Министерство образования и науки Российской Федерации

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

(ТУСУР)

Кафедра Сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники (СВЧиКР)

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе

Л.А.Боков “_“_ 2010 г.

Рабочая программа по курсу Квантовая и оптическая электроника для специальности 090106 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем»

Учебный план набора 2006г. и последующих лет Факультет – радиотехнический Профилирующая кафедра – Радиотехнических систем (РТС) Курс – пятый (10 семестр) Зачет– 10 семестр Распределение учебного времени Лекции – 32 часа Практика – 16 часов Лабораторные занятия – 16 часов Самостоятельная работа – 36 часа Всего –100 часов

ПРЕДИСЛОВИЕ

Рабочая программа составлена с учетом требований Государственного образовательного 1.

стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста – 654400 «Телекоммуникации» для специальности (075600) - Информационная безопасность телекоммуникационных систем, утвержденного МО 05.04.2002 рег. номер 285 инф/сп.

Рабочая программа рассмотрена и утверждена на заседании кафедры 2.

СВЧ и КР, протокол № _2_ от 28.10.2010г.

3. Разработчик, доцент каф. СВЧиКР _ Л. И. Шангина Зав. обеспечивающей каф. СВЧиКР, профессор _ С. Н. Шарангович 4. Рабочая программа согласована с факультетом, профилирующей и выпускающей кафедрой специальности, соответствует действующему плану занятий Декан РТФ, профессор А.С. Задорин _ Зав. профилирующей каф. РТС, профессор _ Г. С. Шарыгин Срок действия рабочей программы – 31.08.2011 г.

1. Цели и задачи дисциплины и ее место в учебном процессе 1.1. Цели и задачи преподавания дисциплины Дисциплина “ Квантовая и оптическая электроника ” относится к блоку общепрофессиональных дисциплин, читаемых для студентов специальности 090106 Информационная безопасность телекоммуникационных систем ".

Цель преподавания дисциплины состоит в подготовке специалистов в области теории физических принципов функционирования современных оптических, нелинейно-оптических устройств, оптических линий связи.

Основной задачей дисциплины является изучение физических основ, принципов действия, характеристик и параметров важнейших приборов и устройств, используемых в оптических системах связи. К их числу относятся квантовые генераторы и усилители, оптические модуляторы, фотоприемные устройства, нелинейно-оптические элементы, голографические и интегрально-оптические компоненты.

В результате изучения настоящей дисциплины студенты получат знания, имеющие не только самостоятельное значение, но и являющиеся фундаментом для изучения ряда последующих специальных дисциплин и практической работы специалистов в области телекоммуникационных систем и обеспечения их информационной безопасности.

1.2. Требования к уровню освоения дисциплины Студенты должны:

знать основные положения квантовой физики и квантовой оптики;

знать физические основы и принципы построения оптоэлектронных и квантовых приборов;

знать основы физики взаимодействия света со средой и нелинейной оптики;

получить навыки практической работы с лазерами и оптоэлектронными приборами разных типов, освоить технику оптических экспериментов;

знать основные законы и соотношения волновой оптики и оптики ограниченных световых пучков;

знать теоретические основы оптической обработки информации; принципы построения и работы основных функциональных узлов оптических телекоммуникационных систем;

уметь определять и обосновывать целесообразность использования оптических методов обработки информации для решения конкретных задач;

получить навыки практической работы с различными лазерами, устройствами для управления параметрами лазерного излучения..

1.3. Перечень обеспечивающих дисциплин.

Данная дисциплина базируется на знаниях, полученных студентами в процессе изучения дисциплин: «Физика», «Электромагнитные поля и волны» «Устройства приема и обработки сигналов», «Сети и системы цифровых телекоммуникаций».

1.4. Объем дисциплины и виды учебной работы.

Дисциплина изучается в 10-м семестре 1.5. Разделы дисциплины и виды занятий КиОЭ (квантовая и оптическая электроника) Взаимодействие излучения с веществом генераторов и усилителей Устройства отображения информации Раздел 2.1 Взаимодействие излучения с веществом (7 час.) 2.1.1 Взаимодействие оптического излучения с квантовыми системами. (2 час.) Общая характеристика задачи взаимодействия поля с веществом. Волновая теория излучения.

Взаимодействие бегущих электромагнитных волн с активной средой. Представление электромагнитного излучения оптического диапазона.

2.1.2 Спонтанное и вынужденное излучение.

Коэффициенты Эйнштейна. Понятие спонтанного излучения. Средняя продолжительность жизни атома в возбужденном состоянии. Скорость перехода. Вынужденное излучение.

