1-光子学研究进展

1、1,李淳飞 哈尔滨工业大学 物理系 光学重点学科,光子学研究进展,2,报告人简介,3,哈尔滨工业大学,4,5,6,非线性光学信息处理 国家重点专业实验室,物理学科,现代光学技术研究所,光电子材料研究室,光雷达技术研究室,光学信息处理研究室,非线性光子学研究室,哈工大理学院物理系学科情况,凝聚态物理研究中心,原子分子低维结构研究室,凝聚态超快过程研究室,功能复合材料研究室,极端条件凝聚态研究室,重离子碰撞物理研究室,7,哈工大物理系光学学科 首批光学博士点1981年 建立应用物理系1985年 光学重点学科1987年 国家重点专业实验室1989年 特聘教授授予点1999年 物理学科博士后点 200

2、3年,8,李淳飞简介,1956年入哈工大电机系，1959年入物理专业，1961毕业； 1962-1965年在吉林大学理论物理专业进修； 1 982-1996年 3 次去美国亚利桑那大学合作研究； 1985年起被聘为哈工大物理系教授、博士导师、 光学国家重点学科带头人； 1985-1998年为哈工大物理系主任； 1989年起任哈工大“现代光学技术研究所”所长； 2004年起任华南师范大学兼职教授。,9,19871989年首届国家高技术（863）信息领域专家委员 会委员、光电子器件专家组专家； 19842006年被选为中国光学学会理事； 1984-2007年任国家教育部物理教学指导委员会委员； 1

3、992年起享受国务院颁发的政府特殊津贴； 美国光学学会（OSA)、光学工程学会（IEEE）国际会员 光学学报、光子学报、非线性光学物理与材料杂志编委； 曾任上海光机所、长春物理所学术委员会委员； 曾任上海交通大学、山东大学的兼职教授。,10,研究方向: 非线性光学，光子学，光开关，纳米光子学。 发表论文：总计 300篇，其中SCI论文约100篇。 著书3本： “非线性光学”、“全光开关原理”、 “光子学技术与应用”（副主编）。 科研项目：国家自然科学基金项目5项，博士点基 金3项, 863项目2项, 国防预研项目2项。 获奖4项： 教育部 3 项，航天部1项。 学术访问：美国、日本、英国、德国

4、、法国、意大利、 加拿大、澳大利亚、俄罗斯、韩国、泰国、新加坡等。 培养研究生：博士35人、硕士44人、博士后1人。,11,本人的科学研究路线,物理学光学光子学纳米光子学 非线性光学全光开关纳米全光开关,12,13,14,15,16,系列讲座题目,1. 光子学研究进展 2. 纳米光子学进展 3. 光纤通信器件 4. 全光开关原理,17,光子学的发展 光子技术进展 硅光子学简介,“光子学研究进展”,18,光子学的发展,19,20,相似点： 1. 电子学和光子学都出自18世纪的物理学； 2. 电子和光子都是电磁波、基本粒子； 3. 器件尺寸的发展：大尺寸 微米 纳米。 不同点： 1. 电子带电，有

5、利实现数字化信息处理； 2. 光子不带电，有利实现宽带、并行传输。 3. 光子学比电子学发展慢： * 相干源的出现光比电晚2个世纪；光子学诞生比电子学晚半个世纪； * 实现“光控光”的全光开关比实现“电控电”的晶体管晚1个世纪。,光子学与电子学比较,21,光子学： 研究相干光子的产生、传输、探测、处理、 以及与物质相互作用的科学。 光子学：基于相干光子（激光）的现代光学 （光子学 = “激光科学” = “现代光学”） 光子学：以光子作为信息和能量载体的科学 微米光子学 微米尺度的光子学 纳米光子学 纳米尺度的光子学,光子学的定义,22,传统光学基于非相干光子的波动光学 历史： 从18世纪20世

6、纪60年代 理论： 几何光学（放大镜、显微镜、望远镜） 物理光学（干涉、衍射、偏振) 光谱学（包括颜色光学、大气光学） 应用：工程光学 光学材料加工 光学元件加工 光学仪器制造,传统光学,23,光子学理论（现代光学）,1960年激光器产生以后，围绕激光研究建立了光子学的 基础理论： 1.激光物理学 -研究激光器相干光子源的产生与激光特性； 2.傅立叶光学 -研究光子的相干性，应用于模拟光信息处理； 3.非线性光学 -研究光子与物质相互作用，数字光信息处理； 4.导波光学 -研究光子信息在光纤和平面波导中的传输； 5.量子光学 -研究光子的量子性，量子通信、量子计算等。,激光技术（1960-19

