«Μικροοπτικές διατάξεις και ολοκληρωµένα οπτικά» ΜΙΚΡΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟ ΙΑΤΑΞΕΙΣ ιατµηµατικο Μεταπτυχιακο Προγραµµα. Ι. Ζεργιώτη ΣΕΜΦΕ, ΕΜΠ

Transcript

1 «Μικροοπτικές διατάξεις και ολοκληρωµένα οπτικά» ΜΙΚΡΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟ ΙΑΤΑΞΕΙΣ ιατµηµατικο Μεταπτυχιακο Προγραµµα Ι. Ζεργιώτη ΣΕΜΦΕ, ΕΜΠ Ολοκληρωµενα Οπτικα = ιαδοση φωτος σε περιορισµενο χωρο Μικρο-Οπτο-Ηλεκτρο-Μηχανικα Συστηµατα = ιαδοση φωτος σε ελευθερο χωρο (free space propagation).

2 Εισαγωγή στα µικρο-οπτικo-ηλεκτρο-µηχανικά συστήµατα (MOEMS) και ολοκληρωµένα οπτικά µε έµφαση σε µικροµετρικές διατάξεις. Οι διατάξεις αυτές αποτελούνται από πηγές laser-led οπτικά στοιχεία ανιχνευτές. Φωτεινές πηγές µεβαση ηµιαγώγιµαυλικά Αρχές ηµιαγώγιµων laser και LED: Laser diode (Distributed Feedback, Distributed Bragg Reflector, Vertical Cavity Surface Emitting Light) Light Emitting Diode Ενεργητικές διατάξεις Οπτικοί ενισχυτές (EDFA)

3 Μικροοπτικές διατάξεις: οπτικά στοιχεία Οπτικές ίνες, Επίπεδοι κυµατοδηγοί Μικροοπτικά στοιχεία - ΜΟΕΜS ιαµόρφωτές και διακόπτες του φωτός σε ολοκληρωµένα και µικροοπτικά συστήµατα. (π.χ. φράγµατα, συζεύκτες, ηλεκτροοπτικοί διακόπτες, οπτικά φίλτρα, φωτονικές δοµές, κα). Παθητικές διατάξεις Μικροοπτικές διατάξεις: ανιχνευτές Οπτικοί ανιχνευτές (photodiodes, microbolometer arrays) Εφαρµογές των συστηµάτων αυτών στην οπτοηλεκτρονική, τηλεπικοινωνίες, µηχανολογία και µικροηλεκτρονική.

4 Εφαρµογές των συστηµάτων αυτών στην οπτοηλεκτρονική, τηλεπικοινωνίες, µηχανολογία και µικροηλεκτρονική. All optical Photonic Network switch Micromechanical mirror (one of 256) from the Wave Star Lambda Router, a trademark of Lucent Technologies All Optical switch, 256x256 mirrors arrays, 500 µm διάµετρο, 5 o tilt The deflection is controlled by electrostatic forces up to 150V driving force 10 ms response time This is a network node with 256 inputs and 256 outputs within 50 ms. Bell labs, Lucent Technologies

5 Digital Light Processing TM Schematic of two picture elements of the Digital Mirror DeviceTM manufactured by Texas Instruments, Inc. for use in image projectors at home, in offices and in theaters. The Digital Mirror DeviceTM contains over one-half million mirrors. It may be the mechanical device with the most moving parts of anything ever made. This schematic figure has become an icon, not only for optical MEMS, but for MEMS in general, because of the large number of mechanical components. Larry Hornbeck, who invented the Digital Mirror DeviceTM in 1987, provided the figure. He and Texas Instruments both received Emmy Awards from the Academy of Television Arts and Sciences on 24 June 1998 for Outstanding Achievement in Engineering Development. The device consists of three levels. The lower CMOS electronics level produces the electro-static fields, which act on the middle mechanical level. Two torsional hinges, each of which is 5 by 1 micrometer in area and 60 nanometers thick, support the yoke. The hinges must last for over 10 billion flexures during the device lifetime. The top optical level consists of 16 micrometer square aluminum mirrors. Tilted one way, they reflect light through a lens system onto a screen. With the mirror tilted the other way, the light goes into a beam dump. Use of a color wheel between a white light source and the device, and time division multiplexing for each pixel, permit digital creation and projection of color images. Texas Instruments refers to the process as Digital Light ProcessingTM.

6

7 Η ΣΥΜΒΑΤΙΚΗ ΛΥΣΗ

8 Μικρο-οπτική διάταξη, 3D οπτικά στοιχεία σε chip (UCLA) Fresnel lens Beam splitter Laser diode ~1 mm

9 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΜΙΚΡΟ-ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΑΤΑΞΕΙΣ (ΜΟΕΜΣ) ΚΑΙ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΟΠΤΙΚΑ Αρχές Η/Μοπτικής,, διάδοση σε διηλεκτρικό µέσο, εξισώσεις FRESNEL, Κυµατοδήγηση, προσσέγγιση κυµατικής οπτικής για επίπεδο κυµατοδηγό, συχν. αποκοπής, διασπορά, κυλινδρικός κυµατοδηγός. Πηγές, Laser diodes (Distributed Feedback, Distributed Bragg Reflector, Vertical Cavity Surface Emitting Light), Erbium Doped Fiber Amplifier, Light Emitting Diodes). Μέθοδοι ανάπτυξης ολοκληρωµένων οπτικών, και ΜΟΕΜΣ. ιακόπτες και διαµορφωτές φωτος, Fabry-Perot και Μach-Zender συµβολόµετρα, Ηλεκτρο-οπτικο φαινόµενο. Αρχές λειτουργίας οπτικών Μικρο-ηλεκτρο-µηχανικών συστηµάτων (στοιχεία διέλευσης, ανάκλασης, περίθλασης, συµβολής φωτός). ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ (παραδείγµατα τηλεπικονωνιακών διατάξεων π.χ. WDM πολυπλεξία, ανιχνευτές πίεσης κα.).

10 Βιβλιογραφία Electromagnetic principles of integrated optics, D. Lee (John Wiley&Sons-1986). Nanoelectronics and Information Technology, R. Waiser (Wiley-VCH, 2003). Selected review articles on MOEMS and Integrated Optics. MEMS and MOEMS Technology and Applications, P.R. Choudhury, (SPIE press, 2001), άρθρα προς µελέτη και εργασίες. «Μικροοπτικές διατάξεις και ολοκληρωµένα οπτικά», σηµειώσεις µαθήµατος. Βιβλιοθήκη ΕΜΠ Principles of Optics, M. Born and E. Wolf (Cambridge University Press, 1998). Optics, Hecht (Addison Wesley, 2003). Optical fiber communication, J. Senior (Prentice Hall, 1997). Semiconductor Optoelectronics Devices, Battacharya (Prentice Hall, 1997). Optical Integrated Circuits, H. Nishihara, (McGraw-Hill, 1985).