光电子技术-清华大学课件

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

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“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

1m：判据Xa/)

介观系统(a1-100m,X1)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(a1cm,X>>1)几何光学

线度足够小：原子或分子“点”

微观系统(a1nm,X<<1)Einstein量子力学(a0.1-100nm,X<<1)纳光子学光子晶体(a0.1-1m,X1)线度光波长量子电动力学介观光学物理的新突破Scanningnear-fieldmicroscopyTip:50nmSiGefilm:dislocation(100)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0.10.20.40.8Loss(dB/km

)1.0

(m)1.21.31.41.51.61.7...WDMChannels25THz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-dopedfiberamplifier(EDFA)Er-10.00dBmFiberRamanamplifier(FRA)1450nmPumpEDFA

20kmWDMRamanamplifier140014201440146014801500152015401560158016001620164002468101214161820BYAxisTitleXaxistitle14001420144014801500152015401560158016001620146020181614121086429损耗限制信息光电子技术的新突破2015105-5-10-1501.11.21.31.41.51.61.7Wavelength,mDispersion,ps/nm·nm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%SMFDCF-aDCF-b

色散补偿光纤(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123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WDM/Point-to-PointTransportFixedWDM/MultipointNetwork

OpticalXCandWADMReconfiguredWDM/MultipointNetwork

l1l2l4Fibergratingl1l2l3l4Circulator

l3InputDropIsolatorFibergratingl1l2l3l4Circulator

l3OutputAdd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1970s：异质结半导体材料（LD室温工作）

石英光导纤维（损耗<1dB/km〕光纤通信奠定基石光电器件更新换代1980s：量子阱半导体材料（QW激光器）期待新一代光电功能材料的突破!！!光通信发展历史的见证1990s：稀土掺杂光纤（掺铒光纤放大器）光通信技术的革命光电功能材料进展光电子技术的突破光子晶体概念－光子能带光子晶体特性光子晶体特性2.PBG限制的“微腔”作用－带隙限制微腔自发辐射态密度增强（Purcell效应）OpticalmicrocavitiesElectronquantumboxes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

1987年提出光子带隙(PBG)概念

1990年PBG计算机论证1991年微波PBG实验论证1996年第一根TIR光子晶体光纤1997年第一根PBG光子晶体光纤OFC情况论文：

2001：6，2002：15国家：

2001：4，2002：8

1993年制造出第一块半导体三维光子晶体1998－2000年光子晶体光纤研究热2000年第一家光子晶体光纤公司成立2001.10.PhotonicsNanostructureMaterialsandDevices国际会议在SanDiego召开光子晶体－交叉学科发展的产物半导体金属石英有机聚合物液晶生物蛋白材料微波无线光通信网络量子信息信息生物物理近场光学纳光子学凝聚态物理二维光子晶体(光子晶体光纤－PCF)百花争艳PCFPolymerGLSglass掺YbPCF类型晶格：三角空气柱包层＋Silica柱芯原理：低等效包层折射率－全内反射特性：次高阶模截止带宽内单模传输折射率导引光纤（TIR-PCF〕光子带隙导引光纤（

PBG-PCF〕晶格：六角空气柱包层＋空气柱芯原理：光子带隙限制局域单模传输特性：带隙窗口(数m)内单模传输0.8mmSolidrodHollowtubePCF制备工艺30mm16mm20mm0.03mm20mm1mm1mm1mm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=1.6mmSF57Schottglass:n=1.83(633nm),1.80(1.53m)，=0.7dB/m(633nm),0.3dB/m(1.53m)n2=4.110－19m2/W(比纯SiO2大20倍)，Ts=519oC(softeningtemprature)=125mPCF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）Singlemodetransmissionat633nmand1550nmPCF制备工艺高光学非线性PCFHolediameter:2.3mHolespacing:4.3mCorediameter:10.5mPCF制备工艺溶胶－凝胶（Sol-gel〕法PCF制备工艺带隙宽度可调PCFHolesfilledwithhighnliquid:PBGn589nm=1.802000-1bandgap3dBbandwidthforgaps=1400nmHolesfilledwithair:TIR单模有机聚合物光子晶体光纤PCF制备工艺Near-fieldpattern1.

宽带低损单模传输458nm458nmInterstitialholesTherelativeintensitiesofthesixlobeswasvariedandnearlyequal.

Far-fieldpatternNear-fieldpattern528nm528nmNoothermodefieldpatternsareobservedconfinedtodefectregion.633nmNoconfinedmodecouldbeobservedat633nn.

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:11000m2bychanging

PCF特性

=180m2=22.5md=1.2m=9.7md/=0.120>458nm近场光斑h=0.006510m

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特性大的正色散

=1.4m=0.66D=250ps/nmkm平坦的零色散

=2.9m=0.52D=0ps/nmkm大的平坦负色散

=3.2m=047D=-100ps/nm/km4.场致折变实例：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pump=1536nmsignal=1650nm0rcore=1.6mLHF=75mAeff=2.85mLB=0.4mmPCF拉曼放大器G=42.8dBNF<6dBXPM+narrowbandfiltering(datarateof10Gbit/s)LHF=5.8m,rcore=2.0m,Aeff=2.93(+/-0.3)μm2＝50dB/km,D=+100ps/nm-km(1550),=31W-1·km-1

control=1551nm,prob=1530-1580nmPCF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SMFHOFPCF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.248nmDUVlithographyonSOISOIphotoniccrystalsfor1550nm：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1563nm1609nmLcavity=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=4:1wetchemicaletch41.2%CompressivelyStrainedInGaAsPQWsSlabthichness:10nmQWsseparatedby23nmbarriersLatticeconstant:=550nm,Radiusoftheholes:d=215nmCentraldefectcavity:19holesPMMA—Electron-beamlithographyCr-Culayer—Ar+ionbeametchSiN2layer—CF4reactiveionetchInPSubstrateInGaAsPQWsregion—ECRetch

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

Wavesofcertain

cannotenterintoorpropagatethroughthematerials.ModeldWSiddddayz(a)