Def. MO Optyczne elementy o strukturze submm lub subμm, produkowane głównie metodami litograficznymi

Transkrypt

1 Mikro optyka MO Def. MO Optyczne elementy o strukturze submm lub subμm, produkowane głównie metodami litograficznymi Systemy bazujące na mikrooptyce Zalety systemów MO duże macierze wysoka dokładność pozycjonowania dowolny kształt i konfiguracja USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-1

2 Elementy mikrooptyczne Pracujące w wolnej przestrzeni macierz mikrosoczewek optyczne elementy dyfrakcyjne zoptymalizowane siatki Zintegrowane sprzęgacze siatkowe zintegrowana optyka optyka światłowodowa USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-2

3 Struktury okresowe Siatki Dyfuzery Struktury Λ < λ Siatki Bragga Kryształy fotoniczne Rezonansowe filtry optyczne Przestrzennie inwariantowe Binarne struktury o wysokiej wydajności USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-3

4 Elementy mikro optyczne - macierze soczewki niesferyczne siatki krzyżowe Λ=1μm soczewki dyfrakcyjne soczewki cylindryczne soczewki sferyczne elementy hybrydowe USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-4

5 Elementy mikro optyczne macierze cd. dowolne powierzchnie (technologia szaroodcieniowa) MO dwójłomna (mikrosoczewki w imersji z ciekłych kryształów; zast. światłodzielenie Falowody fotoniczne (litografia elektrononowa) USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-5

6 MO Teoria I (struktury >λ określenie zespolonej transmitancji amplitudowej propagacja wyznaczenie funkcji fazy φ(x,y) ray-tracing wydajność dyfrakcyjna USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-6

7 Zespolona transmitancja amplitudowa płaska fala U 1 (z,t) = a exp[i(ωt-kz) fala po przejściu przez element fazowy d(x) U 2 = U 1 exp[iφ(x) gdzie φ(x) = d(x) (n-1) (2π/λ) U 2 = T a (x) U 1 Uwaga: jeżeli geometryczne wymiary struktury = /<λ interakcja struktury z E-M nie może być opisana klasycznym skalarnym modelem, a rozwiązanie wymaga pełnego rozwiązania równań Maxwell a klasyczna teoria dyfrakcji pełna teoria dyfrakcji USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-7

8 Obliczenia funkcji fazy - 1 Jeżeli cienki element fazowy oświetlony jest przez φ in (x,y) to generuje φ out (x,y) φ out (x,y) = φ in (x,y) + φ (x,y) φ (x,y) = φ out (x,y) - φ in Dla pojedynczego punktu USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-8

9 Obliczenie funkcji fazy - 2 Obrazowanie przedmiotu rozciągłego φ 2π λ ( x,y) = m,n a mn x m y n Optymalizacja DOE (diffractive optical element) przez optymalizację współczynników wielomianu u(x,y) T a (x,y) u(x,y) Propagacja wyznaczana przez całkę Rayleigh-Sommerfelda Transmitancja T a (x,y) = exp [iφ(x)] USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-9

10 Widmo kątowe Całka Rayleigh-Sommerfelda Widmo kątowe USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-10

11 Ray-tracing USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-11

12 Funkcja fazowa a wektory falowe Rzuty wektorów falowych k i na płaszczyznę (x,y) dane są: gdzie m rząd dyfrakcyjny Funkcja fazowa a okres siatki Wektor siatki: Kąt ugięcia: Okres siatki: USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-12

13 Zastosowanie funkcji fazy do konstrukcji DOE Aby wykonać element dyfrakcyjny należy funkcję fazy φ zapisać w postaci mod(2π) Profil fazowy: Relief: ϕ 0 stałe przesunięcie fazy n współczynnik załamania materiału siatki USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-13

14 Funkcja fazy w DOE element refrakcyjny element dyfrakcyjny USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-14

15 DOE z reliefem binarnym i ciągłym Transmisja amplitudowa DOE USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-15

16 Wydajność dyfrakcyjna η -1 USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-16

17 Wydajność dyfrakcyjna η -2 (teoria skalarna, bez strat) siatka płomieniowa: π η n N liczba poziomów fazy n rząd dyfrakcyjny η η Problem: minimalna maska realizująca poziom m USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-17

18 Elementy dyfrakcyjne dowolny kształt dokładna wartość f dyspersja <0 (dla d,f,c: 3.45) Problemy niska NA (<0.2) wydajność dyfrakcyjna (80%-95%) światło rozproszone UWAGA: Możliwość formowania przestrzennych ognisk elementu MO Elementy refrakcyjne sferyczny lub cylindryczny kształt wysoka NA (>0.1) dyspersja >0 (dla d,f,c: 80-20) wysoka wydajność małe rozproszenie światła Problemy dowolne kształty współczynnik wypełnienia USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-18

19 Dyfrakcja Fresnela przez układ soczewek USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-19

20 Soczewki, zwierciadła są określone przez matryce ABC DOEs, apertury, filtry są modelowane przez T a (x,y) USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-20

21 Systemy fotoniczne Analogowe optyczne przetwarzanie informacji Komputery optyczne Optyczna komunikacja Magazynowanie informacji optycznej (optical storage) Elektroniczne display e Labs-on-chip Rurociągi świetlne Koncepcje realizacji systemów: Free optics MOEMS: - Mikrostoły i mikroławy optyczne Systemy optyki zintegrowanej USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-21

22 USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-22

23 Przetwarzanie sygnałów optycznych koherentny procesor optyczny niekoherentny PO KPO ze sprzężeniem zwrotnym przestrzennie nieinwariantny PO nieliniowy PO Uogólniony układ optycznego przetwarzania informacji USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-23

24 MODUŁ WEJŚCIOWY MODULATORY PRZESTRZENNE wprowadzają na wejście procesora dwuwymiarowe rozkłady amplitudowo-fazowe Zadanie: modulacja przestrzenna koherentnej fali nośnej Modulacja: amplitudy natężenia fazy stanu polaryzacji fali Pełny cykl procesu modulacji:zapis informacji, odczyt, kasowanie W procesie zapisu wykorzystuje się zmiany: współczynnika absorpcji (gęstości optycznej) AMPLITUDOWY OŚRODEK REJESTR. współczynnika załamania FAZOWY OŚRODEK REJESTR. indukowane dwójłomności A/F w zależności od konfiguracji MODULATORY STAŁE DYNAMICZNE (transmitancja kontrolowana w czasie rzeczywistym) szybkość działania 10-3s 10-9s/pełen cykl wysoka światłoczułość >10-7J/cm2 wydajność dyfrakcyjna % duży zakres dynamiczny od 20 do 60 db zdolność wielokrotnego zapisu >107 USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-24

25 Rurociąg świetlny (light pipe) Zastosowanie dyfuzorów DOE USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-25

26 Optyczne połączenie źródeł światła (LED, diody laserowe) i fotodetektorów połączenie chip-to-chip, połączenie w ramach pojedynczego chipa Uwaga: - możliwość połączeń wielokrotnych -sterowanie połączeń przez dodatkowe układy mikromechaniczne -współpraca z matrycami źródeł i detektorów matryce mikrosoczewek formujących wiązki wej i wyj USF_4 Mikro-optyka M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 4-26