集成光学概论教学课件

《集成光学概论教学课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《集成光学概论教学课件（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、汪平河48学时周一3-4节，二教205周四3-4节，二教集成光学与器件集成光学与器件课程安排授课对象：电子科学与技术（光电工程与光通信 ）。课程类别：专业核心课学时数安排：共48学时（课堂讲授42学时，讨论 课6学时）讨论课安排：部分学生分为6组，1个每组给定题 目和1个学时，在该组的1个学时内，由该组学 生介绍自己围绕题目所做的工作，老师和其余 学生提问并讨论教学目的 通过本课程的学习，要求学生： 熟练掌握光波在平板介质波导和矩形介质波导中 的传播特性 了解集成光波导器件的制备材料、基本制备工艺 过程以及参数测试技术 掌握常见光波导器件（如半导体激光器、电光调 制器、声光调制器、磁光调制器、

2、集成光探测器 等）的工作原理 了解集成光波导技术的应用及发展现状。 电光调制器：5学时 声光调制器：2学时 磁光调制器：3学时 半导体激光器的基本原理2学时 异质结结构限制场激光器2学时 分布反馈式激光器2学时 集成光探测器2学时集成光学与器件课程安排导论：1学时 平板（二维）光波导：6学时 矩形（三维）光波导：2学时 渐变折射率平板光波导：1学 时波导间耦合：4学时 周期性波导: 4学时光波导制作技术：2学时 光波导的损耗：2学时 波导输入和输出耦合器 ：2学时成绩构成方式： 考核方式：闭卷 平时考核：30%（作业，出勤，讨论/报告） 期末考核：70% 先修课程： 电磁场与波； 物理光学；

3、半导体物理。集成光学与器件课程安排集成光学理论与技术，叶玉堂、李剑峰、贾东方 ，电子工业出版社，2012年3月第6版。教 材导波光学物理基础，佘守宪，北方交通大学出版 社，2002年8月第1版。辅助教材 集成光学器件导论，陈福深、杨拥军 、孙豹 等，机械工 业出版社，2010年1月第1版 光波导原理与器件，宋贵才、全薇、蔡红星、雷建国 等 ，清华大学出版社，2012年1月第1版 高等光学仿真（MATLAB版）：光波导激光，欧攀，北 京航空航天大学出版社，2011年7月第1版 导波光学，王健，清华大学出版社，2010年6月第1版 Introduction to optical waveguide

4、 analysis: Solving Maxwells equations and the Schrdinger Equation, KENJI KAWANO and TSUTOMU KITOH, Wiley, 2001参考书目集成光学概论1.1 集成光学的概念1.2 集成光学的特点1.3 集成光学的发展和现状1.4 研究集成光学的意义1.1 集成光学的概念1. 集成电路(integrated circuit, IC)1957年，得克萨斯仪器公司的基尔毕(Kirby)发明集成电路2006年，被集成的晶体管个数达到两亿个；2010年，美国英特尔集成了23亿个晶体管（当时的最高水平）。“集成”成为

5、了一种潜力难以估量的科学技术手段。1947年，贝尔研究所的肖克利（Shockley）、巴丁 （Bardeen）、布拉顿（Brattain）发明晶体管 His idea founded a new industry Got Nobel price in physics year 2000The first integrated circuit2.集成光学概念的提出 集成光学的概念是1969年美国贝尔实验室的Miller博士 提出的(Integrated Optics: An Introduction, Bell System Technical Journal, 1969, 48:2059206

6、1) 集成光学发展初期，美国华裔科学家田柄耕假借集 成电路的概念，对集成光学归纳了三条定义：（1） 光束能限制在光波导中传播；（2）利用光波导可以 制成各种光波导器件；（3）将光波导和光波导器件集成起来可构成有特定功能的集成光路 目前，“集成光学”的概念涵盖广泛的内容。 按集成的方式划分：个数集成和功能集成 按集成的类型划分：光子集成回路（PIC）和光电子集成回路（OEIC） 按研究内容划分：导波光学和集成光路 按集成的技术途径划分：单片集成和混合集成3.集成光学的定义(1)集成光学是在光电子学和微电子学基础上，采用集成方法研究和发展光学器件和混合光 学电子学器件系统的一门新的学科。(2)集成