2.1.3 Вероятности переходов.

Оптические переходы. Спонтанные переходы и их вероятность. Индуцированные переходы и их вероятность. Безизлучательные переходы и их вероятность. Связь между вероятностью индуцированного перехода и спектральной плотностью. Вероятность индуцированного поглощения и излучения. Правила отбора.

2.1.4 Плотность состояний. Энергетические уровни атомов и молекул. Плотность энергетических уровней. Количество энергетических уровней в интервале энергий на единицу площади. Энергия возбуждения (энергия Ферми). Плотность состояний ферми – газа. Плотности многочастичных состояний.

2.1.5 Ширина спектральной линии.

Ширина и форма спектральных линий. Принцип неопределенности. Время жизни по спонтанным переходам. Естественная ширина спектральной линии. Контур спектральной линии.

Уширение спектральных линий. Спектральные коэффициенты Эйнштейна.

2.1.6 Усиление электромагнитных колебаний в среде с инверсной населенностью.

Усиление и генерация оптического излучения. Принцип работы квантовых усилителей и генераторов и пороговые условия генерации. Инверсная населенность. Методы получения инверсной населенности в квантовых генераторах и усилителях. Закон Бугера. Понятие отрицательной температуры. Явление насыщения перехода.

Раздел 2.2. Физические основы оптических квантовых генераторов и усилителей (8 час.) 2.2.1. Оптические резонаторы.

Структуры электрических полей. Схемы оптических резонаторов. Резонаторинтерферометр Фабри-Перо, спектральные характеристики. Многослойные диэлектрические покрытия и интерференционные фильтры. Перестраиваемые резонаторы. Селекция продольных и поперечных мод.

2.2.2. Устройство и принципы работы лазеров и области их применения.

Диапазон оптических волн и его особенности. Физические принципы работы источников оптического излучения. Когерентные источники оптического излучения. Основные типы квантовых генераторов, их устройство. Параметры и характеристики электромагнитного излучения: монохроматичность, когерентность, направленность, поляризованность и возможность фокусирования излучения. Пороговые условия генерации и мощность излучения.

Полупроводниковые лазеры на двойных гетеропереходах (на GaAs и InP), устройства, основные рабочие характеристики. Лазеры с распределенной обратной связью.

2.2.3. Моды генерации.

Формирование спектра излучения оптических генераторов.

Спектр излучения при неоднородном уширении спектральной линии. Спектр излучения при однородном уширении спектральной линии. Теоретическое определение ширины спектра излучения.

2.2.4. Нелинейные оптические явления.

Понятие о «нелинейной оптике». Нелинейное взаимодействие электромагнитных полей.

Нелинейная поляризация. Многофотонные эффекты. Рассеяния Релея, комбинационное и вынужденное рассеяние. Лазерные преобразователи частоты. Параметрическое преобразование частоты. Обращение волнового фронта лазерного пучка. Применение нелинейно-оптических эффектов. Трансформация оптического излучения.

2.2.5. Шумы усилителей и лазеров.

Шумы за счет усиленной спонтанной эмиссии. Шум - фактор как отношение сигнал/шум на входе к отношению сигнал/шум на выходе. Дробовые шумы. Фликкер шумы. Мощность теплового шума. Эффективная тепловая температура.

2.2.6. Оптические квантовые усилители *).

Возможности квантового усиления в оптических системах. Временные и пространственные особенности усиления нелинейно-оптического отклика поверхности при возбуждении поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ). Генерация вторых оптических гармоник (ГВГ).

Генерация суммарной, разностной частот (ГСЧ и ГРЧ). Максимальная эффективность генерации второй оптической гармоники от периодической металлической поверхности: симметричная схема взаимодействия ПЭВ.

Раздел 2.3. Детектирование световых сигналов. (5час.) 2.3.1. Элементы зонной теории твердого тела.

Поглощение света в твердых телах. Явление фотоэффекта. Эффект Дембера. Физические принципы и основные элементы регистрации оптического излучения. Принцип восприятия изображения фотоприемниками. Фотогальванический эффект. Фотомагнитоэлектрический эффект.

Типы фотоприемников (ФП): полупроводниковые фотоприемники, фотоэлектронные приборы, приборы с внутренним усилением фототока, pin- и лавинные фотоприемные устройства.

2.3.2. Параметры и характеристики приемников оптического излучения.

Детектирование световых сигналов. Параметры и характеристики приемников излучения светового потока: частотная (амплитудная) характеристики, реакция ФП на импульсное излучение, инерционные свойства ФП, битовая скорость передачи информации, коэффициенты ошибок.

