background image

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

background image

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) ?

background image

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

background image

Spis treści

Fotonika

optyka

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

background image

Spis treści cd

Technika światłowodowa

Czujniki światłowodowe

Zastosowanie światłowodów w telekomunikacji

Budowa lasera

Laser He-Ne i półprzewodnikowy

Wiązka laserowa i jej przekształcanie

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

background image

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

≤ λ

Mikroskop

Możliwość obserwacji 

szczegółów nie mniejszych 

niż

λ/2 

dla skośnego 

oświetlenia

Przedmiot

Fala

Skośne oświetlenie

background image

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

background image

Nazewnictwo związane z fotoniką

Elektronika

jest dziedziną techniki zajmującą się

sterowaniem elektronów

w celu przesyłania informacji

Fotonika 

jest dziedziną techniki 

zajmującą się

sterowaniem fotonów 

tym samym celu

Optoelektronika 

zajmuje się budową

źródeł i detektorów światła

Generacja światła i jego detekcja

background image

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

background image

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 

background image

Historyczny rozwój

optyka  

→ fotonika

przeszkoda

Analogia do wpływu 

przeszkody na fale na 

wodzie 

Fala ?? 

Fale na wodzie

Fala ugięta na 
przeszkodzie

background image

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

background image

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

background image

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

?   ?    ?