URZĄDZENIA i SYSTEMY FOTONICZNE

Transkrypt

1 URZĄDZENIA i SYSTEMY FOTONICZNE Prof. dr hab. inż. Małgorzata Kujawinska Dr inż. Tomasz Kozacki Dr inż. Michał Józwik Specjalność: Inżynieria Fotoniczna USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-1

2 URZĄDZENIA I SYSTEMY FOTONICZNE Prowadzący: M. Kujawińska z udziałem T. Kozackiego i M. Józwika Wykład: 30 godz., Laboratorium: 30 godz. Egzamin z wykładu 60 pkt Zaliczenie z lab. 40 pkt Literatura podstawowa: 1. Gupta M.C.: Handbook of photonics, CRC Press, Domański A.W.: Układy i urządzenia optoelektroniczne, Wyd. w ramach "Tempus Series in Applied Physics", Oficyna Wyd. PW, Warszawa Saleh A.E., Teich M.C.: Fundamentals of Photonics, J. Wiley & Sons, Inc. New York Sinzinger S., Jahns J.: Microoptics, Wiley-VCH, World of Microsystems: materiały z płyty multimedialnej ISBN , 2004 USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-2

3 Zakres tematyczny Architektura urządzeń i systemów fotonicznych Materiały fotoniczne -półprzewodnikowe, ferroelektryczne, materiały organiczne Podstawowe technologie Fotoniczne urządzenia i optyka -urządzenia optoelektroniczne (półprzewodnikowe) - miniaturowe lasery na ciele stałym - optyczne modulatory - optyka dyfrakcyjna ćwiczenia (TK) -urządzenia falowodowe (światłowody: wykł. TŚ) - technologie i elementy MEMS i MOEMS Systemy fotoniczne - magazynowanie danych, optyczny computing - optyczna telekomunikacja, sieci sensorów - lab-on-chip - optyczne systemy zabezpieczeń, systemy display USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-3

4 LABORATORIUM Prowadzący: T. Kozacki, P. Kniażewski, A. Pakuła, J. Kacperski 1 zajęcia wstępne programowanie w MathLab 3 cykle po 3 cwiczenia X 3 godz 1 zajęcia wyjazdowe WAT : czujniki interferencyjne i sieci św. mikrolasery, ciekłe kryształy Zajęcia wykładowe podwójne (3-4 godz.) Październik, listopad USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-4

5 Wykaz ćwiczeń: Zajęcia wstępne wraz z wykładem (3 h ): Programownie w Matlabie Cykle II IV poprowadzone zostaną w terminach listopad-styczeń na godzinach wykładowych i laboratoryjnych (wg wywieszonego harmonogramu). Cykl II Badanie podstawowych parametrów światłowodowych i wybranych elementów toru światłowodowego Optoelektroniczne przesyłanie sygnału audio i video torem światłowodowym Badanie aktywnych elementów MOEMS Cykl III Dyfrakcyjne elementy optyczne Projektowanie elementów dyfrakcyjnych (elementy ogniskujące) Modulatory fazowe i intensywnościowe Cykl IV Badanie optycznych operatorów logicznych i modelowanie sieci neuronowych Cyfrowa rejestracja i optoelektroniczna rekonstrukcja hologramu cyfrowego Realizacja i badania wybranych czujników interferometrycznych USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-5

6 Materiały fotoniczne Półprzewodniki Ferroelektryki Mat. organiczne III-V, II-VI, III-N - źródła (λ=0.65 i 1.55) -detektory - modulatory - modulatory - skanery - przetworniki częstotliwości -pamięci holograficzne -wyświetlacze Rodzina LiNb KDP, TGS(trigliceryn), KTN,.. -przetworniki częstotliwości - modulatory - efekty nieliniowe PMMM polistyren

7 Materiały fotoniczne Materiały półprzewodnikowe: Generacja, detekcja, modulacja światła Wytwarzanie monolitycznych urządzeń optoelektronicznych Nowe technologie: epitaksja z wykorzystaniem wiązki molekularnej Osadzanie chemiczne w parach metal-subst. organiczne Uzyskano: nowe struktury warstwowe (supersiatki i struktury ze studniami kwantowymi, a dzieki temu: - mat. półprzew. z grupy II-V: lasery 1.55um telekomunikacja i 0.65um pamięci optyczne - mat. półprzew. z grupy II-IV : ultrafioletowe lasery dla pamięci opt., drukarek, display USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-7

