Zintegrowane optoelektroniczne układy logiczne

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

ZOUL

2

Celem wykładu jest zapoznanie studentów z zaawansowanymi układami optyki zintegrowanej i ich wykorzystaniem w procesie przetwarzania informacji. Przewaga systemów fotonicznych nad elektronicznymi wynika z wyższej częstotliwości promieniowania optycznego, możliwości równoległego przetwarzania sygnału oraz wykorzystania kwantowej natury fotonów. Efekty kształcenia obejmują znajomość podstaw fizycznych oraz sposobów realizacji optycznych elementów logicznych i pamięciowych w postaci objętościowej i planarnej. Ponadto znajomość takich zagadnień jak: przełączanie i modulacja z wykorzystaniem optycznych efektów nieliniowych, mikro-rezonatory optyczne, bistabilność optyczna oraz połączenia optyczne. Wynikiem zaliczenia przedmioty będzie też opanowanie tematyki analogowego i cyfrowego przetwarzania sygnału optycznego i znajomość architektury procesora optycznego.

Celem wykładu jest zapoznanie studentów z zaawansowanymi układami optyki zintegrowanej i ich wykorzystaniem w procesie przetwarzania informacji. Przewaga systemów fotonicznych nad elektronicznymi wynika z wyższej częstotliwości promieniowania optycznego, możliwości równoległego przetwarzania sygnału oraz wykorzystania kwantowej natury fotonów.
Efekty kształcenia obejmują znajomość podstaw fizycznych oraz sposobów realizacji optycznych elementów logicznych i pamięciowych w postaci objętościowej i planarnej. Ponadto znajomość takich zagadnień jak: przełączanie i modulacja z wykorzystaniem optycznych efektów nieliniowych, mikro-rezonatory optyczne, bistabilność optyczna oraz połączenia optyczne. Wynikiem zaliczenia przedmioty będzie też opanowanie tematyki analogowego i cyfrowego przetwarzania sygnału optycznego i znajomość architektury procesora optycznego.


Treść wykładu

1. Wstęp, foton i elektron jako nośniki informacji, fala świetlna,
   komunikacja światłowodowa, optyczne przetwarzanie informacji. Teoria
   falowa propagacji promieniowania w planarnych i paskowych falowodach
   dielektrycznych i półprzewodnikowych. Równanie charakterystyczne
   światłowodu planarnego. Klasyfikacja modów światłowodu planarnego. (4h)


2. Fale niejednorodne. Teoria modów sprzężonych, równania modów
   sprzężonych, droga sprzężenia i transfer mocy. Tunelowanie optyczne.
   (2h)


3. Sprzęgacze siatkowe, klasyfikacja siatek, warunek dopasowania
   fazowego sprzężenie współliniowe, sprzężenie pomiędzy modami TE -TE i z
   konwersją modów. (2h)


4. Mikrorezonatory optyczne, zwierciadlane (F-P), fotoniczne (PBG)
   oraz wykorzystujące całkowite wewnętrzne odbicie. Mody typu WGM w
   rezonatorach dyskowych i pierścieniowych. (2h)


5. Przełączanie i modulacja optyczna. Optyka nieliniowa, efekt
   elektrooptyczny, akustooptyczny, absorpcja dwufotonowa, wymuszone
   rozpraszanie Ramana, mieszanie 4 fal, optyka fotorefrakcyjna, efekt
   Franza-Kiełdysza (elektroabsorpcja), kwantowy efekt Starka w studniach
   kwantowych QCSE. Planarne modulatory optyczne wykorzystujące
   wzmacniacze półprzewodnikowe (SOA) i układy interferometryczne. (4h)


6. Połączenia optyczne, zależne i niezależne. Elementy zmieniające
   kierunek propagacji modów falowodowych- planarne pryzmaty, soczewki
   geodezyjne, soczewki fresnelowskie, soczewki siatkowe, siatki
   ogniskujące, zwierciadła, siatki odbiciowe, polaryzatory planarne.
   Modulatory przestrzenne (SLM), komputerowo generowane hologramy i
   siatki fazowe. (2h)


