光電子技術(shù)華大學(xué).ppt

1、光電子學(xué)的未來,信息技術(shù) - 人類在信息社會(huì)生存與發(fā)展的重要支柱,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)革命，將進(jìn)一步縮小人們的空間和時(shí)間距離 人機(jī)交互技術(shù)的革命，將進(jìn)一步縮小人與計(jì)算機(jī)之間的距離 軟件技術(shù)的革命，為網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用提供更加靈活和 可靠的技術(shù)保證 微電子由IC向IS(系統(tǒng)集成)發(fā)展導(dǎo)致軟、硬件結(jié)合技術(shù)的革命 分子電子學(xué)、量子電子學(xué)、信息光子學(xué)的興起, 在信息技術(shù)領(lǐng)域會(huì)引起原理性的變革 現(xiàn)代通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展引起工業(yè)控制系統(tǒng)、 技術(shù)、方法與理論的革命性變革,光電子學(xué)的未來,傳輸高通量化 網(wǎng)絡(luò)普及化 服務(wù)綜合化 系統(tǒng)智能化,信息高速公路特征,光電子學(xué)的未來,信息高速公路的關(guān)鍵技術(shù) (I),1. 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

2、2. 光纖通信, 同步網(wǎng)技術(shù) 3. 異步轉(zhuǎn)移模式 ( ATM ) 技術(shù) 4. 衛(wèi)星通信技術(shù) 5. 移動(dòng)通信技術(shù) (包括全球個(gè)人移動(dòng)通信技術(shù) ) 6. 信息通用接入網(wǎng)技術(shù) 7. 高性能并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和接口技術(shù),信息高速公路的關(guān)鍵技術(shù) (II),8. 大型數(shù)據(jù)庫(kù)和圖像庫(kù)技術(shù) 9. 高級(jí)軟件技術(shù)和算法 10. 高速LAN 技術(shù) 11. 大畫面高清晰度電視 ( HDTV ) 技術(shù) 12. 多媒體技術(shù) 13. 遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷支持系統(tǒng) 14. 遠(yuǎn)程教育系統(tǒng),光電子學(xué)的未來,光電子學(xué)的未來,光電子集成,微電子器件,光電子器件,電子集成,光子集成,光源器件,光探測(cè)器件,全光型器件,光 電 子 集 成 器 件,相

3、 干 光 源,非 相 干 光 源,光 電 池 型 器 件,光 電 導(dǎo) 型 器 件,熱 電 型 器 件,光 無 源 器 件,光 控 制 器 件,光 存 儲(chǔ) 器 件,光 隔 離 器,光 頻 變 換 器 光 雙 穩(wěn) 器 件,光 控 制 器 光 開 關(guān) 光 偏 轉(zhuǎn) 器,偏 振 器 光 柵 全 息 元 件,濾 波 器 分 光 器 透 鏡 棱 鏡,光 波 導(dǎo) 光 纖 連 接 器 耦 合 器,熱 釋 電 器 件,熱 敏 電 阻 熱 電 偶 放 電 堆,攝 像 管,光 電 晶 體 管 電 荷 耦 合 器 件,光 電 管 光 電 倍 增 管,雪 崩 型 光 電 二 極 管,本 征 型 光 電 二 極 管,光 電

4、 導(dǎo) 器 件,非 晶 半 導(dǎo) 體 光 電 池,單 晶 PN 結(jié) 光 電 池,Se 光 電 池,照 明 器 件 放 電 管 熒 光 管,顯 示 器 件,發(fā) 光 二 極 管,染 料 激 光 器,氣 體 激 光 器,固 體 激 光 器,半 導(dǎo) 體 激 光 器,等 離 子 體 器 件,電 子 束 器 件,電 致 發(fā) 光 器 件,液 晶 器 件,光電子器件發(fā)展,光電子學(xué)的未來,光通信新技術(shù),相干光通信 光孤子通信 量子通信,光電子學(xué)的未來,光載波 激光器,調(diào)制器,光匹配器,單模光纖,光匹配器,光電 檢測(cè)器,本振 激光器,中頻放 大、濾波,解調(diào),基帶放 大、濾波,再生,相干光通信系統(tǒng)框圖,光電子學(xué)的未來,

5、在光纖的反常色散區(qū)，由于色散和非線性效應(yīng)相互 作用，可產(chǎn)生一種非常引人注目的現(xiàn)象光學(xué)孤子。孤 子是一種特別的波，它可以傳輸很長(zhǎng)的距離而不變形， 特別適用于超長(zhǎng)距離、超高速的光纖通信系統(tǒng)。,光孤子通信,單光子作為信息載體 單量子態(tài)不可克隆定理,量子信道的引入 不確定性原理,光電子學(xué)的未來,偏振分束器的作用 光波,/,格蘭棱鏡,45偏振,光電子學(xué)的未來,偏振分束器的作用 光子,格蘭棱鏡,45偏振,光電子學(xué)的未來,偏振分束器的作用 光子,格蘭棱鏡,45偏振,光電子學(xué)的未來,/,“Photonics Nanostructures”,光子晶體進(jìn)展,( Photonic Crystals),面向新世紀(jì)信息

