Документ 993882

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано
Утверждаю
___________________
Руководитель ООП
по направлению 210100
декан ЭФ проф. В.А. Шпенст
_______________________
Зав.кафедрой ЭС
проф. В.А. Шпенст
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА»
Направление подготовки бакалавра
210100–электроника и наноэлектроника
Профиль промышленная электроника
Квалификация выпускника: бакалавр
Форма обучения:очная
Составитель: доцент каф. ЭС И.И. Растворова
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
1. Цели и задачи дисциплины:
Цель дисциплины «оптическая электроника» направления подготовки
бакалавра 200100.62 электроника и наноэлектроника
профиль
«промышленная электроника» является ознакомление с физическими
принципами работы, характеристиками и параметрами устройств
энергетической электроники, знакомство с современной элементной базой
данных устройств
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина «оптическая электроника» относится к циклу дисциплин
по выбору студента блока Б3, изучается в седьмом семестре.
Для освоения этой учебной дисциплины требуется предварительная
подготовка по учебным дисциплинам «Физические основы электроники»,
«Материалы электронной техники», «Квантовая механика и статистическая
физика». Данная дисциплина является основой для изучения
«конструирования электронных устройств», «электронные промышленные
устройства» выполнения выпускной квалификационной работы.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование
следующих компетенций:
ОК-1 - владеет культурой мышления, способность к обобщению,
анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей еѐ
достижения;
ПК 9 - Способность осуществлять сбор и анализ исходных данных для
расчета и проектирования электронных приборов, схем и устройств
различного функционального назначения;
ПК 18 - Способность собирать, анализировать и систематизировать
отечественную и зарубежную научно-техническую информацию по тематике
исследования в области электроники и наноэлектроники;
ПК 21 - Готовность анализировать и систематизировать результаты
исследований, представлять материалы в виде научных отчетов, публикаций,
презентаций.
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
- о взаимодействия оптического излучения с электронами в веществе, в
основном в твердых телах, для создания оптоэлектронных приборов,
осуществляющих преобразование электрических сигналов в оптические;
- устройство и принцип действия квантовых оптических генераторов
(лазеров) и усилителей, работающих в оптическом диапазоне длин волн;
- устройство и принцип работы оптоэлектронных излучателей, в
основном полупроводниковых (ПП) лазеров и светоизлучающих диодов
(СИД).
Уметь:
- применять разнообразные твердотельные и полупроводниковые
структуры в оптоэлектронной технике;
- ориентироваться среди широкой номенклатуры разнообразных
твердотельных
и
полупроводниковых
структур,
применяемых
в
оптоэлектронной технике.
Владеть:
- владеть основами выбора и расчета оптоэлектронных приборов;
- информацией о новейших разработках
в области создания и
использования оптоэлектронных приборов.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет ____5____ зачетные единицы.
Вид учебной работы
Всего
часов
Семестры
Аудиторные занятия (всего)
68
68
Лекций
17
17
Практические занятия (ПЗ)
34
34
Лабораторные работы (ЛР)
17
17
Самостоятельная работа (всего)
76
76
7
В том числе:
Курсовая работа
25
25
25
25
Экзамен
Экзамен
180
180
5
5
Другие виды самостоятельной работы
Подготовка к практическим занятиям,
лабораторным работам, выполнение
проверочных работ для текущего контроля
знаний.
Вид промежуточной аттестации (экзамен)
Общая трудоемкость
час
зач. ед.
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ Наименование
Содержание раздела
п/п раздела дисциплины
1 Принципы работы
Области применения оптоэлектронных
приборов в современной технике. Особенности
оптических и
оптической электроники. Способы описания и
квантовых систем
характеристики электромагнитного излучения
оптического диапазона. Основные характеристики
и
свойства
электромагнитного
излучения
оптического диапазона. Физические основы
взаимодействия
оптического
излучения
с
квантовыми
системами.
Энергетические
состояния
квантовых
систем,
оптические
переходы. Нормальное и возбужденное состояния
системы. Поглощение, спонтанное и вынужденное
излучение.
