Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Optoelektronika
Course of study:
2014/2015
Code:
IET-1-405-s
Faculty of:
Computer Science, Electronics and Telecommunications
Study level:
First-cycle studies
Specialty:
-
Field of study:
Electronics and Telecommunications
Semester:
4
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Course homepage:
 
Responsible teacher:
Lipiński Marcin (mlipinsk@agh.edu.pl)
Academic teachers:
dr inż. Buczek Łukasz (lbuczek@agh.edu.pl)
Lipiński Marcin (mlipinsk@agh.edu.pl)
dr inż. Swatowska Barbara (swatow@agh.edu.pl)
Module summary

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Social competence
M_K001 ma świadomość odpowiedzialności za pracę własną oraz gotowość podporządkowania się zasadom pracy w zespole i ponoszenia odpowiedzialności za wspólnie realizowane zadania ET1A_K04 Report
Skills
M_U001 potrafi pracować indywidualnie i w zespole; umie oszacować czas potrzebny na realizację zleconego zadania; potrafi opracować i zrealizować harmonogram prac zapewniający dotrzymanie terminów potrafi zaprojektować łącze optyczne ET1A_U20, ET1A_U02 Report
Knowledge
M_W001 ma uporządkowaną i podbudowaną teoretycznie wiedzę w zakresie fotoniki, w tym wiedzę niezbędną do zrozumienia fizycznych podstaw działania systemów telekomunikacji optycznej oraz optycznego zapisu i przetwarzania informacji; ET1A_W03 Examination
M_W002 ma uporządkowaną i podbudowaną teoretycznie wiedzę w zakresie zasad działania elementów opto elektronicznych oraz wybranych systemów optoelektronicznych ET1A_W12 Examination
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Others
E-learning
Social competence
M_K001 ma świadomość odpowiedzialności za pracę własną oraz gotowość podporządkowania się zasadom pracy w zespole i ponoszenia odpowiedzialności za wspólnie realizowane zadania - - + - - - - - - - -
Skills
M_U001 potrafi pracować indywidualnie i w zespole; umie oszacować czas potrzebny na realizację zleconego zadania; potrafi opracować i zrealizować harmonogram prac zapewniający dotrzymanie terminów potrafi zaprojektować łącze optyczne - - + - - - - - - - -
Knowledge
M_W001 ma uporządkowaną i podbudowaną teoretycznie wiedzę w zakresie fotoniki, w tym wiedzę niezbędną do zrozumienia fizycznych podstaw działania systemów telekomunikacji optycznej oraz optycznego zapisu i przetwarzania informacji; + - + - - - - - - - -
M_W002 ma uporządkowaną i podbudowaną teoretycznie wiedzę w zakresie zasad działania elementów opto elektronicznych oraz wybranych systemów optoelektronicznych + - + - - - - - - - -
Module content
Lectures:

Wykład.(15 g.)

1. Materiały dla optoelektroniki i zjawiska w nich zachodzące (3 g.)
Materiały do budowy półprzewodnikowych źródeł i detektorów światła. Model energetyczny, znaczenie przerwy energetycznej. Możliwości dobierania szerokości przerwy energetycznej w szczególności dla związków III-V grupy układu okresowego. Oddziaływanie światła i materii w półprzewodnikach – absorpcja i emisja, fotony, elektrony, fonony. Warunki emisji promienistej w półprzewodniku. Rodzaje przerw energetycznych, przerwa skośna i prosta. Zasada zachowania pędu w procesie rekombinacji promienistej. Efektywność rekombinacji promienistej. Ogólne rozważania Einsteina na temat emisji i absorpcji w materii, warunek równowagi termodynamicznej. Emisja spontaniczna, emisja wymuszona. Warunki rozkładu boltzmanowskiego i antyboltzmanowskiego, inwersja obsadzeń, wzmacnianie światła, akcja laserowa. Rola gęstości widmowej mocy światła. Dodatnie sprzężenie zwrotne, rezonans optyczny, budowa i właściwości rezonatora Fabry-Perot.

2. Półprzewodnikowe źródła światła (3 g.)
Budowa i zasada działania diody elektroluminescencyjnej LED (2 g.). Równania bilansu dla LED. Rola heterozłącza w półprzewodnikowych źródłach światła. Właściwości użytkowe LED. Charakterystyka robocza, właściwości modulacyjne i termiczne LED. Właściwości światła emitowanego przez LED. Laser półprzewodnikowy Równania bilansu dla lasera półprzewodnikowego. Budowa lasera półprzewodnikowego o strukturze paskowej i podwójnym heterozłączu. Właściwości użytkowe, elektryczne i optyczne lasera. Charakterystyki robocze, kątowy rozkład emisji, polaryzacja emitowanego światła, zależności termiczne, ogólne właściwości modulacyjne. Porównanie właściwości światła emitowanego przez LED i laser półprzewodnikowy. Podstawowe problemy i konstrukcje laserów. Procesy degradacyjne w LED i laserach półprzewodnikowych. Inne typy laserów – Lasery ciała stałego: rubinowy, Nd:YAG i Nd:YVO4. Laser DPSSL z podwajaniem częstotliwości emitowanego światła.

