Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Optoelektronika
Course of study:
2019/2020
Code:
IETP-1-407-n
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:
Part-time studies
Course homepage:
 
Responsible teacher:
Włodarczyk Przemysław (pwl@agh.edu.pl)
Module summary

Program zajęć obejmuje podstawowe zagadnienia z zakresu optoelektroniki i fotoniki w tym: półprzewodnikowe źródła światła, fotodetektory i światłowody. Szczególny nacisk jest położony na
zrozumienie fizycznych podstaw działania elementów oraz systemów optoelektronicznych.

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: is able to
M_K001 ma świadomość odpowiedzialności za pracę własną oraz gotowość podporządkowania się zasadom pracy w zespole i ponoszenia odpowiedzialności za wspólnie realizowane zadania ETP1A_K04 Report
Skills: he can
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 ETP1A_U03 Report
Knowledge: he knows and understands
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; ETP1A_W02 Examination
M_W002 ma uporządkowaną i podbudowaną teoretycznie wiedzę w zakresie zasad działania elementów opto elektronicznych oraz wybranych systemów optoelektronicznych ETP1A_W05 Examination
Number of hours for each form of classes:
Sum (hours)
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
28 16 0 12 0 0 0 0 0 0 0 0
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
Prace kontr. przejść.
Lektorat
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 - - + - - - - - - - -
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 + - + - - - - - - - -
Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 125 h
Module ECTS credits 5 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 28 h
Preparation for classes 31 h
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 10 h
Realization of independently performed tasks 56 h
Module content
Lectures (16h):

Wykład (24 g.)

1. Materiały dla optoelektroniki i zjawiska w nich zachodzące.
Model energetyczny, znaczenie przerwy energetycznej. Oddziaływanie światła i materii w półprzewodnikach – absorpcja i emisja. Warunki emisji promienistej w półprzewodniku. Rodzaje przerw energetycznych, przerwa skośna i prosta. Zasada zachowania pędu w procesie rekombinacji promienistej. Emisja spontaniczna, emisja wymuszona, 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.
Budowa i zasada działania diody elektroluminescencyjnej LED. Rola heterozłącza w półprzewodnikowych źródłach światła. Właściwości użytkowe LED. Charakterystyka robocza, właściwości modulacyjne i termiczne LED. Właściwości światła emitowanego przez LED.
Laser półprzewodnikowy. Budowa lasera półprzewodnikowego o strukturze paskowej. Właściwości użytkowe, elektryczne i optyczne lasera. Charakterystyki robocze, kątowy rozkład emisji, polaryzacja emitowanego światła, zależności termiczne, ogólne właściwości modulacyjne. Procesy degradacyjne w LED i laserach półprzewodnikowych. Inne typy laserów – lasery ciała stałego, laser gazowy, laser DPSSL z podwajaniem częstotliwości emitowanego światła.

3. Fotodetektory.
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. Fotodioda lawinowa. Zjawiska, budowa i podstawowe parametry. Szumy w fotodiodach p-i-n i lawinowej.

4. Podstawy, budowa i właściwości światłowodów.
Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. 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.

5. Urządzenia oparte na zjawisku fotoemisji.
Zjawisko fotoemisji. Właściwości i materiały fotokatod. Fotopowielacz próżniowy, budowa, zasada działania, właściwości.

6. Wyświetlacze i przetworniki obrazu.
Rys historyczny – lampa oscyloskopowa i obrazowa. Wyświetlacz LED i LCD. Zjawiska i materiały do konstrukcji wyświetlaczy. Budowa i właściwości wyświetlaczy. 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.

Laboratory classes (12h):

Ćwiczenia laboratoryjne (18 g.)

1. LED.

Badanie mikroskopowe i omówienie budowy, materiałów, właściwości emisyjnych diod LED sygnalizacyjnych. 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. Wyświetlacze oparte na diodach LED – numeryczny siedmiosegmentowy i matryca, metody sterowania.
Optoizolatory – budowa, przegląd konstrukcji. Pomiar podstawowych właściwości różnych typów optoizolatorów.

2. Laser półprzewodnikowy.

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. Pomiary charakterystyk kątowych emisji w dwóch ortogonalnych płaszczyznach. Kolimacja wiązki światła i jej właściwości.

3. Światłowód.

Obserwacja efektu całkowitego wewnętrznego odbicia. Demonstracja efektu granicznego kąta akceptacji, efekt wyciekania światła ze struktury. Światłowód plastikowy i szklany – obserwacja przewodzenia światła widzialnego, pomiar apertury numerycznej. Pomiar charakterystyki kątowej akceptacji i emisji. Wyznaczenie apertury numerycznej NA. Światłowód szklany telekomunikacyjny, wielodomowy gradientowy. Mikroskopowa obserwacja struktury. Pomiary tłumienia światłowodu wielomodowego w funkcji długości fali światła propagującego. Sprawdzenie zgodności zależności z funkcją lambda^-4 – wnioski.

Additional information
Teaching methods and techniques:
  • Lectures: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji multimedialnej w połączeniu z klasycznym wykładem tablicowym wzbogaconymi o pokazy odnoszące się do prezentowanych zagadnień.
  • Laboratory classes: W trakcie zajęć laboratoryjnych studenci samodzielnie rozwiązują zadany problem praktyczny, dobierając odpowiednie narzędzia. Prowadzący stymuluje grupę do refleksji nad problemem, tak by otrzymane wyniki miały wysoką wartość merytoryczną.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

Warunkiem uzyskania pozytywnej oceny końcowej jest uzyskanie pozytywnej oceny z każdego z zagadnień poruszanych na laboratorium.

Participation rules in classes:
  • Lectures:
    – Attendance is mandatory: No
    – Participation rules in classes: Studenci uczestniczą w zajęciach poznając kolejne treści nauczania zgodnie z syllabusem przedmiotu. Studenci winni na bieżąco zadawać pytania i wyjaśniać wątpliwości. Rejestracja audiowizualna wykładu wymaga zgody prowadzącego.
  • Laboratory classes:
    – Attendance is mandatory: Yes
    – Participation rules in classes: Studenci wykonują ćwiczenia laboratoryjne zgodnie z materiałami udostępnionymi przez prowadzącego. Student jest zobowiązany do przygotowania się w przedmiocie wykonywanego ćwiczenia, co może zostać zweryfikowane kolokwium w formie ustnej lub pisemnej. Zaliczenie zajęć odbywa się na podstawie zaprezentowania rozwiązania postawionego problemu. Zaliczenie modułu jest możliwe po zaliczeniu wszystkich zajęć laboratoryjnych.
Method of calculating the final grade:

Ocena końcowa jest średnią z ocen cząstkowych.

Sposób i tryb wyrównywania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:

W wyjątkowych sytuacjach, po indywidualnym ustaleniu.

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.

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

System for control of polarization state of light and generation of light with continuously rotating linear polarization, P. WŁODARCZYK, S. Pustelny, D. Budker, Review of Scientific Instruments 2019 vol. 90

Additional information:

None