7、70年）： 气体、液体、固体激光器的制造；用于激光准直、激光 加工、激光全息、激光光谱、激光雷达，激光医学等。,24,光子学的两个发展阶段（从器件尺度看）,微米光子学,纳米光子学,光子学,25,微米光子学与纳米光子学比较,26,时间： 1970年-2000年 微米光子学：1970年微米尺寸的光纤、室温半导体 激光器和集成光学的发明，促进了光 纤通信技术的发展，诞生微米光子学 光电子学： 微米光子学的主要器件是电子驱动的 光子器件，故称 为光电子学 结论： 微米光子学 = 光电子学,微米光子学（光电子学）,27,1. 信息光子学： 光通信、光计算、光显示、光存储、光传感等； 2. 能源光子学：

8、LED光照明, 太阳能电池，激光加工技术等； 3. 生物光子学： 用光谱、声光等光电子技术研究生物学与医学； 4. 光电子集成： 光子与电子器件共集成的功能集成芯片技术。 例：光通信收发芯片、波分复用器芯片、光交换器芯片、 光照明LED芯片、太阳能电池芯片、生物芯片等。 光电子集成芯片技术光电子学的核心技术。,光电子学主要研究内容,28,时间：2000年 形成：由于近场光学的进展，突破了光的衍射 极限，促进了纳米尺度下光与物质相互 作用的研究，光子学与纳米科学结合形 成了纳米光子学。 结论：光子学 + 纳米科学 = 纳米光子学,纳米光子学,29,1. 纳米光子材料： 光子晶体、金属-电介质纳米

9、结构、量子点和量子线、 以及纳米颗粒、纳米硅晶、纳米复合材料等。 2. 纳米材料加工： 半导体外延，电子、离子束刻蚀，多光子聚合， 胶体自组装，化学合成，溶胶凝胶，模板压印等。 3. 纳米光子器件： 低功耗、高速度、光控光器件：纳米尺寸器件； 用纳米材料的器件；具有纳米结构的光电子器件。 4. 纳米测量技术： 时间和空间上的超高分辩率测量技术：近场光学显微 镜、近场光学光谱仪、光镊技术、飞秒激光技术。,纳米光子学主要研究内容,30,光子技术进展,31,光子技术定义,光子技术以光子作为信息和能量载体的技术,（1）信息光子技术光子作为信息载体 光信息的产生、传输、处理、探测、显示、存储,（2）能源

10、光子技术光子作为能量载体 光能与其他能量的转换技术。,还有生物光子技术、消费光子技术、军用光子技术,32,光子技术主要推动力：市场的需要 光子产业发展的特征：消费性产品引领市场走向 19802010年全球光子市场的发展态势3C+SE：,计算机 （Computer）,消费性产品（Consumer）,通信（Communication）,传感（Sensor）,能源（Energy）,光盘、光显示、输入输出设备 光纤、有源、无源光电子器件、系统 录像光盘 DVD、液晶电视 LCD、手机照明 LED、数码相机 CCD 光纤光栅传感器 （FBG、LPFG） 太阳能电池 SC（光伏型、光热型）,光子技术与光子

11、产业,33,光子产业的内容和分类,科研,军事,能源,交通,工业,农业,医疗,环保,文娱,光子产业,光通信产业,光信息产业,激光产业,光学产业,34,2001年全球光子产业概况,35,2002年2006年全球各类光子产业产值变化比较,亿美元,36,总产值达 800 多亿人民币。 超过百亿的：光通信、光显示、光盘存储等。 前5个城市排名： 深圳（293亿元，36） 上海（210亿元，26） 武汉（187亿元，23） 广州（120亿元，15） 长春（70亿元， 8） 广东珠江三角洲地区的产值约占全国的一半。,2001年我国光电子产业统计,37,改革开放以来，特别是20002001年国际信息市场处于

