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,/,“Photonics Nanostructures”,光子晶体进展,(Photonic Crystals),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,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 crystal(small circles)Dashed lines outline the Brillouin zones G is the lattice vector.,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(Photonic location),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,GLS glass,掺Yb,PCF 类型,PCF 制备工艺,20 mm,0.03 mm,20 mm,1 mm,1 mm,1 mm,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,=2n2/(Aeff)：,n2,Aeff,=1.6 mm,SF57 Schott glass:n=1.83(633nm),1.80(1.53m)，=0.7dB/m(633nm),0.3dB/m(1.53m)n2=4.11019m2/W(比纯SiO2大20倍)，Ts=519oC(softening temprature),=125 m,PCF 制备工艺,玻片芯组装模压法,=550W1km1（1550nm）(比SMF大500倍，比普通PCF大15倍）,Single mode transmission at 633nm and 1550nm,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-field pattern,1.宽带低损单模传输,Interstitial holes,The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal.,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 1000m2 by changing,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,Dynamic range:30dB,Insertion loss: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: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 lattice designs.,248nm DUV lithography on SOI,SOI photonic crystals for 1550nm：periods：400500nm hole sizes：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,1563 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,光子晶体微腔激光器,-HCL:H2O=4:1 wet chemical etch,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 855nm1.3,SiO2-Opals(模板)制备,制备工艺,溶胶凝胶（Sol-gel)法,Si-inverted opals 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)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,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,