7. Bistabilność optyczna, absorpcyjna, dyspersyjna i polaryzacyjna.
   Modulatory i przełączniki bistabilne, fotoniczne i hybrydowe. Elementy
   SEED (self elektro-optic effect device) (2h)


8. Materiały i technologie wytwarzania zintegrowanych układów
   fotonicznych (Photonic Integrated Circuits PIC). Przykłady realizacji
   na bazie niobianu litu LiNbO3 i materiałów półprzewodnikowych (2h)


9. Optyczna transformata Fouriera, funkcje splotu i korelacji.
   Koherentne przetwarzanie sygnałów optycznych, filtracja optyczna,
   optyczne rozpoznawanie obrazów, procesor optyczny w konfiguracji "4f".
   (2h)


10. Analogowe i cyfrowe optyczne przetwarzanie informacji. Przykłady
    elementów optycznych realizujących funkcje logiczne, bistabilne,
    sprzężeniowe, elementy holograficzne. Systemy optyczne wykonujące
    operacje na macierzach. Procesory algebry liniowej, rozwiązywanie
    parabolicznych równań różniczkowych cząstkowych metodami optycznymi.
    (4h)


11. Przykłady pamięci optycznych - pamięci optoelektroniczne i
    pamięci holograficzne. Elementy i architektura komputera optycznego,
    procesory optyczne. (4h)


Zakres projektu
Ćwiczenia projektowe umożliwią studentom rozszerzenie wiadomości z obszaru optycznych układów logicznych. Zajęcia obejmą wykonanie analizy numerycznej oraz symulacji działania wybranych optycznych elementów logicznych, rezonatorów z kryształem fotonicznym i rezonatorów pierścieniowych, nieliniowych modulatorów, przełączników bistabilnych, a także interferometru Macha-Zehndera z elementem nieliniowym. Ponadto, w ramach ćwiczeń projektowych studenci będą dokonywać numerycznych symulacji procesów optycznych; sumowania, rzutowania, iloczynu skalarnego i wektorowego, mnożenia macierzy, całkowania, filtracji, splotu i korelacji.

• T. Tamir, "Integrated Optics", Springer - Verlag, Berlin, 1975


• J. Petykiewicz, "Podstawy fizyczne optyki scalonej," PWN, Warszawa 1989


• H. Nishimura, M. Haruna, T. Suhara, "Optical Integrated
  Circuits," McGraw-Hill, New York, 1989


• B.E.A. Salech, M.C. Teich, "Fundamentals of photonics," John
  Wiley & Sons, New York, 1991


• J. Jahns, S.H. Lee, "Optical computing hardware" Academic Press,
  Boston, 1994


• S. Martellucci, A. N. Chester, "Nonlinear optics and optical
  computing," Plenum Press, New York, London, 1990


• C. Polloc, M. Lipson, "Integrated Photonics", Kluwer A.P.,
  Boston, 2003


• B. Ziętek, "Optoelektronika", Toruń, 2005


• K. Gniadek, "Optyczne przetwarzanie informacji", PWN 1992


• A. Vander Lugt "Optical Signal Processing" Willey 2005


• M. Błahut http://mb.optics.polsl.gliwice.pl/


• R. Kotyński http://www.igf.fuw.edu.pl/zoi/
  "Metody obliczeniowe mikrooptyki i fotoniki"

Przedmiot składa się części wykładowej oraz projektowej. Do zaliczenia przedmiotu wymagane jest uzyskanie co najmniej 50 % maksymalnej oceny z każdej ww. części. W ramach części projektowej każdy uczestnik kursu wykonuje 2 lub 3 projekty indywidualne, za które może uzyskać do 60 punktów. Wykład kończy się egzaminem, za który można uzyskać maksymalnie do 40 punktów Łącznie można uzyskać maksymalnie 100 punktów, zaś ocena końcowa z przedmiotu jest wystawiana według poniższej reguły:

• 91-100 punktów ocena: 5.0
• 81-90 punktów ocena: 4.5
• 71-80 punktów ocena: 4.0
• 61-70 punktów ocena: 3.5
• 51-60 punktów ocena: 3.0
• do 50 punktów ocena: 2.0

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki

103500 - Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki