1、光電子學的未來,信息技術 - 人類在信息社會生存與發(fā)展的重要支柱,網(wǎng)絡技術革命，將進一步縮小人們的空間和時間距離 人機交互技術的革命，將進一步縮小人與計算機之間的距離 軟件技術的革命，為網(wǎng)絡和計算機的應用提供更加靈活和 可靠的技術保證 微電子由IC向IS(系統(tǒng)集成)發(fā)展導致軟、硬件結合技術的革命 分子電子學、量子電子學、信息光子學的興起, 在信息技術領域會引起原理性的變革 現(xiàn)代通信、計算機技術的發(fā)展引起工業(yè)控制系統(tǒng)、 技術、方法與理論的革命性變革,光電子學的未來,傳輸高通量化 網(wǎng)絡普及化 服務綜合化 系統(tǒng)智能化,信息高速公路特征,光電子學的未來,信息高速公路的關鍵技術 (I),1. 網(wǎng)絡技術

2、2. 光纖通信, 同步網(wǎng)技術 3. 異步轉移模式 ( ATM ) 技術 4. 衛(wèi)星通信技術 5. 移動通信技術 (包括全球個人移動通信技術 ) 6. 信息通用接入網(wǎng)技術 7. 高性能并行計算機系統(tǒng)和接口技術,信息高速公路的關鍵技術 (II),8. 大型數(shù)據(jù)庫和圖像庫技術 9. 高級軟件技術和算法 10. 高速LAN 技術 11. 大畫面高清晰度電視 ( HDTV ) 技術 12. 多媒體技術 13. 遠程醫(yī)療診斷支持系統(tǒng) 14. 遠程教育系統(tǒng),光電子學的未來,光電子學的未來,光電子集成,微電子器件,光電子器件,電子集成,光子集成,光源器件,光探測器件,全光型器件,光 電 子 集 成 器 件,相

3、 干 光 源,非 相 干 光 源,光 電 池 型 器 件,光 電 導 型 器 件,熱 電 型 器 件,光 無 源 器 件,光 控 制 器 件,光 存 儲 器 件,光 隔 離 器,光 頻 變 換 器 光 雙 穩(wěn) 器 件,光 控 制 器 光 開 關 光 偏 轉 器,偏 振 器 光 柵 全 息 元 件,濾 波 器 分 光 器 透 鏡 棱 鏡,光 波 導 光 纖 連 接 器 耦 合 器,熱 釋 電 器 件,熱 敏 電 阻 熱 電 偶 放 電 堆,攝 像 管,光 電 晶 體 管 電 荷 耦 合 器 件,光 電 管 光 電 倍 增 管,雪 崩 型 光 電 二 極 管,本 征 型 光 電 二 極 管,光 電

4、 導 器 件,非 晶 半 導 體 光 電 池,單 晶 PN 結 光 電 池,Se 光 電 池,照 明 器 件 放 電 管 熒 光 管,顯 示 器 件,發(fā) 光 二 極 管,染 料 激 光 器,氣 體 激 光 器,固 體 激 光 器,半 導 體 激 光 器,等 離 子 體 器 件,電 子 束 器 件,電 致 發(fā) 光 器 件,液 晶 器 件,光電子器件發(fā)展,光電子學的未來,光通信新技術,相干光通信 光孤子通信 量子通信,光電子學的未來,光載波 激光器,調制器,光匹配器,單模光纖,光匹配器,光電 檢測器,本振 激光器,中頻放 大、濾波,解調,基帶放 大、濾波,再生,相干光通信系統(tǒng)框圖,光電子學的未來,

5、在光纖的反常色散區(qū)，由于色散和非線性效應相互 作用，可產生一種非常引人注目的現(xiàn)象光學孤子。孤 子是一種特別的波，它可以傳輸很長的距離而不變形， 特別適用于超長距離、超高速的光纖通信系統(tǒng)。,光孤子通信,單光子作為信息載體 單量子態(tài)不可克隆定理,量子信道的引入 不確定性原理,光電子學的未來,偏振分束器的作用 光波,/,格蘭棱鏡,45偏振,光電子學的未來,偏振分束器的作用 光子,格蘭棱鏡,45偏振,光電子學的未來,偏振分束器的作用 光子,格蘭棱鏡,45偏振,光電子學的未來,/,“Photonics Nanostructures”,光子晶體進展,( Photonic Crystals),面向新世紀信息

