Op­ti­cal Wave­gui­de Theo­ry

Modul
Module

Optical Waveguide Theory

Veranstaltungsnummer /
Course ID

L.048.92038 

Koordinator /
Coordinator

Hammer, Manfred

Lehr- und Forschungseinheit /
Teaching Unit

Fachgebiet Theoretische Elektrotechnik
Fachgebiet Theoretische Elektrotechnik

Typ /
Type

2 V / 2 Ü 
2 L / 2 E

Arbeitspensum / 
Workload

Präsenzphasen / Time of attendance:  60h
Selbststudium / Self-study:  120h
Ges. Arbeitspensum / Total workload:  180h

Leistungspunkte / 
Credits

6

Modulseite /
Module Homepage

http://ei.uni-paderborn.de/tet/

Zeitmodus /
Semester

Sommersemester
summer semester

Kurzbeschreibung / Short Description

  • Dielektrische optische Wellenleiter sind Schlüsselelemente heutiger integrierter optischer/photonischer Schaltkreise. Dieser Kurs bietet eine Einführung zur theoretischen Behandlung und eine Grundlage für weitergehende Modellierung, Simulation und Design von Wellenleitern.

  • Dielectric optical waveguides constitute key-elements of present-day integrated optical / photonic circuits. This course provides an introduction to their theoretical background, and, as such, a sound basis for further, more specific, modelling, simulation, and design work, as well as for experimental activities in the field. 

Inhalt / Content

  • Photonik, integrierte Optik, dielektrische Wellenleiter: Beispiele, Motivation. 
  • Kurze Wiederholung der benötigten mathematischen Hilfsmittel. 
  • Maxwellgleichung in verschiedenen Formulierungen, Klassen von Problemen. 
  • Normale Moden in dielektrischen optischen Wellenleitern, Orthogonalität, Vollständigkeit, Streumatrizen, reziproke Schaltkreise. 
  • Beispiele für dielektrische optische Wellenleiter (Mehrschichtsysteme, integriert-opitische Kanäle, Glasfasern), gebogene Wellenleiter, Whispering-Gallery Moden.
  • Coupled mode theory in konventioneller kodirektionaler, und hybrid analytischer/numerischer Variante, Störungstheorie für optische Wellenleiter. 
  • Optional: Behandlung von Randbedingungen, Anfangsbedingungen (Strahlpropagations-Methode), Wellenleiter-Diskontinuitäten (BEP/QUEP Simulationen), Photonische-Kristall-Wellenleiter und -Fasern, plasmonische Wellenleiter. 

  • Photonics / integrated optics, dielectric waveguides: introductory examples, motivation.
  • Brush up on mathematical tools.
  • Maxwell equations, survey of different formulations; classes of simulation tasks.
  • Normal modes of dielectric optical waveguides, orthogonality, completeness, scattering matrices, reciprocal circuits.
  • Examples for dielectric optical waveguides (multilayer slabs, I.o. channels, fibers), bent waveguides, whispering gallery resonances.
  • Coupled mode theory, conventional codirectional, and hybrid analytical / numerical variant, perturbations of optical waveguides. 
  • Optional, brief remarks on: boundary conditions, initial value problems (beam propagation method), waveguide discontinuities (BEP/QUEP simulations), photonic crystal waveguides & fibers, plasmonic waveguides. 

Lernergebnisse und Kompetenzen / Learning outcomes and competences

Fachkompetenz / Domain competence:
Die Studierenden sind nach dem Besuch der Lehrveranstaltung in der Lage,
  • die theoretischen Kernkonzepte der Integrierten Optik / Photonik, soweit in der Vorlesung behandelt, zu verstehen,
  • die Bearbeitung entsprechender Fragestellungen aus diesen Gebieten ohne größere Anfangsschwierigkeiten in Angriff zu nehmen, 
  • theoretische wie auch experimentelle Ergebnisse aus diesen Gebieten einzuordnen und in gewissem Maße kritisch zu hinterfragen. 
After attending the course, the student will be able 

  • to understand the core concepts of integrated optics and photonics as considered in the lecture, 
  • to work on problems in this area, 
  • to evaluate theoretical and experimental results in the area. 

 



Fachübergreifende Kompetenzen / Key qualifications:
Die Studierenden
  • lernen, die erworbenen Kenntnisse und Fertigkeiten disziplinübergreifend einzusetzen (Elemente der Elektrotechnik, Physik und Mathematik werden angesprochen), 
  • erweitern ihre Kooperations- und Teamfähigkeit sowie Präsentationskompetenz bei der Bearbeitung von Übungsaufgaben und der Vorstellung und Diskussion ihrer eigenen Lösungen, 
  • erlernen Strategien zum Wissenserwerb durch Literaturstudium und Internetnutzung, 
  • erwerben weitere fachbezogene Fremdsprachenkompetenz.  
The students
  • learn to transfer the acquired skills also to other disciplines
  • extend their cooperation and team capabilities as well as the presentation skills in the context of solving the exercises 
  • learn strategies to acquire knowledge from literature and internet 
  • acquire a specialised foreign language competence 
  • learn to transfer the acquired skills also to other disciplines

Methodische Umsetzung / Implementation

Die theoretischen Konzepte werden in der Form einer Vorlesung präsentiert; Übungen und Hausaufgaben vertiefen und ergänzen die Theorie.

The theoretical concepts will be presented as a lecture. The methods presented will be practiced in exercises classes and by means of homework assignments.

Inhaltliche Voraussetzungen / Prerequisites

Grundlagen der Elektrodynamik (auf Niveau des Kurses "Elektromagnetische Wellen"), Mathematische Grundlagen (Bachelor Niveau)

Bachelor-level knowledge in electrodynamics and mathematics as taught in the course Fields&Waves

Kombinationshinweise - Überschneidungen / Overlapping modules

Keine / None

Prüfungsmodalitäten / Assessments

Mündliche Prüfung / oral exam

Unterrichtssprache / Teaching Language

Englisch /  English

Lernmaterialien, Literaturangaben / Teaching Material, Literature