《集成光学第一章》PPT课件.ppt

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,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,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,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,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（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,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,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,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,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。,4. 从四个方面理解集成光学的概念：,5.集成光学的分类,个数集成,功能集成,功能集成,功能集成,功能集成,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,7.集成光学主要应用（一）光纤通信,光纤通信,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,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,超高的运算速度 :串行电子计算机的极限速度是1010次/秒，而光子计算机的理论计算速度达1023次/秒，在技术上可实现10121015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106109倍。,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,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。,1.2.2 集成光路的组成,各种光连接器,集成光路的优点,光元器件与电子元器件的特性比较,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,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。,1.3.2发展新特点,IIIV族半导体为衬底,光通信和光信息处理,1.3.3 集成光学国际研究进展理论、器件,器件研究,极具前景的研究方向,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,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,集成光学的国际会议,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