6、科學與技術的新挑戰(zhàn),光電子學的未來,介觀光學物理的新突破,光學系統(tǒng)分區(qū),( 系統(tǒng)線度 a, 特征波長 1 m ：判據(jù) X a / ),線度 光波長,量子電動力學,介觀光學物理的新突破,Scanning near-field microscopy,Tip:50 nm,SiGe film: dislocation(100 ),Negative refraction in PC ( superprism ),(a) Schematic of the structure (b) without the PC (c) with the PC.,EFS at the normalizedV= 0.325

7、for: the background material ( big circle) the photonic crystal ( small circles) Dashed lines outline the Brillouin zones G is the lattice vector.,介觀光學物理的新突破,高速、寬帶控光功能如何實現(xiàn) ?!, DWDM 傳輸：損耗 色散/斜率( 偏振模色散) 光學非線性 DWDM 控制：復用/解復用(MUX/DMUX) 分插/復接(Add/Drop) 交叉互聯(lián) (OXC),1. 光通信網(wǎng)絡,信息光電子技術的新突破,問題：增益譜不平坦 信道增益失衡 放大自

8、發(fā)輻射(ASE) S/N惡化,損耗限制,信息光電子技術的新突破,色散限制,問題: n 大 傳輸損耗增大 芯徑小 光學非線性增強,問題 : 調諧范圍小,信息光電子技術的新突破,光學非線性限制, 折射率調制 自相位調制 (SPM)：譜展寬 色散代價 交叉相位調制 (SPM)： 譜展寬 色散代價 四波混頻 (FWM)：相干干擾 串擾 / 功率耗散,信息光電子技術的新突破,光網(wǎng)絡動態(tài)調控,信息光電子技術的新突破,光纖光柵型OADM,問題：光纖光柵不可調,信息光電子技術的新突破,微電機械(MEMS) OADM,問題：表面物理狀態(tài)難控制,信息光電子技術的新突破,2. 光子學集成(VLSI),困難: 光子器

9、件尺寸mm-cm級波導彎曲損耗,信息光電子技術的新突破,期待新一代光電功能材料的突破 !！!,光通信發(fā)展歷史的見證,光子晶體, 概念光子能帶 光子晶體特性,光子晶體（PC）,光子能帶,結構參量: 孔徑 d 周期 芯徑 , 光子晶體光纖是帶缺陷 (纖芯)的二維光子晶體,光子晶體特性, 抑制頻率落在帶隙內的原子和分子的自發(fā)輻射,1.光子帶隙( PBG )限制作用, 禁止頻率落在帶隙內的光傳播帶阻濾波器,光子晶體特性,2. PBG 限制的“微腔”作用,應用： 實現(xiàn)接近零閾值的激光輻射 實現(xiàn)對量子態(tài)（量子比特）的操作, 帶隙限制微腔的光子局域 ( Photonic location ),光子晶體特性,

10、應用： 高速度、高選擇性、高集成度的動態(tài)調控（如濾波 衰減、開關、分插/復用等） 微腔波導激光器,3.PBG限制“微腔”間的耦合作用, “微腔”間通過消逝場直接耦合或跳躍式耦合微腔波導,光子晶體特性, 空心波導(無介質損耗、無色散、無光學非線性 應用： 實現(xiàn)超高速、超長距離光通信,4.線缺陷的PBG限制導波作用, 無全內反射機制(無輻射模)，可折彎成90o而無光損耗 應用： 解除了傳統(tǒng)光集成回路尺度過大（毫米級）的理論 限制，實現(xiàn)大規(guī)模微米級光集成回路的夢想。, 單模波導芯徑可粗可細，光學非線性可弱可強 應用： 實現(xiàn)高效率、低能耗的全光型光學非線性功能器件 （四波混頻、波長變換、受激拉曼散射、

11、高速光開關）,光子晶體特性,5.納米尺度光學效應,?!,光子晶體的發(fā)展進程,光子晶體交叉學科發(fā)展的產物,二維光子晶體 (光子晶體光纖PCF ),百花爭艷 PCF,GLS glass,摻Yb,PCF 類型,PCF 制備工藝,20 mm,0.03 mm,20 mm,1 mm,1 mm,1 mm,玻璃毛細管聚束熔垃法,PCF 制備工藝,玻璃毛細管聚束熔垃法, =2n2/(Aeff)：,n2 , Aeff , =1.6 mm,SF57 Schott glass: n = 1.83(633nm) ,1.80(1.53m)， = 0.7dB/m (633nm) , 0.3dB/m(1.53m) n2=4.

