НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ
КАФЕДРА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УТВЕРЖДАЮ:
Декан факультета РЭФ
д. т.н., профессор
______________
«_____»_______________2010 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«МИКРООПТИКА»
Специальность
201 108 – «микросистемная техника»
направления подготовки дипломированного специалиста
210100 «электроника и микроэлектроника»
Новосибирск, 2010
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для подготовки дипломированного спепциалиста по направлению 210100 «электроника и микроэлектроника» образовательной программы специальности 201 108 – «микросистемная техника».
Стандарт утвержден 18.01.2006г., регистрационный номер № 000 тех/сп.
Рабочая программа обсуждена и утверждена на заседании кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники от «11» октября 2010 г.,
протокол № 31.
Программу разработали:
к. т.н., доцент
Заведующий кафедрой ПП и МЭ
д. ф.-м. н., профессор
Ответственный за основную
образовательную программу
д. ф.-м. н., профессор
1. Цели и задачи дисциплины
Целью преподавания дисциплины является формирование знаний в области базовых принципов функционирования и конструирования оптических элементов и устройств, реализуемых на микроуровне.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
В результате изучения дисциплины студенты должны:
2.1. Знать и уметь использовать:
- физические принципы, эффекты и процессы, лежащие в основе функционирования элементной базы и устройств микрооптики, особенности их проявления при переходе к элементам микронных размеров;
- основные методы и алгоритмы расчета элементной базы и устройств микрооптики с учетом условий их реализации и границ применения.
2.2. Иметь навыки:
- применения методов расчёта и исследования элементной базы и устройств микрооптики;
- определения областей рационального использования устройств микрооптики.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы | Всего часов | Семестр |
Общая трудоемкость дисциплины | 100 | 7 |
Аудиторные занятия | 51 | 7 |
Лекции | 34 | 7 |
Лабораторные работы (ЛР) | 17 | 7 |
Самостоятельная работа | 49 | 7 |
Курсовой проект (работа) | 25 | 7 |
Другие виды самостоятельной работы | 24 | 7 |
Виды итогового контроля | экзамен |
4. Содержание дисциплины
4.1. Разделы дисциплин и виды занятий
№ п/п | Раздел дисциплины | Лекции | П З | ЛР |
Введение | * | — | — | |
1 | Основные положения геометрической, волновой, квантовой и нелинейной оптики | * | — | * |
2 | Размерные эффекты в оптике | * | — | * |
3 | Твердотельные источники и приемники оптического излучения | * | — | * |
4. | Оптические волноводы | * | — | * |
5 | Электро-, акусто-, магнитооптические способы управления оптическим излучением | * | — | * |
6 | Оптика движущихся тел | * | — | * |
7 | Интегрально-оптические и оптомеханические элементы и устройства | * | — | * |
Заключение | * | — | — |
4.2. Содержание разделов дисциплины
§ Введение
Базовые понятия и принципы оптики. Классификация и стандартизация оптических компонентов и приборов.
§ 1. Основные положения геометрической, волновой, квантовой и нелинейной оптики
Основные положения геометрической оптики: оптические константы, световые лучи, отражение и преломление света на границе раздела двух сред, явление полного внутреннего отражения, прохождение света через поглощающие среды.
Основные положения волновой оптики:; интерференция и дифракция света, комплексный показатель преломления, показатель поглощения, фазовая и групповая скорость света, дисперсия, соотношение Крамерса-Кронига; поляризация плоских волн, распространение света в изотропных и анизотропных средах, двойное лучепреломление; оптическая активность и фарадеевское вращение.
Основные положения квантовой оптики: квантовые переходы при взаимодействии с электромагнитным излучением, матричный элемент и вероятность перехода, спонтанное и вынужденное излучение, коэффициенты Эйнштейна, кинетические уравнения, усиление и генерация оптического излучения; монохроматичность, поляризация, когерентность, направленность лазерных пучков; пространственное, амплитудное, поляризационное, частотное, временное и фазовое преобразование лазерных пучков.
Основные положения нелинейной оптики: нелинейные явления второго порядка, электромагнитная формулировка нелинейного взаимодействия, нелинейная поляризуемость кристалла и нелинейные оптические эффекты, генерация гармоник, условие фазового синхронизма; параметрические преобразования в оптике, настройка частоты в параметрических генераторах, модуляторы на основе оптической нелинейности; нелинейная оптика и молекулярное рассеяние света.
