ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗ ΟΠΤΙΚΗ. Χειμερινό Εξάμηνο Γενικές Πληροφορίες

Transcript

1 11/10/2016 ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗ ΟΠΤΙΚΗ Χειμερινό Εξάμηνο Γενικές Πληροφορίες Ώρα: Τετάρτη 09:00-11:45 Αίθουσα: Αιθ. 101 (Ν. Κτίρια, ΗΜΜΥ) Καθηγητής: Ηλίας Ν. Γλύτσης Γραφείο: (Παλαιά Κτίρια ΗΜΜΥ) Τηλέφωνο: Ιστοσελίδα:

2 ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ 1. Διαλέξεις 2. Διάβασμα 3. Προβλήματα 4. Βιβλιογραφικό Θέμα 5. Παρουσιάσεις Θεμάτων ΒΑΘΜΟΛΟΓΙΑ 1. Βιβλιογραφικό Θέμα - 70% Ημερομηνία Παράδοσης Θέματος 1η Φεβρουαρίου 2017 (περίπου) 2. Παρουσίαση Θέματος - 30% Οι παρουσιάσεις θα γίνουν κατά την εξεταστική περίοδο Φεβρουαρίου κατόπιν συνεννόησης

3 Χρήσιμα Βιβλία (References): K. Okamoto, Fundamentals of Optical Waveguides", 2 nd Ed., Elsevier, 2006 G. Lifante, Integrated Photonics Fundamentals", J. Wiley & Sons, Ltd B. Buckman, "Guided Wave Photonics", Sauders College Publishing, 1992 R. Pollock,"Fundamentals of Optoelectronics", Irwin, Inc., 1995 T. Tamir (editor) Guided-Wave Optoelectronics Springer-Verlag Series in Electronics and Photonics vol. 26, T. Tamir (editor), Integrated Optics, (vol. 7 of Topics in Applied Physics) New York: Springer-Verlag 1979 (2nd edition). H. A. Haus, Waves and Fields in Optoelectronics, Prentice-Hall D. Lee, Electromagnetic Principles of Integrated Optics, J. Wiley, L. D. Hutcheson, Integrated Optical Circuits and Components, M. Dekker R.G. Hunsperger I.O.: Theory and Technology, Springer-Verlag H. Nishihara, M. Haruna, T. Suhara, Optical Integrated Circuits, McGraw-Hill 1989.

4 ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗ ΟΠΤΙΚΗ (Integrated Optics) Ύλη Μαθήματος (Course Outline) 1. Επανάληψη Αρχών Ηλεκτρομαγνητισμού (Review of Electromagnetic Principles) Εξισώσεις Maxwell (Maxwell's Equations) Μορφή Αρμονικού Χρόνου (Time-Harmonic Form) Κυματοεξίσωση Λύσεις Επιπέδων Κυμάτων (Wave Equation - Plane Wave Solutions) Εξισώσεις Fresnel Ολική Ανάκλαση (Fresnel Equations - Total Internal Reflection) 2. Κυματαγωγοί Λεπτού Στρώματος (Thin Film Waveguides) Οπτική Ακτίνων σε Επίπεδο Κυματαγωγό (Ray Optics of Slab Waveguide) Ρυθμοί Κυματαγωγού (Waveguide Modes) Ορθοκανονικότητα Ρυθμών (Mode Orthogonality and Completeness) Κυματαγωγοί Πολλαπλών Στρωμάτων (Multilayer Waveguides) Κυματαγωγοί Βαθμωτού Δείκτη Διάθλασης (Graded Index Waveguides) Κυματαγωγοί Καναλιού (Channel Waveguides) Θεωρία Συζευγμένων Ρυθμών (Coupled-Mode Theory) Κατευθυνόμενοι Συζευκτές (Directional Couplers) Μέθοδοι Κατασκευής Κυματοδηγών (Waveguide Fabrication Techniques) 3. Κυλινδρικοί Διηλεκτρικοί Κυματαγωγοί (Cylindrical Dielectric Waveguides) Ρυθμοί σε Οπτικές Ίνες (Modes in optical fibers) Διασπορά σε Οπτικές Ίνες (Dispersion concepts in optical fibers) 4. Περίθλαση από Περιοδικές Διατάξεις (Grating Diffraction) Εξίσωση περιθλαστικής Διάταξης (Grating Equation) Συνθήκη Bragg (Bragg Condition) Ολογραφικές/Επιφανιακής διαμόρφωσης Περιθλαστικές Διατάξεις (Holographic Gratings / Surface-Relief Gratings) Ακριβής Ανάλυση Συζευγμένων Κυμάτων (Rigorous Coupled-Wave Analysis) Περίθλαση από «Λεπτές» Περιοδικές Διατάξεις (Thin Grating Diffraction) Περίθλαση από «Παχιές» Περιοδικές Διατάξεις (Thick Grating Diffraction) Θεωρία Συζευγμένων Ρυθμών για Περιθλαστικές Διατάξεις (Coupled-Mode theory for periodic structures) Ομοδιευθυντική Σύζευξη (Codiractional coupling) Αντιδιευθυντική Σύζευξη (Contradirectional coupling)