12、低潮，国外的光子产业向广东地区转移，大量资金投向 广东兴建光子企业。 全国的光通信与激光龙头企业有：华为、中兴、飞通、 杰迪讯、光联、大族等。 形成了由广州、深圳、东莞、惠州、佛山、珠海、中山、 江门等市组成的光子产业带。 产值占全国的一半。成为全国、全球重要光子产业基地。,广东省的光子产业,38,信息技术的发展阶段,39,通信：信号的传输光子技术（光纤通信系统） 信号的交换电子技术（电子交换器） 计算：计算机CPU电子技术（半导体电子芯片） 计算机外设光子技术（光盘、显示、输入输出） 传感：传感元件光子技术（光纤传感器和光纤网络） 信号处理电子技术（解调器、电子开关）,信息技术现状光电混合,

13、光子技术优势：信息传输带宽大，并行性好，存储量大，速度快 电子技术优势：信息处理采用晶体管进行信息处理，能力强,40,41,（1）光纤通信的宽带、并行传输大大优越于电子通信， 已实现 “全光传输”，有待实现“全光交换”。 （2）光纤通信的器件与系统技术已经广泛应用于光纤传 感、巨型计算机、生物、医学、军事等领域。 （3）光纤通信的发展前景是光纤网络，目前正在解决 100G传输速率，三网融合，光纤到户问题。,信息光子技术的核心技术 光纤通信技术,42,光网络在21世纪的战略地位 世界经济行业基础设施排名（国外专家预测）,0%,10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,光网 系统,国

14、际 机场,高速 公路,港口,工业 园区,43,一、发展波分复用技术（全波化） 1、C 波段 (1.55m) , 传输速率1Tb/s 2、全波段(400nm), 传输速率10Tb/s 二、发展通信网络技术（全光化） 1、光纤到户：三网合一 2、全光网： 全光传输全光交换 三、发展光子器件技术（集成化） 1、同材料光子晶体器件集成 2、光子/电子器件硅基共集成,光通信的发展趋势,44,存在问题： 光纤通信器件的材料不统一，不便集成化，成本高； 2. 光通信技术是光电混合的，电子交换器效率比较低。 发展方向： 1. 实现光、电器件同材料共集成； 2. 实现基于全光开关的全光交换。,光纤通信的问题与发

15、展方向,45,光纤通信系统发射端的光器件的材料不统一,46,1、光子与电子器件硅基共集成 （1）解决硅材料发光困难问题，采用纳米硅做激光器 （2）解决硅材料非线性低问题，用纳米尺寸全光开关 2、采用其它纳米光子技术 （1）光子晶体器件的集成 （2）金属-电介质表面等离子激元器件的集成 总之，实现光子器件材料的统一，要靠纳光子技术。,光通信器件材料统一的可能途径,47,“光信号传输”已经实现全光化,采用 DWDM 和 EDFA 器件的 DWDM 全光系统,48,“光信号交换”有待实现全光化,49,OXC（光交叉连接）,由 20个 22 光开关组成的 88 OXC模块,50,OADM（光分插复用）

16、,由 M个 22 光开关组成的 OADM 模块,51,目前使用的光开关电控光开关,缺点：开关速度慢（ms-ns）；需要光电光转换。,利用电光、磁光、声光、旋光、热光、MEMS效应制成,52,原理：用非线性光学方法实现以光控光 优点：无需经过电光转换；开关速度快(ns-fs) 问题：研究半世纪，大量投资、发表大量论文，但 尚无实用产品。 原因：1.开关功率太大，光吸收大，不能级联使用； 2.开关的关闭速度受载流子复合寿命的限制； 3.开关功率与开关时间矛盾，功耗小速度慢。,全光通信的关键技术全光开关,53,实用要求：开关功率 mw （光信号功率） 开关时间 ns （电子器件速度） 吸收损耗 0.

