光电子技术清华大学课件

光电子学的未来光电子学的未来信息技术信息技术-人类在信息社会生存与发展的重要支柱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 微电子由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光电子学的未来 传输高通量化传输高通量化 网络普及化网络普及化 服务综合化服务综合化 系统智能化系统智能化信息高速公路特征信息高速公路特征光电子学的未来光电子学的未来信息高速公路的关键技术信息高速公路的关键技术(I)1.网络技术网络技术2.光纤通信光纤通信,同步网技术同步网技术3.异步转移模式异步转移模式(ATM)技术技术4.卫星通信技术卫星通信技术5.移动通信技术移动通信技术(包括全球个人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高性能并行计算机系统和接口技术信息高速公路的关键技术信息高速公路的关键技术(II)8.大型数据库和图像库技术大型数据库和图像库技术9.高级软件技术和算法高级软件技术和算法10.高速高速LAN 技术技术11.大画面高清晰度电视大画面高清晰度电视(HDTV)技术技术12.多媒体技术多媒体技术13.远程医疗诊断支持系统远程医疗诊断支持系统14.远程教育系统远程教育系统光电子学的未来光电子学的未来光电子学的未来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器件发展光电子学的未来光电子学的未来光通信新技术光通信新技术相干光通信相干光通信光孤子通信光孤子通信量子通信量子通信光电子学的未来光电子学的未来光载波光载波激光器激光器调制器调制器光匹配器光匹配器单模光纤单模光纤光匹配器光匹配器光电光电检测器检测器本振本振激光器激光器中频放中频放大、滤波大、滤波解调解调基带放基带放大、滤波大、滤波再生再生相干光通信系统框图相干光通信系统框图光电子学的未来光电子学的未来 在光纤的反常色散区，由于色散和非线性效应相互在光纤的反常色散区，由于色散和非线性效应相互作用，可产生一种非常引人注目的现象光学孤子。孤作用，可产生一种非常引人注目的现象光学孤子。孤子是一种特别的波，它可以传输很长的距离而不变形，子是一种特别的波，它可以传输很长的距离而不变形，特别适用于超长距离、超高速的光纤通信系统。特别适用于超长距离、超高速的光纤通信系统。光孤子通信光孤子通信单光子作为信息载体单光子作为信息载体 单量子态不可克隆定理单量子态不可克隆定理量子信道的引入量子信道的引入 不确定性原理不确定性原理光电子学的未来光电子学的未来偏振分束器的作用偏振分束器的作用 光波光波 /格兰棱镜格兰棱镜45 偏振偏振光电子学的未来光电子学的未来偏振分束器的作用偏振分束器的作用 光子光子 格兰棱镜格兰棱镜45 偏振偏振光电子学的未来光电子学的未来偏振分束器的作用偏振分束器的作用 光子光子格兰棱镜格兰棱镜45 偏振偏振光电子学的未来光电子学的未来/“Photonics“Photonics Nanostructures”Nanostructures”光子晶体进展光子晶体进展(Photonic Crystals)面向新世纪信息科学与技术的新挑战面向新世纪信息科学与技术的新挑战光电子学的未来光电子学的未来介观光学物理的新突破介观光学物理的新突破光学系统分区光学系统分区(系统线度系统线度 a,特征波长特征波长 1 m：判据：判据 X a/)介观系统介观系统(a 1-100 m,X 1)线度不够大：光子线度不够大：光子 “点点”线度不够小：系统线度不够小：系统 “点点”Maxwell电磁场理论电磁场理论 线度足够大：光子线度足够大：光子 “点点”宏观系统宏观系统(a 1cm,X 1)几何光学几何光学 线度足够小：原子或分子线度足够小：原子或分子 “点点”微观系统微观系统(a 1nm,X 1)Einstein量子力学量子力学(a 0.1-100nm0.1-100nm,X 1)纳光子学纳光子学光子晶体光子晶体(a 0.1-10.1-1 m,X 1)线度线度 光波长光波长量子电动力学量子电动力学介观光学物理的新突破介观光学物理的新突破Scanning near-field microscopy Tip:50 nmSiGe 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 for:the background material(big circle)the photonic crystal(small circles)Dashed lines outline the Brillouin zones G is the lattice vector.