7、光学是研究介质薄膜中的光学现象，以及光学元器件集成化的一门学科。(3)集成光学是研究集成光路特性和制造技术以及与微电子学相结合的学科。 (a)理论基础：光学和光电子学 (b)工艺基础：薄膜技术、微电子工艺 (c)主要目的：实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化 (d)主要应用：光纤通信、光子计算机、光纤传感、光学信息处理等4. 从四个方面理解集成光学的概念集成光学主要应用（一）光纤通信 1.光纤通信 光集成器件是实现高速率大容量光通信网 络的关键硬件和必由之路，包括高速响应 集成激光源、波导光栅阵列密集波分复用 器、窄带响应集成光电探测器、路由选择 的波长变换器、快速响应光开关矩阵、低 损耗多址

8、波导分束器等。集成光学主要应用（二）光子计算机光子计算机： 光子计算机是一种全新的计算机，是以光子作为主要的信息 载体，以光子系统作为计算机的主体，以光运算作为计算机 运算方式的计算机。光子计算机的优点： (a)具有超高的运算速度 串行电子计算机的极限速度是1010次/秒， 而光子计算机的理论计算速度达1023次/秒，在技术上可实现 10121015次/秒的计算速度(b)具有超并行性工作的能力(c)具有极高的信息存储能力比电子计算机高106109倍。 集成光学主要应用（三）光纤传感 光纤传感器具有抗电磁干扰和原子辐射、重量 轻、体积小、绝缘、耐高温、耐腐蚀等众多优异 的性能，能够对应变、压力、

9、温度、振动、声 场、折射率、加速度、电压、气体等各种参数进 行精确测量，能够适应极端恶劣的环境。同时， 由于光纤传输损耗低、频带宽，使得光纤传感器 在组网和传输距离方面，与传统的传感器相比具 有无可比拟的优势。经过40多年的发展，集成光学不再是当初把几个光学器件集成在一起的简单概念，而是一个集光学、激光、微电子学、光电子学、通信、薄膜技术等为一体的独立的交叉学科，是当今光学和光电子学领域的发展前沿之一，是光学发展的必由之路和高级阶段。1.2 集成光学的特点1.2.1 集成光学系统与离散光学器件系统的比较 (1)光波在光波导中传播，光波容易控制和保持其能量。 (2)集成化带来的稳固定位。 (3)

10、器件尺寸和相互作用长度缩短；相关的电子器件的工作电压也较低。 (4)功率密度高。沿波导传输的光被限制在狭小的局部空间，导致较高的功率密度，容易达到必要的器件工作阈值和利用非 线性效应工作。 (5)体积小，重量轻。集成光学器件一般集成在厘米尺度的衬底上，其体积小，重量轻。1.2.2 集成光路与集成电路的比较用集成光路代替集成电路的优点包括带宽增加，波分复用 ，多路开关。耦合损耗小，尺寸小，重量轻，功耗小，成 批制备经济性好，可靠性高等。由于光和物质的多种相互 作用，还可以在集成光路的构成中，利用诸如光电效应、 电光效应、声光效应、磁光效应、热光效应等多种物理效 应，实现新型的器件功能。把激光器、

11、调制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上，并用光波导、隔离器、耦合器和滤波器等无源器件连接起来构成的微型光学系统称为集成光路，以实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化。1光波导具有非常宽的带宽2光子器件中光子运动速度比电子器件中电子高 得多，而且没有导线电容和电感对频率的限制 3在同一光路上可以传输和处理多个或多频率的 信号，即实现“波分多路复用” 4在空间上可以实现一维或二维以致三维立体的 多路阵列传输及存储、处理 5较小的尺寸、重量，较低功耗6成批制造的前景和经济性7改善可靠性8改善光学连接及对准的稳定性和可靠性，避免 由于震动带来的系统不稳定或失败 9降低成本（制造、应用、维护、升级）集成

