Worek nagród w konkursie na prace dyplomowe z optoelektroniki

Do XXXIV Konkursu im. prof. Adama Smolińskiego zgłoszono 32 prace dyplomowe z zakresu optoelektroniki. Wszystkie prezentowały wysoki poziom merytoryczny, a jury stanęło przed trudnym wyborem, ostatecznie przyznając nagrody równorzędne I, II i III stopnia. Studenci PW stanęli na każdym ze stopni podium oraz zdobyli wyróżnienia. 

Nagroda I stopnia

Nagrodę I stopnia zdobył inż. Jakub Kasjanowicz z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych za pracę pt.: „Transmisja optyczna wielotonowa z nieliniowo zorientowanym algorytmem wykorzystania pasma transmisyjnego”. Praca powstała pod kierunkiem dr. hab. inż. Grzegorza Stępniaka, prof. uczelni.

Transmisja optyczna w świetle widzialnym jest dynamicznie rozwijającą się dziedziną telekomunikacji, której jednym z głównych ograniczeń jest nieliniowy charakter pracy nadawczej diody LED (od ang. Light-Emitting Diode). Znane są w literaturze metody korekcji nieliniowości lub jej ograniczania, na przykład za pomocą szeregu Volterry lub sztucznych sieci neuronowych. Jednak rozwiązania te cechują się wysoką złożonością obliczeniową, co jest istotną przeszkodą w ich implementacji w systemach komercyjnych. Celem pracy jest przedstawienie i zbadanie nieliniowo zorientowanych algorytmów adaptacyjnych w połączeniu z wydajnym widmowo formatem modulacji wielotonowej oQAM FBMC (od ang. offset Quadrature Amplitude Modulated Filter Bank Multicarrier). Zaproponowane algorytmy przydziału bitów i mocy ograniczające poziom zniekształceń nieliniowych cechują się istotnie mniejszą złożonością obliczeniową w porównaniu z rozwiązaniami spotykanymi w literaturze. W pracy przedstawiono wyniki implementacji nieliniowo zorientowanych algorytmów w modelu transmisji z przydziałem bitów i przydziałem entropii. Zaproponowane algorytmy adaptacyjne ograniczające zniekształcenia nieliniowe porównano z powszechnie stosowanymi algorytmami liniowymi zarówno w środowisku symulacyjnym, jak i układzie pomiarowym. Dzięki zastosowaniu algorytmów ograniczających nieliniowość, możliwe jest zwiększenie przepływności w układzie pomiarowym o ponad 12% w przypadku przydziału bitów i ponad 10% w przypadku przydziału entropii. Dzięki zastosowaniu zaproponowanych algorytmów adaptacyjnych możliwe jest znaczące zmniejszenie wpływu zniekształceń nieliniowych diody LED w systemach transmisji optycznej oraz zwiększenie przepływności.

Nagroda II stopnia

Nagrodę II stopnia przyznano mgr inż. Gabrieli Szczepanik, absolwentce Wydziału Fizyki, a obecnie naszej doktorantce, za pracę pt.: „Badanie wpływu oświetlenia na pętlę histerezy i efekty pamięciowe w strukturach memrystorowych opartych na półprzewodniku CdIn₂S₄”. Praca powstała pod kierunkiem dr. hab. inż. Pawła Zabierowskiego, prof. uczelni.

Celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu światła na pętle histerezy i efekty pamięciowe w strukturach memrystorowych ZnO/CdIn2S4/Mo. Badane urządzenia opierają swoje działanie na wykorzystaniu rodzimych, metastabilnych defektów występujących w materiale aktywnym CdIn2S4, stanowiąc innowacyjne podejście do realizacji fotomemrystorów. W pracy przedstawiono przegląd aktualnego stanu wiedzy w zakresie fotomemrystorów, ich budowy, potencjalnych zastosowań oraz ograniczeń technologicznych. Opisano także fizykę półprzewodników w zakresie tworzenia się złącz Schottky’ego i izotypowych wykorzystywanych w badanych urządzeniach. Kolejny rozdział poświęcono na opis badanych struktur, materiału aktywnego oraz obecnych w nim defektów, które stanowiły podstawę do działania badanych urządzeń. Autorka opisała metody charakteryzacji badanych urządzeń oraz techniki pomiarów właściwości neuromorficznych, czyli naśladujących pracę biologicznej synapsy. Część eksperymentalna została podzielona na dwa główne etapy. Pierwszy z nich poświęcono na scharakteryzowaniu urządzeń o różnej stechiometrii CdIn2S4 oraz określenie wpływu światła na efekty pamięciowe, zmieniając długość fali i intensywność. Omówiono zbadany wpływ światła, a także poddano analizie zaobserwowane w trakcie badań mechanizmy. W drugim etapie skupiono się na pomiarach właściwości neuromorficznych. Określono zdolność badanych urządzeń do odwzorowywania podstawowych funkcji synaptycznych, a wyniki porównano z literaturowymi danymi dotyczącymi innych technologii realizujących fotomemrystory.

