光子学1、概要课件

,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,10,1,10,7,10,2,10,6,10,3,10,5,10,4,10,4,10,5,10,3,10,6,10,2,10,7,10,1,10,8,10,0,10,9,10,-1,10,10,10,-2,10,11,10,-3,10,12,10,-4,10,13,10,-5,10,14,10,-6,10,15,ELF,VF,VLF,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,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）,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,光子具有极高的信息容量和效率,：,光频为,510,14,Hz,；电频率仅为,10,10,Hz,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,3,4,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,-9,s),，电子通信中信息速率被限定在,Gb/s(10,9,bit/s),量级。光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒,(ps,，,10,-12,s),量级，小于,10,个飞秒,(fs,10,-15,s),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(10,12,bit/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,10,12,bit,cm,3,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,:,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