§ 2. Размерные эффекты в оптике.
Классические размерные эффекты: зеркальное отражение, микрошероховатость поверхности и геометрические неоднородности, многослойные низкоразмерные композиции.
Квантовые размерные эффекты: квантово-размерные слои, нити и точки; периодические квантово-размерные гетероструктуры, электронный спектр двумерных и одномерных систем. Оптические переходы в квантово-размерных структурах: применение структур низкой размерности в приборах оптоэлектроники, модуляторы и селективные фотоприемники.
§ 3. Твердотельные источники и приемники излучения.
Источники некогерентного излучения: инжекционные источники света на основе гомо - и гетеропереходов, электролюминофоры, излучатели с преобразователем спектрального состава излучения, инфракрасные излучатели – микроглобары, коэффициент черноты.
Твердотельные лазеры: лазеры на кристаллах и стеклах; оптические резонаторы, добротность, собственные типы колебаний – моды; лазеры с селекцией мод, перестраиваемые и частотно-модулированные лазеры; инжекционные лазеры на гетеропереходах.
Твердотельные приемники излучения: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фотоумножители; спектральные, энергетические, частотные характеристики. Многоэлементные приемники излучения: ПЗС линейки и матрицы, микроканальные пластины.
§ 4. Оптические волноводы
Объемные и планарные оптические волноводы: цилиндрические, полосковые, ступенчатые и градиентные световоды; распределение мощности, соотношения для лучевого и волнового приближений, одно - и многомодовые световоды; межмодовая дисперсия и связь мод, механизмы возникновения потерь. Волоконно-оптические кабели: соединение и сращивание волокон, разъемы; оптические мультиплексоры и демультиплексоры.
§ 5. Электро-, акусто-, магнитооптические способы управления оптическим излучением
Электрооптические методы управления оптическим излучением: электрооптический эффект, электрооптическая амплитудная и фазовая модуляция, высокочастотная модуляция, электрооптические модуляторы и дефлекторы.
Акустооптические методы управления оптическим излучением: взаимодействие света и звука, дифракция света на акустической волне, теория связанных мод, поверхностная акустооптика; акустооптическая ячейка как фильтр пространственных частот, дефлектор, модулятор света, перестраиваемый акустооптический фильтр.
Магнитооптические методы управления оптическим излучением: физика магнитооптических явлений, управляемые доменные структуры в прозрачных магнетиках; магнитооптические изоляторы, переключатели, модуляторы; устройства на основе дифракции света на доменной структуре и на поверхностных магнитостатических волнах; запоминающие магнитооптические устройства.
§ 6. Оптика движущихся тел.
Эффект Допплера, сдвиг и уширение линий. Эффекты Физо и Саньяка. Волоконно-оптические гироскопы.
7. Интегрально-оптические и оптомеханические элементы и устройства.
Основные компоненты интегрально-оптических схем: устройства и способы ввода и вывода излучения, оптические распределительные и комутационные устройства, направленные ответвители, переключатели, оптические спектральные фильтры, интерференционные покрытия, управляемые зеркала и дифракционные решетки, линзы Френеля, фокусирующие компоненты интегральной оптики.
Микрооптомеханические схемы: оптомеханические ключи, механические сканирующие микрозеркала, линзы, модуляторы и дифракционные решетки.
§ Заключение
Интеграция механических, оптических и электронных компонентов на микроуровне. Сверхскоростные способы передачи и обработки информации. Голографическая память.
5. Лабораторный практикум
№ п/п | Наименование лабораторных работ |
1 | - Изучение влияния микрошероховатости и состава поверхности на характеристики оптического отражения |
2 | - Исследование оптических характеристик объемного световода - Исследование оптических характеристик планарного световода |
3 | - Исследование волоконно-оптических датчиков давления |
4 | - Исследование датчика микроперемещений на основе интерферометра Майкельсона |
5 | - Исследование электро-оптического модулятора света - Исследование акусто-оптических модулятора света - Исследование магнито-оптического модулятора света |
6 | - Исследование волоконно-оптического гироскопа на эффекте Саньяка |
7 | - Датчик охраны помещений |
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
6.1. Рекомендуемая литература.
а) основная литература
1. Пихтин основы квантовой электроники и оптоэлектроники. – М., "Высшая школа", 1983.
