und Nanooptik - Arbeitsgruppe: Integrierte Systeme und Photonik ...
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Mikro- <strong>und</strong> <strong>Nanooptik</strong><br />
Dipl.-Math. Dr.-Ing. Jost Adam<br />
<strong>Arbeitsgruppe</strong> für <strong>Integrierte</strong> <strong>Systeme</strong> <strong>und</strong> <strong>Photonik</strong><br />
Institut für Elektrotechnik <strong>und</strong> Informationstechnik<br />
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel<br />
http://www.isp.tf.uni-kiel.de<br />
Vorlesung 1<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 1 / 28<br />
Inhalt<br />
1 Guten Tag!<br />
2 Optische Wellenleiter<br />
3 <strong>Integrierte</strong> Optische <strong>Systeme</strong><br />
4 Mikrooptik<br />
5 <strong>Nanooptik</strong><br />
6 Theorie zur Analyse der Vergestellten Komponenten<br />
7 Organisatorisches<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 2 / 28
1 Guten Tag!<br />
2 Optische Wellenleiter<br />
3 <strong>Integrierte</strong> Optische <strong>Systeme</strong><br />
4 Mikrooptik<br />
5 <strong>Nanooptik</strong><br />
6 Theorie zur Analyse der Vergestellten Komponenten<br />
7 Organisatorisches<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 3 / 28<br />
Guten Tag!<br />
Guten Tag!<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 4 / 28
1 Guten Tag!<br />
2 Optische Wellenleiter<br />
Brainstorming<br />
Definition: Lichtwellenleiter<br />
3 <strong>Integrierte</strong> Optische <strong>Systeme</strong><br />
4 Mikrooptik<br />
5 <strong>Nanooptik</strong><br />
6 Theorie zur Analyse der Vergestellten Komponenten<br />
7 Organisatorisches<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 5 / 28<br />
Optische Wellenleiter<br />
– Brainstorming<br />
Was für optische Wellenleiter kennen Sie?<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 6 / 28
Optische Wellenleiter<br />
– Definition: Lichtwellenleiter<br />
Lichtwellenleiter<br />
Vielfachreflexionen an (dielektrischen) Begrenzungsflächen<br />
→ Weiterleitung, “Führung” des Lichts<br />
→ Man unterscheidet zwischen:<br />
Wellenleiteroptiken<br />
Freiraumoptiken<br />
Quelle: Sinzinger/Jahns, Microoptics, 1999<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 7 / 28<br />
1 Guten Tag!<br />
2 Optische Wellenleiter<br />
3 <strong>Integrierte</strong> Optische <strong>Systeme</strong><br />
<strong>Integrierte</strong> Optik<br />
Brechung, Spiegelung, Beugung<br />
Beispiel: Lab-on-a-Chip<br />
4 Mikrooptik<br />
5 <strong>Nanooptik</strong><br />
6 Theorie zur Analyse der Vergestellten Komponenten<br />
7 Organisatorisches<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 8 / 28
<strong>Integrierte</strong> Optische <strong>Systeme</strong><br />
– <strong>Integrierte</strong> Optik<br />
Ziel: verkleinerte optische <strong>Systeme</strong> mit hoher Funktionalität<br />
Lichtquellen, Wellenleiter, Strahlteiler, Schalter, ...<br />
Unterbringung auf einem Substrat!<br />
Komponenten nicht 1:1 übertragbar, bessere integrierte Ausführung durch neue<br />
Komponentenzusammenstellung<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 9 / 28<br />
<strong>Integrierte</strong> Optische <strong>Systeme</strong><br />
– Brechung, Spiegelung, Beugung<br />
Optische Funktionen können mit Hilfe von Brechung, Spiegelung oder<br />
Beugung realisiert werden<br />
Kombinationen möglich<br />
Quelle: Sinzinger/Jahns, Microoptics, 1999<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 10 / 28
<strong>Integrierte</strong> Optische <strong>Systeme</strong><br />
– Beispiel: Lab-on-a-Chip<br />
