USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-1

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 1-2

URZĄDZENIA I SYSTEMY FOTONICZNE

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

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

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-3

Zakres tematycznyArchitektura urządzeń i systemów fotonicznychMateriały fotoniczne

- półprzewodnikowe, ferroelektryczne, materiały organicznePodstawowe 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 1-4

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

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-5

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 IIBadanie podstawowych parametrów światłowodowych i wybranych elementów toru światłowodowegoOptoelektroniczne przesyłanie sygnału audio i video torem światłowodowymBadanie aktywnych elementów MOEMS

Cykl IIIDyfrakcyjne elementy optyczneProjektowanie elementów dyfrakcyjnych (elementy ogniskujące)Modulatory fazowe i intensywnościowe

Cykl IVBadanie optycznych operatorów logicznych i modelowanie sieci neuronowychCyfrowa rejestracja i optoelektroniczna rekonstrukcja hologramu cyfrowegoRealizacja i badania wybranych czujników interferometrycznych

Materiały fotoniczne

Półprzewodniki Ferroelektryki Mat. organiczne

III-V, II-VI, III-N

- źródła (λ=0.65 i 1.55)

- detektory

- modulatory

- modulatory

- skanery

- przetworniki częstotliwości

- pamięci holograficzne

- wyświetlacze

-przetworniki częstotliwości

- modulatory

- efekty nieliniowe

PMMMpolistyren

Rodzina LiNbKDP, TGS(trigliceryn),KTN,……..

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-7

Materiały fotoniczne

Materiały półprzewodnikowe:Generacja, detekcja, modulacja światłaWytwarzanie monolitycznych urządzeń optoelektronicznychNowe technologie: epitaksja z wykorzystaniem wiązki molekularnejOsadzanie chemiczne w parach metal-subst. organiczneUzyskano: 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 1-8

Materiały ferroelektryczne (kryształy, ceramika, cienkie warstwy)

Efekty: dwójłomności, elektrooptyczne, fotorefrakcyjne, nieliniowe, elektrosprężysteZastosowania: modulacja, powielenie częstotliwości, wzmocnienie,W optyce zintegrowanej, optycznych pamięciach

Materiały organiczne (kryształy i polymery):

Efekty: nieliniowości drugiego rzęduZastosowania: konwersja częstotliwości, wielość strukturalnych i innych własności optycznych (ale walka ze stabilnością w czasie)

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-9

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, polaryzacjidługości faliaktywne elementy MEMS i MOEMS

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-10

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 1-11

The food chain in micro-optics

EU NoE NEMO www.micro-optics.org

Low-Cost Replication

Mastering and PrototypingTechnologies

Assembly, Integration and Packaging

Measurementand Instrumentation

Applicationsfor

the Quality of Life

Modelling and Design

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-12

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 1-13

Mikro-stoły optyczne

Obraz uzyskany z przy użyciu SEM a) widok elementów zintegrowanych na mikro-ławieb) widok umieszczania elementów na waflu Si

a) b)

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-14

Mikro-stoły optyczne

Schemat widok modułu a) diody laserowej b) fotodiodymPD- fotodioda monitorująca

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-15

Komercyjnie dostępne mikrostoły

Niedokładność mocowania w rowku ±0,5 umChropowatość powierzchni ±0,2 umNiedokładność kątowa ±0,2'

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-16

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 1-17

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.

Integration of an individual chip-scale microscope

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-18

MEMS layer

Micro Optics layer

VCSEL layer

VCSEL

skan x-y

focusing (z): microscanner vertical

y

xz

multiprobe system

Perspectives

Chip-scale optical scanning confocal microscope

an individual “smart pixel”

: realisation of array-type chip-scale multi-probe microscopes, biological applications

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-19

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

Folding Folding MirrorMirror

Hybrid Hybrid LensesLenses

CMOS CMOS image sensorimage sensor

BeamBeamSplitterSplitter

Condenser Condenser LensLens

LightLightSourceSource

Micro Optical Table (MOT)Micro Optical Table (MOT)Objective Objective LensLens

Object in Object in WaterWater

Sinusoidal Sinusoidal GratingGrating

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-20

Michelson interferometer with MEMS based actuator:

scheme

photograph of a comb drive actuator with mirror

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-21

Integrated WaveguideMicrointerferometric System

Measurement modules:grating interferometer (or ESPI) for in-planedisplacement/strain measurementTwyman-Green interferometer (or DHI) for shape/out-of-plane measurementdigital holographic interferometer for u,v,wdisplacements measurements

Iluminating/Detection moduleActive beam manipulation module

Integrated WaveguideMicrointerferometric System

ABMM base

Beam switcherPhase shifter

VCSEL CCD/CMOS

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-23

detector

waveguide

VCSEL

mirror

mirror

object

mirr

or

illumination-detection module

sol

der b

ump

Układ zintegrowanego interferometrufalowodowego

Sieć światłowodowa

Lucent NxN przełącznik optyczny

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-24

Mikrostoły optyczne

USF_1 Wstęp – M.Kujawińska, T.Kozacki, M.Jóżwik 1-25