光子学1、概要课件

1、 光子学基础 光子学基础 电子学或电子技术是研究利用电子或电磁波为信息载体，在回路中传输、控制等以实现信息的获取、传输、处理、存储、显示等功能的一门科学技术。 电子学或电子技术是研究利用电子或电磁波为信息载体，在3光子学的定义光子学：以光子作为信息和能量载体的科学光子学： 研究光子的产生、传输、探测、处理、 以及 与物质相互作用的科学。微米光子学 微米尺度的光子学纳米光子学 纳米尺度的光子学3光子学的定义光子学：以光子作为信息和能量载体的科学 电学（或电子学）和光学（或光子学）在表面看来是两个独立的学科。在深入研究的过程中，人们发现两者有着非常密切的内在联系。 光与电的第一次结合是19世纪初麦

2、克斯韦提出的光的电磁波理论，他明确指出无线电波和光波都是电磁波。光和电4 电学（或电子学）和光学（或光子学）在表面看来是两个独通信波段划分及相应传输媒介10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF 自由空间波长，m频率，Hz电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质光纤5通信波段划分及相应传输媒介10110710210610310 电

3、子学的发展，实质上就是人们不断地开拓电磁波谱并加以应用的历史。近一个世纪以来，从最简单的二极管、三极管，到后来相继发明的束射功率管、闸流管、微波三四极管、行波管、返波管、奥罗管、回旋管等，从而使电磁波波谱由长波、中波、短波、超短波直至微波、毫米波及亚毫米波波段，并正在向更短的波长进军，以其与激光器件向长波长方向迈进相配合，共同占领从亚毫米波与远红外波之间的空白波段（THz波段)。电子技术的发展6 电子学的发展，实质上就是人们不断地开拓电磁波谱并加以从微波波段拓展到光频波段受激辐射的产生与放大的研究过程中，逐步发展出量子电子学这一新兴的交叉学科，标志着电学与光学的相互渗透、相互融合进入到一个新的

4、阶段，并为光子学的建立奠定基础。电子技术的发展7从微波波段拓展到光频波段受激辐射的产生与放大的研究过程中，逐 光与电第二次结合是1905年爱因斯坦将量子论用于解释光电效应，并提出了光子的概念。他明确提出当光作用于物质时，光是以“光子Photon”（光的能量会集成一个个的“能包”）作为最小单位进行的。光电探测器（光转电）和半导体激光器（电转光）分别是光子电子转换器和电子光子转换器，它们是光电相互依存和相互转化的典型例子。 第二次结合8 光与电第二次结合是1905年爱因斯坦将量子论用于 光与电打交道的第三个回合是1960年激光的发明(激光的理论基础是：1917年爱因斯坦在辐射理论中提出受激发射的概

5、念)。激光是光学上的一项重大革命，也是20世纪最主要的重大科学发明之一。激光器(LASER)是电子学中微波量子放大器(MASER)在波长上的延伸。激光器的发明不仅提供了光频波段的相干电磁波振荡源，而且对时至今日的无线电频率下的许多电子学的概念、理论和技术原则上均可延伸到光频波段，如振荡、放大、倍频、混频、参量、调制、信息处理、通信、雷达以至计算机等 。第三个回合9 光与电打交道的第三个回合是1960年激光的发明( 半导体物理的发展促成光电效应的应用，从光电池、光电探测器，发展到发光二极管和半导体激光器，于是形成了以光电元件及其应用为主要内容的狭义的光电子学。而光纤在通信中的成功应用又出现光波技

6、术（Lightwave Technology）和导波光学技术（Waveguide optics）等分支学科。10 半导体物理的发展促成光电效应的应用，从光电池、光电探 光学和电子学两个学科的相互交融，促成了光子学的建立，可以说光子学是发展到现阶段的光学。由于激光的发明，低损耗光纤的研制成功和半导体光电器件的发展，使光学迅速进入近代高新技术舞台，并对近代科学技术和人类社会生活产生巨大的影响。 光子学在形成过程中出现了若干新的学科名称：量子电子学、光电子学、光波技术等。这些学科名称、本质和内涵是相容的，因此，人们拟用覆盖学科范围更为广泛的光子学加以概括，如同电子学是发展到现阶段的电学那样。其对应的

