光電子課件

1、光電子學(xué)的未來(lái),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,

2、 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(lái),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(lái),信息高速公路的關(guān)鍵技術(shù) (I),1. 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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

3、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(huà)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(lái),光電子學(xué)的未來(lái),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)

4、器件,全光型器件,,,,,光電子集成器件,相干光源,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(wú)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(kāi)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)

5、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

6、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(lái),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(lái),,,,,,,,,,,,,,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

7、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(lái),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(lái),偏振分束器的作用 – 光波,

8、?,//,,,格蘭棱鏡,,45?偏振,光電子學(xué)的未來(lái),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(lái),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(lái),//,“Photonics Nanostructures”,光子晶體進(jìn)展,( Photonic Crystals),面向新世紀(jì)信息科學(xué)與技術(shù)的新挑戰(zhàn),光電子學(xué)的未來(lái),,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) ?

9、? 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) w

10、ith the PC.,EFS at the normalizedV= 0.325 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) ?!

11、,? 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

12、網(wǎng)絡(luò),信息光電子技術(shù)的新突破,,,,問(wèn)題：增益譜不平坦 ? 信道增益失衡 放大自發(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(wèn)題: ?n 大 ? 傳輸損耗增大 芯徑小 ? 光學(xué)非線性增強(qiáng),問(wèn)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

13、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(wèn)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(wèn)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

14、通信發(fā)展歷史的見(jiàn)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

15、－ 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,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(kāi)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(guò)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(wú)介質(zhì)損耗、無(wú)色散、無(wú)光學(xué)非線性〕應(yīng)用：－ 實(shí)現(xiàn)超高速、超

16、長(zhǎng)距離光通信,4.線缺陷的PBG限制導(dǎo)波作用,－ 無(wú)全內(nèi)反射機(jī)制(無(wú)輻射模)，可折彎成90o而無(wú)光損耗應(yīng)用：－ 解除了傳統(tǒng)光集成回路尺度過(guò)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、高速光開(kāi)關(guān)）,,光子晶體特性,5.

17、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,,,? =2?n2

18、/(?Aeff)：,n2 ? , Aeff ? ? ? ? ?,? =1.6 mm,SF57 Schott glass: n = 1.83(633nm) ,1.80(1.53?m)，? = 0.7dB/m (633nm) , 0.3dB/m(1.53?m) n2=4.1?10－19m2/W (比純SiO2大20倍)，Ts= 519oC (softening temprature),? =125 ? m,PCF 制備工藝,玻片－芯

19、組裝模壓法,,? = 550W－1km－1（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

20、輸,,,,,Interstitial holes,? 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(wú)關(guān)，只決定于. d/? Aeff : 1

21、? 1000?m2 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. 空氣芯光纖,無(wú)損耗 ! 無(wú)材料色散 !！ 無(wú)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

22、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

23、,PCF 應(yīng)用研究進(jìn)展,,二維光子晶體( 平光子晶體板－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 lat

24、tice designs.,248nm DUV lithography on SOI,SOI photonic crystals for 1550nm ：periods ： 400－500nm hole sizes：160－ 300nm.,,PCS 制備工藝,PBG限制波導(dǎo),,PCS 特性,,PCS 特性,PBG限

25、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=6?m, 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,,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,

26、（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 855nm?1.3％,－ 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):

27、 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 photonic crystals with high aspect ratios,Doping and patterning Si photonic crystals,,(b) 在大面晶體中刻進(jìn)100-?m 光子晶體環(huán),

28、(a) 在 Si 光子晶體中引入填隙缺陷,制備工藝,,應(yīng)用研究,,,量子信息處理,光電子學(xué)的未來(lái),《光電子技術(shù)及應(yīng)用》課程的講義參考了： 姚敏玉教授的《激光原理》講義 劉小明教授的《光電子技術(shù)基礎(chǔ)》講義 董毅副教授的《光通信》講義