors, Dielectrics and Magnetic Materials, lecture Optoelectronics Bases, knowledge of engineering programs, passive knowledge of English. Name, first name and degree of the lecturer/supervisor: Marek Tłaczała, PhD, DSc, Prof. Names, first names and degrees of the team s members: Ryszard Korbutowicz, PhD; Beata Ściana, PhD; Jacek Radojewski, PhD Year: II Semester: 3 Type of the course (obligatory/optional): obligatory Aims of the course (effects of the course): Listener learns the functioning of physical bases of basic optoelectronic devices and circuits which are applied in telecommunication, medicine, advanced technologies of fabrication and mechanical treatment, measurement techniques and sensors. Student acquaintances principles of application or fabrication, modeling and measurements of optoelectronic devices like electroluminescence diodes and semiconductor lasers. Additionally, achieved knowledge makes possible Better understanding and application of fiber optics telecommunication (and other which require application od sources and detectors of radiation) systems functioning. Students could acquaintance with advanced semiconductor lasers constructions dedicated especially to his kind of systems. Consolidation and practical application of knowledge of the scope of basic content of education (physics, calculation and simulation techniques) and principal subjects of education (materials engineering, devices constructions, electronic elements, optoelectronics, telecommunication bases). Form of the teaching (traditional/e-learning): traditional Course description: 4

5 Low-dimensions structures. Quantum effects in optoelectronics structures. Compound semiconductors. Optoelectronic elements. Bases of technology of semiconductor structures. Epitaxy bases. Basic methods of optoelectronic structures and devices characterization. Efficiency of light sources. Light emitters. Electroluminescence diodes. Semiconductor lasers. Up-to-date constructions of lasers with resonance cavity. Radiation detectors including detectors dedicated to the application in optical fiber conducts. Bases of optical logic; optoelectronic inverters construction and functioning principles of optoelectronics gates NOR and AND. Lecture: Particular lectures contents 9. Optoelectronic devices and circuits classification. Bases of light generation in semiconductors. 10. Up-to-date electroluminescence diodes constructions. White light optoelectronics. Optical fiber cooperation dedicated diodes. 11. Optical resonator, resonance condition. Review of laser construction. RFB, BRD, BFR, VCSEL types lasers. Characteristics and parameters. 1. Radiation detectors. Mechanisms of detection. Optical fiber conduct cooperation dedicated detectors. 13. Semiconductor detectors construction. MSM and PIN type detectors. Parameters. Characteristics. 14. Elements and circuits of optical logic. Optical amplifier and inverter. Optoelectronic gates. Optoelectronic gates NOR and AND. 15. Introduction to the projecting and computer simulations of semiconductor optoelectronic structures. 16. Test Classes the contents: Seminars the contents: Number of hours Laboratory the contents: Measurements of light sources spectral characteristics. Modal structure of gas and semiconductor lasers. Semiconductor lasers characterization. Optical properties of semiconductor hetrostructures and superlattices. Optical and electrical characteristics of photodetectors and light sources. IR microscopy. LCD displays characterization. Light and picture transducers and multipliers. Project the contents: Acquaintance with computer program dedicated to modeling of optoelectronics devices (ie. SimWindows v ) like radiance emitters, photodetectors, solar cells, phototransistors. The aim of this part of course is acquaintance of students with environment and possibilities of simulation program (ie. SimWindows v ) and principles of creating devices files of various types of optoelectronic elements. Further students are realizing main project tasks which contain project of specific optoelectronic device, which is chosen independently by each student during review of scientific and technical journals and retrieval in Internet or proposed by the teacher. To the detailed task in this part of project contains: 3. Project of epitaxial structure of optoelectronic device (material, doping concentration, thicknesses of each layer) according to the specific practical application. All constructionmaterial parameters have to rise from theoretical calculations which use dependences that describe principles of functioning and parameters of projected device. 1 5

6 4. Optimization of proposed structure the basic point are tentative results of computer simulations of particular device (application of SimWindows v ) Proposition of device structure technology of projected and optimized optoelectronic device (epitaxy, simplified project of photolithographic masks, technology of dielectric and metallic layers, interoperation measurements and final tests). Accomplishment of this task assure consolidation and extending of knowledge in the field devices technology based on semiconductor AIIIBV compounds. Basic literature: B. Mroziewicz, M. Bugajski, Wł. Nakwaski, Lasery półprzewodnikowe, WNT 1985, J. E. Midwinder, Y. L. Guo, Optoelektronika i technika światłowodowa, WKŁ 1995, J. I. Pankove, Zjawiska optyczne w półprzewodnikach, WNT 1984, J. Piotrowski, A. Rogalski, Półprzewodnikowe detektory podczerwieni, WNT 1985, B. Ziętek, Optoelektronika, Wyd. UMK, 004 Z. Bielecki, A. Rogalski, Detekcja sygnałów optycznych, WNT 001 Additional literature: A. Smoliński, Optoelektronika światłowodowa (Fiber optics optoelectronics), WKŁ 1985, J. Godlewski, Generacja i detekcja promieniowania optycznego, PWN 1997, J. Siuzdak, Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej (Introduction to modern optical fibers telecommunication), WKŁ 1997, M. Marciniak, Łączność światłowodowa (Optical fiber telecommunication), WKŁ 1998, G. Einarsson, Podstawy telekomunikacji światłowodowej (Optical fiber telecommunication bases), WKŁ 1998, K. Booth, S. Hill, Optoelektronika (Optoelectronics), WKŁ, Warszawa 001, R. Bacewicz, Optyka ciała stałego (Solid state optics), Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Conditions of the course acceptance/credition: getting credit of all three forms of didactic realized in the frame of course: lecture, laboratory, project * - depending on a system of studies 6