Детекторы световых сигналов. Классификация фотоприемников (по среде, в которой происходит движение фотоэлектронов, по области применения, по времени отклика на оптический сигнал, по частотным свойствам, по структуре полупроводникового материала фотоприемника. Принцип работы ячейки фотоматрицы, ПЗС матрицы.

2.3.3. Шумы приемников излучения.

Основные параметры и характеристики шумов фотоприемников приемного устройства:

ширина полосы шума, напряжение шума, мощность шума - эквивалента (МШЭ), площадь чувствительной поверхности, обнаружительная способность приемника. Определение значения (МШЭ).

Отношение сигнал-шум на выходе приемного устройства.

2.3.4. Квантовый предел чувствительности *).

Понятие квантового предела чувствительности. Предельные чувствительности в линейных и нелинейных квантовых измерениях. Предельный переход непрерывных квантовых измерений.

Динамические и шумовые характеристики линейных квантовых систем.

Раздел 2.4. Элементы управления оптическим излучением. (4час.) Модуляция световых сигналов. Электрооптические модуляторы оптического излучения.

Модуляция света акустооптическими волнами. Дефлекторы оптического излучения. Применение элементов управления. Непосредственная модуляция полупроводникового лазера по цепи питания.

Раздел 2.5. Волоконно-оптические линии связи. (3.5 час.) 2.5.1. Структура оптической связи. (2 час.) Основные достоинства волоконно – оптических линий связи (ВОЛС). Типы оптических волокон (ОВ) и их конструкции. Основные параметры ОВ: профиль показателя преломления, числовая апертура, коэффициент затухания, полоса пропускания, виды дисперсии. Одномодовый и многомодовый режимы передачи сигнала.

Цифровые ВОЛС: скорость передачи, канальность, группообразование.

2.5.2. Компоненты оптических линий связи.

Оптические кабели и разъемы: волоконно-оптические жгуты, волоконно-оптические преобразователи, их конструкции и параметры. Источники излучения передатчиков оптических линий связи: светодиоды и полупроводниковые лазеры, их основные рабочие характеристики.

Ввод оптического излучения в волокно. Фотоприемники оптических систем передачи их основные параметры.

2.5.3. Уплотнение каналов.

Методы увеличения коэффициента использования пропускной способности оптического волокна: временное (OTDM), спектральное уплотнение (WDM и DWDM). Межканальные интервалы DWDM стандарта.

2.5.4. Когерентные линии оптической связи *).

Элементная база когерентных волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСПИ). Одномодовые световоды с устойчивой поляризацией. Полупроводниковые излучатели с частотной автоподстройкой. Фотодетекторы. Одномодовые соединители, изоляторы и поляризаторы. Схемы гетеродинного и гомодинного прима. Помехоустойчивость и информативность когерентных систем связи.

Раздел 2.6. Устройства отображения информации (1час.)* 2.6.1. Основные параметры и характеристики устройств отображения оптических сигналов: интерактивность, наглядность, автоматизация.

Типы устройств отображения: индивидуальные и коллективные. Видеомониторы:

электронно-лучевые трубки, ЖК мониторы, плазменные мониторы. Терминал ввода, вывода.

Панельная рабочая станция с процессором. Проекторы. Многофункциональные процессоры.

Полиэкранные устройства отображения видео-звуковой информации.

Раздел 2.7. Оптические устройства. (3.5 час.) 2.7.1. Оптические запоминающие устройства *).

Принципы построения оптико-электронных запоминающих устройств. Эффективность оптических методов хранения информации: высокая плотность упаковки данных, надежность считывания данных. Способы записи информации: бинарный (поразрядный или побитный) и голографический. Бинарное запоминающее устройство, принцип действия.

Оптическая голография. Запись и считывание голограмм. Основные преимущества голографической записи. Соотношения между опорным и сигнальным пучками. Типы голограмм.

Голограммы Френеля. Голограммы Фурье: схема записи. Дифракционная эффективность тонких амплитудных и фазовых голограмм. Объемные голограммы. Перспективы использования голографии. Материалы хранения информации. Фоторефрактивные кристаллы.

2.7.2. Оптоэлектронные процессоры *).

Фотоны как основные носители информации. Высокое быстродействие оптических вычислительных устройств. Преимущества оптических технологий. Тонкие сферические линзы как основные компоненты оптоэлектронного процессора. Когерентный аналоговый оптический процессор. Акустооптические спектроанализаторы. Акустооптические процессоры корреляционного типа. Пространственная фильтрация. Фурье-образ. Прямое и обратное преобразование Фурье.

2.7.3. Оптоэлектронные датчики *).

