光电子技术-清华大学.ppt

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 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 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 PhotonicsNanostructures 光子晶体进展 PhotonicCrystals 面向新世纪信息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 Scanningnear fieldmicroscopy Tip 50nm SiGefilm dislocation 100 NegativerefractioninPC superprism a Schematicofthestructure b withoutthePC c withthePC EFSatthenormalizedV 0 325for thebackgroundmaterial bigcircle thephotoniccrystal smallcircles DashedlinesoutlinetheBrillouinzonesGisthelatticevector 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 Photoniclocation 光子晶体特性 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 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 GLSglass 掺Yb PCF类型 PCF制备工艺 20mm 0 03mm 20mm 1mm 1mm 1mm 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 2 n2 Aeff n2 Aeff 1 6mm SF57Schottglass 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 比纯SiO2大20倍 Ts 519oC softeningtemprature 125 m PCF制备工艺 玻片 芯组装模压法 550W 1km 1 1550nm 比SMF大500倍 比普通PCF大15倍 Singlemodetransmissionat633nmand1550nm 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 fieldpattern 1 宽带低损单模传输 Interstitialholes Therelativeintensitiesofthesixlobeswasvariedandnearlyequal 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 1000 m2bychanging 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 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 Dynamicrange 30dB Insertionloss 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 PCF 微电子工艺 PCS制备工艺 Fig 1 PhotoniccrystalwaveguideinSOI Pitchis460nm hole sizeis290nm Fig 2 Photoniccrystalholesizeafterlithographyandetchfordifferenttriangularlatticedesigns 248nmDUVlithographyonSOI SOIphotoniccrystalsfor1550nm periods 400 500nmholesizes 160 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 1563nm 1609nm Lcavity 6 m 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 1wetchemicaletch 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855nm 1 3 SiO2 Opals 模板 制备 制备工艺 溶胶 凝胶 Sol gel 法 Si invertedopals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 855mm c d Patternedphotoniccrystalswithhighaspectratios DopingandpatterningSiphotoniccrystals b 在大面晶体中刻进100 m光子晶体环 a 在Si光子晶体中引入填隙缺陷 制备工艺 应用研究 量子信息处理 光电子学的未来 光电子技术及应用 课程的讲义参考了 姚敏玉教授的 激光原理 讲义刘小明教授的 光电子技术基础 讲义董毅副教授的 光通信 讲义郑小平副教授的 光纤传感技术 讲义 感谢 光电子学的未来 谢谢