集成光学课程介绍课件.ppt

1、集成光学课程介绍u课程性质u教学目标u课程研究内容与学时分配u课程特点与学习方法u教材和参考书 第一章 绪论 第二章第二章 平面介质光波导和耦合模理论平面介质光波导和耦合模理论 第三章第三章 晶体在外场作用下的光学性质晶体在外场作用下的光学性质 第四章第四章 光有源器件光有源器件 第五章第五章 集成光无源器件集成光无源器件 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参考资料（一）参考资料（一）主要参考书：主要参考书：1.Hunsperger R.G.Integrated Optics:theory and technology,B

2、erlin:Springer-Verlag,20022.小林功郎小林功郎 著，光集成器件，崔凤林著，光集成器件，崔凤林 译，科学出版社，译，科学出版社，20023.西原浩西原浩 等著，集成光路，梁瑞林等著，集成光路，梁瑞林 译，科学出版社，译，科学出版社，20044.佘守宪，导波光学物理基础，北方交通大学出版社，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）参考资料（二）主要期刊：主要期刊：Fiber and Integrated OpticsJour.Optical Society of AmericaApplied OpticsJour.Applied Physics

3、Applied Physics LettersIEEE Jour.Quantum ElectronicsIEEE Jour.Lightwave Technology会议论文集：会议论文集：IOOC，ECIO，IPR(integrated photonics research)，OFC，ECOC第一章第一章 集成光学概论集成光学概论1.1 集成光学的集成光学的概念概念1.2 集成光学的集成光学的特点特点1.3 集成光学的集成光学的发展发展和和现状现状1.4 研究集成光学的研究集成光学的意义意义1.1 1.1 集成光学的概念集成光学的概念1.集成电路集成电路(integrated circuit,

4、IC)1947年，贝尔研究所的肖克利、巴丁、布拉顿发明年，贝尔研究所的肖克利、巴丁、布拉顿发明晶体管晶体管 1957年，得克萨斯仪器公司的基尔毕年，得克萨斯仪器公司的基尔毕(Kirby)发明发明集成电路集成电路2006年，被集成的晶体管个数达到两亿个；今年，美国英特尔集成年，被集成的晶体管个数达到两亿个；今年，美国英特尔集成了了23亿个晶体管亿个晶体管（目前最高水平）。（目前最高水平）。“集成集成”成为了一种潜力难以估量的科学技术手段。成为了一种潜力难以估量的科学技术手段。集成电路2.集成光学概念的提出集成光学概念的提出目前，目前，“集成光学集成光学”的概念涵盖广泛的内容。的概念涵盖广泛的内容

5、。1969年美国贝尔实验室的年美国贝尔实验室的Miller博士博士（1）光束能限制在光波导中传播；）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；）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）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：纳了三条定义：概念的提出概念的提出3.集成光学的定义集成光学的定义集成光学是在集成光学是在光电子学和微电子学光电子学和微电子学基础上，采用集成方法基础上，采用集成方

6、法研究和发展研究和发展光学器件光学器件和和混合光学电子学器件混合光学电子学器件系统的一门系统的一门新的学科。新的学科。集成光学是研究集成光学是研究介质薄膜介质薄膜中的中的光学光学现象，以及现象，以及光学元器件光学元器件集成化集成化的一门学科。的一门学科。集成光学是研究集成光学是研究集成光路特性集成光路特性和和制造技术制造技术以及以及与微电子学与微电子学相结合的学科。相结合的学科。集成光学是利用集成光学是利用光波导光波导能把能把光限制在微米量级波导区光限制在微米量级波导区域域中并中并沿一定方向传播沿一定方向传播的特性，实现的特性，实现光学器件光学器件的平面化和的平面化和光学系统光学系统的集成化。

7、的集成化。4.从四个方面理解集成光学的概念：从四个方面理解集成光学的概念：理论基础理论基础光学光学光电子学光电子学工艺基础工艺基础薄膜技术薄膜技术微电子工微电子工艺艺主要目的主要目的实现光学实现光学系统的薄系统的薄膜化、微膜化、微型化和集型化和集成化成化主要应用主要应用光纤通信光纤通信光子计算光子计算机机光纤传感光纤传感光学信息光学信息处理等处理等5.5.集成光学的分类集成光学的分类按集成的方式划分按集成的方式划分个数个数集成集成功能功能集成集成按集成的类型划分按集成的类型划分光子光子集成回路（集成回路（PIC）光电子光电子集成回路（集成回路（OEIC）按集成的技术途径按集成的技术途径划分划分

