Transmission of large volumes of information at optical frequencies. Propagation of electromagnetic wave in the media confined in one or two dimensions. Ray optics approach to optical waveguides. Transfer of ideas from microwave theory and quantum mechanics. Preparation of thin film optical devices. Integrated optics. Electromagnetic theory of dielectric waveguides. Waveguiding in planar and cylindrical structures. Optical fibers with step-like and graded permittivity profiles. Conditions for single mode operation.. Coupling of free space waves into the waveguide. Thin film electro-optic, acousto-optic and magneto-optic modulators.
Last update: ()
Přenos a zpracování velkých objemů informace na optických frekvencích.
Fyzikální podmínky pro šíření optických vln v objektech s jedním nebo
dvěma rozměry srovnatelnými s vlnovou délkou optických vln. Využití
poznatků geometrické optiky, mikrovlnného inženýrství, kvantové teorie a
moderních technologií pro přípravu tenkých vrstev polovodivých
dielektrických i kovových materiálů a integrace optických prvků a obvodů
na jediném substrátu. Popis vlnových procesů pomocí Maxwellových rovnic.
Vedení elektromagnetických vln v planárních a cylindrických strukturách,
optická vlákna s radiálně proměnným indexem lomu, podmínky pro šíření
jediného vidu, vazební prvky pro integrovanou optiku, periodické
struktury, intensitní, elektrooptická, akustooptická a magnetooptická
modulace optického signálu.
Aim of the course -
Last update: VISNOV/MFF.CUNI.CZ (15.05.2008)
The lecture is focussed on the basic physical concepts of information processing at optical frequencies.
Last update: VISNOV/MFF.CUNI.CZ (15.05.2008)
Seznámení s fyzikálními základy přenosu a zpracování informace na optických frekvencích.
Course completion requirements -
Last update: prof. Ing. Štefan Višňovský, DrSc. (13.06.2019)
Oral exam
Last update: prof. Ing. Štefan Višňovský, DrSc. (10.06.2019)
Ústní zkouška
Literature -
Last update: prof. Ing. Štefan Višňovský, DrSc. (09.06.2020)
T. Tamir,ed., Integrated Optics, Topics in Applied Physics, Vol. 7, Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg / New York 1975. D. Marcuse, Light Transmission Optics, Bell Laboratories Series, Van Nostrand Reinhold Company, New York / Cincinnati /Toronto / London / Melbourne 1972. A. W. Snyder, J. D. Love, Optical Waveguide theory, Chapman & Hall, London / New York / Tokyo / Melbourne / Madras 1991. R. Olshansky, Propagation in glass optical waveguides, Review of Modern Physics, Vol. 51, No. 2, April 1979, 341-366. P. K. Tien, Integrated optics and new wave phenomena in optical wave guides, Review of Modern Physics, Vol. 49, No. 2, April 1977, 361-420 Optics, Bell Laboratories Series, Van Nostrand Reinhold Company, New York / Cincinnati /Toronto / London / Melbourne 1972. A. W. Snyder, J. D. Love, Optical Waveguide theory, Chapman & Hall, London / New York / Tokyo / Melbourne / Madras 1991. R. Olshansky, Propagation in glass optical waveguides, Review of Modern Physics, Vol. 51, No. 2, April 1979, 341-366. P. K. Tien, Integrated optics and new wave phenomena in optical wave guides, Review of Modern Physics, Vol. 49, No. 2, April 1977, 361-420. A. W. Snyder, Understanding Monomode Optical Fibers, Proceedings of the IEEE, vol. 69, No. 1, January 1981.
Štefan Višňovský, Integrated and Fiber Optics, 2019, Lecture Notes in English 160 pp. (available to students enrolled in the course).
Last update: prof. Ing. Štefan Višňovský, DrSc. (13.06.2019)
T. Tamir,ed., Integrated Optics, Topics in Applied Physics, Vol. 7, Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg / New York 1975. D. Marcuse, Light Transmission Optics, Bell Laboratories Series, Van Nostrand Reinhold Company, New York / Cincinnati /Toronto / London / Melbourne 1972. A. W. Snyder, J. D. Love, Optical Waveguide theory, Chapman & Hall, London / New York / Tokyo / Melbourne / Madras 1991. R. Olshansky, Propagation in glass optical waveguides, Review of Modern Physics, Vol. 51, No. 2, April 1979, 341-366. P. K. Tien, Integrated optics and new wave phenomena in optical wave guides, Review of Modern Physics, Vol. 49, No. 2, April 1977, 361-420 Optics, Bell Laboratories Series, Van Nostrand Reinhold Company, New York / Cincinnati /Toronto / London / Melbourne 1972. A. W. Snyder, J. D. Love, Optical Waveguide theory, Chapman & Hall, London / New York / Tokyo / Melbourne / Madras 1991. R. Olshansky, Propagation in glass optical waveguides, Review of Modern Physics, Vol. 51, No. 2, April 1979, 341-366. P. K. Tien, Integrated optics and new wave phenomena in optical wave guides, Review of Modern Physics, Vol. 49, No. 2, April 1977, 361-420. A. W. Snyder, Understanding Monomode Optical Fibers, Proceedings of the IEEE, vol. 69, No. 1, January 1981.
