集成光學(xué)第一章課件

集成光學(xué)課程介紹課程性質(zhì)教學(xué)目標(biāo)課程研究?jī)?nèi)容與學(xué)時(shí)分配課程特點(diǎn)與學(xué)習(xí)方法教材和參考書課程性質(zhì)：《集成光學(xué)》是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)課。教學(xué)目標(biāo)：主要是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)平板光波導(dǎo)的分析，學(xué)習(xí)集成光學(xué)器件的基本原理、工作過(guò)程以及了解器件材料。課程研究?jī)?nèi)容第一章緒論第二章平面介質(zhì)光波導(dǎo)和耦合模理論第三章晶體在外場(chǎng)作用下的光學(xué)性質(zhì)第四章光有源器件第五章集成光無(wú)源器件第六章系統(tǒng)集成第七章集成光學(xué)器件的材料第八章集成光學(xué)器件的主要制作工藝及平面介質(zhì)光波導(dǎo)參量的測(cè)試參考資料（一）主要參考書：HunspergerR.G.IntegratedOptics:theoryandtechnology,Berlin:Springer-Verlag,2002小林功郎著，光集成器件，崔鳳林譯，科學(xué)出版社，2002西原浩等著，集成光路，梁瑞林譯，科學(xué)出版社，2004佘守憲，導(dǎo)波光學(xué)物理基礎(chǔ)，北方交通大學(xué)出版社，2002參考資料（二）主要期刊：FiberandIntegratedOpticsJour.OpticalSocietyofAmericaAppliedOpticsJour.AppliedPhysicsAppliedPhysicsLettersIEEEJour.QuantumElectronicsIEEEJour.LightwaveTechnology會(huì)議論文集：IOOC，ECIO，IPR(integratedphotonicsresearch)，OFC，ECOC第一章集成光學(xué)概論1.1集成光學(xué)的概念1.2集成光學(xué)的特點(diǎn)1.3集成光學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)狀1.4研究集成光學(xué)的意義集成電路2.集成光學(xué)概念的提出目前，“集成光學(xué)”的概念涵蓋廣泛的內(nèi)容。1969年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Miller博士（1）光束能限制在光波導(dǎo)中傳播；（2）利用光波導(dǎo)可以制成各種光波導(dǎo)器件；（3）將光波導(dǎo)和光波導(dǎo)器件集成起來(lái)可構(gòu)成有特定功能的集成光路美國(guó)華裔科學(xué)家田柄耕假借集成電路的概念，對(duì)集成光學(xué)歸納了三條定義：概念的提出4.從四個(gè)方面理解集成光學(xué)的概念：理論基礎(chǔ)光學(xué)光電子學(xué)工藝基礎(chǔ)薄膜技術(shù)微電子工藝主要目的實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的薄膜化、微型化和集成化主要應(yīng)用光纖通信光子計(jì)算機(jī)光纖傳感光學(xué)信息處理等5.集成光學(xué)的分類按集成的方式劃分個(gè)數(shù)集成功能集成按集成的類型劃分光子集成回路（PIC）光電子集成回路（OEIC）按集成的技術(shù)途徑劃分單片集成混合集成按研究?jī)?nèi)容劃分導(dǎo)波光學(xué)集成光路個(gè)數(shù)集成功能集成功能集成功能集成6.集成光學(xué)的理論問題媒體波導(dǎo)理論建立在麥克斯韋方程組基礎(chǔ)上的媒體波導(dǎo)電磁理論從射線光學(xué)角度，建立了鋸齒波模型的波導(dǎo)理論7.集成光學(xué)主要應(yīng)用（一）—光纖通信光纖通信光集成器件集成激光源波導(dǎo)光柵陣列密集波分復(fù)用器窄帶響應(yīng)集成光電探測(cè)器快速響應(yīng)光開關(guān)矩陣路由選擇的波長(zhǎng)變換器6.