8、单片单片集成集成混合混合集成集成按研究内容划分按研究内容划分导波光学导波光学集成光路集成光路个数集成个数集成功能集成功能集成功能集成功能集成功能集成功能集成功能集成功能集成单片集成单片集成6.集成光学的理论问题集成光学的理论问题媒体媒体波导波导理论理论建立在麦克斯韦方程组基础上的媒体媒体波导电磁理论波导电磁理论从射线光学角度，建立了锯齿波模型锯齿波模型的波导理论7.集成光学主要应用（一）集成光学主要应用（一）光纤通信光纤通信光光纤纤通通信信光光集集成成器器件件集成激光源集成激光源波导光栅阵列密集波分复用器波导光栅阵列密集波分复用器窄带响应集成光电探测器窄带响应集成光电探测器快速响应光开关矩阵快

9、速响应光开关矩阵路由选择的波长变换器路由选择的波长变换器6.集成光学主要应用（二）集成光学主要应用（二）光子计算机光子计算机光子系统光子系统作为计算机的主体作为计算机的主体光子光子作为主要的信息载体作为主要的信息载体光运算光运算作为计算机运算方式的计算机作为计算机运算方式的计算机全新全新的计的计算机算机超高的运算速度超高的运算速度:串行电子计算机的极限速度串行电子计算机的极限速度是是1010次次/秒，而光子计算机的理论计算速度达秒，而光子计算机的理论计算速度达1023次次/秒，在技术上可实现秒，在技术上可实现10121015次次/秒的计算速度秒的计算速度超并行性超并行性工作的能力工作的能力具有

10、具有极高的信息存储能力极高的信息存储能力比电子计算机比电子计算机高高106109倍。倍。优优点点几个光学器件集几个光学器件集成在一起成在一起的简单概的简单概念念集光学、激光、微集光学、激光、微电子学、光电子学、电子学、光电子学、通信、薄膜技术等通信、薄膜技术等为一体的为一体的独立的独立的边缘学科边缘学科当今光学和光电子当今光学和光电子学领域的学领域的发展前发展前沿之一沿之一光学发展的光学发展的必由之必由之路和高级阶段路和高级阶段。40年发展1.2 集成光学的特点集成光学的特点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，光波光波在

11、光波导中传播，光波容易控制和保持其能量容易控制和保持其能量。(2)集成化带来的集成化带来的稳固定位稳固定位。(3)器件尺寸和相互作用器件尺寸和相互作用长度缩短长度缩短；相关的电子器件的；相关的电子器件的工工作电压也较低作电压也较低。(4)功率密度高功率密度高。沿波导传输的光被限制在狭小的局部空。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。和利用非线性效应工作。(5)体积小，重量轻。集成光学器件体积小，重量轻。集成光学器件一般集成在厘米尺度一般集成在厘米尺度的衬底上，的衬底上，其体积小

12、，重量轻。其体积小，重量轻。1.2.2 集成光集成光路的组成路的组成激光器调制器探测器衬底激光器调制器探测器衬底光波导光波导隔离器隔离器耦合器耦合器滤波器滤波器集成光路无源器件有源器件各种光连接器1光波导具有非常宽的带宽光波导具有非常宽的带宽2光子器件中光子运动速度比电子器件中电子高光子器件中光子运动速度比电子器件中电子高得多，而且没有导线电容和电感对频率的限制得多，而且没有导线电容和电感对频率的限制3在同一光路上可以传输和处理多个或多频率的在同一光路上可以传输和处理多个或多频率的信号，即实现信号，即实现“波分多路复用波分多路复用”4在空间上可以实现一维或二维以致三维立体的在空间上可以实现一维

13、或二维以致三维立体的多路阵列传输及存储、处理多路阵列传输及存储、处理5较小的尺寸、重量，较低功耗较小的尺寸、重量，较低功耗6成批制造的前景和经济性成批制造的前景和经济性7改善可靠性改善可靠性8改善光学连接及对准的稳定性和可靠性，避免改善光学连接及对准的稳定性和可靠性，避免由于震动带来的系统不稳定或失败由于震动带来的系统不稳定或失败9降低成本（制造、应用、维护、升级）降低成本（制造、应用、维护、升级）集集成成光光路路的的优优点点光元器件与电子元器件的特性比较光元器件与电子元器件的特性比较特征项特征项光元器件光元器件电子元器件电子元器件(a)基本作用基本作用光波导中的光传输及光与光波导中的光传输及