5 Συνέχεια Ύλης Μαθήματος 5. Συζεύκτες Κυματαγωγών (Waveguide Couplers) Transverse, Prism, and Tapered Couplers Συζευκτές Περιθλαστικών Διατάξεων (Grating Couplers) 6. Διαμορφωτές, Μετατροπείς Διεύθυνσης, Οπτικοί Διακόπτες (Modulators, Deflectors, and Switches) Ηλεκτρο-οπτικές Συσκευές (Electro-Optic Devices) Ακουστο-οπτικές Συσκευές (Acousto-Optic Devices) Μαγνητο-οπτικές Συσκευές (Magneto-Optic Devices) 7. Οπτικά Στοιχεία Λεπτού Στρώματος (Thin Film Optical Components) Περιθλαστικά Φίλτρα, Συζεύκτες, και Πολυπλέκτες (Grating Filters, Couplers and Multiplexers Luneberg και Γεωδεσικοί Φακοί (Luneberg and Geodesic Lenses) 8. Μέθοδος Διάδοσης Ακτίνας (Beam Propagation Method) Φάσμα Επιπέδου Κύματος (Plane wave spectrum) Διάδοση Ακτίνας σε μία Διάσταση (One-dimensional beam propagation) Διάδοση Ακτίνας σε δύο Διαστάσεις (Two-dimensional beam propagation) Μέθοδος Πεπερασμένων Διαφορών στο πεδίο του χρόνου (FDTD) (ΔΡ. ΑΡΙΣΤΕΙΔΗΣ ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ) 9. Ολοκληρωμένα Συστήματα (Integrated Systems) RF Αναλυτής Φάσματος (RF Spectrum Analyzer) Πολυκαναλικός Επεξεργαστής Δεδομένων (Multichannel Data Processor) Ακουστο-οπτικός Συσχετιστής (Acousto-Optic Correlator)

6 Συνέχεια Ύλης Μαθήματος 10. Διατάξεις Φωτονικού Κενού (Photonic Bandgap Devices) Διατάξεις με περιοδικότητα σε μια διάσταση (1D periodicity) Διατάξεις με περιοδικότητα σε δύο διαστάσεις (2D periodicity) Παραδείγματα Εφαρμογών (Example Applications) 11. Πλασμονικές Διατάξεις (Plasmon Devices) Πλασμόνια μεταξύ Διηλεκτρικού/Μετάλλου (Plasmons) Διατάξεις Κυματαγωγών Πλασμονίων (Μέταλλο-Διηλεκτρικό-Μέταλλο ΜΔΜ και Διηλεκτρικό-Μέταλλο-Διηλεκτρικό ΔΜΔ) (Plasmonic Waveguides)

7 ΟΔΗΓΙΕΣ ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΟΥ ΘΕΜΑΤΟΣ Το Θέμα στο μάθημα της Ολοκληρωμένης Οπτικής θα περιλαμβάνει κάποιο αντικείμενο στον τομέα των Οπτικών/Οπτικοηλεκτρονικών συσκευών και συστημάτων καθοδηγουμένου κύματος. Παραδείγματα δίδονται σε ξεχωριστές σελίδες. Το Θέμα θα περιλαμβάνει κάποια περίληψη του επιλεγμένου αντικειμένου και θα περιέχει τουλάχιστον 10 (συνήθως χρειάζονται περισσότερες) δημοσιεύσεις της διεθνούς βιβλιογραφίας. Το Θέμα δεν πρέπει να υπερβαίνει τις 10 σελίδες. Η παρουσίαση του Θέματος θα είναι μία 15-λεπτη παρουσίαση (σε Powerpoint) και θα πραγματοποιηθεί κατά την διάρκεια της εξεταστικής περιόδου. Η γραπτή παρουσίαση του Θέματος θα πρέπει να περιλαμβάνει: το πολύ 10 σελίδες (αριθμημένες) για το επιλεγμένο αντικείμενο σε ευδιάκριτο και ευανάγνωστο font, την βιβλιογραφία με τις αναφορές σε IEEE format (όλοι οι συγγραφείς, πλήρης τίτλος, κλπ.) επιπλέον πληροφορίες (σχήματα, πίνακες, παραρτήματα, κλπ.). Μια σελίδα με τον τίτλο του Θέματος και το όνομα του φοιτητού (cover page). Το Θέμα θα πρέπει να παραδοθεί σε έντυπη και ηλεκτρονική μορφή (Microsoft Word, LaTeX, pdf). Η προθεσμία για την παράδοση των βιβλιογραφικών θεμάτων (σε ηλεκτρονική και έντυπη μορφή) είναι η 1η Φεβρουαρίου 2016 (εκτός απροόπτων). Το Powerpoint αρχείο της παρουσίασης πρέπει και αυτό να παραδοθεί σε ηλεκτρονική μορφή. Τα ηλεκτρονικά αρχεία των θεμάτων/παρουσιάσεων θα πρέπει να σταλούν με εντός των προθεσμιών που θα συμφωνηθούν στην διεύθυνση