集成光學(xué)主要應(yīng)用（二）—光子計(jì)算機(jī)光子系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)的主體光子作為主要的信息載體光運(yùn)算作為計(jì)算機(jī)運(yùn)算方式的計(jì)算機(jī)全新的計(jì)算機(jī)超高的運(yùn)算速度:串行電子計(jì)算機(jī)的極限速度是1010次/秒，而光子計(jì)算機(jī)的理論計(jì)算速度達(dá)1023次/秒，在技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)1012~1015次/秒的計(jì)算速度超并行性工作的能力具有極高的信息存儲(chǔ)能力——比電子計(jì)算機(jī)高106~109倍。

優(yōu)點(diǎn)§1.2集成光學(xué)的特點(diǎn)1.2.1集成光學(xué)系統(tǒng)與離散光學(xué)器件系統(tǒng)的比較(1)光波在光波導(dǎo)中傳播，光波容易控制和保持其能量。(2)集成化帶來(lái)的穩(wěn)固定位。

(3)器件尺寸和相互作用長(zhǎng)度縮短；相關(guān)的電子器件的工作電壓也較低。(4)功率密度高。沿波導(dǎo)傳輸?shù)墓獗幌拗圃讵M小的局部空間，導(dǎo)致較高的功率密度，容易達(dá)到必要的器件工作閾值和利用非線性效應(yīng)工作。

(5)體積小，重量輕。集成光學(xué)器件一般集成在厘米尺度的襯底上，其體積小，重量輕。1光波導(dǎo)具有非常寬的帶寬2光子器件中光子運(yùn)動(dòng)速度比電子器件中電子高得多，而且沒有導(dǎo)線電容和電感對(duì)頻率的限制3在同一光路上可以傳輸和處理多個(gè)或多頻率的信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)“波分多路復(fù)用”4在空間上可以實(shí)現(xiàn)一維或二維以致三維立體的多路陣列傳輸及存儲(chǔ)、處理5較小的尺寸、重量，較低功耗6成批制造的前景和經(jīng)濟(jì)性7改善可靠性8改善光學(xué)連接及對(duì)準(zhǔn)的穩(wěn)定性和可靠性，避免由于震動(dòng)帶來(lái)的系統(tǒng)不穩(wěn)定或失敗9降低成本（制造、應(yīng)用、維護(hù)、升級(jí)）集成光路的優(yōu)點(diǎn)光元器件與電子元器件的特性比較特征項(xiàng)光元器件電子元器件(a)基本作用光波導(dǎo)中的光傳輸及光與電子/晶格的相互作用襯底表面附近的電子傳輸與控制(b)基本元器件光波導(dǎo)，半導(dǎo)體激光器等晶體管、電阻、電容(c)元器件尺寸（厚度方向）波長(zhǎng)（微米）量級(jí)，個(gè)別達(dá)到納米量級(jí)數(shù)十納米至數(shù)微米(d)元器件尺寸（長(zhǎng)度方向）微米至數(shù)毫米，個(gè)別達(dá)到納米級(jí)數(shù)十納米至數(shù)微米(e)與其他部件的連接稍難——需要精密的位置精度（μm），光波導(dǎo)容易-——電氣布線，導(dǎo)體(f)元器件可靠性有問題，通常需要檢測(cè)全部元器件幾乎沒有問題，通常進(jìn)行抽驗(yàn)(g)元器件制造工藝多樣，研究開發(fā)中基本平面工藝，已成熟特征項(xiàng)光元器件電子元器件(a)基本作用光波導(dǎo)中的光傳輸及光與電子/晶格的相互作用襯底表面附近的電子傳輸與控制(b)基本元器件光波導(dǎo)，半導(dǎo)體激光器等晶體管、電阻、電容(c)元器件尺寸（厚度方向）波長(zhǎng)（微米）量級(jí)，個(gè)別達(dá)到納米量級(jí)數(shù)十納米至數(shù)微米(d)元器件尺寸（長(zhǎng)度方向）微米至數(shù)毫米，個(gè)別達(dá)到納米級(jí)數(shù)十納米至數(shù)微米(e)與其他部件的連接稍難——需要精密的位置精度（μm），光波導(dǎo)容易-——電氣布線，導(dǎo)體(f)元器件可靠性有問題，通常需要檢