Оптоэлектроника и интегральная оптика. Рабочая программа дисциплины

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет Радиоэлектроники Кафедра

Микроэлектроника

Оптоэлектроника и интегральная оптика

Рабочая программа учебной дисциплины

по подготовке специалистов

по специальности 200.200 - Микроэлектроника и полупроводниковые приборы

Экземпляр №

1. РАЗРАБОТАНА на основе Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования Автор доцент каф. «Микроэлектроника» ПГУ, к.ф.-м.н., доцент

В.А.Васильев

2. РЕЦЕНЗЕНТ доцент каф. «Микроэлектроника» ПГУ, к.ф.-м.н., доцент

И.А.Аверин

3.СОГЛАСОВАНА

4.ВНЕСЕНА (ПОДГОТОВЛЕНА к утверждению) Методической группой кафедры

Микроэлектроника

Руководитель _____________________________________________

5. УТВЕРЖДЕНА на заседании кафедры

Микроэлектроника

Заведующий кафедрой, профессор

15.05.2001 г.

______________________К.Н.Чернецов

Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры – разработчика программы.

Оптоэлектроника и интегральная оптика Рабочая программа дисциплины 1. Область применения Настоящая рабочая программа (далее программа) устанавливает минимальные требования к знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчётности. Предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, и студентов специальности 200.200 Микроэлектроника и полупроводниковые приборы, участвующих в процессе изучения дисциплины. 2. Нормативные ссылки Государственный образования.

образовательный

стандарт

высшего

профессионального

_______________________________________________________________________ 3. Нормативная трудоёмкость изучения дисциплины Трудоёмкость дисциплины в часах, исходя из 17 недельного семестра ________________________________________________________________________ Обязательная аудиторная лекции

42 ч.

лабораторные занятия

35 ч.

Самостоятельная работа студента внеаудиторная

6 ч.

Контроль текущий на занятиях зачёт

4 ч.

экзамен

11 ч.

4. Цель и задачи дисциплины 4.1. Оптоэлектроника и интегральная оптика - наука об использовании оптического излучения для передачи, приема, переработки, хранения и отображения информации методами

электроники и микроэлектроники. В ее основе лежат процессы взаимодействия света с веществом. Она родилась на стыке нескольких направлений и базируется на физике твердого тела, оптике полупроводников и квантовой электронике. 4.2.Основная цель изучаемой дисциплины - дать представления о фундаментальных физических процессах, лежащих в основе современной оптоэлектроники, и тем самым определить ее возможности и пути дальнейшего развития, рассмотреть принципы действия, особенности конструкций, технические характеристики приборов и устройств оптоэлектроники и интегральной оптики, подготовить будущих специалистов к технически грамотному их применению, к дальнейшему изучению специальной литературы по отдельным вопросам данной области и стимулировать их на совершенствование существующих и разработку новых методов, приборов и устройств оптоэлектроники и интегральной оптики. 5. Место дисциплины в учебном процессе Дисциплина относится к циклу специальных дисциплин, обеспечивающих физикотехническую подготовку. Изучение данной дисциплины базируется на курсах квантовой механики, физики твёрдого тела и физики полупроводников. Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при прохождении преддипломной практики и дипломного проектирования. 6. Лекции 6.1 Разделы и их содержание 1. Введение. Предмет дисциплины и ее задачи. Оптические методы передачи, обработки и хранения информации. Их роль в современной науке и технике. Информационная емкость оптического канала связи. Стандартная терминология, основные понятия и определения. Краткая историческая справка. 2. Взаимодействие света с веществом и элементы физической оптики. Способы описания электромагнитного излучения. Световые лучи. Принцип Ферма. Электромагнитные волны. Уравнение Максвелла. Фотон и его свойства. Интерференция и дифракция света. Квантовые переходы при взаимодействии с электромагнитным излучением. Матричный элемент и вероятность перехода. Спонтанное и вынужденное излучение. Коэффициенты Эйнштейна. Распространение света в материальной среде. Оптические характеристики вещества. Комплексный показатель преломления. Показатель поглощения. Фазовая и групповая скорость света. Дисперсия. Соотношения Крамерса-Кронига. 3. Усиление и генерация оптического излучения. Принцип работы лазеров. Возбуждение активного вещества - накачка. Инверсия населенностей. Кинетические уравнения. Двухтрех- и четырехуровневые схемы работы. Оптические резонаторы. Собственные типы колебаний - моды. Добротность резонатора. Различные типы резонаторов. Конфокальный резонатор. Гауссовы пучки.