介观光学物理的新突破介观光学物理的新突破高速、宽带控光功能如何实现高速、宽带控光功能如何实现?!DWDM 传输：损耗传输：损耗 色散色散/斜率斜率(偏振模色散偏振模色散)光学非线性光学非线性 DWDM 控制：复用控制：复用/解复用解复用(MUX/DMUX)分插分插/复接复接(Add/Drop)交叉互联交叉互联 (OXC)1.光通信网络光通信网络信息光电子技术的新突破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.WDM Channels25 THz问题：增益谱不平坦问题：增益谱不平坦 信道增益失衡信道增益失衡 放大自发辐射放大自发辐射(ASE)S/N恶化恶化 Er-doped fiber amplifier(EDFA)Er-10.00 dBmFiber Raman amplifier(FRA)1450 nm PumpEDFA 20 kmWDMRaman amplifier1400 1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620164002468101214161820 BY Axis TitleX axis title14001420144014801500152015401560158016001620146020181614121086429损耗限制损耗限制信息光电子技术的新突破信息光电子技术的新突破201510 5-5 -10-1501.11.21.31.41.51.61.7Wavelength,mDispersion,ps/nmnm色散限制色散限制问题问题:n n 大大 传输损耗增大传输损耗增大 芯径小芯径小 光学非线性增强光学非线性增强=0.35%+2.5 =0.35%+2.5 =0.35%SMFDCF-aDCF-b 色散补偿光纤色散补偿光纤(DCF)色散位移光纤色散位移光纤(DSF)色散平坦光纤色散平坦光纤(DFF)特种光纤特种光纤问题问题:调谐范围小调谐范围小 非线性啁啾光纤光栅非线性啁啾光纤光栅123信息光电子技术的新突破信息光电子技术的新突破光学非线性限制光学非线性限制 折射率调制折射率调制 自相位调制自相位调制(SPM)：谱展宽：谱展宽 色散代价色散代价 交叉相位调制交叉相位调制(SPM)：谱展宽谱展宽 色散代价色散代价 四波混频四波混频(FWM)：相干干扰：相干干扰 串扰串扰/功率耗散功率耗散 信息光电子技术的新突破信息光电子技术的新突破光网络动态调控光网络动态调控信息光电子技术的新突破信息光电子技术的新突破WDM/Point-to-Point Transport Fixed WDM/Multipoint Network Optical XC and WADMReconfigured WDM/Multipoint Network 124Fibergrating1234Circulator 3InputDropIsolatorFibergrating1234Circulator 3OutputAdd光纤光栅型光纤光栅型OADM问题：问题：光纤光栅不可调光纤光栅不可调信息光电子技术的新突破信息光电子技术的新突破微电机械微电机械(MEMS)OADM问题：表面物理状态难控制问题：表面物理状态难控制信息光电子技术的新突破信息光电子技术的新突破2.光子学集成光子学集成(VLSI)(VLSI)困难困难:光子器件尺寸光子器件尺寸mm-cm级波导弯曲损耗级波导弯曲损耗Thermooptic phase shiftersWaveguide gratings with interleave chirp10 cm信息光电子技术的新突破信息光电子技术的新突破1970s：异质结半导体材料（异质结半导体材料（LD 室温工作）室温工作）石英光导纤维（损耗石英光导纤维（损耗 458 nm近场光斑近场光斑 h=0.006510m 3.