Podstawy fotoniki

1
Podstawy fotoniki (2 h wykladu 1 h laboratorium
)
Michal Malinowski Zaklad Optoelektroniki
IMiO pokój 123 GR tel. [phone] m.malinowski_at_elka.
pw.edu.pl
2
Podstawy fotoniki regulamin przedmiotu
1. Przedmiot sklada sie z wykladu i
laboratorium   2. Warunkiem zaliczenia przedmiotu
jest uzyskanie pozytywnej oceny zarówno z wykladu
jak i laboratorium.   3. Wyklad zaliczany jest na
podstawie dwóch kolokwiów pierwszego w polowie,
drugiego pod koniec semestru. Warunkiem
zaliczenia jest uzyskanie pozytywnej oceny z
kazdego z kolokwiów. Studentowi przysluguje jeden
termin poprawkowy kazdego z kolokwiów. Ocena
koncowa jest srednia z wszystkich ocen
czastkowych.   4. Ocena koncowa z laboratorium
jest srednia ocen z poszczególnych cwiczen.   5.
Ocenianie odbywa sie w skali od 0 do 5. Osoby
które wykazaly razace nieprzygotowanie badz nie
przystapily do sprawdzianu lub laboratorium
otrzymuja ocene zero.   6. Tablica informacyjna
przed wejsciem do Zakladu Optoelektroniki IMiO,
na 1 pietrze Gmachu Radiotechniki jest wlasciwym
miejscem uzyskania informacji o przedmiocie.
  7. Wszelkie watpliwosci i sytuacje nie objete
niniejszym regulaminem chetnie wyjasni prowadzacy
wyklad.
3
Podstawy fotoniki
Schemat systemu komunikacji swiatlowodowej
przetwarzanie i modulacja
zródlo generacja
propagacja
detekcja
4
Podstawy fotoniki
Wyklad dotyczy caloksztaltu zjawisk fizycznych
lezacych u podstaw dzialania urzadzen
optoelektronicznych zwiazanych z wytwarzaniem,
propagacja, przetwarzaniem i detekcja
promieniowania elektromagnetycznego z zakresu
optycznego. Omawiane zjawiska ilustrowane sa
konkretnymi zastosowaniami i rozwiazaniami
technicznymi. Wyklad ma charakter podstawowy,
stanowi równiez wstep do przedmiotów z obszaru
optoelektroniki laserowej, techniki
swiatlowodowej, przetwarzania obrazu i ukladów
optoelektronicznych rozwijanych w ramach
specjalnosci EIK. Jednym z zasadniczych celów
jest zwrócenie uwagi na wlasciwosci i specyfike
swiatla jako nosnika informacji (szczególnie dla
potrzeb telekomunikacji i techniki cyfrowej) oraz
na aplikacje wynikajace z oddzialywania
promieniowania z materia. -wstep relacje
pomiedzy optyka geometryczna, falowa,
elektromagnetyczna i kwantowa -generacja i
otrzymywanie promieniowania, -propagacja
swiatla, -przetwarzanie i
modulacja, -detekcja promieniowania. Wyklad
traktuje osobno zagadnienia zwiazane z
wspólczesnymi aplikacjami i perspektywami rozwoju
systemów optoelektronicznych w telekomunikacji i
informatyce. Inna grupa zagadnien zwiazanych z
wykorzystaniem oddzialywania promieniowania z
materia zostanie przedstawiona na przykladzie
zastosowan laserów w procesie produkcji
pólprzewodnikowych ukladów scalonych oraz
zastosowan laserów w medycynie.
5
Podstawy fotoniki
Literatura H. Haken Swiatlo - fale, fotony,
atomy C. Kittel Wstep do fizyki ciala
stalego J. Petykiewicz Optyka falowa J.
Petykiewicz Podstawy fizyczne optyki
scalonej I.W. Sawiliew Wyklady z fizyki 3 J.
Helsztynski Modulacja swiatla spójnego F.
Kaczmarek Wstep do fizyki laserów K.
Gniadek Optyczne przetwarzanie informacji K.
Shimoda Wstep do fizyki laserów J.I.
Pankove Zjawiska optyczne w pólprzewodnikach R.
Feynman Wyklady z fizyki T1/2 M.
Bertolotti Masery i lasery A. Kujawski, P.
Szczepanski Lasery - podstawy fizyczne M.
Malinowski Lasery swiatlowodowe B.
Salech Fundamentals of photonics
6
Ludzkosc uczy sie ksztaltowac wlasciwosci materii
czas
Ostatnie osiagniecia
optyczne elektryczne mechaniczne

