OPTOELEKTRONIKA A INTEGROVANÁ OPTIKA, FSI-TOI-A GARANT PŘEDMĚTU: Prf. RNDr. Jiří Petráček, Dr. (ÚFI) VYUČUJÍCÍ PŘEDMĚTU: Prf. RNDr. Jiří Petráček, Dr. (ÚFI), CSc., Yasa Eksiglu Özk, Dr. (ÚFI) JAZYK VÝUKY: angličtina TYP A ROZSAH VÝUKY: 2 hdiny přednášek a 1 hdiny cvičení týdně ZPŮSOBY HODNOCENÍ: zápčet a (písemná a ústní) zkuška PREREKVIZITY: Fyzika: základní znalsti z ptiky (paprskvá ptika, interference a difrakce světla, princip laseru), terie elektrmagnetickéh ple (Maxwellvy rvnice, vlnvá rvnice, rvinná vlna, vlny v látkvém prstředí) a fyziky plvdičů (energivé pásy, přechd p-n). Matematika: znalsti dpvídající bvyklému univerzitnímu kurzu (např. schpnst řešit základní typy byčejných a parciálních rvnic). VÝSTUPY VÝUKY A KOMPETENCE: Základní znalsti z ptelektrniky a integrvané ptiky. Pchpení činnsti ptických prvků jak jsu vlnvdy, ptická vlákna, laservé didy, ptické mdulátry a mřížvé členy. Schpnst návrhu jednduchých vlnvdných prvků. ANOTACE: Cílem kurzu je získání základníh přehledu v blasti ptelektrniky a integrvané ptiky včetně výchzích principů a některých sučasných trendů. Přednáška pkrývá tyt blasti: elektrmagnetická terie ptických vlnvdů, terie vázaných vidů, vazba mezi vlnvdy a vazební členy; technlgie výrby vlnvdných prvků; mdulace a spínání ve vlnvdech; zdrje a detektry záření pr integrvanu ptiku; vybrané aplikace integrvané ptiky, ftnické krystaly, mikrreznátry. Úvd PODROBNÝ OBSAH PŘEDMĚTU Vymezení pjmů: elektrnika a ftnika, ptelektrnika, integrvaná ptika Kncept integrvané ptiky (IO) (1969) Aplikace IO Optické kmunikace včera a dnes Vývj ptických technlgií Vlnvdy
Lekce I - Elektrmagnetická terie ptických vlnvdů Část 1. Vlny v ptice Maxwellvy rvnice (MR) Odezvvá funkce Struktura rvinné vlny, hmgenní a nehmgenní rvinná vlna Dvjrzměrné struktury (2D) Rzklad na TE a TM řešení Vlny na rzhraní úplný draz evanescentní vlna Gsův-Hänchenvé psuv ptické tunelvání Část 2. Mdy vlnvdu Planární vrstevnatý vlnvd kvalitativní ppis, vedené a zářivé mdy pdmínka příčné reznance disperzní rvnice kritická tlušťka becné řešení MR pr 1D prblém, aplikace na planární vrstevnatý vlnvd výkn vytékající mdy Optické vlákn kvalitativní ppis základních vlastnstí ptickéh vlákna se skkvu změnu indexu lmu meridiánvé a ksé paprsky hybridní mdy numerická apertura becné řešení MR pmcí frmulace pužívající pdélné slžky ple aplikace tét frmulace na vlákn se skkvu změnu indexu lmu kvalitativní ppis TE, TM, EH a HE mdů slabě veducí vlákna lineárně plarizvané (LP) mdy kvalitativní ppis řešení MR pr LP mdy prfily plí a disperzní rvnice pr LP mdy mezní frekvence pčet mdů v daném vlákně Část 3. Obecné vlastnsti mdů Definice mdů Hledání mdů pmcí frmulace pužívající příčné slžky ple Vlastnsti šířivých a evanescentních mdů Ortgnalita a úplnst systému mdů Důsledek: rzklad d mdů Excitace vlnvdu pmcí libvlnéh vstupu Důsledek pr celkvý výkn přenášený vlnvdem
Část 4. Terie vázaných mdů Rvnice vázaných mdů Unifrmní prucha Δε nezávisí na z Peridická prucha příklady peridických struktur pdmínka synchrnizace fáze, Braggva pdmínka systém vázaných rvnic vazba mezi stejnými mdy jducími v pačných směrech příklad: braggvská mřížka na vlnvdu draz d braggvské mřížky vazba mezi různými mdy, které se šíří ve stejném směru Část 5. Vazba mezi vlnvdy Využití symetrie, ppis interakce pmcí představy interference symetrickéh a antisymetrickéh mdu Frmulace pmcí vázaných rvnic a jich řešení Optický směrvý vazební člen Část 6. Vstupní a výstupní členy Základní charakteristiky, účinnst vazby, vazební ztráta Přímá fkusace Přímé navázání Hranlvý vazební člen Mřížvý vazební člen Úžený vlnvd Měření ztrát Lekce II - Technlgie výrby ptických vlnvdů a vláken (vybrané příklady) Planární vlnvdy depzice tenkých vrstev naprašvání depzice z rztků plymerizace CVD difúze intvá výměna intvá implantace dstranění nsitelů nábje epitaxní růst Výrba trjrzměrných prvků Výrba ptických vláken