Коэффициенты
Эйнштейна.
Взаимодействие электромагнитного излучения с
квантовыми системами. Структура спектров;
ширина, форма и уширение спектральных линий.
Инверсная населенность и методы ее создания.
Оптические явления в средах с различными
агрегатными состояниями. Усиление оптического
излучения. Активные среды и методы создания
инверсной населенности. Насыщение усиления в
активных
средах.
Спектральные
свойства
активной среды. Ширина спектральной линии
вещества и причины ее уширения. Генерация
2
Когерентные
некогерентные
источники
оптического
излучения
оптического излучения. Оптические резонаторы.
Виды колебаний (моды). Потери в оптическом
резонаторе. Условие самовозбуждения лазера:
баланс фаз и баланс амплитуд. Порог генерации.
Характеристики лазерного излучения
и 2.1.Твердотельные
и
газовые
лазеры.
Классификация твердотельных лазеров. Основные
материалы.
Особенности
энергетических
диаграмм.
Принципы
работы
рубинового,
неодимового лазеров, лазера на иттрийалюминиевом гранате, основные параметры. Типы
газовых
лазеров:
атомарные,
ионные
и
молекулярные
лазеры.
Принцип
работы
атомарного газового гелий-неонового (He-Ne)
лазера, энергетическая диаграмма, особенности
создания инверсионной населенности, устройство
He-Ne - лазера и основные параметры.
Молекулярные лазеры. Лазер
на основе
углекислого газа (CO2 - лазер), энергетическая
диаграмма, принцип работ, принцип работы и
основные параметры. Газодинамический CO2 лазер. Ионные лазеры. Аргоновый лазер,
устройство, особенности его работы и основные
параметры.
2.2.Полупроводниковые
инжекционные
светоизлучающие
диоды
и
лазеры.
Классификация
источников
оптического
излучения. Виды энергетических переходов в
полупроводнике: прямозонные и непрямозонные.
Основные
материалы
полупроводниковых
излучателей и их основные характеристики.
Классификация
p-n
переходов:
гомои
гетеропереходы. Излучательный режим работы pn перехода. Принцип работы инжекционных
светодиодов на гомопереходе и их конструкция.
Энергетическая диаграмма и вольтамперная
характеристика.
Основные
оптические
и
электрические
параметры
светодиодов.
Полупроводниковые материалы для светодиодов
на
гомопереходах.
Принцип
работы
инжекционных светодиодов на гетеропереходах.
Светодиоды на одинарном
и двойном
гетеропереходах. Энергетические диаграммы.
Преимущества
перед
светодиодами
на
3
Приемники
оптического
излучения в
оптоэлектронике
гомопереходах. Основные материалы. Принцип
работы и конструкция инжекционного лазера на
гомопереходе (гомолазера). Основные материалы.
Параметры инжекционных лазеров (внешний
квантовый выход, КПД, спектральная характеристика
излучения,
диаграмма
направленности) и их зависимость от инжекционного
тока. Пороговый ток инжекционного лазера и
методы его уменьшения. Полупроводниковые
инжекционные лазеры на гетеропереходах
(гетеролазеры).
Энергетические
диаграммы
одинарного и двойного гетероперехода, их
свойства. Распространение света в двойной
гетероструктуре. Гетеролазеры на основе двойных
гетероструктур. Основные материалы. Полосковые гетероструктуры для снижения порогового
тока. Диаграмма направленности излучения.
Нелинейно-оптические эффекты. Основные типы
когерентных и некогерентных источников
оптического излучения. Поглощение света в
твердых телах. Виды переходов при поглощении
света в полупроводниках. Физические принципы
и основные элементы для регистрации,
модуляции, отклонения, трансформации, передачи
и
обработки
оптического
излучения.
Классификация фотоприемников (ФП). Основные
параметры. Принцип работы, конструкция и
основные параметры фоторезистора. Основные
материалы и условные обозначения. Фотодиоды
на р-n переходе (p-n фотодиод). Вентильный
фотоэффект, фото-ЭДС. Вольтамперная характеристика. Работа фотодиода в фотодиодном и
фотогальваническом режимах. Принцип работы pi-n фотодиодов. Основные материалы фотодиодов.
