光电子技术清华大学教学讲义

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1、光电子学的未来,信息技术 - 人类在信息社会生存与发展的重要支柱,网络技术革命,将进一步缩小人们的空间和时间距离 人机交互技术的革命,将进一步缩小人与计算机之间的距离 软件技术的革命,为网络和计算机的应用提供更加灵活和 可靠的技术保证 微电子由IC向IS(系统集成)发展导致软、硬件结合技术的革命 分子电子学、量子电子学、信息光子学的兴起, 在信息技术领域会引起原理性的变革 现代通信、计算机技术的发展引起工业控制系统、 技术、方法与理论的革命性变革,光电子学的未来,传输高通量化 网络普及化 服务综合化 系统智能化,信息高速公路特征,光电子学的未来,信息高速公路的关键技术 (I),1. 网络技术

2、2. 光纤通信, 同步网技术 3. 异步转移模式 ( ATM ) 技术 4. 卫星通信技术 5. 移动通信技术 (包括全球个人移动通信技术 ) 6. 信息通用接入网技术 7. 高性能并行计算机系统和接口技术,信息高速公路的关键技术 (II),8. 大型数据库和图像库技术 9. 高级软件技术和算法 10. 高速LAN 技术 11. 大画面高清晰度电视 ( HDTV ) 技术 12. 多媒体技术 13. 远程医疗诊断支持系统 14. 远程教育系统,光电子学的未来,光电子学的未来,光通信新技术,相干光通信 光孤子通信 量子通信,光电子学的未来,光载波 激光器,调制器,光匹配器,单模光纤,光匹配器,光

3、电 检测器,本振 激光器,中频放 大、滤波,解调,基带放 大、滤波,再生,相干光通信系统框图,光电子学的未来,在光纤的反常色散区,由于色散和非线性效应相互 作用,可产生一种非常引人注目的现象光学孤子。孤 子是一种特别的波,它可以传输很长的距离而不变形, 特别适用于超长距离、超高速的光纤通信系统。,光孤子通信,单光子作为信息载体 单量子态不可克隆定理,量子信道的引入 不确定性原理,光电子学的未来,偏振分束器的作用 光波,/,格兰棱镜,45偏振,光电子学的未来,偏振分束器的作用 光子,格兰棱镜,45偏振,光电子学的未来,偏振分束器的作用 光子,格兰棱镜,45偏振,光电子学的未来,/,“Photon

4、ics Nanostructures”,光子晶体进展,( Photonic Crystals),面向新世纪信息科学与技术的新挑战,光电子学的未来,介观光学物理的新突破,光学系统分区,( 系统线度 a, 特征波长 1 m :判据 X a / ),线度 光波长,量子电动力学,介观光学物理的新突破,Scanning near-field microscopy,Tip:50 nm,SiGe film: dislocation(100 ),Negative refraction in PC ( superprism ),(a) Schematic of the structure (b) without

5、 the PC (c) with the PC.,EFS at the normalizedV= 0.325 for: the background material ( big circle) the photonic crystal ( small circles) Dashed lines outline the Brillouin zones G is the lattice vector.,介观光学物理的新突破,高速、宽带控光功能如何实现 ?!, DWDM 传输:损耗 色散/斜率( 偏振模色散) 光学非线性 DWDM 控制:复用/解复用(MUX/DMUX) 分插/复接(Add/Dro

6、p) 交叉互联 (OXC),1. 光通信网络,信息光电子技术的新突破,问题:增益谱不平坦 信道增益失衡 放大自发辐射(ASE) S/N恶化,损耗限制,信息光电子技术的新突破,色散限制,问题: n 大 传输损耗增大 芯径小 光学非线性增强,问题 : 调谐范围小,信息光电子技术的新突破,光学非线性限制, 折射率调制 自相位调制 (SPM):谱展宽 色散代价 交叉相位调制 (SPM): 谱展宽 色散代价 四波混频 (FWM):相干干扰 串扰 / 功率耗散,信息光电子技术的新突破,光网络动态调控,信息光电子技术的新突破,光纤光栅型OADM,问题:光纤光栅不可调,信息光电子技术的新突破,微电机械(MEM

7、S) OADM,问题:表面物理状态难控制,信息光电子技术的新突破,2. 光子学集成(VLSI),困难: 光子器件尺寸mm-cm级波导弯曲损耗,信息光电子技术的新突破,期待新一代光电功能材料的突破 !!!,光通信发展历史的见证,光子晶体, 概念光子能带 光子晶体特性,光子晶体(PC),光子能带,结构参量: 孔径 d 周期 芯径 , 光子晶体光纤是带缺陷 (纤芯)的二维光子晶体,光子晶体特性, 抑制频率落在带隙内的原子和分子的自发辐射,1.光子带隙( PBG )限制作用, 禁止频率落在带隙内的光传播带阻滤波器,光子晶体特性,2. PBG 限制的“微腔”作用,应用: 实现接近零阈值的激光辐射 实现对

