光电子教学课件

1、光电子学的未来,信息技术 - 人类在信息社会生存与发展的重要支柱,网络技术革命，将进一步缩小人们的空间和时间距离 人机交互技术的革命，将进一步缩小人与计算机之间的距离 软件技术的革命，为网络和计算机的应用提供更加灵活和 可靠的技术保证 微电子由IC向IS(系统集成)发展导致软、硬件结合技术的革命 分子电子学、量子电子学、信息光子学的兴起, 在信息技术领域会引起原理性的变革 现代通信、计算机技术的发展引起工业控制系统、 技术、方法与理论的革命性变革,光电子学的未来,传输高通量化 网络普及化 服务综合化 系统智能化,信息高速公路特征,光电子学的未来,信息高速公路的关键技术 (I),1. 网络技术

2、2. 光纤通信, 同步网技术 3. 异步转移模式 ( ATM ) 技术 4. 卫星通信技术 5. 移动通信技术 (包括全球个人移动通信技术 ) 6. 信息通用接入网技术 7. 高性能并行计算机系统和接口技术,信息高速公路的关键技术 (II),8. 大型数据库和图像库技术 9. 高级软件技术和算法 10. 高速LAN 技术 11. 大画面高清晰度电视 ( HDTV ) 技术 12. 多媒体技术 13. 远程医疗诊断支持系统 14. 远程教育系统,光电子学的未来,光电子学的未来,光电子集成,微电子器件,光电子器件,电子集成,光子集成,光源器件,光探测器件,全光型器件,光 电 子 集 成 器 件,相

3、 干 光 源,非 相 干 光 源,光 电 池 型 器 件,光 电 导 型 器 件,热 电 型 器 件,光 无 源 器 件,光 控 制 器 件,光 存 储 器 件,光 隔 离 器,光 频 变 换 器 光 双 稳 器 件,光 控 制 器 光 开 关 光 偏 转 器,偏 振 器 光 栅 全 息 元 件,滤 波 器 分 光 器 透 镜 棱 镜,光 波 导 光 纤 连 接 器 耦 合 器,热 释 电 器 件,热 敏 电 阻 热 电 偶 放 电 堆,摄 像 管,光 电 晶 体 管 电 荷 耦 合 器 件,光 电 管 光 电 倍 增 管,雪 崩 型 光 电 二 极 管,本 征 型 光 电 二 极 管,光 电

4、 导 器 件,非 晶 半 导 体 光 电 池,单 晶 PN 结 光 电 池,Se 光 电 池,照 明 器 件 放 电 管 荧 光 管,显 示 器 件,发 光 二 极 管,染 料 激 光 器,气 体 激 光 器,固 体 激 光 器,半 导 体 激 光 器,等 离 子 体 器 件,电 子 束 器 件,电 致 发 光 器 件,液 晶 器 件,光电子器件发展,光电子学的未来,光通信新技术,相干光通信 光孤子通信 量子通信,光电子学的未来,光载波 激光器,调制器,光匹配器,单模光纤,光匹配器,光电 检测器,本振 激光器,中频放 大、滤波,解调,基带放 大、滤波,再生,相干光通信系统框图,光电子学的未来,

5、在光纤的反常色散区，由于色散和非线性效应相互 作用，可产生一种非常引人注目的现象光学孤子。孤 子是一种特别的波，它可以传输很长的距离而不变形， 特别适用于超长距离、超高速的光纤通信系统。,光孤子通信,单光子作为信息载体 单量子态不可克隆定理,量子信道的引入 不确定性原理,光电子学的未来,偏振分束器的作用 光波,/,格兰棱镜,45偏振,光电子学的未来,偏振分束器的作用 光子,格兰棱镜,45偏振,光电子学的未来,偏振分束器的作用 光子,格兰棱镜,45偏振,光电子学的未来,/,“Photonics Nanostructures”,光子晶体进展,( Photonic Crystals),面向新世纪信息

6、科学与技术的新挑战,光电子学的未来,介观光学物理的新突破,光学系统分区,( 系统线度 a, 特征波长 1 m ：判据 X a / ),线度 光波长,量子电动力学,介观光学物理的新突破,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.,介观光学物理的新突破,高速、宽带控光功能如何实现 ?!, DWDM 传输：损耗 色散/斜率( 偏振模色散) 光学非线性 DWDM 控制：复用/解复用(MUX/DMUX) 分插/复接(Add/Drop) 交叉互联 (OXC),1. 光通信网络,信息光电子技术的新突破,问题：增益谱不平坦 信道增益失衡 放大自

8、发辐射(ASE) S/N恶化,损耗限制,信息光电子技术的新突破,色散限制,问题: n 大 传输损耗增大 芯径小 光学非线性增强,问题 : 调谐范围小,信息光电子技术的新突破,光学非线性限制, 折射率调制 自相位调制 (SPM)：谱展宽 色散代价 交叉相位调制 (SPM)： 谱展宽 色散代价 四波混频 (FWM)：相干干扰 串扰 / 功率耗散,信息光电子技术的新突破,光网络动态调控,信息光电子技术的新突破,光纤光栅型OADM,问题：光纤光栅不可调,信息光电子技术的新突破,微电机械(MEMS) OADM,问题：表面物理状态难控制,信息光电子技术的新突破,2. 光子学集成(VLSI),困难: 光子器