Nagroda III stopnia

Nagrodę III stopnia zdobył mgr inż. Artur Szawerdak, absolwent Wydziału Mechatroniki, obecnie nasz doktorant, za pracę pt.: „Kodowanie fazowe szerokokątnych hologramów 3D generowanych komputerowo”, wykonaną pod kierunkiem dr. inż. Maksymiliana Chlipały oraz prof. dr. hab. inż. Tomasza Kozackiego.

Holograficzne wyświetlacze bliskiego oka (ang. Holographic Near-Eye Displays HNEDs) pozwalają na rekonstrukcję przedmiotów trójwymiarowych z naturalną głębią i w szerokim kącie pola widzenia. Większość rozwiązań wykorzystuje w tym celu wyłącznie fazowe przestrzenne modulatory światła (ang. Spatial Light Modulators - SLMs) do rekonstruowania komputerowo wygenerowanych hologramów (ang. Computer Generated Holgorams - CGHs). Wynika to z faktu, że modulatory fazowe pozwalają na osiągnięcie wysokich wartości wydajności dyfrakcyjnej oraz jakości rekonstrukcji. Jednak do otrzymania trójwymiarowego przedmiotu konieczna jest rekonstrukcja zarówno amplitudy jak i fazy wiązki obiektowej. W związku z tym zespolony CGH musi być zakodowany jako hologram tylko i wyłącznie fazowy (ang. Phase-only Hologram - PoH). W literaturze naukowej znaleźć można różne podejścia do kodowania, brakuje jednak porównań między nimi w szerokokątnym wyświetlaczu doocznym. Celem pracy jest identyfikacja optymalnej metody kodowania fazowego szerokokątnych hologramów 3D generowanych komputerowo. Po dogłębnym przeglądzie literatury, analizie poddane zostały cztery podejścia do kodowania: hologram z podwójną fazą, modulacja amplitudy zespolonej (CAM), bezpośredni hologram fazowy (D-PoH) oraz iteracyjny hologram fazowy (I-PoH). W celu wyznaczenia optymalnej metody do kodowania fazowego przeprowadzono analizę otrzymywanych rekonstrukcji uwzględniając takie parametry jak: pole widzenia (FoV), wydajność dyfrakcyjna, jakość rekonstrukcji (mierzoną za pomocą miar PSNR i SSIM) oraz złożoność obliczeniowa, reprezentowana przez czas przetwarzania. Wykazano, że każda metoda posiada swoje indywidualne zalety, jednak biorąc pod uwagę wszystkie analizowane aspekty jednocześnie, najbardziej efektywnymi podejściami do kodowania fazowego okazały się metody D- PoH oraz I-PoH.

Wyróżnienia

• Mgr inż. Karolinę Niedzielę z Wydziału Mechatroniki wyróżniono za pracę pt.  „Nadrozdzielczość pikselowa w bezsoczewkowej mikroskopii holograficznej z multipleksingiem hologramów” powstałą pod kierunkiem dr. hab. inż. Macieja Trusiaka, prof. uczelni. 

Jedną z głównych zalet LDHM jest eliminacja klasycznych elementów optycznych, co pozwala na miniaturyzację układu i zwiększenie pola widzenia. Jest to jednak okupione ograniczoną rozdzielczością, z uwagi na brak powiększenia optycznego, gdzie kluczowym czynnikiem limitującym jest skończony wymiar piksela matrycy, prowadzący do niedostatecznego próbkowania hologramu i utraty informacji o drobnych detalach próbki. W pracy autorka podjęła próbę przełamania tego fundamentalnego ograniczenia poprzez zastosowanie technik realizujących nadrozdzielczość pikselową (ang. Pixel Super Resolution, PSR). W szczególności zaimplementowano i porównano dwa podejścia: wieloodległościowe, oparte na rejestracji hologramów przy różnych odległościach próbki od sensora, oraz wielofalowe, wykorzystujące oświetlenie o różnych długościach fali. Metody te, poprzez numeryczne przetwarzanie serii tak uzyskanych, niskorozdzielczych hologramów, umożliwiają numeryczne odtworzenie informacji o wysokich częstościach przestrzennych. W praktyce, proces ten odpowiada kilkukrotnemu, numerycznemu zmniejszeniu efektywnego wymiaru piksela detektora. Wyniki eksperymentów wykazały, że implementacja technik PSR pozwala na istotne zwiększenie rozdzielczości poprzecznej – w niektórych przypadkach niemal dwukrotne – oraz poprawę jakości rekonstrukcji fazy. Przeprowadzone analizy potwierdzają zasadność stosowania PSR w LDHM oraz wskazują na potencjał tej technologii w zaawansowanych zastosowaniach obrazowania biomedycznego.