Štefan Višňovský, Integrovaná a vláknová optika, 2019, učební text, 457 stran (k disposici studentům zapsaným na předmět).
Teaching methods -
Last update: VISNOV/MFF.CUNI.CZ (15.05.2008)
Lecture
Last update: RNDr. Vladimír Kopecký, Ph.D. (16.10.2020)
Kontrolovaná četba s možností konzultací po dohodě (v termínech Út, St, Čt 14–16 hodin).
Requirements to the exam -
Last update: prof. Ing. Štefan Višňovský, DrSc. (13.06.2019)
Nonsymmetrical planar dielectric waveguide. Dispersion relations for TE a TM modes and their graphical solutions. Field profiles of guided modes. Analogy with the quantum problem of a particle in a rectangular potential well.
Circular cylindrical dielectric fiber waveguide with a step index profile (a homogeneous core and a homogeneous cladding). Field transformation from the Cartesian to circular cylindrical coordinates. Vector Helmholtz equation in cylindrical coordinates. Bessel equation. Expression of modal fields in terms of cylindrical functions. Boundary conditions. Eigenvalue equation relating the propagation constant with the core radius - frequency product. TE a TM modes. Hybrid modes. Mode nomenclature and cut-off frequencies, cut-off core radius. Fundamental mode and its cut-off frequency. Condition for monomode operation.
Monomode circular cylindrical dielectric fiber waveguide with a generalized profile of the index of refraction. Assumption of small refractive index difference between the core and the cladding (weak guidance approximation). Cartesian field components in a weakly guiding circular cylindrical dielectric waveguide (fiber). Linearly polarized eigen modes. Analytical representation of the refractive index profile in circular cylindrical dielectric waveguide, limiting cases: Gaussian and step refractive index fiber profiles. Variation approach to the propagation constant. Influence of the permittivity profile on the Poynting vector profile. Condition for a maximum concentration of energy in the fiber. Fibers with elliptical cross sections.
Last update: prof. Ing. Štefan Višňovský, DrSc. (13.06.2019)
INTEGROVANÁ A VLÁKNOVÁ OPTIKA.
(F365, 2/0 Zk) Štefan Višňovský.
Nesymetrický dielektrický vlnovod. Dispersní rovnice pro TE a TM módy a její grafické řešení. Profily polí. Analogie s problémem kvantové častice v nesymetrické potenciálové jámě.
Cylindrický dielektrický vláknový vlnovod se stupňovým profilem indexu lomu. Transformace rovnic pole do cylindrických souřadnic. Besselova rovnice. Vyjádření polí pomocí cylindrických funkcí. Rovnice pro vlastní hodnoty konstanty šíření. TE a TM módy. Nomenklatura módů a mezní frekvence. Fundamentální mód, podmínka pro jednomódový režim.
Jednomódový cylindrický dielektrický vláknový vlnovod se zobecněným profilem indexu lomu. Předpoklad velmi malých rozdílů indexu lomu jádra a pláště (aproximace slabého vedení). Representace polí cylindrického vlákna v kartézských souřadnicích. Lineárně polarizované vlastní módy. Analytické vyjádření profilu indexu lomu v monomódovém cylindrickém vlnovodu s kruhovým průřezem, mezní případy: stupňový a gaussovský profil. Variační metoda pro stanovení konstanty šíření fundamentálního módu. Vliv profilu permitivity na profil Poyntingova vektoru. Podmínka pro maximální koncentraci energie ve vlákně. Rozšíření na eliptický profil průřezu permitivity.
Syllabus -
Last update: prof. Ing. Štefan Višňovský, DrSc. (13.06.2019)
INTEGRATED OPTICS & FIBER OPTICS
(F365, 2/0 Zk) Štefan Višňovský.
Waves in bounded regions. Wave equation in non uniform media: plane wave solutions. Optical systems with constant index of refraction along a special axis. Boundary conditions at interfaces. Fresnel equations. Phase shift for TE and TM waves at total reflection, longitudinal and transverse propagation constants.
Waveguide with ideally conducting walls, propagation characteristics. TE and TM modes in rectangular waveguides. TEM waves. Resonance cavities.
Ray model for an optical planar waveguide. Rectangular profile of the index of refraction. Radiation, substrate and guided modes. Characteristic equation of a planar waveguide and its graphical solutions. Cut-off conditions. Normalized waveguide characteristics. Goos-Haenchen shift. Effective waveguide thickness. Planar dielectric waveguides of general permittivity profile. Parabolic profile (analogy with the quantum harmonic oscillator). 1/cosh permittivity profile.
