Optika
Cíl kapitoly
Cílem této kapitoly je obezn{mit se s vývojem prvků pro optické sítě, optick{
zařízení, integrovanou optiku a optických počítačů.
Účelem této kapitoly není detailní pochopení principů technologií, ale vytvoření
představy, kam vývoj v optických zařízení pro výpočetní techniku spěje.
„Záměrem autorů je především umožnit studentům informačních technologií vytvořit základní
představy o šíření optického záření ve vlnovodných strukturách a dále o některých fyzikálních
jevech, které se využívají při konstrukci optických zařízení pro generaci, distribuci,
zpracování a ovládání vedeného optického záření. Dalším cílem je informovat o principech
činnosti a o vlastnostech nejvýznamnějších planárních optických struktur a součástek.
Texty Optika jsou postaveny na základech středoškolské fyziky, a to zejména základních
zákonů optiky. Proto v hlavní části textu nejsou vysvětleny používané fyzikální pojmy, přesto
některé z nich jsou popsány v dodatku. Je nutné, aby tyto pojmy a zákony studenti znali,
protože budou vyžadovány jak při testech tak i při zkoušení (včetně maturitní zkoušky).
Každá kapitola obsahuje kontrolní otázky z tématiky dotýkající se dané kapitoly. Jejich
správné zodpovězení je předpokladem k zvládnutí probírané látky.
Autoři (1)“
Kapitola je rozdělena na podkapitoly
1. Úvod
2. Vlnovodn{ optika
3. Integrovan{ optika
4. Fotonické spínací prvky
5. Optické počítače
1. Úvod
Klíčové pojmy:
Absorbce, elektromagnetické vlnění, hologram
1.1 Základy optiky
V poslední době nastal obrovský rozvoj optických komunikací, které se přednostně uplatňují
v mnoha aplikacích. Využívají se pro přenos hlasu, dat, telemetrických údajů, obrazu na velké
vzdálenosti i v lokálních sítích a pro jiné aplikace. Optická komunikační technologie
poskytuje uživateli obrovské přenosové kapacity, velké vzdálenosti mezi opakovači, odolnost
vůči elektromagnetickému rušení a relativně snadnou instalaci. Přenášené informace se
mohou zpracovávat jak v počítačích elektronických, tak i v počítačích optických. U optických
počítačů se využívají technologie fotonického spínání, fotonických hradel, optického
zpracování signálu, přenosu pomocí optických vláken a vlnovodů a optických pamětí. Optické
počítače vyžadují rozsáhlá pole těchto rychlých fotonických prvků.
Prvky používané v optice umožňují jednoduše zpracovávat paralelní signály, což umožňuje
zvýšení rychlosti systému (např. svazek paprsků vedený přes hologram).
Signálem pro tyto optické prvky je světlo. Světlo je elektromagnetické vlnění popsané
stejnými teoretickými principy, kterými se řídí všechny druhy elektromagnetického záření.
Základní jevy, které se využívají při optickém zpracování signálu jsou:
 šíření světla v optickém prostředí (vzduch, vlnovody, …),
 odraz a lom světla,
 optická polarizace (rovina kmitání ),
 průchod binární maskou (mřížka, hologram, ...),
 atd.
Tyto jevy je nutné vysvětlovat následujícími teoriemi:
 paprskovou optikou, kdy světelné vlny se šíří předměty, jejichž rozměry jsou
mnohem větší než je vlnová délka světla, kterou můžeme zanedbat. Tedy paprsková
optika je mezním případem vlnové optiky.
 vlnovou optikou – skalární teorie světla, ve které je světlo popsáno jedinou skalární
rovnicí. Pomocí této teorie lze určit intenzitu, výkon, energii a šíření světelných vln.
 elektromagnetickým vlněním – vektorová teorie světla. Světlo je uvažováno jako
elektromagnetické vlnění. Poskytuje nejúplnější popis světla v rámci klasické
optiky.
 kvantovou teorií světla – je určena pro popis jevů, které nelze popsat klasickou
optikou. Předpokládá, že světlo je složeno z částic – fotonů, které se pohybují
rychlostí světla, mají nulovou klidovou hmotnost a nesou energii.
Zpracovávaná informace může být:
 analogová – tj. časově spojitá. Využívá se zejména pro klasické telefonní spojení a
televizní signály.
 digitální – která využívá nejčastěji binární kódování. Prvky zpracovávající tento signál
dělíme podle architektury na:
o dvourozměrné – tj. rovinné neboli planární prvky (mřížka, spínače, přepínače,
hologramy)
o třírozměrné – tj. objemové, které se využívají zejména na zprostředkování
přenosu (vlnovody, optická vlákna) nebo pro zpracování signálu (objemové
hologramy).
1.2 Přenos a zpracov{ní optických sign{lů
Pro správný a nezkreslený přenos informace je nutné informaci zpracovat a upravit na vhodný
signál pomocí vhodných optoelektronických prvků. Tyto jednotlivé prvky pro zpracování
optických signálů se skládají z následujících bloků:
 blok detekce vstupního signálu – případně i převodu na elektrický signál
 blok zpracování signálů – zpracovává buď optický nebo elektrický signál
 blok generování výstupního signálu.
Prvek pole
Detekce vstup.
Signálu
Zpracování
signálu
generování
výst. sign
Pozn.: Při optickém zpracování první a poslední blok není nutný.
Uvažované prvky mohou být diskrétní nebo integrované. Požadavky na zmenšov{ní
rozměrů, zrychlov{ní a zjednodušov{ní konstrukce vedou k většímu využív{ní
integrované optiky, tj. vytv{ření složitějších prvků nebo polí prvků na jednom
substr{tu (podložce).
1.3 Otázky
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Vysvětlete princip holografie.
Co jsou to dvou a třírozměrné prvky pro zpracování informace?
Jaké teorie používáme pro vysvětlení vlastností světla?
Z čeho se skládají prvky pro zpracování optických signálů.
Zamyslete se jak světelný signál nese informaci.
Co říká Snellův zákon?
Literatura
Košť{l, Otevřelov{: Optické zpracov{ní informace – učební text
Saleh,Teich: Z{klady fotoniky
Časopis Jemn{ mechanika a optika
Network computing 12/2003
Čtyroký: Integrovan{ optika
Košť{lov{: Zpracov{ní informace pomocí neuronových sítí
Otevřelov{: Local optical fields of shallowly buried waveguides
Ilkovič: Fyzika
Fyzika pro střední školy
Urbas: Optoelektronika
Download

Optika