光电子技术—清华大学

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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. 光纤通信,

2、 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电子集成微电子器件 光电子器件电子集成 光子集成光源器件光探测器件全光型器件光 电 子 集 成 器 件相 干 光 源非 相 干 光 源光 电 池

3、 型 器 件光 电 导 型 器 件热 电 型 器 件光 无 源 器 件光 控 制 器 件光 存 储 器 件光 隔 离 器光 频 变 换 器光 双 稳 器 件光 控 制 器光 开 关光 偏 转 器偏 振 器光 栅全 息 元 件滤 波 器分 光 器透 镜棱 镜光 波 导光 纤连 接 器耦 合 器热 释 电 器 件热 敏 电 阻热 电 偶放 电 堆摄 像 管光 电 晶 体 管电 荷 耦 合 器 件光 电 管 光 电 倍 增 管雪 崩 型 光 电 二 极 管本 征 型 光 电 二 极 管光 电 导 器 件非 晶 半 导 体 光 电 池单 晶 PN 结 光 电 池Se 光 电 池照 明 器 件放 电 管

4、荧 光 管显 示 器 件发 光 二 极 管染 料 激 光 器气 体 激 光 器固 体 激 光 器半 导 体 激 光 器等 离 子 体 器 件电 子 束 器 件电 致 发 光 器 件液 晶 器 件光电子器件发展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

5、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/“Photonics “Photonics Nanostructures”Nanostructures”光子晶体进展光子晶体进展( Photonic Crystals)面向新世纪信息科学与技术的新挑战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

6、 a / )介观系统( a 1-100m, X 1)线度不够大：光子 “点”线度不够小：系统 “点” Maxwell 电磁场理论线度足够大：光子 “点”宏观系统( a 1cm, X 1)几何光学线度足够小：原子或分子 “点” 微观系统( a 1nm, X 458 nm近场光斑 h= 0.006510m3. 灵活的色散特性应用：色散补偿/色散管理/光孤子技术等PCF PCF 特性特性 大的正色散 = 1.4 m = 0.66D = 250 ps/nm km 平坦的零色散 = 2.9 m = 0.52D = 0 ps/nm km 大的平坦负色散 = 3.2 m = 047D = -100 ps/n

7、m/km4.场致折变实例：可调光纤光栅（热光效应 电光效应 ？ 声光效应 ？ 磁光效应 ？ 光折变效应 ？应用：动态光控制器件PCF PCF 特性特性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 PCF 特性特性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 PCF 特性特性PCF PCF 应用研究进展应用研究进展pump =1536nm signal =1650nm0rcore = 1.6 mLHF = 75mAeff =2. 85mLB =0.4mmPCF 拉曼放大器G=42.8dB NF6dBXPM+narr

8、owband filtering (data rate of 10 Gbit/s) LHF = 5.8m, rcore = 2.0 m, Aeff =2.93(+/-0.3)m250dB/km, D=+100 ps/nm-km (1550), =31W-1km-1 control =1551nm, prob =1530-1580nmPCF波长转换PCF PCF 应用研究进展应用研究进展LPG:电调 PCF 衰减器PCF PCF 应用研究进展应用研究进展电调 PCF 衰减器PCF PCF 应用研究进展应用研究进展Dynamic range: 30dB, Insertion loss:0.8dB,

9、 PDL:0.5dB, :1sec电调PCF衰减器PCF PCF 应用研究进展应用研究进展电调 PCF 滤波器PCF PCF 应用研究进展应用研究进展PCF PCF 应用研究进展应用研究进展PCF 耦合器SMFHOFPCF 宽带波长/模选择耦合器PCF PCF 应用研究进展应用研究进展二维光子晶体二维光子晶体 ( ( 平光子晶体板平光子晶体板PCF )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 ho

10、le size after lithography and etch for different triangular lattice designs.248nm DUV lithography on SOI SOI photonic crystals for 1550nm ：periods ： 400500nmhole sizes：160 300nm.PCS 制备工艺PBG限制波导PCS 特性特性PCS PCS 特性特性PBG限制波导微腔耦合PC微腔复用/解复用器PCS PCS 应用研究进展应用研究进展PC滤波器PCS PCS 应用研究进展应用研究进展共面PC谐振腔PCS PCS 应用研究进

11、展应用研究进展1563 nm1609 nmLcavity=6m, Q=400微腔耦合波导激光器( CALTECH )( MIT )PCS PCS 应用研究进展应用研究进展光子晶体微腔激光器-HCL:H2O=4:1 wet chemical etch4 1.2% Compressively Strained InGaAsP QWs Slab thichness: 10nm QWs separated by 23nm barriers Lattice constant: = 550nm, Radius of the holes: d=215nmCentral defect cavity: 19 h

12、olesPMMAElectron-beam lithography Cr-Cu layerAr+ ion beam etchSiN2 layerCF4 reactive ion etchInP SubstrateInGaAsP QWs regionECR etch PCS PCS 应用研究进展应用研究进展光子晶体微腔激光器PCS PCS 应用研究进展应用研究进展光子晶体微腔激光器PCS PCS 应用研究进展应用研究进展光子晶体光子晶体（三维）制备工艺制备工艺 半导体光刻工艺 Waves of certain can not enter into or propagate throughthe

13、materials.ModeldWSidd ddayz(a)(b)(c)(d)(e)bFabricationExampleSi / SiO2 gap= 14 % 0,center = 1.5 m制备工艺制备工艺 溶胶凝胶（Sol-gel)法 SiSubstrateSubstrate微球尺度 855nm1.3 SiO2 - Opals ( 模板 ) 制备Th80oC65oC制备工艺制备工艺 溶胶凝胶（Sol-gel)法 Si - inverted opals 制备550oCSubstrateSubstrateSubstrateLPCVD制备工艺制备工艺 (111) surface2层4层16层a

14、. 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制备工艺制备工艺 (100) surfacec. 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 ratiosDoping 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制备工艺 应用研究应用研究 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刘小明教授的光电子技术基础讲义董毅副教授的光通信讲义郑小平副教授的光纤传感技术讲义 感谢：光电子学的未来谢 谢