• Pinceta laserowa
• Optyczne schladzanie
• Stany kwantowe splatane
• Czujniki swiatlowodowe
• Optyczne Mikro-Elektro-
• Mechaniczne Systemy

7
Podstawy fotoniki
ELEKTRONIKA FOTONIKA
8
ELEKTRONIKA FOTONIKA
Rozmiar
9
Historia, geneza

• Nowe osiagniecia
• laser
• wlókna swiatlowodowe
• pólprzewodnikowe urzadzenia optyczne
•  
• Nowe dziedziny
• optoelektronika
• zagadnienia zwiazane z wzajemna konwersja
  promieniowania swietlnego i sygnalu elektrycznego
• elektro-optyka
• elektronika kwantowa
• optyka kwantowa
• technika swiatlowodowa

fotonika
10
Historia
Teoria falowa (Fresnel)
Empiryczne prawa zalamania (Snell)
...and the foot of it of brass, of the looking
glasses of the women assembling, (Exodus
388)
Swiatlo i cisnienie fali (Descartes)
Fala poprzeczna, polaryzacja , interferencja
(Young)
Prostoliniowa propagacja (Euclid)
Zasada najkrótszego czasu (Fermat)
Swiatlo i magnetyzm (Faraday)
Najkrótsza droga (Prawie prawda!) (Hero of
Alexandria)
vltc, i dwa rodzaje swiatla (Huygens)
Teoria EM (Maxwell)
Plaszczyzna padania Zwierciadla wklesle (Al Hazen)
Odrzucenie eteru, wczesna MQ (Poincare, Einstein)
Korpuskuly, eter (Newton)
1900
1800
1700
1600
2000
1000
0
-1000
11
Historia wspólczesna
Laser (Maiman)
http//www.sff.net/people/Jeff.Hecht/chron.html
Teleskop Hubblea
http//members.aol.com/WSRNet/D1/hist.htm
folie Polaroid (Land)
Kontrast fazowy (Zernicke)
EDFA
Wlókno optyczne (Lamm)
HeNe (Javan)
Maser optyczny (Schalow, Townes)
GaAs
Mechanika Kwantowa
FEL (Madey)
Predkosc/Swiatlo (Michaelson)
CO2 (Patel)
Holografia (Gabor)
Komercyjne lacze swiatlowodowe (Chicago)
Emisja Spontaniczna (Einstein)
Inne lasery
2000
1990
1980
1970
1960
1950
1940
1930
1920
1910
12
Kroki milowe optoelektroniki
1910
1970
1980
1990
2000
1920
1930
1940
1950
1960
13
Optoelektronika w zyciu codziennym
fotografia cyfrowa
odtwarzacze CD, DVD
drukarki laserowe
Wyswietlacze obrazu, monitory ...
14
Swiatlo
promien, fala czy czastka?

• czastka - Isaac Newton (1642-1727)
• fala - Huygens (1629-1695)
• dualizm- korpuskularno-falowy De Broglie (1924)

15
Fale elektromagnetyczne
16
Dlaczego uzywamy swiatlo? - Pasmo!'
The rate at which you can transmit information is
limited to a fraction of the frequency of the
'carrier wave'
Fale Nazwa Czestotliwosc MF Radio 1MHz,
1000,000Hz HF Radio 10MHz,
10,000,000Hz VHF Radio 100MHz
100,000,000Hz Microwaves 10GHz
10,000,000,000Hz Infrared Light 200THz
200,000,000,000,000Hz!

• Dlatego dla multi-GHz transmisji musimy uzywac
  swiatlo!