Условие самовозбуждения генератора и пороговая энергия накачки. Насыщение усиления. Одномодовая и многомодовая генерация. Нестационарная генерация. Модуляция добротности. Гигантские импульсы. Синхронизация мод и сверхкороткие световые импульсы. 4. Свойства, распространение и преобразование лазерных пучков. Монохроматичность. Поляризация. Когерентность. Направленность. Яркость. Распространение и преобразование гауссовых пучков. Пространственное, амплитудное, поляризационное и фазовое преобразования лазерных пучков. Частотное и временное преобразования. Управляемые оптические системы. Оптические свойства атмосферы. 5. Диэлектрические волноводы и элементы кристаллооптики. Прохождение света через границу раздела двух сред. Формулы Френеля. Полное внутреннее отражение. Рефракция света. Особенности распространения света в тонких слоях. Волноводы. Диэлектрический световод. Планарные волноводы. Волноводные моды. Связь между волноводами. Основы оптического согласования. Оптика анизотропных сред. Тензор диэлектрической проницаемости. Оптическая индикатриса. Естественное и искусственное двулучепреломление. Электрооптические эффекты. Магнитооптические эффекты. Пьезооптические и акустооптические эффекты. Нелинейная поляризуемость кристалла и нелинейные оптические эффекты. Генерация гармоник. Условие фазового синхронизма. Параметрические преобразования в оптике. 6. Оптика полупроводников. Зонная структура полупроводниковых кристаллов групп А ,А4 В4, А3 В5 и А2 В6 . Особенности электронного спектра полупроводниковых твердых растворов. Приближение виртуального кристалла. Эффекты беспорядка. Электронные состояния в аморфных полупроводниках. Оптические переходы в полупроводниках. Правила отбора и законы сохранения. Собственное поглощение. Экситонные эффекты. Собственное поглощение в твердых растворах и сильно легированных полупроводниках. Примесное поглощение. Поглощение свободными носителями заряда. Поглощение на колебаниях решетки. Рефракция света в полупроводниках и твердых растворах. Излучательная рекомбинация в полупроводниках. Квазиуровни Ферми. Механизмы люминесценции. Связь спектров поглощения и люминесценции. Излучательное время жизни. Квантовый выход и эффективность люминесценции. Безизлучательная рекомбинация. Процессы Оже. Влияние легирования и внешних воздействий на свойства полупроводников. Фотоэлектрические эффекты. Стационарная фотопроводимость. Спектры фотопроводимости. Кинетика фотопроводимости в случае линейной и квадратичной рекомбинации. Фотодиффузионный эффект. Увлечение носителей заряда фотонами. Фотовольтаические эффекты. 7. Гетероструктуры и квантовые размерные эффекты в полупроводниках. Гетероструктуры в полупроводниках. Идеальный гетеропереход. Резкие и плавные гетеропереходы. Варизонные структуры. Требования к материалам. Энергетические диаграммы. Эффект односторонней инжекции. Эффект сверхинжекции. Эффект широкозонного окна. Оптическое и электронное ограничение. Гетероструктуры с квантовыми размерными слоями. Эффекты размерного квантования. Квантовые ямы. Квантово-размерные слои. Квантовые нити. Электронный спектр двумерных и одномерных систем. Сверхрешетки. Различные типы сверхрешеток.

Легированные сверхрешетки. Напряженные сверхрешетки. Полупроводниковые материалы. Методы и технология изготовления. 8. Источники некогерентного излучения. Тепловые источники излучения. Излучатели на основе низковольтной катодолюминесценции. Тонкопленочные электролюминесцентные конденсаторы. Инжекционные источники излучения. Светоизлучающие диоды. ИК-светодиоды. Гетеросветодиоды. Особенности конструкции и характеристики. 9. Лазеры. Газовые лазеры. Особенности и характеристики газоразрядных лазеров. Типы газовых лазеров. Твердотельные лазеры. Рубиновый лазер. Лазеры на кристаллах и стеклах, активированных неодимом. Твердотельные перестраиваемые лазеры. Жидкостные лазеры на органических красителях. Полупроводниковые лазеры. Требования к активным материалам. Тнжекционные лазеры на гетеропереходах. Лазеры на двойных гетероструктурах. Лазеры с раздельным электронным и оптическим ограничением. Лазеры с использованием квантово-размерных эффектов. Полосковые лазеры. Статические и динамические характеристики полупроводниковых лазеров. Модуляционные характеристики. Лазеры с распределенной обратной связью. Шумы в лазерах. 10. Фотоприемники. Технические характеристики приемников оптическихсигналов. Тепловые и фотонные приемники. Полупроводниковые фотоприемники. Материалы фотоприемников. Фоторезисторы. Фотодиоды. Р-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды. Фототранзисторы. Многоэлементные фотоприемники. Шумы и пороговая чувствительность фотоприемника. Приборы с зарядовой связью в качестве фотоприемников. Фотоэлектрические преобразователи солнечного излучения. Солнечные элементы на основе аморфного кремния. Гетерофотоэлементы. 11. Приборы управления оптическим излучением. Особенности приборов управления оптическим излучением. Модуляторы лазерного излучения. Электрооптические модуляторы. Магнитооптические модуляторы. Абсорбционные модуляторы. Акустооптические модуляторы света. Методы сканирования света. Дефлекторы. Приборы нелинейной оптики. Преобразователи частоты. Генераторы гармоник. Параметрические генераторы света. Управляемые оптические системы. 12. Оптроны и оптические датчики. Структурные элементы оптоэлектроники. Элементарные оптроны. Оптрон как активный элемент схемотехники некогерентной оптоэлектроники. Оптическое согласование оптронной пары. Типы оптронов. Оптическая связь в приборах твердотельной электроники. Оптоэлектронные датчики. Принципы построения, особенности и функциональные возможности. Различные типы датчиков. 13. Индикаторы, дисплеи и оптические запоминающие устройства. Устройства отображения информации в микроэлектронике. Газоразрядные индикаторы. Жидкокристаллические индикаторы. Электролюминесцентные панели и экраны. Системы оптической записи информации. Оптические дисплеи. Емкость оптической памяти. Оптические запоминающие устройства. Оптическая память большой емкости. 14. Волоконно-оптические линии связи.