8 Materiały ferroelektryczne (kryształy, ceramika, cienkie warstwy) Efekty: dwójłomności, elektrooptyczne, fotorefrakcyjne, nieliniowe, elektrosprężyste Zastosowania: modulacja, powielenie częstotliwości, wzmocnienie, W optyce zintegrowanej, optycznych pamięciach Materiały organiczne (kryształy i polymery): Efekty: nieliniowości drugiego rzędu Zastosowania: konwersja częstotliwości, wielość strukturalnych i innych własności optycznych (ale walka ze stabilnością w czasie) USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-8

9 Urządzenia fotoniczne Części składowe systemów fotonicznych obejmujące: źródła promieniowania (wraz z zasilaniem, sterowaniem itd.) detektory promieniowania (wraz z zasilaniem,sterowaniem itd.) elementy pasywne: falowody, światłowody, elementy MEMS i MOEMS, mikrooptykę (refrakcyjną, binarną), złączki, sprzęgacze, filtry, polaryzatory, izolatory) elementy aktywne (modyfikujące promieniowanie E-M) wzmacniacze, modulatory: amplitudy, fazy, częstotliwości, polaryzacji długości fali aktywne elementy MEMS i MOEMS USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-9

10 Systemy fotoniczne Systemy fotoniczne = funkcjonalnie zestawione urządzenia fotoniczne + ich integracja + ich packaging Architektura: smart pixel, optyka zintegrowana (falowody/światłowody), mikrostoły i mikroławy optyczne, lab-on-chip USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-10

11 The food chain in micro-optics Mastering and PrototypingTechnologies Measurement and Instrumentation Applications for the Quality of Life Low-Cost Replication Modelling and Design EU NoE NEMO Assembly, Integration and Packaging USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-11

12 micro- i nanomateriały Obiekty zainteresowania MEMS i MOEMS (zwierciadła, membrany, grzebienie, belki,...) electroniczne elementy & zespoły pakiety M-O & M-E fazowe elementy optyczne (mikrosoczewki, falowody, światłowody,...) dyfrakcyjne elementy optyczne USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-12

13 Mikro-stoły optyczne a) b) Obraz uzyskany z przy użyciu SEM a) widok elementów zintegrowanych na mikro-ławie b) widok umieszczania elementów na waflu Si USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-13

14 Mikro-stoły optyczne Schemat widok modułu a) diody laserowej b) fotodiody mpd- fotodioda monitorująca USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-14

15 Komercyjnie dostępne mikrostoły Niedokładność mocowania w rowku ±0,5 um Chropowatość powierzchni ±0,2 um Niedokładność kątowa ±0,2' USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-15

16 Czemu chcemy integrować (np.. Systemy pomiarowe) Konstrukcja zintegrowanych mikroskopów do pomiarów w mikroskali i aplikacji typu Lab-on-chip USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-16

17 Integration of an individual chip-scale microscope a VCSEL bonded by flip-chip on a membrane with a microlens focusing the VCSEL beam on a scanned sample. A Fresnel microlens is carried by a vertical microscanner (vertical comb-drive actuator). The microlens will be etched directly on the piston-like membrane of the actuator, performing the vertical motion of the microlens. USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-17

18 Chip-scale optical scanning confocal microscope VCSEL MEMS layer z x focusing (z): microscanner vertical Micro Optics layer VCSEL layer y skan x-y an individual smart pixel multiprobe system Perspectives: realisation of array-type chip-scale multi-probe microscopes, biological applications USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-18

19 4M Device Miniaturized compound microscope for imaging molecular features of pre-cancer 5.0mm(W) 13.0mm(L) 2.5mm(H) Battery powered and pen-sized Multi-modal capability: Reflectance imaging, Fluorescent imaging Optical sectioning Hybrid Lenses CMOS image sensor Beam Splitter Condenser Lens Folding Mirror Light Source Objective Lens Object in Water Micro Optical Table (MOT) Sinusoidal Grating USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-19

20 Michelson interferometer with MEMS based actuator: scheme photograph of a comb drive actuator with mirror USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-20

21 Integrated Waveguide Microinterferometric System Measurement modules: grating interferometer (or ESPI) for in-plane displacement/strain measurement Twyman-Green interferometer (or DHI) for shape/out-of-plane measurement digital holographic interferometer for u,v,w displacements measurements Iluminating/Detection module Active beam manipulation module USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-21

22 Integrated Waveguide Microinterferometric System VCSEL CCD/CMOS Beam switcher Phase shifter ABMM base

23 Sieć światłowodowa VCSEL detector illumination-detection module mirror waveguide solder bump mirror Lucent NxN przełącznik optyczny mirror object Układ zintegrowanego interferometru falowodowego USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-23

24 Mikrostoły optyczne USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-24

25 USF_1 Wstęp M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-25