USF_Wstęp

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
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, 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 2-88238004-6, 2004
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik
1-2
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
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
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
Materiały fotoniczne
Półprzewodniki
Ferroelektryki
Mat. organiczne
III-V, II-VI, III-N
- modulatory
-przetworniki częstotliwości
- skanery
- modulatory
- źródła (λ=0.65 i 1.55)
- przetworniki częstotliwości
- efekty nieliniowe
- detektory
- pamięci holograficzne
- modulatory
- wyświetlacze
Rodzina LiNb
KDP, TGS(trigliceryn),
KTN,……..
PMMM
polistyren
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
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
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
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
The food chain in micro-optics
Mastering and PrototypingTechnologies
Low-Cost Replication
Measurement
and Instrumentation
Applications
for
the Quality of Life
Modelling and Design
Assembly, Integration and Packaging
EU NoE NEMO www.micro-optics.org
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik
1-11
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
1-12
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
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
Komercyjnie dostępne mikrostoły
¾ Niedokładność mocowania w rowku ±0,5 um
¾ Chropowatość powierzchni ±0,2 um
¾ Niedokładność kątowa ±0,2'
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik
1-15
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
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
Chip-scale optical scanning confocal microscope
VCSEL
MEMS layer
z
y
x
focusing (z):
microscanner
vertical
Micro Optics
layer
VCSEL layer
skan x-y
multiprobe system
an individual “smart
pixel”
Perspectives: realisation of array-type chip-scale
multi-probe microscopes, biological applications
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik
1-18
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 CMOS
Lenses image sensor
Beam
Splitter
Condenser
Lens
Folding
Mirror
Objective
Lens
Light
Source
Object in
Water
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik
Micro Optical Table (MOT)
Sinusoidal
Grating
1-19
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
Integrated Waveguide
Microinterferometric System
 Measurement modules:
¾ grating interferometer (or ESPI) for in-plane
displacement/strain measurement
¾ Twyman-Green interferometer (or DHI) for
shape/out-of-plane measurement
¾ 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
Integrated Waveguide
Microinterferometric System
VCSEL
CCD/CMOS
Phase shifter
Beam switcher
ABMM base
Sieć światłowodowa
illumination-detection module
mirror
mirror
mirror
waveguide
Lucent NxN przełącznik optyczny
solder bump
detector
VCSEL
object
Układ zintegrowanego interferometru
falowodowego
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik
1-23
Mikrostoły optyczne
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik
1-24
USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik
1-25