Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Optoelektronika i fotonika
Tok studiów:
2019/2020
Kod:
IETP-1-405-s
Wydział:
Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Elektronika i Telekomunikacja
Semestr:
4
Profil:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Prowadzący moduł:
Włodarczyk Przemysław (pwl@agh.edu.pl)
Treści programowe zapewniające uzyskanie efektów uczenia się dla modułu zajęć

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.

Opis efektów uczenia się dla modułu zajęć
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Powiązania z KEU Sposób weryfikacji i oceny efektów uczenia się osiągniętych przez studenta w ramach poszczególnych form zajęć i dla całego modułu zajęć
Wiedza: zna i rozumie
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 Kolokwium
M_W002 ma uporządkowaną i podbudowaną teoretycznie wiedzę w zakresie zasad działania elementów opto elektronicznych oraz wybranych systemów optoelektronicznych ETP1A_W05 Kolokwium
Umiejętności: potrafi
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 ETP1A_U13, ETP1A_U03 Sprawozdanie
Kompetencje społeczne: jest gotów do
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 Sprawozdanie
Liczba godzin zajęć w ramach poszczególnych form zajęć:
SUMA (godz.)
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
42 24 0 18 0 0 0 0 0 0 0 0
Matryca kierunkowych efektów uczenia się w odniesieniu do form zajęć i sposobu zaliczenia, które pozwalają na ich uzyskanie
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Forma zajęć dydaktycznych
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
Wiedza
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 + - + - - - - - - - -
Umiejętności
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 - - + - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 ma świadomość odpowiedzialności za pracę własną oraz gotowość podporządkowania się zasadom pracy w zespole i ponoszenia odpowiedzialności za wspólnie realizowane zadania - - + - - - - - - - -
Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 90 godz
Punkty ECTS za moduł 3 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 42 godz
Przygotowanie do zajęć 9 godz
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 10 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 29 godz
Szczegółowe treści kształcenia w ramach poszczególnych form zajęć (szczegółowy program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład (24h):

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.Ogniwa fotowoltaiczne.
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.
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.

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

7. 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.

Ćwiczenia laboratoryjne (18h):

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. Ogniwo fotowoltaiczne.

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).

4. 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.

Pozostałe informacje
Metody i techniki kształcenia:
  • Wykład: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie klasycznego wykładu tablicowego wzbogaconego o prezentacje multimedialne odnoszące się do prezentowanych zagadnień.
  • Ćwiczenia laboratoryjne: 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.

Zasady udziału w zajęciach:
  • Wykład:
    – Obecność obowiązkowa: Nie
    – Zasady udziału w zajęciach: 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.
  • Ćwiczenia laboratoryjne:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: 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.
Sposób obliczania oceny końcowej:

Ocena końcowa jest średnią z ocen cząstkowych.

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

W wyjątkowych sytuacjach, po indywidualnym ustaleniu.

Wymagania wstępne i dodatkowe, z uwzględnieniem sekwencyjności modułów :

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

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

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

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

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

Informacje dodatkowe:

Brak