2. Калитеевский оптика. – М.: Высшая школа, 1995.
3. Носов . М., "Радио и связь", 1989.
4. , Сидоров и их применение М.: Радио и связь, 1981.
5. Чео оптика. Приборы и системы М.:
Энергоатомиздат, 1988.
б) дополнительная литература
1. Введение в оптическую электронику. ."Высшая школа", 1983 .
2. П. Юх.. Оптические волны в кристаллах. М: Мир.,1987.
3. Полупроводниковые сверхрешетки. – М: Мир, 1989.
4. , , Чирков основы акустооптики. – М: Радио и связь, 1985.
5. , Червониекс магнитооптика. – М: Энергоатомиздат, 1990.
6. Волноводная оптоэлектроника, под ред. Т. Тамира. – М: Мир, 1991.
7. Интегральная оптика (Теория и технология). – М: Мир, 1985 .
8. Гауэр Дж. Оптические системы связи. – М: Радио и связь, 1989.
9. Техника оптической связи. Фотоприемники. Под/ред. У. Тсанга. –М.: Мир, 1988.
10. Волоконно-оптические датчики, под ред. Т. Окоси. Л. Энергоатомиздат, 1990.
7. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины.
Для реализации целей и задач курса предлагается предусмотреть в программе дисциплины курсовую работу. Требования к содержанию курсовой работы определяются характером задачи по расчёту и исследованию элементной базы или конкретного устройства микрооптики. В курсовой работе должны быть отражены следующие вопросы:
- анализ основных характеристик и параметров объекта исследования, разработки;
- выбор и обоснование методов расчёта, моделирования, исследования;
- расчет конструкции, моделирование, обработка результатов исследования;
- графическое представление результатов расчётов, моделирования, исследования;
- анализ полученных результатов и их обобщение.
8. Перечень экзаменационных вопросов.
1. Особенности оптической электроники. Основные понятия и определения.
2. Основы геометрической оптики
3. Основные положения волновой оптики: электромагнитные волны, уравнение Максвелла и граничные условия.
4. интерференция и дифракция света, комплексный показатель преломления
5. показатель поглощения, фазовая и групповая скорость света, дисперсия
6. Основные положения квантовой оптики: квантовые переходы при взаимодействии с электромагнитным излучением
7. монохроматичность, поляризация, когерентность, направленность лазерных пучков
8. пространственное, амплитудное, поляризационное, частотное, временное и фазовое преобразование лазерных пучков
9. Классические размерные эффекты: зеркальное отражение, микрошероховатость поверхности и геометрические неоднородности
10. Квантовые размерные эффекты: квантово-размерные слои, нити и точки
11. Источники некогерентного излучения: инжекционные источники света на основе гомо - и гетеропереходов
12. Твердотельные лазеры: лазеры на кристаллах и стеклах; оптические резонаторы, добротность, собственные типы колебаний – моды
лазеры с селекцией мод, перестраиваемые и частотно-модулированные лазеры; инжекционные лазеры на гетеропереходах.
13. Твердотельные приемники излучения: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы.
14. Многоэлементные приемники излучения: ПЗС линейки и матрицы, микроканальные пластины.
15. Объемные и планарные оптические волноводы: цилиндрические, полосковые, ступенчатые и градиентные световоды.
16. одно - и многомодовые световоды; межмодовая дисперсия и связь мод, механизмы возникновения потерь.
17. Электрооптические методы управления оптическим излучением: электрооптический эффект.
18. Электрооптические методы управления оптическим излучением: электрооптические модуляторы и дефлекторы.
19. Акустооптические методы управления оптическим излучением: взаимодействие света и звука, дифракция света на акустической волне, теория связанных мод, поверхностная акустооптика.
20. Магнитооптические методы управления оптическим излучением: физика магнитооптических явлений, управляемые доменные структуры в прозрачных магнетиках
21. Эффекты Физо и Саньяка. Волоконно-оптические гироскопы.
22. Основные компоненты интегрально-оптических схем: устройства и способы ввода и вывода излучения.
23. Оптические распределительные и комутационные устройства, направленные ответвители, переключатели, оптические спектральные фильтры.
24. Микрооптомеханические схемы: оптомеханические ключи, механические сканирующие микрозеркала, линзы, модуляторы и дифракционные решетки.