8、量子态(量子比特)的操作, 带隙限制微腔的光子局域 ( Photonic location ),光子晶体特性,应用: 高速度、高选择性、高集成度的动态调控(如滤波 衰减、开关、分插/复用等) 微腔波导激光器,3.PBG限制“微腔”间的耦合作用, “微腔”间通过消逝场直接耦合或跳跃式耦合微腔波导,光子晶体特性, 空心波导(无介质损耗、无色散、无光学非线性 应用: 实现超高速、超长距离光通信,4.线缺陷的PBG限制导波作用, 无全内反射机制(无辐射模),可折弯成90o而无光损耗 应用: 解除了传统光集成回路尺度过大(毫米级)的理论 限制,实现大规模微米级光集成回路的梦想。, 单模波导芯径可粗可细,

9、光学非线性可弱可强 应用: 实现高效率、低能耗的全光型光学非线性功能器件 (四波混频、波长变换、受激拉曼散射、高速光开关),光子晶体特性,5.纳米尺度光学效应,?!,光子晶体的发展进程,光子晶体交叉学科发展的产物,二维光子晶体 (光子晶体光纤PCF ),百花争艳 PCF,GLS glass,掺Yb,PCF 类型,PCF 制备工艺,20 mm,0.03 mm,20 mm,1 mm,1 mm,1 mm,玻璃毛细管聚束熔垃法,PCF 制备工艺,玻璃毛细管聚束熔垃法, =2n2/(Aeff):,n2 , Aeff , =1.6 mm,SF57 Schott glass: n = 1.83(633nm)

10、 ,1.80(1.53m), = 0.7dB/m (633nm) , 0.3dB/m(1.53m) n2=4.11019m2/W (比纯SiO2大20倍),Ts= 519oC (softening temprature), =125 m,PCF 制备工艺,玻片芯组装模压法, = 550W1km1(1550nm)( 比SMF大500倍,比普通PCF大15倍),Single mode transmission at 633nm and 1550nm,PCF 制备工艺,高光学非线性PCF,PCF 制备工艺,溶胶凝胶(Sol-gel法,PCF 制备工艺,带隙宽度可调PCF,单模有机聚合物光子晶体光纤,

11、PCF 制备工艺,Near-field pattern,1. 宽带低损单模传输,Interstitial holes, The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal.,PCF 特性,应用: 大模场面积高功率激光/放大器 小模场面积非线性光学器件,2. 可变的光学非线性, 传导模数与 /0无关,只决定于. d/ Aeff : 1 1000m2 by changing ,PCF 特性,3. 灵活的色散特性,应用:色散补偿/色散管理/光孤子技术等,PCF 特性,4.场致折变,实例:可调光纤光栅(热光效应,P

12、CF 特性,5. 单纤多芯传输 / 耦合,应用:多信道光传输 /光纤传感, 光控光耦合器件,PCF 特性,6. 空气芯光纤,无损耗 ! 无材料色散 !! 无光学非线性 !!,应用:通信/传感,PCF 特性,PCF 应用研究进展,PCF 拉曼放大器,PCF波长转换,PCF 应用研究进展,LPG:,电调 PCF 衰减器,PCF 应用研究进展,电调 PCF 衰减器,PCF 应用研究进展,Dynamic range: 30dB, Insertion loss:0.8dB, PDL:0.5dB, :1sec,电调PCF衰减器,PCF 应用研究进展,电调 PCF 滤波器,PCF 应用研究进展,PCF 应用

13、研究进展,PCF 耦合器,PCF 宽带波长/模选择耦合器,PCF 应用研究进展,二维光子晶体 ( 平光子晶体板PCF ),微电子工艺,PCS 制备工艺,Fig. 1: Photonic crystal waveguide in SOI. Pitch is 460nm, hole-size is 290nm.,Fig. 2: Photonic crystal hole size after lithography and etch for different triangular lattice designs.,248nm DUV lithography on SOI,SOI photonic

14、 crystals for 1550nm :periods : 400500nm hole sizes:160 300nm.,PCS 制备工艺,PBG限制波导,PCS 特性,PCS 特性,PBG限制波导微腔耦合,PC微腔复用/解复用器,PCS 应用研究进展,PC滤波器,PCS 应用研究进展,共面PC谐振腔,PCS 应用研究进展,1563 nm,1609 nm,Lcavity=6m, Q=400,微腔耦合波导激光器,( CALTECH ),( MIT ),PCS 应用研究进展,光子晶体微腔激光器,-HCL:H2O=4:1 wet chemical etch,PCS 应用研究进展,光子晶体微腔激光

15、器,PCS 应用研究进展,光子晶体微腔激光器,PCS 应用研究进展,光子晶体,(三维),制备工艺,半导体光刻工艺,制备工艺,溶胶凝胶(Sol-gel)法,微球尺度 855nm1.3, SiO2 - Opals ( 模板 ) 制备,制备工艺,溶胶凝胶(Sol-gel)法,Si - inverted opals 制备,制备工艺,(111) surface,2层,4层,16层,a. 透射谱: 理论 实验 b. 理论计算的光子能带,空气球大小: (a, b): 1mm, (c, e): 670nm,制备工艺,(100) surface,c. 理论计算的光子能带 b. 反射谱: 841nm, 1070nm,空气球大小: (d, f) : 855mm,(c )(d) Patterned photonic crystals with high aspect ratios,Doping and patterning Si photonic crystals,(b) 在大面晶体中刻进100-m 光子晶体环,(a) 在 Si 光子晶体中引入填隙缺陷,制备工艺,应用研究,量子信息处理,光电子学的未来,光电子技术及应用课程的讲义参考了: 姚敏玉教授的激光原理讲义

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