12、11019m2/W (比純SiO2大20倍)，Ts= 519oC (softening temprature), =125 m,PCF 制備工藝,玻片芯組裝模壓法, = 550W1km1（1550nm）( 比SMF大500倍，比普通PCF大15倍）,Single mode transmission at 633nm and 1550nm,PCF 制備工藝,高光學非線性PCF,PCF 制備工藝,溶膠凝膠（Sol-gel法,PCF 制備工藝,帶隙寬度可調PCF,單模有機聚合物光子晶體光纖,PCF 制備工藝,Near-field pattern,1. 寬帶低損單模傳輸,Interstitial ho

13、les, The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal.,PCF 特性,應用: 大模場面積高功率激光/放大器 小模場面積非線性光學器件,2. 可變的光學非線性, 傳導模數(shù)與 /0無關，只決定于. d/ Aeff : 1 1000m2 by changing ,PCF 特性,3. 靈活的色散特性,應用：色散補償/色散管理/光孤子技術等,PCF 特性,4.場致折變,實例：可調光纖光柵（熱光效應,PCF 特性,5. 單纖多芯傳輸 / 耦合,應用：多信道光傳輸 /光纖傳感, 光控光耦合器件,PCF 特性,6.

14、 空氣芯光纖,無損耗 ! 無材料色散 !！ 無光學非線性 !！,應用：通信/傳感,PCF 特性,PCF 應用研究進展,PCF 拉曼放大器,PCF波長轉換,PCF 應用研究進展,LPG:,電調 PCF 衰減器,PCF 應用研究進展,電調 PCF 衰減器,PCF 應用研究進展,Dynamic range: 30dB, Insertion loss:0.8dB, PDL:0.5dB, :1sec,電調PCF衰減器,PCF 應用研究進展,電調 PCF 濾波器,PCF 應用研究進展,PCF 應用研究進展,PCF 耦合器,PCF 寬帶波長/模選擇耦合器,PCF 應用研究進展,二維光子晶體 ( 平光子晶體板

15、PCF ),微電子工藝,PCS 制備工藝,Fig. 1: Photonic crystal waveguide in SOI. Pitch is 460nm, hole-size is 290nm.,Fig. 2: Photonic crystal hole size after lithography and etch for different triangular lattice designs.,248nm DUV lithography on SOI,SOI photonic crystals for 1550nm ：periods ： 400500nm hole sizes：160

16、 300nm.,PCS 制備工藝,PBG限制波導,PCS 特性,PCS 特性,PBG限制波導微腔耦合,PC微腔復用/解復用器,PCS 應用研究進展,PC濾波器,PCS 應用研究進展,共面PC諧振腔,PCS 應用研究進展,1563 nm,1609 nm,Lcavity=6m, Q=400,微腔耦合波導激光器,( CALTECH ),( MIT ),PCS 應用研究進展,光子晶體微腔激光器,-HCL:H2O=4:1 wet chemical etch,PCS 應用研究進展,光子晶體微腔激光器,PCS 應用研究進展,光子晶體微腔激光器,PCS 應用研究進展,光子晶體,（三維）,制備工藝,半導體光刻工藝,制備工藝,溶膠凝膠（Sol-gel)法,微球尺度 855nm1.3, SiO2 - Opals ( 模板 ) 制備,制備工藝,溶膠凝膠（Sol-gel)法,Si - inverted opals 制備,制備工藝,(111) surface,2層,4層,16層,a. 透射譜： 理論 實驗 b. 理論計算的光子能帶,空氣球大小： (a, b): 1mm, (c, e): 670nm,制備工藝,(100) surface,c. 理論計算的光子能帶 b. 反射譜： 841nm, 1070nm,空氣球大?。?(d, f) : 855mm,(c )(d) Patterned pho