測(cè)全部元器件幾乎沒有問題，通常進(jìn)行抽驗(yàn)特征項(xiàng)光元器件電子元器件(a)基本作用光波導(dǎo)中的光傳輸及光與電子/晶格的相互作用襯底表面附近的電子傳輸與控制(b)基本元器件光波導(dǎo)，半導(dǎo)體激光器等晶體管、電阻、電容(c)元器件尺寸（厚度方向）波長(zhǎng)（微米）量級(jí)，個(gè)別達(dá)到納米量級(jí)數(shù)十納米至數(shù)微米(d)元器件尺寸（長(zhǎng)度方向）微米至數(shù)毫米，個(gè)別達(dá)到納米級(jí)數(shù)十納米至數(shù)微米(e)與其他部件的連接稍難——需要精密的位置精度（μm），光波導(dǎo)容易-——電氣布線，導(dǎo)體特征項(xiàng)光元器件電子元器件(a)基本作用光波導(dǎo)中的光傳輸及光與電子/晶格的相互作用襯底表面附近的電子傳輸與控制(b)基本元器件光波導(dǎo)，半導(dǎo)體激光器等晶體管、電阻、電容(c)元器件尺寸（厚度方向）波長(zhǎng)（微米）量級(jí)，個(gè)別達(dá)到納米量級(jí)數(shù)十納米至數(shù)微米(d)元器件尺寸（長(zhǎng)度方向）微米至數(shù)毫米，個(gè)別達(dá)到納米級(jí)數(shù)十納米至數(shù)微米特征項(xiàng)光元器件電子元器件(a)基本作用光波導(dǎo)中的光傳輸及光與電子/晶格的相互作用襯底表面附近的電子傳輸與控制(b)基本元器件光波導(dǎo)，半導(dǎo)體激光器等晶體管、電阻、電容(c)元器件尺寸（厚度方向）波長(zhǎng)（微米）量級(jí)，個(gè)別達(dá)到納米量級(jí)數(shù)十納米至數(shù)微米特征項(xiàng)光元器件電子元器件(a)基本作用光波導(dǎo)中的光傳輸及光與電子/晶格的相互作用襯底表面附近的電子傳輸與控制(b)基本元器件光波導(dǎo)，半導(dǎo)體激光器等晶體管、電阻、電容特征項(xiàng)光元器件電子元器件(a)基本作用光波導(dǎo)中的光傳輸及光與電子/晶格的相互作用襯底表面附近的電子傳輸與控制§1.3集成光學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)狀1962年：第一個(gè)半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié)激光二極管，不能在室溫下連續(xù)工作。1967年：異質(zhì)結(jié)外延生長(zhǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，半導(dǎo)體激光器實(shí)用化。1969年：S.E.Miller提出“集成光學(xué)”概念1970年實(shí)現(xiàn)了激光二極管的室溫連續(xù)工作。半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體光放大器和集成光源不斷涌現(xiàn)。1.3.1發(fā)展簡(jiǎn)史1972年：Somekh和Yariv提出了在同一個(gè)半導(dǎo)體襯底上同時(shí)集成光器件和電子器件的構(gòu)想。1987年：Yablonovitch和John大約同時(shí)提出了光子晶體（photoniccrystal,PC）的概念。

2003年，中美科學(xué)家聯(lián)合開發(fā)出制備納米線的新方法。目前，集成光學(xué)主要是研究和開發(fā)光通信、光學(xué)信息處理、光子計(jì)算機(jī)和光傳感等所需要的多功能、穩(wěn)定、可靠的光集成體系和混合光電集成體系等。1970年：研制成功了低損耗光纖。