17
Fale elektromagnetyczne
18
Swiatlo widzialne
19
Swiatlo widzialne
od 360 do 720 nm
400 nm
450 nm
500 nm
dlugosc fali
550 nm
60
0 nm
650 nm
70
0 nm
20
Swiatlo widzialne
od 360 do 720 nm
21
Swiatlo widzialne
od 360 do 720 nm
Komunikacja optyczna
22
czas
23
Fale
Czastki

• Zlokalizowane w przestrzeni.
• Tor prostoliniowy.
• Maja zdefiniowany ped.
• Nie moga sie nawzajem przenikac.

• Rozciagle w przestrzeni.
• Moga zakrzywiac swój bieg.
• Charakteryzuja sie zakresem pedu.
• Moga sie sumowac (interferowac) konstruktywnie
  badz destruktywnie.

24
Podstawy fotoniki wyklad 1 Optyka geometryczna
25
Optyka geometryczna

• Podstawowe pojecia i postulaty
• Swiatlo rozprzestrzenia sie w postaci promieni
• Osrodek optyczny jest scharakteryzowany
  wspólczynnikiem zalamania n
• Czas potrzebny na przebycie drogi d t d/c
  nd/c0droga optyczna nd
• Osrodek optycznie niejednorodny n(r)
  r(x,y,z)czas jaki jest potrzebny by swiatlo
  pokonalo droge od punktu A do B jest
  proporcjonalny do drogi optycznej

c

n
0
c
26
Wspólczynnik zalamania
c0 2.998 x 108 m/s (niezaleznie od ruchu
obserwatora)
sekunda jest definiowana przy pomocy zegarów
atomowych jako 9.192631770 x 109 okresów
promieniowania odpowiadajacego przejsciu pomiedzy
poziomami atomu Cezu 133 w 0 K, metr to dystans
jaki pokonuje swiatlo w prózni w czasie
1/(2.99792458 x 108) s 1 rok swietlny
(3.00105 km/sec) (3.16107 sec) 9.421012
km (odleglosc do najblizszej gwiazdy (Proxima
Centauri) wynosi okolo 4.2 lat swietlnych)
27
Dlaczego swiatlo zwalnia w
czasie propagacji przez osrodek?

• w zasadzie predkosc swiatla sie nie zmniejsza,
• wydaje sie, ze tak sie dzieje poniewaz swiatlo
  jest wielokrotnie absorbowane i reemitowane (po
  pewnym czasie) przez atomy, molekuly osrodka.

28
Dyspersja n n(l)
Dyspersja n n(l)
29
Dyspersja n n(l)
Tecza
30
Odbicie swiatla
31
Zalamanie swiatla
Prawo Snella W 1621 r, Dunski fizyk Willebrord
Snell (1591-1626), odkryl zaleznosc pomiedzy
katami padania i zalamania swiatla przy jego
przechodzeniu przez granice róznych osrodków
32
Zalamanie swiatla
33
Calkowite wewnetrzne odbicie
Calkowite wewnetrzne odbicie dla ? gt?c
dla qc
34
Droga optyczna
ocean lad

• Najlepsza droga?
• Vbiegu 2Vplywania

35
Droga optyczna DO
tr czas na uratowanie plywaka
d
d
1
2
t


r
v
v
1
2
OCEAN
(0, Y)
1
/
2


2
(
)
2
d

X
-
X

Y
1
1
1
d2
1
/
2


2
2
d

X

Y
d1
2
o
(X,0)
v

predkosc na ladzie
1
v

predkosc w wodzie
(X1, Y1)
LAND
2
36
Zasada najkrótszego czasu
w 1657 r. Pierre Fermat zaproponowal zasade
najkrótszego czasu

• Promienie optyczne biegna od punktu A do B po
  trajektoriach dla których droga optyczna posiada
  ekstremum- minimum
• czas na przebycie drogi jest najmniejszy
• W osrodku jednorodnym nconst swiatlo porusza
  sie po liniach prostych