14、光与电子电子/晶格的相互作用晶格的相互作用衬底表面附近的电子传衬底表面附近的电子传输与控制输与控制(b)基本元器件基本元器件光波导，半导体激光器等光波导，半导体激光器等晶体管、电阻、电容晶体管、电阻、电容(c)元器件尺寸（厚度元器件尺寸（厚度方向）方向）波长（微米）量级，个别波长（微米）量级，个别达到纳米量级达到纳米量级数十纳米至数微米数十纳米至数微米(d)元器件尺寸（长度元器件尺寸（长度方向）方向）微米至数毫米，个别达到微米至数毫米，个别达到纳米级纳米级数十纳米至数微米数十纳米至数微米(e)与其他部件的连接与其他部件的连接稍难稍难需要精密的位置需要精密的位置精度（精度（m），光波导），光波导

15、容易容易-电气布线，导电气布线，导体体(f)元器件可靠性元器件可靠性有问题，通常需要检测全有问题，通常需要检测全部元器件部元器件几乎没有问题，通常进几乎没有问题，通常进行抽验行抽验(g)元器件制造工艺元器件制造工艺多样，研究开发中多样，研究开发中基本平面工艺，已成熟基本平面工艺，已成熟特征项特征项光元器件光元器件电子元器件电子元器件(a)基本作用基本作用光波导中的光传输及光与光波导中的光传输及光与电子电子/晶格的相互作用晶格的相互作用衬底表面附近的电子传衬底表面附近的电子传输与控制输与控制(b)基本元器件基本元器件光波导，半导体激光器等光波导，半导体激光器等晶体管、电阻、电容晶体管、电阻、电容

16、(c)元器件尺寸（厚度元器件尺寸（厚度方向）方向）波长（微米）量级，个别波长（微米）量级，个别达到纳米量级达到纳米量级数十纳米至数微米数十纳米至数微米(d)元器件尺寸（长度元器件尺寸（长度方向）方向）微米至数毫米，个别达到微米至数毫米，个别达到纳米级纳米级数十纳米至数微米数十纳米至数微米(e)与其他部件的连接与其他部件的连接稍难稍难需要精密的位置需要精密的位置精度（精度（m），光波导），光波导容易容易-电气布线，导电气布线，导体体(f)元器件可靠性元器件可靠性有问题，通常需要检测全有问题，通常需要检测全部元器件部元器件几乎没有问题，通常进几乎没有问题，通常进行抽验行抽验特征项特征项光元器件光元

17、器件电子元器件电子元器件(a)基本作用基本作用光波导中的光传输及光与光波导中的光传输及光与电子电子/晶格的相互作用晶格的相互作用衬底表面附近的电子传衬底表面附近的电子传输与控制输与控制(b)基本元器件基本元器件光波导，半导体激光器等光波导，半导体激光器等晶体管、电阻、电容晶体管、电阻、电容(c)元器件尺寸（厚度元器件尺寸（厚度方向）方向）波长（微米）量级，个别波长（微米）量级，个别达到纳米量级达到纳米量级数十纳米至数微米数十纳米至数微米(d)元器件尺寸（长度元器件尺寸（长度方向）方向）微米至数毫米，个别达到微米至数毫米，个别达到纳米级纳米级数十纳米至数微米数十纳米至数微米(e)与其他部件的连接

18、与其他部件的连接稍难稍难需要精密的位置需要精密的位置精度（精度（m），光波导），光波导容易容易-电气布线，导电气布线，导体体特征项特征项光元器件光元器件电子元器件电子元器件(a)基本作用基本作用光波导中的光传输及光与光波导中的光传输及光与电子电子/晶格的相互作用晶格的相互作用衬底表面附近的电子传衬底表面附近的电子传输与控制输与控制(b)基本元器件基本元器件光波导，半导体激光器等光波导，半导体激光器等晶体管、电阻、电容晶体管、电阻、电容(c)元器件尺寸（厚度元器件尺寸（厚度方向）方向）波长（微米）量级，个别波长（微米）量级，个别达到纳米量级达到纳米量级数十纳米至数微米数十纳米至数微米(d)元器件

