View
231
Download
8
Category
Preview:
Citation preview
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-1
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 1-2
URZĄDZENIA I SYSTEMY FOTONICZNE
Literatura podstawowa:
1. Gupta M.C.: Handbook of photonics, CRC Press, 1997
2. Domański A.W.: Układy i urządzenia optoelektroniczne, Wyd. w ramach "Tempus Series in Applied Physics", Oficyna Wyd. PW, Warszawa 1997
3. Saleh A.E., Teich M.C.: Fundamentals of Photonics, J. Wiley & Sons, Inc. New York 1991
4. Sinzinger S., Jahns J.: Microoptics, Wiley-VCH, 1999
5. World of Microsystems: materiały z płyty multimedialnej ISBN 2-88238-004-6, 2004
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
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-3
Zakres tematycznyArchitektura urządzeń i systemów fotonicznychMateriały fotoniczne
- półprzewodnikowe, ferroelektryczne, materiały organicznePodstawowe 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 1-4
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 1-5
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 IIBadanie podstawowych parametrów światłowodowych i wybranych elementów toru światłowodowegoOptoelektroniczne przesyłanie sygnału audio i video torem światłowodowymBadanie aktywnych elementów MOEMS
Cykl IIIDyfrakcyjne elementy optyczneProjektowanie elementów dyfrakcyjnych (elementy ogniskujące)Modulatory fazowe i intensywnościowe
Cykl IVBadanie optycznych operatorów logicznych i modelowanie sieci neuronowychCyfrowa rejestracja i optoelektroniczna rekonstrukcja hologramu cyfrowegoRealizacja i badania wybranych czujników interferometrycznych
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
-przetworniki częstotliwości
- modulatory
- efekty nieliniowe
PMMMpolistyren
Rodzina LiNbKDP, TGS(trigliceryn),KTN,……..
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-7
Materiały fotoniczne
Materiały półprzewodnikowe:Generacja, detekcja, modulacja światłaWytwarzanie monolitycznych urządzeń optoelektronicznychNowe technologie: epitaksja z wykorzystaniem wiązki molekularnejOsadzanie chemiczne w parach metal-subst. organiczneUzyskano: 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 1-8
Materiały ferroelektryczne (kryształy, ceramika, cienkie warstwy)
Efekty: dwójłomności, elektrooptyczne, fotorefrakcyjne, nieliniowe, elektrosprężysteZastosowania: modulacja, powielenie częstotliwości, wzmocnienie,W optyce zintegrowanej, optycznych pamięciach
Materiały organiczne (kryształy i polymery):
Efekty: nieliniowości drugiego rzęduZastosowania: konwersja częstotliwości, wielość strukturalnych i innych własności optycznych (ale walka ze stabilnością w czasie)
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-9
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, polaryzacjidługości faliaktywne elementy MEMS i MOEMS
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-10
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 1-11
The food chain in micro-optics
EU NoE NEMO www.micro-optics.org
Low-Cost Replication
Mastering and PrototypingTechnologies
Assembly, Integration and Packaging
Measurementand Instrumentation
Applicationsfor
the Quality of Life
Modelling and Design
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-12
Obiekty zainteresowania
micro- i nanomateriały
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 1-13
Mikro-stoły optyczne
Obraz uzyskany z przy użyciu SEM a) widok elementów zintegrowanych na mikro-ławieb) widok umieszczania elementów na waflu Si
a) b)
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-14
Mikro-stoły optyczne
Schemat widok modułu a) diody laserowej b) fotodiodymPD- fotodioda monitorująca
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-15
Komercyjnie dostępne mikrostoły
Niedokładność mocowania w rowku ±0,5 umChropowatość powierzchni ±0,2 umNiedokładność kątowa ±0,2'
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-16
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 1-17
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.
Integration of an individual chip-scale microscope
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-18
MEMS layer
Micro Optics layer
VCSEL layer
VCSEL
skan x-y
focusing (z): microscanner vertical
y
xz
multiprobe system
Perspectives
Chip-scale optical scanning confocal microscope
an individual “smart pixel”
: realisation of array-type chip-scale multi-probe microscopes, biological applications
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-19
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
Folding Folding MirrorMirror
Hybrid Hybrid LensesLenses
CMOS CMOS image sensorimage sensor
BeamBeamSplitterSplitter
Condenser Condenser LensLens
LightLightSourceSource
Micro Optical Table (MOT)Micro Optical Table (MOT)Objective Objective LensLens
Object in Object in WaterWater
Sinusoidal Sinusoidal GratingGrating
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-20
Michelson interferometer with MEMS based actuator:
scheme
photograph of a comb drive actuator with mirror
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-21
Integrated WaveguideMicrointerferometric System
Measurement modules:grating interferometer (or ESPI) for in-planedisplacement/strain measurementTwyman-Green interferometer (or DHI) for shape/out-of-plane measurementdigital holographic interferometer for u,v,wdisplacements measurements
Iluminating/Detection moduleActive beam manipulation module
Integrated WaveguideMicrointerferometric System
ABMM base
Beam switcherPhase shifter
VCSEL CCD/CMOS
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-23
detector
waveguide
VCSEL
mirror
mirror
object
mirr
or
illumination-detection module
sol
der b
ump
Układ zintegrowanego interferometrufalowodowego
Sieć światłowodowa
Lucent NxN przełącznik optyczny
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-24
Mikrostoły optyczne
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-25
Recommended