3. Fotodetektory (2 g.). Fotodetektor złączowy p-n. Absorpcja światła, efekt rozdzielania nośników, fotoprąd. Struktura p-i-n. Czułość i efektywność kwantowa. Charakterystyka U/I fotodiody p-i-n. Zależność chromatyczna czułości. Właściwości dynamiczne, charakterystyka częstotliwościowa fotodiody p-i-n. Odczyt i przetwarzanie prądu z fotodiody – układy przedwzmacniaczy. Konstrukcja i właściwości fotodiody z heterozłączem. Fotodioda lawinowa. Zjawiska, budowa i podstawowe parametry. Szumy w fotodiodach p-i-n i lawinowej.

4.Ogniwa fotowoltaiczne (2 g.)
Energia słoneczna i widmo promieniowania. Efekt fotowoltaiczny i początki fotowoltaiki. Procesy zachodzące w ogniwach. Budowa ogniwa i rodzaje złącz. Przykładowe struktury ogniw. Najważniejsze parametry ogniw. Rola warstwy antyrefleksyjnej i jej najważniejsze parametry – poprawa sprawności ogniw. Charakterystyki I-V ogniw i inne parametry elektryczne. Połączenie szeregowe i równoległe ogniw. Programy symulacyjne parametrów ogniw, na przykładzie PC1D. Uwarunkowania prawne instalowania systemów PV w Polsce. Instalacje PV na AGH i na świecie.

5. Podstawy, budowa i właściwości światłowodów (2g.).
Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia, jako mechanizm działania światłowodu. Apertura numeryczna. Rozchodzenie się światła w światłowodzie – mody jako rozwiązania równań propagacyjnych. Współzależności apertury numerycznej, wymiarów geometrycznych, konstrukcji, parametrów optycznych i warunków propagacji fal. Światłowód wielomodowy, liczba modów propagujących, dyspersja międzymodowa i jej skutki. Warunek propagacji jednomodowej. Mechanizmy tłumienia światła, absorpcja i rozpraszanie Rayleigha, odbicie Fresnela i ich skutki.
Nietelekomunikacyjne zastosowania światłowodów. Optyka włóknista, obrazowód.

6. Urządzenia oparte na zjawisku fotoemisji (1 g.).
Zjawisko fotoemisji. Właściwości i materiały fotokatod. Fotopowielacz próżniowy, budowa, zasada działania, właściwości. Wzmacniacze i przetworniki obrazu. Noktowizor. Fotopowielacz półprzewodnikowy SiPM . Budowa, zasada działania. Właściwości, parametry, układy odczytu sygnału.

7. Displeje i przetworniki obrazu (2 g.).
Rys historyczny – lampa oscyloskopowa i obrazowa. Współczesne rozwiązania – Displej z pikselami LED. Displeje LCD – zjawiska i materiały do konstrukcji wyświetlaczy LCD. Właściwości materiałów ciekłokrystaliczych. Rozpraszanie dynamiczne, nematyk skręcony. Budowa i właściwości wyświetlacza barwnego LCD. Półprzewodnikowe przetworniki obrazów. Budowa elementu ładunkowego CCD, zasada działania, sterowanie i odczyt sygnału. Struktury analizujące obraz dwuwymiarowy – linijka i matryca. Systemy sterowania i odczytu sygnału. Struktury CMOS – porównanie obydwu kategorii.

Laboratory classes:

Ćwiczenia laboratoryjne – 15 g

1. LED.(4 g.)

Badanie mikroskopowe i omówienie budowy, materiałów, właściwości emisyjnych diod LED sygnalizacyjnych oraz diody o konstrukcji Burrusa do aplikacji światłowodowej. Pomiary i porównanie charakterystyk I/U oraz roboczych diod LED o różnych barwach emitowanego światła. Biała dioda LED.
Podstawowe aplikacje. Pixel barwny zbudowany z diod RGB – budowa, zasilanie, możliwości sterowania jasnością i barwą świecenia. Displeje oparte na diodach LED. Displej numeryczny siedmiosegmentowy i matryca, metody sterowania.
Optoizolatory – budowa, przegląd konstrukcji. Pomiar podstawowych właściwości róznych typów optoizolatorów.

2. Laser półprzewodnikowy.(4 g.)

Badanie mikroskopowe i omówienie budowy czerwonego lasera półprzewodnikowego paskowego z rezonatorem Fabry-Perrot oraz lasera VCSEL, rola wbudowanego monitora, emisja światła, zakres emisji spontanicznej i wymuszonej. Obserwacja i omówienie właściwości emitowanego światła w obszarze emisji wymuszonej. Interferencja i spekle, jako przejawy spójności światła. Badanie polaryzacji światła laserowego. Uproszczony pomiar charakterystyki roboczej i orientacyjne wyznaczenie wartości prądu progowego z wykorzystaniem efektu wrażliwości termicznej emisji. Pomiary charakterystyk kątowych emisji w dwóch ortogonalnych płaszczyznach. Kolimacja wiązki światła i jej właściwości.