19、尺寸（长度元器件尺寸（长度方向）方向）微米至数毫米，个别达到微米至数毫米，个别达到纳米级纳米级数十纳米至数微米数十纳米至数微米特征项特征项光元器件光元器件电子元器件电子元器件(a)基本作用基本作用光波导中的光传输及光与光波导中的光传输及光与电子电子/晶格的相互作用晶格的相互作用衬底表面附近的电子传衬底表面附近的电子传输与控制输与控制(b)基本元器件基本元器件光波导，半导体激光器等光波导，半导体激光器等晶体管、电阻、电容晶体管、电阻、电容(c)元器件尺寸（厚度元器件尺寸（厚度方向）方向）波长（微米）量级，个别波长（微米）量级，个别达到纳米量级达到纳米量级数十纳米至数微米数十纳米至数微米特征项特征

20、项光元器件光元器件电子元器件电子元器件(a)基本作用基本作用光波导中的光传输及光与光波导中的光传输及光与电子电子/晶格的相互作用晶格的相互作用衬底表面附近的电子传衬底表面附近的电子传输与控制输与控制(b)基本元器件基本元器件光波导，半导体激光器等光波导，半导体激光器等晶体管、电阻、电容晶体管、电阻、电容特征项特征项光元器件光元器件电子元器件电子元器件(a)基本作用基本作用光波导中的光传输及光与光波导中的光传输及光与电子电子/晶格的相互作用晶格的相互作用衬底表面附近的电子传衬底表面附近的电子传输与控制输与控制1.3 集成光学的发展和现状集成光学的发展和现状1962年：第一个年：第一个半导体同质结

21、激光二极管半导体同质结激光二极管，不能在室温下连，不能在室温下连续工作。续工作。1967年：年：异质结外延生长技术异质结外延生长技术的出现，半导体激光器实用化。的出现，半导体激光器实用化。1969年：年：S.E.Miller提出提出“集成光学集成光学”概念概念1970年实现了激光二极管的年实现了激光二极管的室温连续工作室温连续工作。半导体激光器、。半导体激光器、半导体光放大器和集成光源不断涌现。半导体光放大器和集成光源不断涌现。1.3.1 发展简史发展简史1972年：年：Somekh和和Yariv提出了提出了在同一个半导体衬底上在同一个半导体衬底上同时集成光器件和电子器件同时集成光器件和电子器

22、件的构想。的构想。1987年：年：Yablonovitch和和John大约同时提出了大约同时提出了光子晶体光子晶体（photonic crystal,PC）的概念。）的概念。2003年，中美科学家联合开发出年，中美科学家联合开发出制备纳米线的新方法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、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、可靠的光子计算机和光传感等所需要的多功能、稳定、可靠的光光集成体系和混合光电集成体系集成体系和混合光电集成体系等。等。1970年：研制成功了年：研制成功了低损耗光纤低损耗光纤。1.3.2

23、发展新特点发展新特点IIIV族半导体为衬底族半导体为衬底光通信和光信息处理光通信和光信息处理实验室实验室生产阶段生产阶段纯波导理论研究纯波导理论研究集成光学器件和集成光集成光学器件和集成光路的设计、制作研究路的设计、制作研究多种材料多种材料单一的玻璃或铌酸单一的玻璃或铌酸锂材料锂材料1.3.3 集成光学国际研究进展理论、器件集成光学国际研究进展理论、器件围绕新型集围绕新型集成光学器件成光学器件的结构设计、的结构设计、功能模拟与功能模拟与特性参数的特性参数的计算计算基础理基础理论研究论研究集成器件的集成器件的结构和性能结构和性能模拟模拟设计方法设计方法传递矩阵法传递矩阵法光束传播法光束传播法时域

24、有限差时域有限差分法分法有限元法有限元法从基本原理入手，设计具有一从基本原理入手，设计具有一定功能的光学器件定功能的光学器件从功能角度出发，以提高器件从功能角度出发，以提高器件性能，减少器件损耗，或者使性能，减少器件损耗，或者使器件性能具备特色器件性能具备特色理理论论研研究究基于固体物理学的基本理论和方法，研究基于固体物理学的基本理论和方法，研究和探讨制作微观集成光学器件的可能性和探讨制作微观集成光学器件的可能性基于波动光学的理论和方法，从导波光学基于波动光学的理论和方法，从导波光学的角度来研究集成光学器件的角度来研究集成光学器件器器件件研研究究光通信领域光通信领域集成光学传感器集成光学传感器

