集成光学课程介绍课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,ppt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,集成光学课程介绍课程性质,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,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,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,第一章 绪论,课程特点：涉及面光且与前沿科技联系紧密，发展快，应用广,学习方法：掌握基本知识，结合专业基础课程,教材：,集成光学,唐天同 科学出版社,课程特点：涉及面光且与前沿科技联系紧密，发展快，应用广学习方,参考资料（一）,主要参考书：,Hunsperger R.G.Integrated Optics:theory and technology,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（一）主要参考书：,参考资料（二）,主要期刊：,Fiber and Integrated Optics,Jour.Optical Society of America,Applied Optics,Jour.Applied Physics,Applied Physics Letters,IEEE Jour.Quantum Electronics,IEEE Jour.Lightwave Technology,会议论文集：,IOOC,，,ECIO,，,IPR(integrated photonics research),，,OFC,，,ECOC,参考资料（二）主要期刊：会议论文集：IOOC，ECIO，IP,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,第一章 集成光学概论1.1 集成光学的概念,1.1,集成光学的概念,1.,集成电路,(integrated circuit,IC),1947,年，贝尔研究所的肖克利、巴丁、布拉顿发明,晶体管,1957,年，得克萨斯仪器公司的基尔毕,(Kirby),发明,集成电路,2006,年，被集成的晶体管个数达到两亿个；今年，美国英特尔集成了,23,亿个晶体管,（目前最高水平）。,“,集成”,成为了一种潜力难以估量的科学技术手段。,1.1 集成光学的概念1.集成电路(integrated,集成电路,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,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,集成光学课程介绍课件,3.,集成光学的定义,集成光学是在,光电子学和微电子学,基础上，采用集成方法研究和发展,光学器件,和,混合光学电子学器件,系统的一门新的学科。,集成光学是研究,介质薄膜,中的,光学,现象，以及,光学元器件集成化,的一门学科。,集成光学是研究,集成光路特性,和,制造技术,以及,与微电子学,相结合的学科。,集成光学是利用,光波导,能把,光限制在微米量级波导区域,中并,沿一定方向传播,的特性，实现,光学器件,的平面化和,光学系统,的集成化。,3.集成光学的定义集成光学是在光电子学和微电子学基础上，采用,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,4.从四个方面理解集成光学的概念：理论基础光学工艺基础薄膜,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,5.集成光学的分类按集成的方式划分个数集成按集成的类型划分光,个数集成,个数集成,功能集成,功能集成,功能集成,功能集成,功能集成,功能集成,功能集成,功能集成,单片集成,单片集成,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,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,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,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,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,10,10,次,/,秒，而光子计算机的理论计算速度达,10,23,次,/,秒，在技术上可实现,10,12,10,15,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,10,6,10,9,倍。,优点,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,几个光学器件集成在一起,的简单概念,集光学、激光、微电子学、光电子学、通信、薄膜技术等为一体的,独立的边缘学科,当今光学和光电子学领域的,发展前沿之一,光学发展的,必由之路和高级阶段,。,40,年发展,几个光学器件集成在一起的简单概念集光学、激光、微电子学、光电,1.2,集成光学的特点,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。,1.2.1 集成光学系统与离散光学器件系统的比较(1)光波在,1.2.2,集成光路的组成,激光器,调制器,探测器,衬底,激光器,调制器,探测器,衬底,光波导,隔离器,耦合器,滤波器,集成光路,无源器件,有源器件,1.2.2 集成光路的组成激光器调制器探测器衬底激光器调制器,各种光连接器,各种光连接器,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,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,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（,m,），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（,m,），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（,m,），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,光元器件与电子元器件的特性比较光元器件电子元器件(a)基本作,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,1.3 集成光学的发展和现状1962年：第一个半导体同质,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,（,photonic crystal,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,。,1972年：Somekh和Yariv提出了在同一个半导体衬底,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,1.3.2发展新特点IIIV族半导体为衬底光通信和光信息处,集成光学课程介绍课件,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,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,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,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,1.4 研究集成光学的意义三“T”模式：Tb/s信息传输,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,Integrated Photonics Research,（,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,（,Optoelectronics Conference,，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,（,European Conference on Integrated Optics,）,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。,集成光学的研究是从1970年开始的，发展也十分迅速。1981,973,计划支持的光电子研究项目（一）,19982007,年,973计划支持的光电子研究项目（一）19982007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,3,超高速超大容量超长距离光传输基础研究,武汉邮电科学研究院,余少华,4,重大灾害信息获取光纤传感网络及器件基础研究,华中科技大学,姜德生,5,新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究,天津大学,刘铁根,6,光电功能晶体结构性能、分子设计、微结构设计与制备过程的研究,南京大学,王牧,7,氧化锌掺杂及相关器件的基础物理问题研究,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,申德振,8,纳米磁性自旋存储器和半导体硅量子点存储器的研制及其器件物理研究,中芯国际集成电路制造,(,上海,),有限公司,季明华,973计划支持的光电子研究项目（二）2010年项目序号项目,