7、产业可名为光子产业或光电子产业。11 光学和电子学两个学科的相互交融，促成了光子学的建立，12 1. 信息光子学： 光通信、光计算、光显示、光存储、光传感等； 2. 能源光子学： LED光照明, 太阳能电池，激光加工技术等； 3. 生物光子学： 用光谱、声光等光电子技术研究生物学与医学； 4. 光电子集成： 光子与电子器件共集成的功能集成芯片技术。 例：光通信收发芯片、波分复用器芯片、光交换器芯片、 光照明LED芯片、太阳能电池芯片、生物芯片等。 光电子集成芯片技术光电子学的核心技术。光电子学主要研究内容12 1. 信息光子学：光电子学主要研究内容13通信：信号的传输光子技术（光纤通信系统）

8、信号的交换电子技术（电子交换器）计算：计算机CPU电子技术（半导体电子芯片） 计算机外设光子技术（光盘、显示、输入输出）传感：传感元件光子技术（光纤传感器和光纤网络） 信号处理电子技术（解调器、电子开关）信息技术现状光电混合光子技术优势：信息传输带宽大，并行性好，存储量大，速度快电子技术优势：信息处理采用晶体管进行信息处理，能力强13通信：信号的传输光子技术（光纤通信系统）信息技术现状14光子学与电子学的发展路线图电磁学电子学微电子学纳米电子学18世纪光学光子学光电子学纳米光子学1906年电子管1948年晶体管1960年集成电路21世纪18世纪1960年激光器 1970年光纤、室温LD、集成光

9、路21世纪激光物理学非线性光学付里叶光学量子光学几何光学波动光学工程光学光谱学光纤光学集成光学光纤通信量子光通信近场光学纳米光子材料纳米光子器件全光信息技术物理学纳米科学14光子学与电子学的发展路线图电磁学电子学微电子学纳米电子学电学 电子学 电子回路 电子集成 电子系统 电子工程电子产业光学 光子学 光子回路 光子集成 光子系统 光子工程 光子产业 电学 电子学 电子回路 电子集成 电子系统 16电子学的 “瓶颈” 开关(弛豫)时间1ns (瓶颈) 最高频率100GHz (瓶颈) 微波 (特别是10GHz以上) 的电 子设备价格昂贵16电子学的 “瓶颈”17光子具有的优异特性 光子具有极高的

10、信息容量和效率：光频为51014Hz ；电频率仅为1010Hz量级。光子在光纤中能够直接传播上百公里以上，因此，前者可承载信息的容量起码比后者高出34个量级，即千倍以上 。 光子具有极快的响应能力 ：电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒(ns，10-9s) ，电子通信中信息速率被限定在Gb/s (109 bit/s )量级 。光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒(ps，10-12s)量级 ，小于10个飞秒(fs,10-15s)量级 ，光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几十、几百个 Gb，甚至几个、几十个Tb( 1012bit / s) 17光子具有的优异特性 光子具有极高的信息容量和效率：光频为18光子具有极

11、强的互连能力与并行能力 ：光子具有极大的存储能力：不同于电子存储，光子除能进行一维、二维存储外，尚能完成三维存储。如果使用可见光(500nm)，光子的存储能力则可达到1012bitcm3量级。 光子具有的优异特性 18光子具有极强的互连能力与并行能力 ：光子具有极大的存储能19光子产业的内容和分类科研军事能源交通工业农业医疗环保文娱光子产业光通信产业光信息产业激光产业光学产业光无源器件光纤与光缆光有源器件光通信测试设备光通信系统设备光学仪器光谱仪器光学零件真空镀膜光学材料光盘与光盘机激光器与发光管显示器打印机与复印机数码相机图像扫描仪图像传感器光电探测器太阳能电池光照明激光雷达测距仪全息照相设