Преобразование различных физических воздействий в электрические сигналы. Лазерные и светодиодные датчики влажности и загрязнения атмосферы. Волоконно-оптические датчики.

Изменение характеристик оптического сигнала (фазы, амплитуды, поляризации) под действием внешних воздействий. Волоконно-оптические брэгговские решетки и датчики на их основе.

Датчики на основе нелинейно-оптических эффектов в волоконных световодах. Датчики на основе интерференции света.

*) - разделы, вынесенные на самостоятельную проработку 3. Лабораторный практикум (16 часов) № п.п. № раздела Наименование лабораторной работы (4час.) Исследование основных параметров газового лазера Исследование полупроводниковых лазеров (компьютерная по 4.Практические занятия (16 часов) п/п дисциплины Наименование практических занятий (по 2 час.) Взаимодействие излучения с веществом. Спонтанное и вынужденное Расчет условий усиления и генерации колебаний в квантовых системах Расчет параметров и характеристик полупроводниковых лазеров Расчет параметров акустооптических модуляторов и дефлекторов Расчет характеристик оптического волокна (дисперсия, затухание, числовая 5. Самостоятельная работа (36 часов) Подготовка к практическим занятиям и выполнение Задание.

Изучение вопросов лекционного курса, в том числе Зачет На самостоятельную проработку выносятся следующие вопросы лекционного курса:

раздела 6. Методика текущего контроля освоения дисциплины Осуществляется в соответствии с Положением о порядке использования рейтинговой системы для оценки успеваемости студентов (приказ ректора 25.02.2010 № 1902) и основана на балльно- рейтинговой системе оценки успеваемости, действующей с 2009 г., которая включает текущий контроль выполнения элементов объема дисциплины по элементам контроля с подведением текущего рейтинга и итоговый контроль.

Правила формирования пятибалльных оценок за каждую контрольную точку (КТ1, КТ2) осуществляется путем округления величины, рассчитанной по формуле:

Итоговый контроль освоения дисциплины в 10 семестре осуществляется после окончания семестра. Студент, набравший менее 50 баллов, считается неуспевающим, не получившим зачет. Студент, выполнивший все запланированные лабораторные работы, и т.д. и набравший сумму 50 и более баллов, получает зачет «автоматом».

7. Применение бально-рейтинговой системы Таблица распределения баллов в течение семестра Темы контрольных работ:

1. Параметры и характеристики оптических излучателей.

2.Расчет условий усиления и генерации колебаний в квантовых системах.

3.Расчет характеристик фотоприемных элементов.

4.Расчет характеристик компонентов волоконно-оптических систем передачи.

Примерные темы творческих заданий (рефератов) Современные оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства 1.Оптические корреляторы когерентного и некогерентного типов.

2. Оптическая обработка информации.

3. Функциональная и структурная организации аналоговых оптических процессоров.

4. Особенности производства и эксплуатации оптических устройств обработки информации.

5. Принципы построения ВОСП информации.

6. Физические основы оптической обработки информации.

7. Оптические процессоры.

8. Достижения в области создания мощных полупроводниковых лазеров.

9. Полупроводниковые лазеры, работающие в коротковолновой области видимого диапазона.

10. Интегрально-оптические компоненты для волоконно-оптических систем связи.

11. Твердотельные лазеры с умножением частоты: современное состояние.

12. Физические основы квантовой криптографии.

13. Историческое развитие технологии квантовой рассылки ключей 8. Учебно - методическое обеспечение Учебно-методическое обеспечение дисциплины «Квантовая и оптическая электроника»

для специальности 090106 Информационная безопасность телекоммуникационных систем находится на уровне, соответствующем нормативным требованиям. В процессе обучения следует пользоваться учебниками [1,2,4,5] и учебным пособием [3]. Для углубленного изучения дисциплины можно пользоваться книгами [1л -10д].

9. Рекомендуемая литература а) основная литература:

1. В.А. Малышев. Основы квантовой электроники и лазерной техники. - М.: Высшая школа, 2005. с. (40) 2. В.М. Шандаров. Основы физической и квантовой оптики. – Томск: Томск. гос. Ун-т систем упр.

и радиоэлектроники, 2005. – 258 с. (20) 3. Кущ Г.Г., Соколова Ж.М., Шангина Л.И.. Приборы и устройства оптического и СВЧдиапазонов. - Томск: Издательство научно-технической литературы, 2003. - 556 с. (10) 4. Н.И. Калитеевский. Волновая оптика. - СПб.: Лань, 2006. - 465 с. (30) 5.Ушаков В.Н и др. Оптические устройства в радиотехнике: Учеб. пособие для вузов.- М.:

Радиотехника, 2005. -240 с. (70) 6.Ефанов В.И. Сборник задач по волоконно-оптическим линиям связи. Учебно-методическое пособие по практическим занятиям Томск: ТУСУР, 2007. - 50 с.