17、1dB (可级联） 解决途径： 1. 采用纳米尺寸器件 2. 采用飞秒激光技术 3. 采用高非线性材料 实现全光通信，要靠纳米光子技术和超快技术。,54,信息光子技术的关键技术之一 光显示技术,55,薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD） 等离子体显示器（PDP） 发光二极管显示器（LED） 有机发光二极管显示器（OLED） 量子点发光二极管显示器（QD-LED） 硅基液晶显示器 (LCOS) 场致发射显示器（FED） 数字微镜显示器（DMD） 微透镜三维平板光显示器,平板光显示器,56,液晶显示器原理,未加电压时，两垂直取向模使相列液晶分子成90度扭曲排列，偏振光的偏振方向旋转90度，因此光

18、可以通过正交的两偏振片。,57,加电压时，液晶分子顺电场方向排列，偏振光通过液晶不改变偏振方向，因此不能通过正交的偏振片组成的液晶盒。,58,薄膜晶体管液晶显示器,TFT 的作用是电子开关，三端器件：在玻璃基版上有Si半导体层，上两边分别有的源极和漏极，下面有栅级，在栅极上施加电压来控制源极和漏极间的电流。,59,场致发射光显示（FED）,基于场致电子发射原理，有三种模型： 金属在强电场下隧穿势垒向真空发射 金属绝缘体真空模型 (MIV) 金属绝缘体金属模型 (MIM),* 模型 2 和 3是 由NS. Xu 和R. V. Latham 首先提出。,60,1. 微尖阵列型FED显示器,61,2

19、. 碳纳米管(CNT) 型FED显示器,62,等离子体显示器,原理：电场引起气体放电产生真空紫外光，激 发涂覆的红、绿、兰三基色荧光粉，经 调制与混色实现彩色显示。 特点：1. 易实现大面积显示 2. 成本低（LCD的十分之一） 分类：1. 直流型； 2. 交流型： (1) 表面放电 (2) 对向放电,63,交流对向放电型等离子体显示板的单元结构,64,纳米光显示,核壳量子点结构（2 10nm） 材料：不同尺寸发不同颜色,量子点胶体光显示技术：,65,可制备发红、橙、黄、绿四种颜色光的QD-LED器件,QD-LED光显示器件,66,微纳图形化关键技术 大幅面微透镜阵列制造 新型显示技术与材料：

20、低功耗、超薄、立体、有机TFT,3D数字化处理 + 微透镜阵列 立体平板显示,3D光波前微纳结构处理 + 微纳光刻 虚拟三维实现,微透镜三维平板显示技术,67,微透镜阵列,68,三代光存储： 光盘存储2维（表面）光存储 双光子光存储 3 维（体）光存储 金属纳米杆光存储 5 维（+2 偏振）光存储 Nanorod（Au） （长约20nm),信息光子技术的关键技术之一 光存储技术,69,金属纳米杆光存储 双光子激发， 多光子荧光读出 可控：改变激光脉冲重复频率和偏振 吸收光谱与长度尺寸相关：长偏红，短偏蓝 多层介质（10层），还不可擦除 提高存储密度 3 个数量级,70,自然杂志报道：澳大利亚开

21、发 1万G 超级DVD （斯温伯尔尼理工大学已与韩国三星公司就技术转让达成协议）,将纳米结构的材料合成到一张碟片上，在不增加碟片大小的情况下增加数字容量。三维电视和超高清晰视觉享受时代即将来临,一张普通DVD可以存储8.5GB信息，但走向市场预计需要10年,71,（2）能源光子技术光子作为能量载体 光能与其他能量的转换技术：,当前重点： 太阳能光伏发电太阳电池 半导体光照明LED,72,能源光子技术的关键技术之一 半导体光照明（LED）,73,人类经历过2次照明革命： 火白炽灯、荧光灯半导体光源（LED ） (20世纪) (21世纪) LED光源的优点： 1) 高效节能：减少全球照明用电50和

22、总耗电10; 2) 节约经费：节约灯、灯具、电费的开支每年2500亿美元; 3) 绿色环保：可以减少CO2和SO2的排放量达到3.5万吨; 4) 长寿命： LED光源比白炽灯寿命长100倍；比荧光灯长5倍。,74,LED光源与传统光源的比较,75,高亮度LED种类与技术,76,InGaN / GaN 双异质结蓝光LED器件原理,77,有机薄膜 OLED 器件原理,78,白光 LED 1. 蓝光InGaN LED激发YAG-Ce荧光粉产生白光（见图）。 2. 紫外光GaN LED激发三基色荧光粉产生白光。 3. 红、绿、蓝三基色的 LED组合成白光光源。,79,地球表面每年接收到的太阳辐射能量高