9、件尺寸mm-cm级波导弯曲损耗,信息光电子技术的新突破,期待新一代光电功能材料的突破 !！!,光通信发展历史的见证,光子晶体, 概念光子能带 光子晶体特性,光子晶体（PC）,光子能带,结构参量: 孔径 d 周期 芯径 , 光子晶体光纤是带缺陷 (纤芯)的二维光子晶体,光子晶体特性, 抑制频率落在带隙内的原子和分子的自发辐射,1.光子带隙( PBG )限制作用, 禁止频率落在带隙内的光传播带阻滤波器,光子晶体特性,2. PBG 限制的“微腔”作用,应用： 实现接近零阈值的激光辐射 实现对量子态（量子比特）的操作, 带隙限制微腔的光子局域 ( Photonic location ),光子晶体特性,

10、应用： 高速度、高选择性、高集成度的动态调控（如滤波 衰减、开关、分插/复用等） 微腔波导激光器,3.PBG限制“微腔”间的耦合作用, “微腔”间通过消逝场直接耦合或跳跃式耦合微腔波导,光子晶体特性, 空心波导(无介质损耗、无色散、无光学非线性 应用： 实现超高速、超长距离光通信,4.线缺陷的PBG限制导波作用, 无全内反射机制(无辐射模)，可折弯成90o而无光损耗 应用： 解除了传统光集成回路尺度过大（毫米级）的理论 限制，实现大规模微米级光集成回路的梦想。, 单模波导芯径可粗可细，光学非线性可弱可强 应用： 实现高效率、低能耗的全光型光学非线性功能器件 （四波混频、波长变换、受激拉曼散射、

11、高速光开关）,光子晶体特性,5.纳米尺度光学效应,?!,光子晶体的发展进程,光子晶体交叉学科发展的产物,二维光子晶体 (光子晶体光纤PCF ),百花争艳 PCF,GLS glass,掺Yb,PCF 类型,PCF 制备工艺,20 mm,0.03 mm,20 mm,1 mm,1 mm,1 mm,玻璃毛细管聚束熔垃法,PCF 制备工艺,玻璃毛细管聚束熔垃法, =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 (比纯SiO2大20倍)，Ts= 519oC (softening temprature), =125 m,PCF 制备工艺,玻片芯组装模压法, = 550W1km1（1550nm）( 比SMF大500倍，比普通PCF大15倍）,Single mode transmission at 633nm and 1550nm,PCF 制备工艺,高光学非线性PCF,PCF 制备工艺,溶胶凝胶（Sol-gel法,PCF 制备工艺,带隙宽度可调PCF,单模有机聚合物光子晶体光纤,PCF 制备工艺,Near-field pattern,1. 宽带低损单模传输,Interstitial ho

13、les, The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal.,PCF 特性,应用: 大模场面积高功率激光/放大器 小模场面积非线性光学器件,2. 可变的光学非线性, 传导模数与 /0无关，只决定于. d/ Aeff : 1 1000m2 by changing ,PCF 特性,3. 灵活的色散特性,应用：色散补偿/色散管理/光孤子技术等,PCF 特性,4.场致折变,实例：可调光纤光栅（热光效应,PCF 特性,5. 单纤多芯传输 / 耦合,应用：多信道光传输 /光纤传感, 光控光耦合器件,PCF 特性,6.

14、 空气芯光纤,无损耗 ! 无材料色散 !！ 无光学非线性 !！,应用：通信/传感,PCF 特性,PCF 应用研究进展,PCF 拉曼放大器,PCF波长转换,PCF 应用研究进展,LPG:,电调 PCF 衰减器,PCF 应用研究进展,电调 PCF 衰减器,PCF 应用研究进展,Dynamic range: 30dB, Insertion loss:0.8dB, PDL:0.5dB, :1sec,电调PCF衰减器,PCF 应用研究进展,电调 PCF 滤波器,PCF 应用研究进展,PCF 应用研究进展,PCF 耦合器,PCF 宽带波长/模选择耦合器,PCF 应用研究进展,二维光子晶体 ( 平光子晶体板

15、PCF ),微电子工艺,PCS 制备工艺,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 制备工艺,PBG限制波导,PCS 特性,PCS 特性,PBG限制波导微腔耦合,PC微腔复用/解复用器,PCS 应用研究进展,PC滤波器,PCS 应用研究进展,共面PC谐振腔,PCS 应用研究进展,1563 nm,1609 nm,Lcavity=6m, Q=400,微腔耦合波导激光器,( CALTECH ),( MIT ),PCS 应用研究进展,光子晶体微腔激光器,-HCL:H2O=4:1 wet chemical etch,PCS 应用研究进展,光子晶体微腔激光器,PCS 应用研究进展,光子晶体微腔激光器,PCS 应用研究进展,光子晶体,（三维）,制备工艺,半导体光刻工艺,制备工艺,溶胶凝胶（Sol-gel)法,微球尺度 855nm1.3, SiO2 - Opals ( 模板 ) 制备,制备工艺,溶胶凝胶（Sol-gel)法,Si - inverted opals 制备,制备工艺,(111) surface,2层,4层,16层,a. 透射谱： 理论 实验 b. 理论计算的光子能带,空气球大小： (a, b): 1mm, (c, e): 670nm,制备工艺,(100) surface,c. 理论计算的光子能带 b. 反射谱： 841nm, 1070nm,空气球大小： (d, f) : 855m