Wave propagation in anisotropic planar dielectric structures. Eigen values of the propagation constant and associated eigen modes. Periodic waveguides.
Maxwell equations in symmetric planar dielectric waveguide. Even and odd TE and TM modes. Field profiles. Relations between field amplitudes and transmitted power.
Maxwell equations in general planar waveguide with step index profile. Characteristic equations for TE and TM modes. Field profiles. Analogy with a nonsymmetrical rectangular quantum well.
Couplers for dielectic waveguides. Prism coupler. Diffraction grating coupler. Wedge coupler. Rule of maximum index of refraction.
Cylindrical dielectric waveguide with rectangular index profile (optical fiber). Transformation of Maxwell equations into cylindrical coordinates. Vector Helmholtz wave equation in cylindrical coordinates. Fields characterized in terms of cylindrical functions. TE and TM modes. Fundamental mode. Mode nomenclature. Conditions for monomode transmission.
Monomode cylindrical waveguide with a generalized permittivity profile. Weak guidance approximation. Cartesian field components as a function of cylindrical coordinates. Analytic expressions for permittivity profiles. Limiting cases: step profile and Gaussian profile. Fundamental mode parameters deduced from variation approach. Poynting vector as a function of radial profile. Condition for maximum power concentration at the fiber axis. Extension to fibers with elliptic profiles.
Last update: prof. Ing. Štefan Višňovský, DrSc. (13.06.2019)
INTEGROVANÁ A VLÁKNOVÁ OPTIKA.
(F365, 2/0 Zk) Štefan Višňovský.
Popis vlnových procesů pomocí v ohraničených oblastech Vlnová rovnice v prostředí s proměnným indexem lomu, řešení pomocí rovinných vln, obecná rovinná vlna v dispersním prostředí. Optické systémy s indexem lomu stálým ve směru význačné osy. Okrajové podmínky, Fresnelovy rovnice. Fázové poměry při totální reflexi pro TE a TM módy, podélná a příčná konstanta šíření.
Vlnovod s dokonale vodivými stěnmi okrajové podmínky, charakteristiky šíření vln ve vlnovodech, mezní frekvence, TE a TM módy v pravoúhlém vlnovodu, TEM vlny, resonanční dutiny.
Paprskový model planárního optického vlnovodu Pravoúhlý profil indexu lomu. Radiační, substrátové a vedené módy. Dispersní rovnice nesymetrického vlnovodu a její grafické řešení, podmínky pro mezní frekvenci. Normalizace parametrů vlnovodu. Goosův-Haenchenův posuv, efektivní tloušťka dielektrického vlnovodu. Planární vlnovody s obecným profilem indexu lomu. Parabolický profil (\"harmonický oscilátor\"). Profil 1/cosh2.
Obecné podmínky pro šíření vedených vln v anisotropních planárních dielektrických strukturách Vlastní konstanty šíření, vlastní módy pro obecný profil tensoru permitivity. Rozšíření na anizotropní periodické vlnovody.
Elektromagnetická teorie planárního symetrického dielektrického optického vlnovodu. Sudé (liché) TE (TM) módy. Dispersní rovnice a její grafické řešení. Profily polí. Relace mezi amplitudou a výkonem módu.
Nesymetrický dielektrický vlnovod. Dispersní rovnice pro TE a TM módy a její grafické řešení. Profily polí. Analogie s problémem kvantové častice v nesymetrické potenciálové jámě.
Vazební prvky pro optické vlnovody Přenos elektromagnetické energie volných vln do vlnovodu: vybuzení vlnovodových módů. Hranolová vazba jako čtyřvrstvý problém. Klínová vazba a pravidlo maximálního indexu lomu. Mřížková vazba, Rayleighův rozvoj.
Cylindrický dielektrický vláknový vlnovod se stupňovým profilem indexu lomu Transformace rovnic pole do cylindrických souřadnic. Besselova rovnice. Vyjádření polí pomocí Besselových funkcí a Hankelových funkcí prvního druhu. Rovnice pro vlastní hodnoty konstanty šíření. TE a TM módy. Nomenklatura módů a mezní frekvence. Fundamentální mód, podmínka pro jednomódový režim.
Jednomódový cylindrický dielektrický vláknový vlnovod se zobecněným profilem indexu lomu. Předpoklad velmi malých rozdílů indexu lomu jádra a pláště (aproximace slabého vedení). Representace polí cylindrického vlákna v kartézských souřadnicích. Lineárně polarizované vlastní módy. Analytické vyjádření profilu indexu lomu, mezní případy: stupňový a gaussovský profil. Variační metoda pro stanovení konstanty šíření fundamentálního módu. Vliv profilu permitivity na profil Poyntingova vektoru. Podmínka pro maximální koncentraci energie ve vlákně. Rozšíření na eliptický profil permitivity.