12、备激光加工处理设备激光器系统设备激光医疗设备19光子产业的内容和分类科研军事能源交通工业农业医疗环保文娱20光子学的两个发展阶段（从器件尺度看）微米光子学纳米光子学光子学20光子学的两个发展阶段（从器件尺度看）微米光子学纳米光21微米光子学与纳米光子学比较21微米光子学与纳米光子学比较22 微米光子学：1970年微米尺寸的光纤、室温半导体 激光器和集成光学的发明，促进了光 纤通信技术的发展，诞生微米光子学 光电子学： 微米光子学的主要器件是电子驱动的 光子器件，故称为光电子学 微米光子学 = 光电子学微米光子学（光电子学）22 微米光子学（光电子学）23 1. 信息光子学： 光通信、光计算、光

13、显示、光存储、光传感等； 2. 能源光子学： LED光照明, 太阳能电池，激光加工技术等； 3. 生物光子学： 用光谱、声光等光电子技术研究生物学与医学； 4. 光电子集成： 光子与电子器件共集成的功能集成芯片技术。 例：光通信收发芯片、波分复用器芯片、光交换器芯片、 光照明LED芯片、太阳能电池芯片、生物芯片等。 光电子集成芯片技术光电子学的核心技术。光电子学主要研究内容23 1. 信息光子学：光电子学主要研究内容24 时间：2000年 形成：由于近场光学的进展，突破了光的衍射 极限，促进了纳米尺度下光与物质相互 作用的研究，光子学与纳米科学结合形 成了纳米光子学。 结论：光子学 + 纳米科

14、学 = 纳米光子学纳米光子学24 时间：2000年纳米光子学25 1. 纳米光子材料： 金属-电介质纳米结构、量子点和量子线、 以及纳米颗粒、纳米硅晶、纳米复合材料等。 2. 纳米材料加工： 半导体外延，电子、离子束刻蚀，多光子聚合， 胶体自组装，化学合成，溶胶凝胶，模板压印等。 3. 纳米光子器件： 低功耗、高速度、光控光器件：纳米尺寸器件； 用纳米材料的器件；具有纳米结构的光电子器件。 4. 纳米测量技术： 时间和空间上的超高分辩率测量技术：近场光学显微 镜、近场光学光谱仪、光镊技术、飞秒激光技术。纳米光子学主要研究内容25 1. 纳米光子材料：纳米光子学主要研究内容它要解决的实质问题:

15、获得具有不同功能、不同集成度的集成光路，以实现光学信息处理系统的集成化和微小化。集成光学美国国家点火装置NIF光通信发射机26它要解决的实质问题: 获得具有不同功能、不同集成度的集成光集成光学的任务是将传统的光学元器件和系统微型化，并按照新的物理观点将这些元器件或系统“集成”，以形成具有多种功能的集成光学体系。2727集成光路（OIC或PIC）：通常利用光波导将发光元件、透镜、光调制、光耦合以及光接收等器件连接在一起，集成在衬底上，构成具有一定独立功能的微型光学体系。如果同时与电子器件（如场效应晶体管、电阻、电容等）集成，则构成混合光电子集成体系（opto-electronic integrated circuit, OEIC）。28集成光路（OIC或PIC）：通常利用光波导将发光元件、透镜、光纤、各种集成光学器件已被广泛应用于光通信系统中。非通信领域传感技术方面的应用也有了很大的发展。将成为光计算机中的主要部分：集成光学是光计算机的重要基础。类似于电子计算机中有大量的集成电路一样，集成光路将成为光计算机中的主要部分。集成光学的主要应用29光纤、各种集成光学器件已被广