URZĄDZENIA i SYSTEMY FOTONICZNE Prof. dr hab. inż. Małgorzata Kujawinska Dr inż. Tomasz Kozacki

1. URZĄDZENIA i SYSTEMY FOTONICZNE Prof. dr hab. inż. Małgorzata Kujawinska Dr inż. Tomasz Kozacki Dr inż. Michał Józwik Specjalność: Inżynieria Fotoniczna

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, 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

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”

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

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

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

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

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)

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

10. Systemy fotoniczne = funkcjonalnie zestawione urządzenia fotoniczne + ich integracja + ich „packaging” Architektura: smart pixel, optyka zintegrowana (falowody/światłowody), mikrostoły i mikroławy optyczne, lab-on-chip Systemy fotoniczne

11. Mastering and Prototyping Technologies Meas urement Low - Cost R eplication and Instrumentation Applications M odel l ing and Design Assembly, Integration and Packaging for the Quality of Life The food chain in micro-optics EU NoE NEMO www.micro-optics.org

12. Obiekty zainteresowania • micro- i nanomateriały • MEMS i MOEMS (zwierciadła, membrany, grzebienie, belki,...) • electroniczne elementy& zespoły • pakiety M-O & M-E • fazowe elementyoptyczne (mikrosoczewki, falowody, światłowody, ...) • dyfrakcyjne elementy optyczne

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

14. Mikro-stoły optyczne Schemat widok modułu a) diody laserowej b) fotodiody mPD- fotodioda monitorująca

15. Niedokładność mocowania w rowku ±0,5 um Chropowatość powierzchni ±0,2 um Niedokładność kątowa ±0,2' Komercyjnie dostępne mikrostoły

16. Czemu chcemy integrować (np.. Systemy pomiarowe) Konstrukcja zintegrowanych mikroskopów do pomiarów w mikroskali i aplikacji typu Lab-on-chip

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. 

18. Chip-scale optical scanning confocal microscope multiprobe system an individual “smart pixel” Perspectives: realisation of array-type chip-scale multi-probe microscopes, biological applications

19. Folding Mirror Sinusoidal Grating Objective Lens Object in Water Micro Optical Table (MOT) 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 Condenser Lens Beam Splitter Light Source

20. Michelson interferometer with MEMS based actuator:  scheme photograph of a comb drive actuatorwith mirror 

21. Integrated WaveguideMicrointerferometric 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

22. Integrated Waveguide Microinterferometric System

23. Sieć światłowodowa Lucent NxN przełącznik optyczny Układ zintegrowanego interferometru falowodowego

24. Mikrostoły optyczne