集成光学第一章课件

集成光学课程介绍课程性质教学目标课程研究内容与学时分配课程特点与学习方法教材和参考书课程性质：《集成光学》是电子科学与技术专业的一门专业课。教学目标：主要是培养学生对平板光波导的分析，学习集成光学器件的基本原理、工作过程以及了解器件材料。课程研究内容第一章绪论第二章平面介质光波导和耦合模理论第三章晶体在外场作用下的光学性质第四章光有源器件第五章集成光无源器件第六章系统集成第七章集成光学器件的材料第八章集成光学器件的主要制作工艺及平面介质光波导参量的测试参考资料（一）主要参考书：HunspergerR.G.IntegratedOptics:theoryandtechnology,Berlin:Springer-Verlag,2002小林功郎著，光集成器件，崔凤林译，科学出版社，2002西原浩等著，集成光路，梁瑞林译，科学出版社，2004佘守宪，导波光学物理基础，北方交通大学出版社，2002参考资料（二）主要期刊：FiberandIntegratedOpticsJour.OpticalSocietyofAmericaAppliedOpticsJour.AppliedPhysicsAppliedPhysicsLettersIEEEJour.QuantumElectronicsIEEEJour.LightwaveTechnology会议论文集：IOOC，ECIO，IPR(integratedphotonicsresearch)，OFC，ECOC第一章集成光学概论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集成电路2.集成光学概念的提出目前，“集成光学”的概念涵盖广泛的内容。1969年美国贝尔实验室的Miller博士（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：概念的提出4.从四个方面理解集成光学的概念：理论基础光学光电子学工艺基础薄膜技术微电子工艺主要目的实现光学系统的薄膜化、微型化和集成化主要应用光纤通信光子计算机光纤传感光学信息处理等5.集成光学的分类按集成的方式划分个数集成功能集成按集成的类型划分光子集成回路（PIC）光电子集成回路（OEIC）按集成的技术途径划分单片集成混合集成按研究内容划分导波光学集成光路个数集成功能集成功能集成功能集成6.集成光学的理论问题媒体波导理论建立在麦克斯韦方程组基础上的媒体波导电磁理论从射线光学角度，建立了锯齿波模型的波导理论7.集成光学主要应用（一）—光纤通信光纤通信光集成器件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快速响应光开关矩阵路由选择的波长变换器6.集成光学主要应用（二）—光子计算机光子系统作为计算机的主体光子作为主要的信息载体光运算作为计算机运算方式的计算机全新的计算机超高的运算速度: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1012~1015次/秒的计算速度超并行性工作的能力具有极高的信息存储能力——比电子计算机高106~109倍。

优点§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)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（μm），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（μm），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（μm），光波导容易­——电气布线，导体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§1.3集成光学的发展和现状1962年：第一个半导体同质结激光二极管，不能在室温下连续工作。1967年：异质结外延生长技术的出现，半导体激光器实用化。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。半导体激光器、半导体光放大器和集成光源不断涌现。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：Yablonovitch和John大约同时提出了光子晶体（photoniccrystal,PC）的概念。

2003年，中美科学家联合开发出制备纳米线的新方法。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。

1.3.2发展新特点III－V族半导体为衬底光通信和光信息处理实验室生产阶段纯波导理论研究集成光学器件和集成光路的设计、制作研究多种材料单一的玻璃或铌酸锂材料1.3.3集成光学国际研究进展－理论、器件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基础理论研究集成器件的结构和性能模拟设计方法传递矩阵法光束传播法时域有限差分法有限元法从基本原理入手，设计具有一定功能的光学器件从功能角度出发，以提高器件性能，减少器件损耗，或者使器件性能具备特色理论研究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器件研究光通信领域集成光学传感器其他集成光学器件高速响应、低啁啾、单稳频集成激光器可调谐激光器多波长DFB激光器阵列窄带响应可调谐集成光子探测器混合集成光隔离器聚合物光波导光束偏转器极具前景的研究方向光学双稳态材料、器件与集成的研究——光子计算机传感器的集成光学器件与性能的研究§1.4研究集成光学的意义三“T”模式：Tb/s信息传输、Tb/s信息处理和Tbit信息存储保障国防安全的核心技术：信息光电子技术光电子技术：成为21世纪的基石和支柱之一集成光学是现代光电子学的一个重要分支1972年由美国光学协会主办召开了集成光学主题会议，这是关于集成光学研究的第一次会议，具有深远的意义；1990年起更名为IntegratedPhotonicsResearch（IPR），每年召开一次第一届集成光学和光纤通信国际会议（IOOC）于1977年在日本东京召开，从此每隔一年召开一次日本把OEC（OptoelectronicsConference，光电子学会议）作为国内的会议，1986年起隔一年召开一次集成光学的国际会议欧洲每年还要召开欧洲集成光学会议ECIO（EuropeanConferenceonIntegratedOptics）集成光学的研究是从1970年开始的，发展也十分迅速。1981年召开第一届全国集成光学学术会议，此后，每隔一年召开一次。集成光学的国内会议从1986年至今，国家自然科学基金委员会给光电子研究给予了大力支持，所资助的项目大约200多项，其中包括有源和无源器件及其集成相关的理论、方法、材料研究、器件与制作工艺研究及集成光学系统研究等。1986年，我国启动的“863”计划中，将光电子器件及其集成技术选为信息领域的三大主题之一。973计划支持的光电子研究项目（一）——1998~2007年973计划支持的光电子研究项目（二）—2010年项目序号项目名称申报单位首席科学家1新型光电子器件中的异质兼容集成与功能微结构体系基础研究北京邮电大学任晓敏2超高频、大功率化合物半导体器件与集成技术基础研究中国科学院微电子研究所刘新宇