23、达： 1）太阳是人类最丰富的能源 2）太阳能是最洁净的能源 3）太阳能可就地开发不需运输,能源光子技术的关键技术之一 太阳能电池（SC）技术,80,光伏太阳电池,太阳能优点 ：1）太阳能是最丰富的能源 2）太阳能是最洁净的能源 3）太阳能不需运输可就地开发,各种能源耗尽的年份,81,太阳电池发展简史,1954年贝尔实验室研制出首个硅太阳电池（效率6） 1958年硅太阳电池第一次在太空应用 1979年我国开始生产单晶硅电池 80年代中期引进国外设备形成我国的制造产业 2009提出太阳能屋顶计划和金太阳示范工程 太阳电池产品国际年增长率：达到50%。 光伏发电提供全球电能：现在2%，2040年达到

24、25%,82,太阳能利用的物理效应光伏效应 太阳电池光电转换效率最高的半导体p-n结光伏器件 太阳电池按材料分类： 硅太阳电池 （多晶硅-效率20%、单晶硅-效率25%） 化合物太阳电池（硫化镉、硒铟铜、碲化镉、砷化镓、磷化铟） 有机薄膜太阳电池 纳米太阳电池 (纳米硅电池、二氧化钛纳米电池) 太阳电池产品年增长率：达到50%。 光伏发电提供全球电能：现在2%，2040年达到21-26%,83,太阳光伏电池原理,半导体p-n结光伏器件,84,第一代 体太阳电池： 单晶硅（25%），多晶硅（20%）（效率较高，成本高） 化合物电池：硫化镉、硒铟铜、碲化镉、砷化镓、磷化铟 第二代 薄膜太阳电池：

25、多晶硅，CdTe，CuInSe，有机薄膜（成本低，效率低 10%） 第三代 纳米太阳电池： 量子点、量子阱纳米硅电池，二氧化钛纳米电池， a-Si/C-Si异质结(增加红外吸收)（效率高，成本低） 实验室发光效率：42.8；理论极限为 86.8 %）,太阳电池分类,85,第三代太阳电池的预期效率与每瓦造价示意图 第三代太阳电池造价与第二代基本相当，但效率是第一代的3倍 Science Vol. 315, 798 (2007),86,87,在光伏材料表面做二维纳米透镜、光栅或纳米小孔， 有很强增透作用； 涂以金属纳米颗粒，可使光的吸收能力提高约2-3倍。,表面增透与纳米吸波结构,88,表面纳米陷

26、波结构,分布反射和光栅结构使入射光反射、衍射，增加传播光程，增强硅材料对光波的吸收,89,纳米结构光伏材料黑硅,以飞秒激光脉冲照射SF6气体中的硅晶，在硅表面形成高温、高压，挥发SF4，形成高度300 nm、间隔1 m的尖峰状结构“黑硅”，该结构对波长300-2300nm 的光有90%的超高吸收（哈佛大学）,90,我国光电子技术现状 光电子技术有较大的发展，建立了几个产业基地； 光电子产业缺乏核心技术，只能封装进口的芯片； 要加强半导体工艺平台建设，自主开发芯片技术； 要加强纳米光子学研究，对现有的产品技术升级。,91,硅光子学简介,92,硅的优缺点,优点： 1、硅衬底材料廉价 2、工艺成熟，

27、稳定性好 3、对1.3m和1.55m波长透明 4、有光子与电子共集成的潜力 5、高导热性质可实现高集成度 6、可精确微加工；单模波导截面 小达0.5m；损耗 0.1dBcm-1 7、自然氧化对包层和电绝缘有利,缺点： 1、非直接带隙， 难作光源 （采用纳米硅） 2、低光学非线性 （采用环腔）,93,硅波分复用器（AWG） 硅微机电光开关（MEMS） 硅基热光开关 硅基环腔光开关 硅光放大器 硅发光二级管（LED） 硅激光器（LD）,硅光子学材料与器件,硅基光纤 硅基光波导 硅基光子晶体 硅基纳米材料 硅电光调制器 硅光电探测器 硅基光互连,94,硅基纳米结构 多孔硅 （Porous Silicon PS） 硅纳米晶体 （Silicon Narocrystals Si-nc) 量子阱、量子线、量子点 （Quantum Wells，Wires and Dots),95,德国 Max Planck 科学家用相分离