Фототранзисторы: биполярные и полевые. Вольтамперные
характеристики,
конструкция
и
условные обозначения. Основные параметры.
Принцип работы фототиристоров. Вольтамперная
характеристика,
конструкция,
основные
параметры, условные обозначения и области
применения.
Многоэлементные ФП. ФП с
пространственной зарядовой связью (ПЗС).
Конструкция, режимы работы: режим покоя,
хранения и считывания информации. Линейки и
матрицы фото-ПЗС, основные параметры.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с
обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
.
№
п/п
Наименование
обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
№ № разделов данной дисциплины, необходимых
для изучения обеспечиваемых (последующих)
дисциплин
1
2
3
Электронные
промышленные
устройства
Конструирования
электронных устройств
Выпускная
квалификационная работа
1
2
3
+
+
+
+
+
+
+
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
Наименование раздела дисциплины
Лекции
Принципы работы оптических и
квантовых систем
Когерентные и некогерентные
источники
оптического
излучения
Приемники оптического
излучения в оптоэлектронике
6
10
6
5
п/п
1
2
3
Практ. Лаб.
зан.
зан.
СРС
Всего
час.
-
25
41
12
8
25
51
12
9
26
52
6. Лабораторный практикум
№
п/п
№ раздела
дисциплины
Наименование лабораторных работ
1
2
Исследование полупроводникового
инжекционного гетеролазера
2
2
Исследование Не-Nе газоразрядного лазера
3
4
3
4
Исследование полупроводникового фотодиода
Исследование полупроводникового
фототиристора
7. Практические занятия (семинары)
№
п/п
№ раздела
дисциплины
1
1
Тематика практических занятий (семинаров)
Трудоемкость
(час.)
Задачи на определение длины волны
излучения в зависимости от материалов
активных сред в лазерах.
10
2
2
Определение мощности оптической накачки
в твердотельных лазерах.
6
3
2
Расчёт параметров инжекционных лазеров.
6
4
3
Определение угловой ширины диаграммы
направленности излучения ПП гетеролазера
и концентрации носителей в p-n переходе.
6
Расчет тока фотоприемника, коэффициента
усиления и быстродействия.
6
5
3
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ)
Курсовая работа: «Разработка светодиодного устройства
информации».
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
9.1. Основная литература
1. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. – М.: Высшая школа,
2001. - 573 с.
2. Быстров Ю.А. Оптоэлектронные приборы и устройства: Учеб. пособие. –
М.: РадиоСофт, 2001. - 256 с.
9.2. Дополнительная литература
1. Квантовая и оптическая электроника: учеб.-метод. комплекс, информ.
ресурсы дисциплины, метод. указания к выполнению лаб. работ/ Федер.
агентство по образованию, СЗТУ, Каф. ПЭ; сост. Ю. Г. Васильев. - СПб.:
Изд-во СЗТУ, 2008. - 40 с.
2. Мирошников М.М Теоретические основы оптико-электронных приборов.
2010: Лань, СПб., 704 c.
3. Мухин Ю.А. Приборы и устройства полупроводниковой оптоэлектроники.
Учебное пособие. - М.: МЭИ, 1996.- 297 с.