Принципы волоконно-оптической связи. Оптические характеристики световодов. Типы волокон. Одномодовые и многомодовые световоды. Ограничение скорости передачи информации. Мультиплексная передача информации. Волоконно-оптические кабели. Разъемы. Источники излучения и фотоприемники для ВОЛС. Ретрансляторы. Принципы многоканальной передачи. Оптические мультиплексоры и демультиплексоры. 15. Элементы интегральной оптики. Принципы интегральной оптики. Основные компоненты интегральнооптических схем. Микроволноводные структуры на пассивных и активных подложках. Распределенная оптическая связь. Интегральнооптические модуляторы, переключатели, фильтры, детекторы. Способы ввода и вывода излучения. Фокусирующие компоненты интегральной оптики. Разветвители. Интегральные оптоэлектронные схемы. 16. Оптические методы обработки информации. Принципы голографии. Свойства голограмм. Голографическиеметоды обработки информации. Голографические методы распознавания образов. Принципы построения оптических вычислительных машин. Управляемые оптические транспаранты. Оптические процессоры. 17. Заключение. Перспективы и основные направления развития оптоэлектроники и интегральной оптики. 6.2. Форма проведения занятий: аудиторное чтение лекций 6.3. Материально-техническое обеспечение: иллюстрационные материалы 7. Лабораторные занятия

7.1. Основные темы: 1.) Исследование свойств полупроводниковых материалов методом длинноволновой отражательной спектроскопии. 2.) Исследование многослойных полупроводниковых структур оптическим методом. 3.) Исследование излучающих диодов. 4.) Исследование фототранзисторов. 5.) Исследование оптопар. 6.) Исследование газоразрядных индикаторов. 7.) Исследование волоконно-оптических линий связи. 7.2 Форма проведения занятий: выполнение заданий по лабораторным работам с использованием лабораторных установок и стендов, а также с применением средств вычислительной техники в лаборатории кафедры. 7.3. Материально-техническое обеспечение: лабораторные стеды, специальное оборудование, компьютеры типа IBM PC. 8. Внеаудиторные занятия 8.1. Основные темы:

1) Оптические константы вещества. 2) Рефракция света в полупроводниках. 3). Свойства лазерного излучения. Преобразование гауссовых пучков. 4). Диэлектрические волноводы. 5). Полупроводниковые гетеролазеры. 6). Фотоприемники. 7). Волоконно-оптические линии связи. 8.2. Форма проведения занятий: самостоятельное изучение и консультации у преподавателя. 8.3. Материально-техническое обеспечение: рекомендуемая литература. 9. Рекомендуемая литература

1. Пихтин А.Н. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники.М., "Высшая школа", 1983 г.-304 с. 2. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М., "Радио и связь", 1998 г.-360 с. 3. Свечников С.В. Элементы оптоэлектроники. М."Сов.радио", 1971 г.-272 с. 4. Основы оптоэлектроники. Суэмацу Я., Катаока С., Касино К. и др. М., "Мир", 1988 г.288 с. 5. Чео П.К. Волоконная оптика. Приборы и системы.М., "Энергоатомиздат", 1988 г.-280 с. 6. Звелто О. Принципы лазеров. М., Мир, 1984 г.-400 с. 7. Ярив А. Введение в оптическую электронику. М., "Высшая школа", 1983 г.-398 с. 8. Хансперджер Р. Интегральная оптика (Теория и технология). -М., "Мир", 1985 г. - 384 с. 9. Мосс Т., Баррел Г., Эллис Б Полупроводниковая оптоэлектроника. М., "Мир", 1976 г.-431 с. 10. Кейси Х., Паниш М.Лазеры на гетероструктурах. М., "Мир", 1981 г. - т.1-299 с., т.2 - 364 с. 11. Хаус Х. Волны и поля в оптоэлектронике. М."Мир", 1988 г. - 430 с. 12. Верещагин И.К., Косяченко Л.А., Кокин С.М. Введение в оптоэлектроникую.М., «Высшая школа», 1991 –191 с. 10. Методические материалы

1. Исследование свойств элементов оптоэлектроники. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Оптоэлектроника и интегральная оптика»/В.А.Васильев Пенза: Пенз. Государств. техн. ун-т, 1995. 34 с.