Lab-on-a-Chip<br />
Reagenzien mit Mikrofluidik-Kanälen<br />
Integration von Optischen <strong>Systeme</strong>n auf gleiches Substrat<br />
Aktueller Forschungsschwerpunkt an der <strong>Arbeitsgruppe</strong><br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 11 / 28<br />
1 Guten Tag!<br />
2 Optische Wellenleiter<br />
3 <strong>Integrierte</strong> Optische <strong>Systeme</strong><br />
4 Mikrooptik<br />
Definition<br />
Beispiel: Arrayed Waveguide Grating<br />
Produktionsbeispiel: LIthographie <strong>und</strong> GAlvanik (LIGA)<br />
5 <strong>Nanooptik</strong><br />
6 Theorie zur Analyse der Vergestellten Komponenten<br />
7 Organisatorisches<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 12 / 28
Mikrooptik<br />
– Definition<br />
Definition der Mikrooptik<br />
Herstellung mit Mikrootechnologie<br />
minimale Merkmalsgröße im Mikrometerbereich<br />
das Gesamtbauelement kann größer sein<br />
meist planare, lithographische Herstellungsverfahren<br />
parallele Herstellung vieler Komponenten<br />
Quelle: Sinzinger/Jahns, Microoptics, 1999<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 13 / 28<br />
Mikrooptik<br />
– Beispiel: Arrayed Waveguide Grating<br />
Arrayed Waveguide Grating (AWG)<br />
Lichtweg von (1) nach (5) funktioniert als Wellenlängendemultiplexer, von<br />
(5) nach (1) als Multiplexer.<br />
Licht aus Eingangslichtleiter (1) durchläuft Freistrahlbereich (2) <strong>und</strong> wird in<br />
Anordnung von Lichtwellenleitern unterschiedlicher Länge (3) eingespeist.<br />
Nach dem Austritt aus Wellenleitern interferieren Teilstrahlen in weiterem<br />
Freistrahlbereich (4) so, dass in jeden Ausgangswellenleiter (5) jeweils nur<br />
das Licht einer bestimmten Wellenlänge eintreten kann.<br />
Orangefarbenen Linien dienen nur der Illustration des Lichtweges.<br />
Multiplexen von 96 Wellenlängen auf nur ca. 10 cm 2 möglich!<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 14 / 28
Mikrooptik<br />
– Produktionsbeispiel: LIthographie <strong>und</strong> GAlvanik (LIGA)<br />
Mit dem LIGA-Verfahren<br />
hergestellte Wellenleiter<br />
(Dicke ca. 517 µm)<br />
Quelle: wikipedia<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 15 / 28<br />
1 Guten Tag!<br />
2 Optische Wellenleiter<br />
3 <strong>Integrierte</strong> Optische <strong>Systeme</strong><br />
4 Mikrooptik<br />
5 <strong>Nanooptik</strong><br />
Definition<br />
Photonische Kristalle<br />
Beispiel: 2-D Photonischer Kristall<br />
2-D Photonische Kristalle: Defekte<br />
Beispiel 2-D PhC: Linearer Defekt<br />
Beispiel: 2-D PhC, Cavity-Defekt<br />
6 Theorie zur Analyse der Vergestellten Komponenten<br />
7 Organisatorisches<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 16 / 28
<strong>Nanooptik</strong><br />
– Definition<br />
Definition der <strong>Nanooptik</strong><br />
Herstellung mit Nanotechnologie<br />
Minimale Merkmalsgröße im Nanometerbereich<br />
das Gesamtbauelement kann größer sein<br />
Quelle: www.nanotruck.net<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 17 / 28<br />
<strong>Nanooptik</strong><br />
– Photonische Kristalle<br />
Periodische Modulierung des Brechungsindex<br />
Periode in der Größenordnung der Wellenlänge<br />
Quelle: http://ab-initio.mit.edu<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 18 / 28
<strong>Nanooptik</strong><br />
– Beispiel: 2-D Photonischer Kristall<br />
Transmission: Bandstruktur!<br />
Analogon:<br />
Quelle: http://www.mpi-halle.mpg.de<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 19 / 28<br />