(1601-1665)
rachunek wariacyjny
37
Droga optyczna DO
m

• Czas przejscia od A do B

38
Droga optyczna DO
Czas dt niezbedny na przebycie drogi od x do xdx
wynosi
B
Szukamy drogi która zminimalizuje
n(r) r(x,y,z)
A
Rozwiazaniem jest równanie Eulera
39
Osrodek niejednorodny
Latwo pokazac, ze rozwiazanie jest równowazne
prawu Snella zakladajac bieg swiatla w serii
warstw o róznej wartosci wspólczynnika zalamania.
40
Odbicie swiatla
41
Odbicie swiatla
42
Zalamanie swiatla
43
Osrodek niejednorodny
44
Osrodek niejednorodny
Refrakcja atmosferyczna, czyli pozorne
przesuniecia lub deformacje obiektów
obserwowanych poprzez grube warstwy powietrza,
np. gwiazd, tarczy slonecznej lub odleglych
budowli oraz wzniesien widocznych na horyzoncie.
Na skutek refrakcji atmosfery obserwujemy opóznion
e, eliptyczne zachody slonca
Atmosfera
45
Miraze
46
Miraze górne
Rysunek ukazuje jak w atmosferze ziemskiej
zakrzywia sie kierunek swiatla slonecznego
odbitego od oazy na pustyni.
Jesli podczas bezwietrznej pogody obserwator
znajdzie sie tam, gdzie do chodzi swiatlo odbite
od oazy, to na przedluzeniu promieni wpadajacych
do jego oka zobaczy on obraz prosty tej oazy nad
horyzontem na tle nieba- to wlasnie bedzie miraz.
Sama oaza ukryta jest przed obserwatorem za
wypukloscia powierzchni ziemi.
47
(No Transcript)
48
(No Transcript)
49
Równanie eikonalu
Promienie swietlne moga byc charakteryzowane
przez powierzchnie do których sa
prostopadle. Niech S(r) bedzie funkcja skalarna
taka, ze powierzchnie o stalej wartosci S
(ekwipotencjalne) S(r) const. sa w kazdym
punkcie ? do promieni.
S(r) const
Jezeli znamy S(r) to latwo wyznaczyc bieg
promieni gdyz normalna do powierzchni w punkcie r
jest okreslona przez gradient wektora
50
Równanie eikonalu
gradient wektora Funkcje S(r) nazywamy
EIKONALEM Eikonal jest analogiem do funkcji
potencjalu V(r) w elektrostatyce, w której role
promieni swietlnych spelniaja linie sil pola
elektrycznego E -?V. Aby spelniac zasade
Fermata (glówny postulat optyki geometrycznej)
eikonal S(r) musi spelniac czastkowe równanie
rózniczkowe zwane równaniem eikonalu
51
Równanie eikonalu
Calkujac równanie eikonalu wzdluz trajektorii
promieni, miedzy dwoma punktami A i B mamy to
oznacza, ze
przedstawia droge optyczna A-B (w elektrostatyce
odpowiednikiem drogi optycznej jest róznica
potencjalów) W osrodku jednorodnym n(r) const
? ?S jest stale ? promienie swietlne sa liniami
prostymi
52
Optyka geometryczna
Definiujemy promienie jako kierunki w przestrzeni
odpowiadajace z grubsza wektorom falowym K fali
swietlnej. Kazdy system optyczny posiada os
optyczna i zakladamy, ze wszystkie promienie
propaguje sie pod malymi katami do tej osi.
Promien swietlny mozna zdefiniowac dwiema
zmiennymi
polozenie, x nachylenie, q
53
Optyka geometryczna
Przyklad Jesli xin i qin sa polozeniem i
nachyleniem na wejsciu, to xout i qout sa
polozeniem i nachyleniem po przejsciu drogi od z
0 do z.
Mozna zapisac to wyrazenie w postaci macierzowej
54
Optyka macierzowa
Dla wielu ukladów optycznych, mozna zdefiniowac
2x2 Macierze promieni" Wplyw ukladu na promien
iloczynowi Macierzy promieni i Wektora
promieni
Macierze promieni moga opisywac zarówno proste
jak i zlozone uklady.
System optyczny ? Macierz 2x2
Takie matryce zwane sa czesto macierzami ABCD
55
Optyka macierzowa
Dla polaczenia kaskadowego, mnozymy macierze
56
(No Transcript)
57
Optyka macierzowa