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GaoyongfengJiangsuuniversity集成光学集成光学•集成光学的基本理论•集成光学器件及系统•制作集成光学器件的材料与主要工艺•光波导参量的测量学什么？第一讲•集成光学概论－集成光学的概念–集成光学的特点–集成光学的发展和现状–研究集成光学的意义学什么？集成光学的概念•概念的提出和实现–1969年，Miller博士提出了集成光学的概念–1972年，Somekh和Yariv提出了在同一衬底上同时集成光、电子器件的构想–1972年至今，研究人员开始利用各种材料、多种制备方法制作集成光学器件集成光学的概念•概念－将半导体激光器、光调制器、接收器等光子和光电子元件为核心集成，以具有一定功能的体系为标志•内容－多功能、稳定、可靠的光集成体系和混合光电集成体系集成光学的概念•应用领域－光纤通信－光纤传感技术－光学信息处理－光计算机－光存储*材料科学研究*光学仪器*光谱研究集成光学的概念•理论基础－光学－光电子学*现代光学•工艺基础－薄膜技术－微电子工艺技术集成光学的特点•特点－用集成光路代替集成电路－用导光波的介质平面光波导和光学纤维代替电线或者同轴电缆集成光学的特点•集成光学系统与离散光学器件系统的比较•集成光路与集成电路的比较•光纤与电传输线的比较集成光学系统与离散光学器件系统的比较•离散光学器件系统－非集成，组装和调整困难－器件体积和重量大，构成的系统大约是l平方米的数量级，光束的粗细大约为1cm－稳定性差，光束的调准困难集成光学系统与离散光学器件系统的比较•集成光学器件系统–光波在光波导中传播–集成化带来的稳固定位–对振动和温度等环境因素的适应性较强–器件尺寸和相互作用长度的缩短；相关的电子器件的工作电压也较低–功率密度高–体积小，集成光学器件一般集成在厘米尺度的衬底上；重量轻。集成光路与集成电路的比较•集成电路–1947年发明晶体管。1957年发明集成电路–目前已经实现超大规模集成电信号易受电磁场干扰电子器件处理信号的速率受限制集成光路与集成电路的比较•集成光路－带宽增加－波分复用－多路开关－耦合损耗小－可靠性高初具规模，部分实现市场化－尺寸小－重量轻－功耗小－成批制备经济性好集成光路与集成电路的比较光纤与电传输线的比较光纤与双绞线电缆损耗的比较光纤与电传输线的比较光纤与同轴电缆损耗的比较光纤与电传输线的比较•光纤的优点－带宽很宽，传输的信息量大－传输损耗小－电磁干扰小－不存在电的短路或接地问题－在易燃区安全－保密性好，难于窃听－尺寸小，重量轻－价格低廉，原材料丰富集成光学的发展和现状•发展1962年开发出半导体同质结激光二极管1963年提出双异质结构半导体激光二极管，并对其工作原理作了深入研究1967年出现的异质结外延生长技术，拉开了半导体激光器实用化的序幕1970年实现激光二极管的室温连续工作1970年研制成功低损耗光纤集成光学的发展和现状•现状光波导材料－半导体（GaAs、InP、Si等）－无源介质材料（LiNbO3、ZnO等）－无定形材料（聚合物和玻璃）半导体激光器及阵列、光放大器、调制器等低损耗光纤（0.2dB/km）集成光学的发展和现状•现状理论研究－器件新原理－器件设计概念－器件结构设计－器件功能模拟－器件特性参数计算集成光学的发展和现状•现状数值计算方法－传递矩阵方法(TMN:transfermatrixmethod)－光束传播法(BPM:beampropagationmethod)－时域有限差分法(FDTD:finitedifferencetimedomain)－有限元法(FEM:finiteelementmethod)集成光学的发展和现状•未来光子晶体微谐振腔微腔激光器纳米量子线导光等离子体基元表面波集成光学的发展和现状•未来光子晶体波导在小型化、高集成度的高密度密集集成光路中有巨大的发展潜力表面等离子体基元波导为发展尺度远小于现在能够达到水平的纳米集成光路提供可能纳米量子线波导与纳米尺度的微腔和激光器结合，有望成为结构紧凑、小尺寸的高密度密集纳米集成光路的关键组件集成光学的发展和现状•国际※研究及交流活跃，起步较早－1972年，美国光学协会主办集成光学主题会议•国内※1970年开始研究，发展迅速集成光学的发展和现状•当前研究热点在很大程度上提高集成光学器件的可靠性和稳定性减小波导传输损耗、降低散射减小器件尺寸，提高集成度期待光路/光元件的集成化提高光通信用多波长光源的性能、成本、可靠性突破目前的“光-电-光”交换的瓶颈进一步改善开关/调制器的消光比集成光学的发展和现状•当前研究热点力争利用聚合物材料制作出实用化的集成光学器件尽可能研制实用化的波导型磁光隔离器和环行器，减小尺寸、提高集成度制作高质量的狭长结构波导所需要的工艺制作技术新集成光学材料及利用这些材料制作光波导的技术研究研究新的耦合技术以高效的实现高性能的耦合。研究集成光学的意义•光子是一种电中性粒子，其运动及光信号不受电磁干扰•电子学的发展为我们更好地控制和使用光波奠定了基础研究集成光学的意义•光电子技术的优势∑利用微电子学中的p-n结和谐振腔技术结合产生激光，这种激光易于用电方法控制∑利用电子学中的电磁波传输原理，发展包括光纤在内的光波导，实现光信号传输∑电子学发展起来的整套工艺及电光转换技术，架起了电子和光子技术的桥梁研究集成光学的意义•3“T”时代即将到来⌂信息传输速率将达到每秒万亿比特（Tb/s）⌂数据处理速度将达到每秒万亿次（T/s）⌂存储容量将达到万亿字节（Tb）研究集成光学的意义•集成光学集中并发展了光学和微电子学的固有技术优势•将传统的由分立器件构成的庞大的光电系统变革为集成光学系统。•集成光学系统具有宽带、高速、高可靠、抗电磁干扰、体积小、重量轻等优点•可以被广泛用于光通信、光信息处理、光传感技术、自动控制、电子对抗、光子对抗、光子计算机等高技术领域