б) дополнительная литература:

1д.Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. – М: Высшая школа. 2001, - 572с. (159) 2д. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи: Пер. с англ. - М.: Техносфера, 2006. – 447 с.

(15) 3д. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники.- К.: Высшая школа;1988.-383 с. (38) 4д. Акаев А.,.Майоров А. Оптические методы обработки информации. -М.: Высшая школа, 1988. -157 с. (10) 5д. Бусурин В.И., Носов Ю.Р.. Волоконно - оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990.-240с. (11) 6д. Гитин Л.Н., Кочановский В.Я. Волоконно-оптические системы передачи: Учеб. пособие/ - М.:

Радио и связь, 2003. - 128 с. (60).

7д. А.Ярив, П.Юх. Оптические волны в кристаллах. - М.: Мир, 1987. - 616 с. (5) 8д. М.П.Петров, С.И.Степанов, А.В.Хоменко. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике.

М.: Наука, 1992. (1) 9д. В.М. Шандаров. Волоконно-оптические устройства технологического назначения. – Томск:

Томск. гос. Ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2007. – 192 с. (30) 10д. С.М. Шандаров, В.М. Шандаров, А.Е. Мандель, Н.И. Буримов. Фоторефрактивные эффекты в электрооптических кристаллах. – Томск: Томск. гос. Ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2007. – 230 с. (30) 11Д. Шангина Л.И. Квантовые и оптоэлектронные устройства. УМП. Томск 2008.с.Методические указания по СРС (самостоятельной и индивидуальной работе студентов).

10. Учебно - методическое обеспечение, подготовленное каф. СВЧиКР I. Учебные и учебно- методические пособия:

1. Кущ Г.Г., Соколова Ж.М., Шангина Л.И.. Приборы и устройства оптического и СВЧдиапазонов. - Томск: Издательство научно-технической литературы, 2003. - 556 с. (10) 2. Шандаров В.М.. Основы физической и квантовой оптики. – Томск: Томск. гос. Ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2005. – 258 с. (20) 3. Шандаров В.М.. Волоконно-оптические устройства технологического назначения. – Томск: Томск. гос. Ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2007. – 192 с. (30) 4. Шандаров С.М., Шандаров В.М.,. Мандель А.Е, Буримов Н.И.. Фоторефрактивные эффекты в электрооптических кристаллах. – Томск: Томск. гос. Ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2007. – 230 с. (30) II. Физические (натурные) лабораторные работы:

1. Кущ Г.Г. Исследование основных параметров газового лазера. Руководство к лабораторной работе для студентов специальностей 210401, 201302. – ТУСУР. 2008,31c.

2. Кущ Г.Г. Изучение работы оптронов Руководство к лабораторной работе для студентов специальностей 210401, 201302. – ТУСУР. 2007,17c.

3. Кущ Г.Г. Устройство ввода информации в оптическую систему. Оптические устройства в радиотехнике. Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства Руководство к лабораторной работе для студентов специальностей 210401, 201302. – ТУСУР. 2008,26с.

4.Ефанов В.И. Измерение дисперсионных характеристик в оптических волокнах.

Методические указания к натурным лабораторным работам. - ТУСУР. 2008.10c.

II a Компьютерные лабораторные работы, выполненные в среде Delphi.

Шангина Л.И. Комплексная лабораторная работа по дисциплине “Квантовые оптоэлектронные устройства”- Исследование характеристик полупроводниковых лазеров ТУСУР 2008:

Определение электрических параметров полупроводниковых лазеров по ВАХ. Томск.

ТУСУР. 2006, 16с.

.Спектральные свойства полупроводникового лазера, Томск. ТУСУР. 2007, 20с.

. Диаграмма направленности и угловая расходимость полупроводникового лазера.

Томск. ТУСУР.2007.14с.

Энергетические параметры полупроводниковых лазеров (Мощность излучения полупроводниковых лазеров). Томск. ТУСУР.2007, 9с.

1. Шангина Л.И. Квантовые и оптоэлектронные устройства. УМП. Томск 2008.-229с.

Методические указания по СРС (самостоятельной и индивидуальной работе студентов).

2.Ефанов В.И. Сборник задач по волоконно-оптическим линиям связи. Учебно-методическое пособие по практическим занятиям Томск: ТУСУР, 2007. - 50 с.