Lekce IV - Ovládání světla mdulátry Elektrptické mdulátry elektrptický jev (EO) fenmenlgický ppis EO jevu planární EO mdulátr Machův-Zehnderův mdulátr intenzity senzr pr měření vyskéh napětí EO mdulátr využívající pvrchvých plazmnů EO směrvý vazební člen laditelný frekvenční filtr mdulátr pužívající Braggvu difrakci přepínač pužívající úplný draz šířka pásma u EO mdulátrů kapalné krystaly (LCD) vlnvdné spínače využívající LCD LCD panely Akustptické mdulátry ftelastický jev a akustptický jev fenmenlgický ppis AO jevu Braggva difrakce a Debyeův-Searsův (Ramanův-Nathův) rzptyl Braggva difrakce v aniztrpním prstředí Braggva difrakce na akustickém svazku uspřádání s malým Braggvým úhlem uspřádání s velkým Braggvým úhlem mdulátr deflektr ple měničů s psunutu fází pvrchvá akustická vlna (SAW) spektrální laditelný filtr spektrální analyzátr Magnetptické mdulátry magnetptický jev, Faradayův jev a ptická aktivita magnetptický izlátr Lekce V - Zdrje a detektry záření pr IO Opakvání: plvdiče energivé pásy kvu a plvdiče elektrny a díry vlastní plvdič, plvdič typu n a typu p, degenervaný plvdič přechd p-n Luminiscenční didy (LED) ppis LED s p n přechdem účinnst plšně vyzařující LED
Lasery pužívané materiály pr LED LED s dvjitu heterstrukturu Charakteristiky LED LED pr ptické vláknvé kmunikace hranvě vyzařující LED stimulvaná emise inverzní ppulace ptický zesilvač laservá dida (LD) pdmínka laservých scilací LD s dvjitu heterstrukturu charakteristiky LD LD pr ptické vláknvé kmunikace laser s rzprstřeným Braggvým reflektrem (DBR) laser s rzprstřenu zpětnu vazbu (DFB) laser se štípanu zdvjenu dutinu (C3) laditelné lasery laser s kvantvu jámu VCSEL (mikrlaser) Ftdidy ftdida p-n ftdida p-i-n lavinvá ftdida Lekce VI - Vybrané aplikace a trendy Prstencvé reznátry (integrvané kruhvé reznátry) kvalitativní ppis zesílení intenzity pmalé světl kritická vazba Ftnické krystaly (PhC) více k peridickým strukturám elektrmagnetizmus jak prblém vlastních hdnt Flquetův-Blchův terém rzbr pásvéh diagramu pr jednrzměrné (1D) PhC Braggův reflektr jak 1D PhC příklady 2D a 3D PhC pruchy v PhC vlnvdy v PhC vyčleňvací filtry v PhC nelineární filtry v PhC další gemetrie Nanreznátry s vyským činitelem kvality (Q)
výhdy reznátrů s malým efektivním bjemem V a vyským Q ftnické senzry citlivst senzrů s různým typem nanreznátrů Cvičení Prgram cvičení vychází z řešení samstatných prblémů uvedených na přednášce a je rzlžen d jedntlivých témat takt: 1. Vlny v ptice, evanescentní vlna 2. Gsův-Hänchenvé psuv 3. Planární vlnvd: pdmínka příčné reznance 4. Planární vlnvd: prfily plí 5. Pvrchvé vlny na rzhraní kv-dielektrikum 6. Excitace vlnvdu pmcí libvlnéh vstupu 7. Odraz d Braggvy mřížky na vlnvdu 8. Vazba mezi vlnvdy, interference symetrickéh a antisymetrickéh mdu, ptický směrvý vazební člen 9. Planární EO mdulátr 10. Machův-Zehnderův mdulátr intenzity 11. Pdmínka laservých scilací 12. Aplikace terie vázaných mdů k analýze laserů typu DBR a VCSEL Tyt prblémy jsu řešeny splečně se cvičícím. Krmě th studenti samstatně řeší další úlhy, které služí k prcvičení dalších znalstí získaných na přednášce. Zadání těcht úlh je uveden v subru prblems_ptelectrnics_and_integrated_ptics.pdf ZÁKLADNÍ LITERATURA: 1. R. G. Hunsperger, Integrated Optics: Thery and Technlgy. Springer, Berlin 1991. 2. B. E. A. Saleh, M. C. Teich, Základy ftniky. Matfyzpress, Praha, 1994-1996. (Fundamentals f Phtnics. Wiley, 1991.) 3. J. Čtyrký, I. Hüttel, J. Schröfel, L. Šimánkvá, Integrvaná ptika. SNTL, Praha, 1986. DALŠÍ DOPORUČENÁ LITERATURA: 4. D. Marcuse, Thery f Dielectric Optical Waveguides. Academic, New Yrk, 1974.
5. S. O. Kasap, Optelectrnics and Phtnics: Principles and Practices. Prentice-Hall, Upper Saddle River, 2001. 6. C-L. Chen, Elements f ptelectrnics and fiber ptics. Irwin, Chicag, 2001. 7. A. Yariv, P. Yeh, Phtnics. Oxfrd University Press, 2007. 8. T. Tamir, Integrated ptics, Berlin, Springer Verlag, 1975. Předmět je invván s pdpru prjektu Invace mezibrvéh studia přírdních věd a inženýrství (CZ.1.07/2.2.00/28.0250).