12、光路的优点光元器件与电子元器件的特性比较特征项光元器件电子元器件(a)基本作用光波导中的光传输及光与 电子/晶格的相互作用衬底表面附近的电子传 输与控制(b)基本元器件光波导，半导体激光器等晶体管、电阻、电容(c)元器件尺寸（厚度 方向）波长（微米）量级，个别 达到纳米量级数十纳米至数微米(d)元器件尺寸（长度 方向）微米至数毫米，个别达到 纳米级数十纳米至数微米(e)与其他部件的连接稍难需要精密的位置 精度（m），光波导容易 电气布线，导 体(f)元器件可靠性有问题，通常需要检测全 部元器件几乎没有问题，通常进 行抽验(g)元器件制造工艺多样，研究开发中基本平面工艺，已成熟1.3 集成光学的

13、发展和现状1962年开发出了第一个半导体同质结激光二极管，但其效率较低，阈值电流较大，不能在室温下连续工作。1967年异质结外延生长技术的出现，拉开了半导体激光器实用化的序幕。1969年，S. E. Miller提出“集成光学”概念1970年实现了激光二极管的室温连续工作。此后，分布反馈式和分布布拉格反射器式激光器、量子阱和应变量子阱激光 器、垂直腔面发射激光器、半导体激光器阵列等半导体激光 器、半导体光放大器和集成光源不断涌现，为集成光学长远 的发展奠定了基础。 1.3.1 发展简史1972年，Somekh和Yariv提出了在同一个半导体衬底上同时集成光器件和电子器件的构想。1987年，Ya

14、blonovitch和John大约同时提出了光子晶体（ photonic crystal, PC）的概念。 2003年，科学家开发出制备纳米线的新方法。纳米线提供了尺度远远小于光波长的导光结构，它与有关纳米尺度的微腔和激 光器的技术配合，可望用于制作各种纳米光集成器件。目前，集成光学主要是研究和开发光通信、光学信息处理、光 子计算机和光传感等所需要的多功能、稳定、可靠的光集成体 系和混合光电集成体系等。1970年研制成功了低损耗光纤，目前光纤的传输损耗已经降 低到了0.2dB/km以下。 1.3.2发展新特点 (1)集成光学已从实验室走向生产阶段，从初期的纯波导理论研究进入集成光学器件和集成光

15、路的设计、制作研究阶段。 (2)已从单一的玻璃或铌酸锂材料发展到今天的多种材料，特别是硅基和聚合物基材料的开发为集成光学进入工程应用打 下了基础。 (3)以IIIV族半导体为衬底的集成光学达到迅猛发展。 (4)目前集成光学已进入实质的工程应用，光通信和光信息处理是集成光学两大类重要应用领域。1.3.3 集成光学国际研究进展主要集中在理论与器件两个方面： 1. 理论研究热点主要集中在以下两个方面： 1）围绕新型集成光学器件的结构设计、功能模拟与特性 参数的计算等是目前集成光学理论研究的一个热点。 理论上对于集成器件的结构和性能模拟通常使用计算机辅 助设计与数值计算的方法，如传递矩阵法（TMM）、

16、光束 传播法（BPM）、时域有限差分法（FDTD）和有限元法 （FEM）等都有效地用于集成光学器件的模拟与计算，并 用于实现集成器件结构的优化。 设计方法有两类：一是从基本原理入手，设计具有一定功能 的光学器件；二是直接从功能角度出发，以提高器件性能， 减少器件损耗，或者使器件性能具备特色等。对于集成光学器件特性参数的分析是理论研究的另一个热点 ，研究其特性参数及其相互关系，分析其中相互作用，有利 于深入剖析物理概念。 2）基础理论研究主要集中在两类：一是基于固体物理学的基本理论和方法 ，研究和探讨制作微观集成光学器件的可能性；二是基于 波动光学的理论和方法，从导波光学的角度来研究集成光 学器件。 2. 集成光学器件的研究进展1）目前大部分集成光学器件的研究仍集中在光通信领域：高 速响应、低啁啾、单稳频集成激光器，可调谐激光器，多波 长DFB激光