<strong>Nanooptik</strong><br />
– 2-D Photonische Kristalle: Defekte<br />
Defekte in der Kristallstruktur Leiten / Bündeln das Licht!<br />
Quelle: http://ab-initio.mit.edu<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 20 / 28
<strong>Nanooptik</strong><br />
– Beispiel 2-D PhC: Linearer Defekt<br />
Wellenleiterstruktur durch linearen Defekt<br />
Quelle: http://ab-initio.mit.edu<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 21 / 28<br />
<strong>Nanooptik</strong><br />
– Beispiel: 2-D PhC, Cavity-Defekt<br />
Lochdefekt-”Cavity”<br />
SEM-Schnitt <strong>und</strong><br />
Modenprofil<br />
Anwendung: Lasing!<br />
Quelle: Atlasov et al. / Vol. 17, No. 20 / OPTICS EXPRESS 18178<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 22 / 28
1 Guten Tag!<br />
2 Optische Wellenleiter<br />
3 <strong>Integrierte</strong> Optische <strong>Systeme</strong><br />
4 Mikrooptik<br />
5 <strong>Nanooptik</strong><br />
6 Theorie zur Analyse der Vergestellten Komponenten<br />
... am Anfang war Maxwell...<br />
7 Organisatorisches<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 23 / 28<br />
Theorie zur Analyse der Vergestellten Komponenten<br />
– ... am Anfang war Maxwell...<br />
Quelle: wikipedia<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 24 / 28
1 Guten Tag!<br />
2 Optische Wellenleiter<br />
3 <strong>Integrierte</strong> Optische <strong>Systeme</strong><br />
4 Mikrooptik<br />
5 <strong>Nanooptik</strong><br />
6 Theorie zur Analyse der Vergestellten Komponenten<br />
7 Organisatorisches<br />
Raum, Zeit, ...<br />
Voraussetzungen <strong>und</strong> Zielgruppe<br />
Literatur<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 25 / 28<br />
Organisatorisches<br />
– Raum, Zeit, ...<br />
Vorlesung (2 SWS)<br />
Dozent: Dipl.-Math. Dr.-Ing. Jost Adam<br />
E-Mail: ja@tf.uni-kiel.de<br />
Raum: KS2/C-019a<br />
Tel.: 0431-880-6255<br />
Zeit: Donnerstags 15:00 - 16:30 Uhr<br />
Ort: KS2/F-SR I<br />
Übung (1 SWS)<br />
Übungsleiter: Dipl.-Math. Dr.-Ing. Jost Adam (höchst selbst!)<br />
Zeit: Donnerstags 16:45 - 17:30<br />
Ort: KS2/F-SR I oder KS2/C-021a (Rechnerübungen...)<br />
Vorlesungsmaterial<br />
... gibt es auf der ISP-Webseite www.isp.tf.uni-kiel.de, unter “Lehre”<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 26 / 28
Organisatorisches<br />
– Voraussetzungen <strong>und</strong> Zielgruppe<br />
Zielgruppe<br />
Vorlesung offen für alle Studenten, die einen Einblick in Konzepte der<br />
Mikro- <strong>und</strong> <strong>Nanooptik</strong> erhalten möchten.<br />
MSc. - Modul, ECTS: 4<br />
Voraussetzungen<br />
Gr<strong>und</strong>kenntnisse in Optik<br />
Gr<strong>und</strong>kenntnisse zu Feldern <strong>und</strong> Wellen<br />
Prüfung<br />
mündlich, nach Absprache<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 27 / 28<br />
Organisatorisches<br />
– Literatur<br />
S. Sinzinger <strong>und</strong> J. Jahns: Microoptics, Wiley-VCH<br />
J. Jahns: <strong>Photonik</strong>, Oldenbourg<br />
R. G. Hunsperger: Integrated Optics, Springer<br />
C. K. Madsen <strong>und</strong> J. H. Zhao: Optical Filter Design and Analysis, Wiley<br />
R. Ramaswami <strong>und</strong> K. N. Sivarajan: Optical Networks, Morgan Kaufmann<br />
Pub.<br />
J. D. Joannopoulos, S. G. Johnson, J. N. Winn <strong>und</strong> R. D. Meade:<br />
Photonic Crystals: Molding the Flow of Light, Princeton Univ Press<br />
... auch online, auf http://ab-initio.mit.edu/book<br />
J. Adam (ISP) Mikro- u. <strong>Nanooptik</strong> Vorlesung 1 28 / 28
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