3. Ogniwo fotowoltaiczne (4 g.)

Pomiary sprawności krzemowych ogniw słonecznych na bazie krzemu mono- i multi-krystalicznego z wykorzystaniem urządzenia do pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych ogniw słonecznych wraz z oprogramowaniem – I-V Curve Traser for Solar Cells Qualification, v. 4.1.1. Ocena jakości ogniw na podstawie uzyskanych parametrów elektrycznych. Pomiary w warunkach STC a także przy zmiennej temperaturze oraz zmiennym oświetleniu.
Możliwości programu symulacyjnego PC1D (producent: University of New South Wales) oraz jego obsługa: znając parametry materiału bazowego ogniw słonecznych lub warstwy antyrefleksyjnej dopasowujemy parametry pracy samych ogniw słonecznych i optymalizować rozwiązania konstrukcyjne tego typu urządzeń. Analiza wpływu warunków zewnętrznych na parametry pracy ogniwa przy określonej konstrukcji ogniwa, na określonym podłożu (głównie temperatury).

Literatura do fotowoltaiki:
1. Strona internetowa: Fotowoltaika Polska, www.pv.pl
2. Z.M. Jarzębski, Energia Słoneczna. Konwersja Fotowoltaiczna, PWN, Warszawa 1990
3. E. Klugmann, E. Klugmann-Radziemska, Alternatywne źródła energii, energetyka fotowoltaiczna, wyd. Białystok: Wydaw. Ekonomia i Środowisko, 1999

4. Światłowód.(3 g.)

Obserwacja efektu całkowitego wewnętrznego odbicia, pokazowe struktury światło wiodące. Demonstracja efektu granicznego kąta akceptacji, efekt wyciekania światła ze struktury. Światłowód plastikowy i plastikowo-szklany – obserwacja przewodzenia światła widzialnego, pomiar apertury numerycznej, pokaz wpływu warunków sprzężenia ze źródłem na propagację grup modowych. Efekt separacji grup modowych. Pomiar charakterystyki kątowej akceptacji i emisji. Wyznaczenie apertury numerycznej NA. Światłowód szklany telekomunikacyjny, wielodomowy gradientowy. Mikroskopowa obserwacja struktury. Badanie udziału rozpraszania Rayleigha i absorpcji w tłumieniu światłowodu. Pomiary tłumienia światłowodu wielomodowego w funkcji długości fali światła propagującego. Sprawdzenie zgodności zależności z funkcją lambda^-4 – wnioski.

Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 78 h
Module ECTS credits 3 ECTS
Participation in lectures 14 h
Participation in laboratory classes 14 h
Realization of independently performed tasks 30 h
Preparation of a report, presentation, written work, etc. 10 h
Preparation for classes 10 h
Additional information
Method of calculating the final grade:

1. Warunkiem uzyskania pozytywnej oceny końcowej jest uzyskanie pozytywnej oceny z laboratorium oraz z egzaminu.
2. Obliczamy średnią ocen z laboratorium i egzaminu uzyskanych we wszystkich terminach.
3. Wyznaczmy ocenę końcową na podstawie zależności:
if sr>4.75 then OK:=5.0 else
if sr>4.25 then OK:=4.5 else
if sr>3.75 then OK:=4.0 else
if sr>3.25 then OK:=3.5 else OK:=3
Jeżeli pozytywną ocenę z laboratorium i egzaminu uzyskano w pierwszym terminie i dodatkowo student był aktywny na wykładach, to ocena końcowa jest podnoszona o 0.5.

Prerequisites and additional requirements:

1. Rachunek różniczkowy i całkowy.
2. Podstawy fizyki ciała stałego.
3. Podstawy optyki.
4. Podstawy teorii obwodów.
5. Teoria sygnałów.

Recommended literature and teaching resources:

1. B.E.A. Saleh, M.C.Teich – Fundamentals of Photonics – Wiley 2007.
2. J.Siuzdak – Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej – WKŁ 1999.
3. K.Booth – Optoelektronika – WKŁ 2001.
4. G.Einarsson – Podstawy telekomunikacji światłowodowej – WKŁ 1998.

Literatura do fotowoltaiki:
1. Strona internetowa: Fotowoltaika Polska, www.pv.pl
2. Z.M. Jarzębski, Energia Słoneczna. Konwersja Fotowoltaiczna, PWN, Warszawa 1990
3. E. Klugmann, E. Klugmann-Radziemska, Alternatywne źródła energii, energetyka fotowoltaiczna, wyd. Białystok: Wydaw. Ekonomia i Środowisko, 1999

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

Additional scientific publications not specified

Additional information:

None