9.3. Доступ к полнотекстовым базам данных из сети Интранет СПГГУ:
- БД JSTOR полнотекстовая база англоязычных научных журналов
www.jstor.org
- Научная электронная библиотека www.eLibrary.ru (доступ к полным
текстам ряда научных журналов с 2007 по 2009 г. )
9.4. Электронные ресурсы других библиотек:
Национальные отечественныеи зарубежные библиотеки
1. Российская государственная библиотека http://www.rsl.ru
2. Российская национальная библиотека http://www.nlr.ru
3. Всероссийская государственная библиотека иностранной литературы
им. М.И.Рудомино http://www.libfl.ru
4. Библиотека Академии Наук http://www.rasl.ru
5. Библиотека РАН по естественным наукам http://www.benran.ru
6. Государственная публичная научно-техническая библиотека
http://www.gpntb.ru
7. Государственная публичная научно-техническая библиотека Сибирского
отделения РАН http://www.spsl.nsc.ru/
8. Центральная научная библиотека Дальневосточного отделения РАН
http://lib.febras.ru
9. Центральная научная библиотека Уральского отделения РАН
http://www.uran.ru
10. Библиотека Конгресса http://www.loc.gov/index.html
11. Британская национальная библиотека http://www.bl.uk
12. Французская национальная библиотека http://www.bnf.fr
13. Немецкая национальная библиотека http://www.ddb.de
14. Библиотечная сеть учреждений науки и образования RUSLANet
http://www.ruslan.ru:8001/rus/rcls/resources
15. Центральная городская универсальная библиотека им. В.Маяковского
http://www.pl.spb.ru
16. Научная библиотека им. М.Горького Санкт-Петербургского
Государственного университета (СПбГУ) http://www.lib.pu.ru
Фундаментальная библиотека Санкт-Петербургского Государственного
Политехнического университета (СПбГПУ) http://www.unilib.neva.ru/rus/lib/
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной
аудитории, снабженной мультимедийными средствами для презентаций
лекций, видеофайлов практических занятий и демонстрационных
лабораторных работ.
Проведение
лабораторных
занятий
требует
наличия
специализированных учебных стендов по заявленной номенклатуре
лабораторных работ, оснащённых современной контрольно-измерительной
аппаратурой.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с
учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки бакалавра
210100 «Электроника и наноэлектроника».
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Изучение
дисциплины
производится
в
тематической
последовательности. Студенты очной формы обучения работают в
соответствии с временным режимом, установленным учебным рабочим
планом для данных форм обучения. Информация о временном графике работ
сообщается преподавателем на установочной лекции. Преподаватель дает
указания также по организации самостоятельной работы студентов, срокам
сдачи контрольных работ, выполнения лабораторных работ и проведения
тестирования.
Методика и последовательность изучения дисциплины«Оптическая
электроника» соответствуют перечню содержания разделов дисциплины.
Материал каждой темы насыщен математическими
соотношениями,
физическая интерпретация которых зачастую достаточно сложна, поэтому
изучение материала требует серьезной, вдумчивой работы.
Изучать дисциплину рекомендуется по темам, предварительно
ознакомившись с содержанием каждой из них по программе учебной
дисциплины. При первом чтении следует стремиться к получению общего
представления об изучаемых вопросах, а также отметить трудные и неясные
моменты. При повторном изучении темы необходимо освоить все
теоретические положения, математические зависимости и выводы.
Рекомендуется вникать в сущность того или иного вопроса, но не пытаться
запомнить отдельные факты и явления. Изучение любого вопроса на уровне
сущности, а не на уровне отдельных явлений, способствует наиболее
глубокому и прочному усвоению материала. Для более эффективного
запоминания и усвоения изучаемого материала, полезно иметь рабочую
тетрадь (можно использовать лекционный конспект) и заносить в нее
формулировки законов и основных понятий, новые незнакомые термины и
названия, формулы, уравнения, математические зависимости и их выводы.
Целесообразно систематизировать изучаемый материал, проводить
обобщения разнообразных фактов, сводить их в таблицы. Подобная методика
облегчает запоминание и уменьшает объем конспектируемого материала. До
тех пор пока тот или иной раздел не усвоен, переходить к изучению новых
разделов не следует. Краткий конспект курса будет полезен при повторении
материала в период подготовки к экзамену.
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Рабочая программа предусматривает возможность обучения в рамках
поточно-групповой системы обучения. Для текущего контроля успеваемости
используется устный опрос.
Разработчики:
Каф. ЭС
(место работы)
доцент
(занимаемая должность)
Камышев А.Л.
(инициалы, фамилия)
Каф. ЭС
доцент
Растворова И.И.
(место работы)
(занимаемая должность)
(инициалы, фамилия)