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
2、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
3、 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
4、 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
5、 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 / “Photonics Nanostructures”光子晶体进展光子晶体进展 ( Photonic Cryst
6、als) 面向新世纪信息科学与技术的新挑战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 / ) 介观系统 ( a 1-100m, X 1) 线度不够大：光子 “点 ” 线度不够小：系统 “点 ” Maxwell 电磁场理论 线度足够大：光子 “点 ”宏观系统 ( a 1cm, X 1) 几何光学 线度足够小：原子或分子 “点 ” 微观系统 ( a 1nm, X 1) Einstein 量子力学 (a 0.1-100nm, X 1) 纳光子学 光子晶体(a 0.1-1m, X 1)
7、 线度 光波长 量子电动力学 介观光学物理的新突破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 for: the background material ( big circle) the photonic
8、crystal ( small circles) Dashed lines outline the Brillouin zones G is the lattice vector. 介观光学物理的新突破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信息光电子技术的新突破 0.1 0.2 0.4 0.8 Loss ( dB / km ) 1.0 ( m) 1.2 1.3
9、 1.4 1.5 1.6 1.7 . WDM Channels 25 THz 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 Er-doped fiber amplifier (EDFA ) Er- 10.00 dBm Fiber Raman amplifier (FRA) 1450 nm Pump EDFA 20 km WDM Raman amplifier 1400 1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 162016400 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 B Y Axis Title
10、X axis title140014201440 148015001520154015601580160016201460 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 9 损耗限制 信息光电子技术的新突破信息光电子技术的新突破 20 15 10 5 - 5 -10 -15 0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Wavelength, m Dispersion, ps / nmnm 色散限制 问题 : n 大 传输损耗增大 芯径小 光学非线性增强 = 0.35% + 2.5 = 0.35% + 2.5 = 0.35% SMF DCF-a DCF-b 色散补偿光纤 (
11、DCF) 色散位移光纤 (DSF) 色散平坦光纤 (DFF) 特种光纤 问题 : 调谐范围小 非线性啁啾光纤光栅 1 2 3 信息光电子技术的新突破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信息光电子技术的新突破 WDM/Point-to-Point Transport Fixed WDM/Multipoint Network Optical XC and
12、WADM Reconfigured WDM/Multipoint Network 12 4Fiber grating 1234 Circulator 3 Input Drop Isolator Fiber grating 123 4Circulator 3 Output Add 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 Thermooptic phase sh
13、ifters Waveguide gratings with interleave chirp 10 cm 信息光电子技术的新突破信息光电子技术的新突破 1970s： 异质结半导体材料（ LD 室温工作） 石英光导纤维（损耗 458 nm 近场光斑 h= 0.0065 10m 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 特性特性 大的正色散 = 1.4 m = 0.66 D = 250 ps/nm km 平坦的零色散 = 2.9 m = 0.52 D = 0 ps/nm km 大的平坦负色散 = 3.2 m = 047 D = -100 ps/nm/km 4.场致
14、折变 实例：可调光纤光栅（热光效应 电光效应 ？ 声光效应 ？ 磁光效应 ？ 光折变效应 ？ 应用：动态光控制器件 PCF 特性特性 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 特性特性 PCF 应用研究进展应用研究进展 pump =1536nm signal =1650nm0 rcore = 1.6 m LHF = 75m Aeff =2. 85m LB =0.4mm PCF 拉曼放大器 G=42.8dB NF6dB XPM+narrowba
15、nd filtering (data rate of 10 Gbit/s) LHF = 5.8m, rcore = 2.0 m, Aeff =2.93(+/-0.3)m2 50dB/km, D=+100 ps/nm-km (1550), =31W -1km-1 control =1551nm, prob =1530-1580nm PCF波长转换 PCF 应用研究进展应用研究进展 LPG: 电调 PCF 衰减器 PCF 应用研究进展应用研究进展 电调 PCF 衰减器 PCF 应用研究进展应用研究进展 Dynamic range: 30dB, Insertion loss:0.8dB, PDL:0
16、.5dB, :1sec 电调 PCF衰减器 PCF 应用研究进展应用研究进展 电调 PCF 滤波器 PCF 应用研究进展应用研究进展 PCF 应用研究进展应用研究进展 PCF 耦合器 SMF HOF PCF 宽带波长 /模选择耦合器 PCF 应用研究进展应用研究进展 二维光子晶体二维光子晶体 ( 平光子晶体板平光子晶体板 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 aft
17、er lithography and etch for different triangular lattice designs. 248nm DUV lithography on SOI SOI photonic crystals for 1550nm ： periods ： 400 500nm hole sizes： 160 300nm. PCS 制备工艺 PBG限制波导 PCS 特性特性 PCS 特性特性 PBG限制波导微腔耦合 PC微腔复用 /解复用器 PCS 应用研究进展应用研究进展 PC滤波器 PCS 应用研究进展应用研究进展 共面 PC谐振腔 PCS 应用研究进展应用研究进展 1
18、563 nm 1609 nm Lcavity=6m, Q=400 微腔耦合波导激光器 ( CALTECH ) ( MIT ) PCS 应用研究进展应用研究进展 光子晶体微腔激光器 -HCL:H2O=4:1 wet chemical etch 4 1.2% Compressively Strained InGaAsP QWs Slab thichness: 10nm QWs separated by 23nm barriers Lattice constant: = 550nm, Radius of the holes: d=215nm Central defect cavity: 19 hol
19、es PMMAElectron-beam lithography Cr-Cu layer Ar+ ion beam etch SiN2 layerCF 4 reactive ion etch InP Substrate InGaAsP QWs regionECR etch PCS 应用研究进展应用研究进展 光子晶体微腔激光器 PCS 应用研究进展应用研究进展 光子晶体微腔激光器 PCS 应用研究进展应用研究进展 光子晶体光子晶体 （ 三维 ） 制备工艺制备工艺 半导体光刻工艺 Waves of certain can not enter into or propagate through th
20、e materials. Model d WSi d d d d ay z (a) (b) (c) (d) (e) b Fabrication Example Si / SiO2 gap= 14 % 0,center = 1.5 m 制备工艺制备工艺 溶胶凝胶（ Sol-gel)法 Si Substrate Substrate 微球尺度 855nm1.3 SiO2 - Opals ( 模板 ) 制备 T h 80oC 65oC 制备工艺制备工艺 溶胶凝胶（ Sol-gel)法 Si - inverted opals 制备 550oC Substrate Substrate Substrate
21、LPCVD 制备工艺制备工艺 (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) Patterned photonic crystals with high aspect ratios Doping and patterning Si photonic crystals (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 制备工艺制备工艺 应用研究应用研究 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