8 FIRST TELEGRAPH Samuel Morse (1837) Telegraph: Few bits per second!

9 FIRST TELEPHONE (1876) Alexander Graham Bell ( ) Telephone: 4 KHz 64Kb/sec Portrait photo taken between

10 FIRST RADIO COMMUNICATIONS Heinrich Hertz (1888) Guglielmo Marconi (1895) Early Radio: 15KHz Bandwidth, 0.2-2MHz Carrier Frequency

11 FROM RADIO TO TV TO SATELLITE COMMUNICATIONS Early Radio 15 KHz bandwidth on MHz carrier TV 6 MHz bandwidth on carrier up to 100 MHz 2-20Mbps (SDTV and HDTV with MPEG-2/4) RADAR research (1940 s) Frequencies up to the GHz domain (microwaves) Cell phones GHz Terrestrial and Satellite Communications 18 GHz

12

13 INVENTION OF LASER (1960) T. Maimann (1960) Schematic of first Ruby Laser

14 INVENTION OF LASER (1960) Laser Housing Flash Lamp Ruby Rod T. Maimann (1960) Freespace Wavelength of 694 nm. What s new? ν = c/λ = 4.3 x Hz = 430 THz!!! (Carrier Frequency)

15 INVENTION OF LASER (1960) If only ~1% of the bandwidth of this laser could be utilized for a communications system it would provide ~5 THz of bandwidth. That is enough for: ~1 Million Analog video channels (6 MHz) ~1 Billion Telephone Calls (5 KHz)

16 Difficult to Use INVENTION OF LASER (1960) Two Reasons: No available electrical components to operate at these high speeds. No dependable transmission media for light (no optical wires ) We ve come a long way since then: 40 Gb/sec electronics, optical fiber development The emergence of the field of Photonics

17 SILICA GLASSES ATTENUATION From G. Lifante, Integrated Photonics Fundamentals, Wiley 2006

18 FIBER GLASS WAVEGUIDES (1966) Initially glass was very lossy at optical frequencies (about 1000dB/km) C. Kao (1966) predicted that loss is due to impurities of glass (Nobel Laureate Physics) Today silica (glass) fiber waveguides has losses 0.2dB/km (near theoretical limit) Dr. Charles Kao Standard Telecommunication Laboratories, Harlow, UK (1966)

19 K. C. Kao and G. A. Hockman, Proceedings of the IEE, vol. 113, pp , Jul

20 OPTICAL FIBER ATTENUATION OPTICAL AMPLIFIER GAIN

21 OPTICAL TRANSMISSION SYSTEM Laser Channel Detector Modulator

22 Today s Infrastructure: The Electronics/Optics Boundary Current infrastructure depends heavily on electronics (strength in processing) and optics (strength in transmission) Access Switch/Router TDM Muxes/DeMuxes EO/OE WDM Mux/Demux WDM Fiber Router Router Router Router Electrical Optical Prof. Rene Cruz, Center for Pervasive Communications and Computing, University of California, Irvine

23 Introduction and Definitions INTEGRATED OPTICS Integrated Optics (IO) is the assembly of a combination of optical components to perform some function normally accomplished by several discrete elements. The components may include various sources of light such as a laser or a light emitting diode and devices for the processing and detection of light, all of which are joined on a common platform. The platform or substrate provides means of guiding the light as well as housing the wide variety of devices for controlling light. The complexity of the device typically is the result of these waveguides and the control devices for switching, steering, and impressing (or retrieving) information carried by the light. The concept of the integrated optical circuit (IOC) was first proposed by Stewart Miller of AT & T Bell Laboratories in There are a number of similar terms by which the concept is known, for example optical integrated circuits (OIC), optoelectronic integrated circuits (OEIC), and integrated photonics. In the latter case, some of the devices incorporated on the chip may be electronic such as photo-sensitive transistors. The common denominator is the use of photons (light) rather than electrons as the carrier of the data which are to be manipulated on the substrate.

