Modul D: Fotonika

Opis predmeta

UVOD:

izzivi in trendi v fotoniki, zadnja odkritja – česa se bomo dotaknili v okviru tega predmeta, sedanjost in prihodnost nanofotonike, zakaj želimo zamenjati elektron s fotonom

SVETLOBA:

svetloba in Maxwell – elektromagnetno valovanje, svetloba v snovi, razmere na spojih dveh snovi, svetloba in nanometrske strukture, Fourierjeva optika –zakaj?, elektro-optični in magneto-optični efekti in gradniki

FOTONSKI GRADNIKI:

osnove delovanja, načrtovanje in tehnologija izdelave, dejanska in možna uporaba v fotonskih vezjih:

fotonski kristali: 1D, 2D, 3D
nanostrukture s kovinskimi delci:

metamateriali, negativni lomni količnik, plazmonski efekt

resonatorji, filtri in modulatorji
miniaturni laserji in nanolaserji
miniaturni fotodetektorji
poskusi optičnih tranzistorjev

FOTONSKA INTEGRIRANA VEZJA:

fotonsko elektronska integracija – zakaj?, sodobni primeri izvedbe integracije in uporaba vezij z zgoraj obravnavanimi nanofotonskimi gradniki, osnove Si na izolatorju, InP, TriPleX za fotonska vezja, spoznavanje z in uporaba orodja za načrtovanje fotonskih integriranih vezij, konkretni praktični primeri, pristopi k optičnim vratom, kako naprej in kaj nas še omejuje pri optičnem računalniku

VLAKENSKI SENZORJI:

interferometrični, na osnovi fotonskih kristalov, na osnovi tekočih kristalov, plazmonska detekcija, uporaba v biomedicini in na drugih področjih

NANOFOTONSKE STRUKTURE V FOTOVOLTAIKI:

protiodbojne strukture, fotonske strukture za učinkovito vodenje in usmerjanje svetlobe v sončnih celicah, nove izvedbe odbojnikov,

praktično načrtovanje in karakterizacija nanofotonskih struktur, načrtovanje z uporabo 3D optičnega modeliranja (FEM, FDTD, RCWA), praktične karakterizacijske metode in inštrumenti (merjenje odbojnosti/prepusnosti, sipanja, kotne porazdelitve svetlobe)

Cilji in kompetence

Cilji predmeta so študentu podati sodobna znanja s področja fotonike s poudarkom na integrirani fotoniki. Osredotočamo se na fotonska integrirana vezja, vlakenske senzorje in nanofotonske strukture v fotovoltaiki. Študenti se bodo spoznali s teoretičnim ozadjem in praktičnimi vidiki pri načrtovanju in uporabi gradnikov.

Metode poučevanja in učenja

Na predavanjih so podane teoretične osnove (nano)fotonskih gradnikov in prikazani izbrani praktični primeri. Na laboratorijskih vajah se študenti usmerjajo na praktično načrtovanje predvsem fotonskih integriranih vezij in merjenje karakteristik izbranih nanofotonskih struktur. Del pedagoškega procesa bo izveden s pomočjo IKT tehnologij in možnosti, ki jih ponujajo.

Predvideni študijski rezultati

Po uspešno opravljenem predmetu naj bi bili študenti zmožni:

pojasniti principe delovanja obravnavanih nanofotonskih gradnikov,
specificirati pomen in uporabo osnovnih gradnikov v fotonskih integriranih vezjih,
kategorizirati različne izvedbe fotonskih integriranih vezij in opisati njihove prednosti in slabosti,
načrtati preprosta fotonska integrirana vezja,
izmeriti izbrane karakteristike nanofotonskih gradnikov,
analizirati različne izvedbe vlakenskih senzorjev.

Reference nosilca

KRČ, Janez, TOPIČ, Marko. Optical modeling and simulation of thin-film photovoltaic devices. New York: CRC Press, 2013.
KRČ, Janez, SEVER, Martin, KOVAČIČ, Milan, MOULIN, Etienne, ČAMPA, Andrej, LIPOVŠEK, Benjamin, STELTENPOOL, Mark, ERVEN, Rob van, HAUG, Franz-Josef, BALLIF, Christophe, TOPIČ, Marko. Design of periodic nano- and macro-scale textures for high-performance thin-film multi-junction solar cells. Journal of optics, ISSN 2040-8978, 2016, vol. 18, no. 6, str. 1-11,
JOŠT, Marko, KRČ, Janez, TOPIČ, Marko. Camera-based ARS system for complete light scattering determination/characterization. Measurement science & technology, ISSN 0957-0233, Mar. 2016, vol. 27, no. 3, str. 1-10.
SEVER, Martin, KRČ, Janez, ČAMPA, Andrej, TOPIČ, Marko. Rigorous modelling of light scattering in solar cells based on finite element method and Huygens' expansion. Optics express, ISSN 1094-4087, 16 Nov. 2015, vol. 23, no. 24, str. A1549-1563
KRČ, Janez, LIPOVŠEK, Benjamin, TOPIČ, Marko. Light management in thin-film solar cell. V: LÓPEZ, Ana Belén Cristóbal (ur.), VEGA, Antonio Martí (ur.), LÓPEZ, Antonio Luque (ur.). Next generation of photovoltaics : new concepts, (Springer series in optical sciences, ISSN 0342-4111, 165). Berlin; Heidelberg: Springer, cop. 2012, str. 95-129.

Temeljni viri in literatura

L. Chrostowski e tal., Silicon Photonics Design: From Devices to Systems, Cambridge University Press; 2015.
Q. Gong e tal., Photonic Crystals: Principles and Applications, Pan Stanford, 2014.
G. Rajan, Optical Fiber Sensors: Advanced Techniques and Applications (Devices, Circuits, and Systems), CRC Press, 2015.
B. E. A. Saleh e tal., Fundamentals of Photonics (2nd Edition) Wiley-Interscience; 2007.
J. Krc and M. Topic, Optical modelling and simulations of thin-film photovoltaic devices, CRC Press, 2013.