6、科學(xué)與技術(shù)的新挑戰(zhàn),光電子學(xué)的未來,介觀光學(xué)物理的新突破,光學(xué)系統(tǒng)分區(qū),( 系統(tǒng)線度 a, 特征波長(zhǎng) 1 m ：判據(jù) X a / ),線度 光波長(zhǎng),量子電動(dòng)力學(xué),介觀光學(xué)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 the PC (c) with the PC.,EFS at the normalizedV= 0.325

7、for: the background material ( big circle) the photonic crystal ( small circles) Dashed lines outline the Brillouin zones G is the lattice vector.,介觀光學(xué)物理的新突破,高速、寬帶控光功能如何實(shí)現(xiàn) ?!, DWDM 傳輸：損耗 色散/斜率( 偏振模色散) 光學(xué)非線性 DWDM 控制：復(fù)用/解復(fù)用(MUX/DMUX) 分插/復(fù)接(Add/Drop) 交叉互聯(lián) (OXC),1. 光通信網(wǎng)絡(luò),信息光電子技術(shù)的新突破,問題：增益譜不平坦 信道增益失衡 放大自

8、發(fā)輻射(ASE) S/N惡化,損耗限制,信息光電子技術(shù)的新突破,色散限制,問題: n 大 傳輸損耗增大 芯徑小 光學(xué)非線性增強(qiáng),問題 : 調(diào)諧范圍小,信息光電子技術(shù)的新突破,光學(xué)非線性限制, 折射率調(diào)制 自相位調(diào)制 (SPM)：譜展寬 色散代價(jià) 交叉相位調(diào)制 (SPM)： 譜展寬 色散代價(jià) 四波混頻 (FWM)：相干干擾 串?dāng)_ / 功率耗散,信息光電子技術(shù)的新突破,光網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)調(diào)控,信息光電子技術(shù)的新突破,光纖光柵型OADM,問題：光纖光柵不可調(diào),信息光電子技術(shù)的新突破,微電機(jī)械(MEMS) OADM,問題：表面物理狀態(tài)難控制,信息光電子技術(shù)的新突破,2. 光子學(xué)集成(VLSI),困難: 光子器

9、件尺寸mm-cm級(jí)波導(dǎo)彎曲損耗,信息光電子技術(shù)的新突破,期待新一代光電功能材料的突破 !！!,光通信發(fā)展歷史的見證,光子晶體, 概念光子能帶 光子晶體特性,光子晶體（PC）,光子能帶,結(jié)構(gòu)參量: 孔徑 d 周期 芯徑 , 光子晶體光纖是帶缺陷 (纖芯)的二維光子晶體,光子晶體特性, 抑制頻率落在帶隙內(nèi)的原子和分子的自發(fā)輻射,1.光子帶隙( PBG )限制作用, 禁止頻率落在帶隙內(nèi)的光傳播帶阻濾波器,光子晶體特性,2. PBG 限制的“微腔”作用,應(yīng)用： 實(shí)現(xiàn)接近零閾值的激光輻射 實(shí)現(xiàn)對(duì)量子態(tài)（量子比特）的操作, 帶隙限制微腔的光子局域 ( Photonic location ),光子晶體特性,

10、應(yīng)用： 高速度、高選擇性、高集成度的動(dòng)態(tài)調(diào)控（如濾波 衰減、開關(guān)、分插/復(fù)用等） 微腔波導(dǎo)激光器,3.PBG限制“微腔”間的耦合作用, “微腔”間通過消逝場(chǎng)直接耦合或跳躍式耦合微腔波導(dǎo),光子晶體特性, 空心波導(dǎo)(無介質(zhì)損耗、無色散、無光學(xué)非線性 應(yīng)用： 實(shí)現(xiàn)超高速、超長(zhǎng)距離光通信,4.線缺陷的PBG限制導(dǎo)波作用, 無全內(nèi)反射機(jī)制(無輻射模)，可折彎成90o而無光損耗 應(yīng)用： 解除了傳統(tǒng)光集成回路尺度過大（毫米級(jí)）的理論 限制，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模微米級(jí)光集成回路的夢(mèng)想。, 單模波導(dǎo)芯徑可粗可細(xì)，光學(xué)非線性可弱可強(qiáng) 應(yīng)用： 實(shí)現(xiàn)高效率、低能耗的全光型光學(xué)非線性功能器件 （四波混頻、波長(zhǎng)變換、受激拉曼散射、

11、高速光開關(guān)）,光子晶體特性,5.納米尺度光學(xué)效應(yīng),?!,光子晶體的發(fā)展進(jìn)程,光子晶體交叉學(xué)科發(fā)展的產(chǎn)物,二維光子晶體 (光子晶體光纖PCF ),百花爭(zhēng)艷 PCF,GLS glass,摻Y(jié)b,PCF 類型,PCF 制備工藝,20 mm,0.03 mm,20 mm,1 mm,1 mm,1 mm,玻璃毛細(xì)管聚束熔垃法,PCF 制備工藝,玻璃毛細(xì)管聚束熔垃法, =2n2/(Aeff)：,n2 , Aeff , =1.6 mm,SF57 Schott glass: n = 1.83(633nm) ,1.80(1.53m)， = 0.7dB/m (633nm) , 0.3dB/m(1.53m) n2=4.