24

25 INTEGRATED OPTICS ADVANTAGES Characteristic Integrated Electronics Bulk Optics Integrated Optics Reliability x x Low Cost/Power x x Rigidity x x High Uniformity x x Batch Fabrication x x Compactness x x x High Speed x x Very Large x x Bandwidth Parallel Processing x x EMI Immunity x x Optical Power x Density Available Lasers x x and Detectors Fiber Optic Interface x

26 ANISOTROPIC MATERIALS ADVANTAGES Low Loss Electro-Optic Piezoelectric Photoelastic Photorefractive Examples: LiNbO 3 and LiTaO 3

27 INTEGRATED OPTICS FEATURES Features Based on Wave Optics: Use single-mode waveguides that guarantees micrometer confinement. Stable Alignment by Integration: All (or most) components are integrated into a single substrate. Control of Guided Wave: Easier control of guided waves by electro-optic effects, acousto-optic effects, photorefractive effects, etc. due to the tight confinement of light. Low Operating Voltage: Micrometer (optical wavelength) confinement permits small electrode gaps thus generating high electric fields with small voltages. Faster Operation: Smaller electrodes have smaller capacitance and can be switching and modulation faster. Larger Optical Power Density: Single-mode devices have micrometer dimensions thus making the optical power densities extremely high and enabling the utilization of nonlinear optical effects. Compact and Light: All components are packaged in a few square centimeters.

28 DEVICE SIZE LIMITATIONS Limitations due to the Finite Optical Wavelength: Optical wavelength is in the micrometers. Minimum Interaction Length in Terms of Optical Wavelengths: Several tenths or even thousandths of optical wavelengths may be needed for useful effects to occur at reasonable voltages for modulation and switching. Waveguide Scattering and Imperfection Losses: Losses in optical waveguides for integrated optics applications can be as low as 0.02dB/cm which are a lot higher than losses in optical fibers. Limitations in Density of Components: Bending losses can limit the architecture of an integrated optical circuit. However, new approaches such high refractive-index differences in waveguides, or Microelectro-mechanical Systems (MEMS), or Multiple-Mode Interference (MMI) regions, Photonic Bandgap and Plasmonic structures can alleviate some of these limitations.

29 MATERIAL TECHNOLOGY FOR INTEGRATED OPTICS From G. Lifante, Integrated Photonics Fundamentals, Wiley 2006

30 INTEGRATED OPTICS MATERIALS & TRANSPARENCY RANGE Overview on various materials applied in integrated optics and their corresponding transparency ranges

31 Basic waveguide geometries Alexey Belyanin, Dept. of Physics, Texas A&M University

32 ELECTRO-OPTIC MACH-ZEHNDER MODULATOR

33 INTEGRATED OPTICS DEVICES From H. P. Zappe, Introduction to Semiconductor Integrated Optics

34 INTEGRATED OPTICS DEVICES From H. P. Zappe, Introduction to Semiconductor Integrated Optics

35

36 CONCAVE GRATING SPECTROMETER ROWLAND CIRCLE

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46 OPTICAL INTERCONNECTS CHIP-TO-FIBER RIBBON

47

48

49

50

51 Evanescent field sensors (substrate sensitized to a specific molecule) Adsorbed molecules change the excitation angle of EM mode Alexey Belyanin, Dept. of Physics, Texas A&M University

52 Evanescent field sensors (cover sensitized to a specific molecule) citeseerx.ist.psu.edu%2fviewdoc%2fdownload%3fdoi%3d %26rep%3drep1%26type%3dpdf&usg=afqjcngdbtsxy_hd9lsxwq6tpbq_xrvrlq

53 COMMERCIAL DEVICES (ALCATEL) From Alcatel

54 FIBER OPTIC GYROSCOPE Sagnac Effect From Sagem Navigation Safran Group

55 FIBER OPTIC GYROSCOPE PRODUCTS From Sagem Navigation Safran Group

56 PHOTONIC CRYSTAL WAVEGUIDES/CAVITIES M. Florescu, Jet Propulsion Laboratory, NASA Note T-intersections and tight bends, as in electric wires. You cannot achieve it in dielectric waveguides! Alexey Belyanin, Dept. of Physics, Texas A&M University

57 PHOTONIC CRYSTAL FIBERS Lih Y. Lin, Integrated Optics & Nanophotonics, E539B, Univ. of Washington

58 PLASMONIC WAVEGUIDES/COUPLERS L. Sweatlock, Plasmonics, Nanophotonics in Metal Structures, CalTech J. Tien, et al., Appl. Phys. Lett., 95, , (2009).

59 2014 Nobel Prize for Physics "for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources Isamu Akasaki Hiroshi Amano Shuji Nakamura

60