1.3.2發(fā)展新特點(diǎn)III－V族半導(dǎo)體為襯底光通信和光信息處理實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)階段純波導(dǎo)理論研究集成光學(xué)器件和集成光路的設(shè)計(jì)、制作研究多種材料單一的玻璃或鈮酸鋰材料1.3.3集成光學(xué)國(guó)際研究進(jìn)展－理論、器件圍繞新型集成光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能模擬與特性參數(shù)的計(jì)算基礎(chǔ)理論研究集成器件的結(jié)構(gòu)和性能模擬設(shè)計(jì)方法傳遞矩陣法光束傳播法時(shí)域有限差分法有限元法從基本原理入手，設(shè)計(jì)具有一定功能的光學(xué)器件從功能角度出發(fā)，以提高器件性能，減少器件損耗，或者使器件性能具備特色理論研究基于固體物理學(xué)的基本理論和方法，研究和探討制作微觀集成光學(xué)器件的可能性基于波動(dòng)光學(xué)的理論和方法，從導(dǎo)波光學(xué)的角度來(lái)研究集成光學(xué)器件器件研究光通信領(lǐng)域集成光學(xué)傳感器其他集成光學(xué)器件高速響應(yīng)、低啁啾、單穩(wěn)頻集成激光器可調(diào)諧激光器多波長(zhǎng)DFB激光器陣列窄帶響應(yīng)可調(diào)諧集成光子探測(cè)器混合集成光隔離器聚合物光波導(dǎo)光束偏轉(zhuǎn)器極具前景的研究方向光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)材料、器件與集成的研究——光子計(jì)算機(jī)傳感器的集成光學(xué)器件與性能的研究§1.4研究集成光學(xué)的意義三“T”模式：Tb/s信息傳輸、Tb/s信息處理和Tbit信息存儲(chǔ)保障國(guó)防安全的核心技術(shù)：信息光電子技術(shù)光電子技術(shù)：成為21世紀(jì)的基石和支柱之一集成光學(xué)是現(xiàn)代光電子學(xué)的一個(gè)重要分支1972年由美國(guó)光學(xué)協(xié)會(huì)主辦召開了集成光學(xué)主題會(huì)議，這是關(guān)于集成光學(xué)研究的第一次會(huì)議，具有深遠(yuǎn)的意義；1990年起更名為IntegratedPhotonicsResearch（IPR），每年召開一次第一屆集成光學(xué)和光纖通信國(guó)際會(huì)議（IOOC）于1977年在日本東京召開，從此每隔一年召開一次日本把OEC（OptoelectronicsConference，光電子學(xué)會(huì)議）作為國(guó)內(nèi)的會(huì)議，1986年起隔一年召開一次集成光學(xué)的國(guó)際會(huì)議歐洲每年還要召開歐洲集成光學(xué)會(huì)議ECIO（EuropeanConferenceonIntegratedOptics）集成光學(xué)的研究是從1970年開始的，發(fā)展也十分迅速。1981年召開第一屆全國(guó)集成光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議，此后，每隔一年召開一次。集成光學(xué)的國(guó)內(nèi)會(huì)議從1986年至今，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)給光電子研究給予了大力支持，所資助的項(xiàng)目大約200多項(xiàng)，其中包括有源和無(wú)源器件及其集成相關(guān)的理論、方法、材料研究、器件與制作工藝研究及集成光學(xué)系統(tǒng)研究等。1986年，我國(guó)啟動(dòng)的“863”計(jì)劃中，將光電子器件及其集成技術(shù)選為信息領(lǐng)域的三大主題之一。973計(jì)劃支持的光電子研究項(xiàng)目（一）——1998~2007年973計(jì)劃支持的光電子研究項(xiàng)目（二）—2010年項(xiàng)目序號(hào)項(xiàng)目名稱申報(bào)單位首席科學(xué)家1新型光電子器件中的異質(zhì)兼容集成與功能微結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)研究北京郵電大學(xué)任曉敏2超高頻、大功率化合物半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)基礎(chǔ)研究中國(guó)科學(xué)院微電子研究所劉新宇