25、其他集成光学器件其他集成光学器件高速响应、低啁啾、单稳频集成激光器高速响应、低啁啾、单稳频集成激光器可调谐激光器可调谐激光器多波长多波长DFB激光器阵列激光器阵列窄带响应可调谐集成光子探测器窄带响应可调谐集成光子探测器混合集成光隔离器混合集成光隔离器聚合物光波导光束偏转器聚合物光波导光束偏转器极具极具前景前景的研的研究方究方向向光学双稳态材料、器件与集成的研究光学双稳态材料、器件与集成的研究光子计算机光子计算机传感器的集成光学器件与性能的研究传感器的集成光学器件与性能的研究1.4 研究集成光学的意义研究集成光学的意义三三“T”模式：模式：Tb/s信息传输、信息传输、Tb/s信息处理和信息处理和

26、Tbit信息存储信息存储保障国防安全的核心技术：信息光电子技术保障国防安全的核心技术：信息光电子技术光电子技术：成为光电子技术：成为21世纪的基石和支柱之一世纪的基石和支柱之一集成光学是现代光电子学的一个重要分支集成光学是现代光电子学的一个重要分支l19721972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；光学研究的第一次会议，具有深远的意义；l19901990年起更名为年起更名为Integrated Photonics ResearchIntegrated Photonics Rese

27、arch（IPRIPR），每年召开），每年召开一次一次第一届集成光学和光纤通信国际会议（第一届集成光学和光纤通信国际会议（IOOCIOOC）于）于19771977年在日本年在日本东京召开，从此每隔一年召开一次东京召开，从此每隔一年召开一次日本把日本把OECOEC（Optoelectronics ConferenceOptoelectronics Conference，光电子学会议）作，光电子学会议）作为国内的会议，为国内的会议，19861986年起隔一年召开一次年起隔一年召开一次集成光学的国际会议集成光学的国际会议欧洲每年还要召开欧洲集成光学会议欧洲每年还要召开欧洲集成光学会议ECIO（Eur

28、opean Conference on Integrated Optics）集成光学的研究是从集成光学的研究是从19701970年开始的，发展也十分迅速。年开始的，发展也十分迅速。19811981年召开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。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集成光学的国内会议从从19861986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，所资助的项目大约支持，所资助的项目大约200200多项，其中包括多项，其中包括有源和无源器件及有源和无源器件及其集成相关的

29、理论、方法、材料研究、器件与制作工艺其集成相关的理论、方法、材料研究、器件与制作工艺研究及集成光学系统研究及集成光学系统研究等。研究等。19861986年，我国启动的年，我国启动的“863”863”计划中，将光电子器件及其集成技计划中，将光电子器件及其集成技术选为信息领域的三大主题之一。术选为信息领域的三大主题之一。973计划支持的光电子研究项目（一）计划支持的光电子研究项目（一）19982007年年973计划支持的光电子研究项目（二）计划支持的光电子研究项目（二）2010年项目年项目序号序号项目名称项目名称申报单位申报单位首席科学家首席科学家1新型光电子器件中的异质兼容集成与新型光电子器件中

30、的异质兼容集成与功能微结构体系基础研究功能微结构体系基础研究 北京邮电大学北京邮电大学 任晓敏任晓敏 2超高频、大功率化合物半导体器件与超高频、大功率化合物半导体器件与集成技术基础研究集成技术基础研究 中国科学院微电子研究所中国科学院微电子研究所 刘新宇刘新宇3超高速超大容量超长距离光传输基础超高速超大容量超长距离光传输基础研究研究 武汉邮电科学研究院武汉邮电科学研究院 余少华余少华4重大灾害信息获取光纤传感网络及器重大灾害信息获取光纤传感网络及器件基础研究件基础研究 华中科技大学华中科技大学 姜德生姜德生 5新一代光纤智能传感网与关键器件基新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究础研究 天津大学天津大学 刘铁根刘铁根6光电功能晶体结构性能、分子设计、光电功能晶体结构性能、分子设计、微结构设计与制备过程的研究微结构设计与制备过程的研究 南京大学南京大学 王牧王牧 7氧化锌掺杂及相关器件的基础物理问氧化锌掺杂及相关器件的基础物理问题研究题研究 中国科学院长春光学精密中国科学院长春光学精密机械与物理研究所机械与物理研究所 申德振申德振 8纳米磁性自旋存储器和半导体硅量子纳米磁性自旋存储器和半导体硅量子点存储器的研制及其器件物理研究点存储器的研制及其器件物理研究 中芯国际集成电路制造中芯国际集成电路制造(上上海海)有限公司有限公司 季明华季明华