• Mgr inż. Aleksandra Piekarska z Wydziału Mechatroniki została wyróżniona za pracę pt. „Multimodalny system do pomiaru rozkładu oraz gradientu współczynnika załamania z wykorzystaniem optycznej tomografii dyfrakcyjnej oraz koherencyjnej”, powstałą pod kierunkiem dr. inż. Arkadiusza Kusia. 

Praca dotyczy badania możliwości połączenia technik optycznej tomografii koherencyjnej (OCT) i optycznej tomografii dyfrakcyjnej (ODT) w jeden system multimodalny. Głównym celem było opracowanie zintegrowanego układu pomiarowego, łączącego zalety obu metod obrazowania i umożliwiającego pogodzenie ich odmiennych wymagań technicznych. Metoda OCT dostarcza informację jakościową o gradiencie współczynnika załamania światła, a ODT pozwala na wyznaczenie jego ilościowego, trójwymiarowego rozkładu. Ponadto, są one komplementarne pod względem rozdzielczości i stosowalności. W ramach prac, do istniejącego systemu NIR-ODT dobudowano tor optyczny OCT, dostosowując obie metody do pracy w trybie multimodalnym. Wprowadzono liczne modyfikacje, tak aby możliwe było badanie próbek o różnym stopniu rozpraszania. Przeprowadzono szereg testów jakości obrazowania, w których wyznaczono rozdzielczości każdej z technik osobno i porównano je z wartościami teoretycznymi. W pracy zaproponowano również metodę wyznaczania macierzy transformacji, między lokalnymi układami współrzędnych ODT i OCT.

• Wyróżniona praca mgr. inż. Michała Nagowskiego z Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych pt. „Opracowanie modułu zasilającego do kwantowych laserów kaskadowych o pracy impulsowej” powstała pod kierunkiem dr. hab. inż. Krzysztofa Czuby, prof. uczelni oraz mgr. inż. Andžeja Šerlata. 

Wraz z nowymi możliwościami, jakie oferują kwantowe lasery kaskadowe, w ostatnich czasach obserwujemy znaczące zwiększenie zainteresowania przemysłu tymi źródłami światła na pasmo średniej i dalekiej podczerwieni. Ze względu na trudność wysterowania takiego lasera oprócz samego przyrządu pojawiła się potrzeba dostarczenia laborantom i partnerom biznesowym dedykowanego zasilacza. W ramach pracy dyplomowej został zbudowany moduł zasilający do kwantowych laserów kaskadowych. Moduł ten dedykowany jest do generacji prostokątnych impulsów zasilających o czasie trwania 200 ns. Amplituda impulsu jest regulowana a wartość maksymalna prądu przekracza 2 A przy napięciu przewodzenia 25 V. Komunikacja z komputerem pomiarowym odbywa się poprzez port USB. Przez wyprowadzone porty interfejsów UART, I2C, SPI jest on podatny na modyfikacje, przez co niedużym kosztem czasowym i finansowym umożliwia znaczące rozbudowanie jego funkcjonalności bądź integracji w innym gotowym projekcie. W pracy opisany został projekt układu oraz powody zastosowania danych rozwiązań. Poruszone zostały także doświadczenia związane z pierwszym uruchomieniem oraz ewentualne poprawki, które należałoby w kolejnej wersji wprowadzić aby ulepszyć wspomniane rozwiązanie. Wspomniane w pracy zostały także informacje o schemacie zastępczym kwantowego lasera kaskadowego oraz o potencjalnych wyzwaniach, z którymi może spotkać się inżynier projektujący tego typu źródła zasilające do laserów.

Pełna lista nagrodzonych dostępna jest na stronie Organizatora.