12、11019m2/W (比純SiO2大20倍)，Ts= 519oC (softening temprature), =125 m,PCF 制備工藝,玻片芯組裝模壓法, = 550W1km1（1550nm）( 比SMF大500倍，比普通PCF大15倍）,Single mode transmission at 633nm and 1550nm,PCF 制備工藝,高光學(xué)非線性PCF,PCF 制備工藝,溶膠凝膠（Sol-gel法,PCF 制備工藝,帶隙寬度可調(diào)PCF,單模有機(jī)聚合物光子晶體光纖,PCF 制備工藝,Near-field pattern,1. 寬帶低損單模傳輸,Interstitial ho

13、les, The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal.,PCF 特性,應(yīng)用: 大模場(chǎng)面積高功率激光/放大器 小模場(chǎng)面積非線性光學(xué)器件,2. 可變的光學(xué)非線性, 傳導(dǎo)模數(shù)與 /0無關(guān)，只決定于. d/ Aeff : 1 1000m2 by changing ,PCF 特性,3. 靈活的色散特性,應(yīng)用：色散補(bǔ)償/色散管理/光孤子技術(shù)等,PCF 特性,4.場(chǎng)致折變,實(shí)例：可調(diào)光纖光柵（熱光效應(yīng),PCF 特性,5. 單纖多芯傳輸 / 耦合,應(yīng)用：多信道光傳輸 /光纖傳感, 光控光耦合器件,PCF 特性,6.

14、 空氣芯光纖,無損耗 ! 無材料色散 !！ 無光學(xué)非線性 !！,應(yīng)用：通信/傳感,PCF 特性,PCF 應(yīng)用研究進(jìn)展,PCF 拉曼放大器,PCF波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換,PCF 應(yīng)用研究進(jìn)展,LPG:,電調(diào) PCF 衰減器,PCF 應(yīng)用研究進(jìn)展,電調(diào) PCF 衰減器,PCF 應(yīng)用研究進(jìn)展,Dynamic range: 30dB, Insertion loss:0.8dB, PDL:0.5dB, :1sec,電調(diào)PCF衰減器,PCF 應(yīng)用研究進(jìn)展,電調(diào) PCF 濾波器,PCF 應(yīng)用研究進(jìn)展,PCF 應(yīng)用研究進(jìn)展,PCF 耦合器,PCF 寬帶波長(zhǎng)/模選擇耦合器,PCF 應(yīng)用研究進(jìn)展,二維光子晶體 ( 平光子晶體板

15、PCF ),微電子工藝,PCS 制備工藝,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 crystals for 1550nm ：periods ： 400500nm hole sizes：160

16、 300nm.,PCS 制備工藝,PBG限制波導(dǎo),PCS 特性,PCS 特性,PBG限制波導(dǎo)微腔耦合,PC微腔復(fù)用/解復(fù)用器,PCS 應(yīng)用研究進(jìn)展,PC濾波器,PCS 應(yīng)用研究進(jìn)展,共面PC諧振腔,PCS 應(yīng)用研究進(jìn)展,1563 nm,1609 nm,Lcavity=6m, Q=400,微腔耦合波導(dǎo)激光器,( CALTECH ),( MIT ),PCS 應(yīng)用研究進(jìn)展,光子晶體微腔激光器,-HCL:H2O=4:1 wet chemical etch,PCS 應(yīng)用研究進(jìn)展,光子晶體微腔激光器,PCS 應(yīng)用研究進(jìn)展,光子晶體微腔激光器,PCS 應(yīng)用研究進(jìn)展,光子晶體,（三維）,制備工藝,半導(dǎo)體光刻工藝,制備工藝,溶膠凝膠（Sol-gel)法,微球尺度 855nm1.3, SiO2 - Opals ( 模板 ) 制備,制備工藝,溶膠凝膠（Sol-gel)法,Si - inverted opals 制備,制備工藝,(111) surface,2層,4層,16層,a. 透射譜： 理論 實(shí)驗(yàn) b. 理論計(jì)算的光子能帶,空氣球大?。?(a, b): 1mm, (c, e): 670nm,制備工藝,(100) surface,c. 理論計(jì)算的光子能帶 b. 反射譜： 841nm, 1070nm,空氣球大?。?(d, f) : 855mm,(c )(d) Patterned pho