灵活的色散特性灵活的色散特性应用：色散补偿应用：色散补偿/色散管理色散管理/光孤子技术等光孤子技术等 PCF 特性特性 大的正色散大的正色散 =1.4 m =0.66 D=250 ps/nm km 平坦的零色散平坦的零色散 =2.9 m =0.52 D=0 ps/nm km 大的平坦负色散大的平坦负色散 =3.2 m =047 D=-100 ps/nm/km4.4.场致折变场致折变实例：可调光纤光栅（热光效应实例：可调光纤光栅（热光效应电光效应电光效应？声光效应声光效应？磁光效应磁光效应？光折变效应光折变效应？应用：动态光控制器件应用：动态光控制器件 PCF 特性特性5.单纤多芯传输单纤多芯传输/耦耦合合应用：多信道光传输应用：多信道光传输/光纤传感光纤传感,光控光耦合器光控光耦合器件件 PCF 特性特性6.空气芯光纤空气芯光纤 无损耗无损耗!无材料色散无材料色散!！无光学非线性无光学非线性!！应用：通信应用：通信/传感传感 PCF 特性特性 PCF 应用研究进展应用研究进展 pump=1536nm signal=1650nm0rcore=1.6 mLHF=75mAeff=2.85 mLB=0.4mmPCF 拉曼放大器拉曼放大器G=42.8dB NF6dBXPM+narrowband filtering(data rate of 10 Gbit/s)LHF=5.8m,rcore=2.0 m,Aeff=2.93(+/-0.3)m2 50dB/km,D=+100 ps/nm-km(1550),=31W-1km-1 control=1551nm,prob=1530-1580nmPCF波长转换波长转换 PCF 应用研究进展应用研究进展LPG:电调电调 PCF 衰减器衰减器 PCF 应用研究进展应用研究进展电调电调 PCF 衰减器衰减器 PCF 应用研究进展应用研究进展Dynamic range:30dB,Insertion loss:0.8dB,PDL:0.5dB,:1sec电调电调PCF衰减器衰减器 PCF 应用研究进展应用研究进展电调电调 PCF 滤波器滤波器 PCF 应用研究进展应用研究进展 PCF 应用研究进展应用研究进展 PCF 耦合器耦合器SMFHOFPCF 宽带波长宽带波长/模选择耦合器模选择耦合器 PCF 应用研究进展应用研究进展二维光子晶体二维光子晶体(平光子晶体板平光子晶体板PCF)微电子工艺微电子工艺 PCS 制备工艺制备工艺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 300nm.PCS 制备工艺制备工艺PBG限制波导限制波导 PCS 特性特性PCS 特性特性PBG限制波导微腔耦合限制波导微腔耦合PC微腔复用微腔复用/解复用器解复用器 PCS 应用研究进展应用研究进展PC滤波器滤波器 PCS 应用研究进展应用研究进展 共面共面PC谐振腔谐振腔 PCS 应用研究进展应用研究进展1563 nm1609 nmLcavity=6 m,Q=400微腔耦合波导激光器微腔耦合波导激光器(CALTECH)(MIT)PCS 应用研究进展应用研究进展光子晶体微腔激光器光子晶体微腔激光器-HCL:H2O=4:1 wet chemical etch4 1.2%Compressively Strained InGaAsP QWsSlab thichness:10nm QWs separated by 23nm barriersLattice constant:=550nm,Radius of the holes:d=215nmCentral defect cavity:19 holesPMMAElectron-beam lithographyCr-Cu layerAr+ion beam etchSiN2 layerCF4 reactive ion etchInP SubstrateInGaAsP QWs regionECR etch PCS 应用研究进展应用研究进展光子晶体微腔激光器光子晶体微腔激光器 PCS 应用研究进展应用研究进展光子晶体微腔激光器光子晶体微腔激光器 PCS 应用研究进展应用研究进展光子晶体光子晶体（三维三维）制备工艺制备工艺 半导体光刻工艺半导体光刻工艺 Waves of certain can not enter intoor propagate through the materials.ModeldWSiddddayz(a)(b)(c)(d)(e)bFabricationExampleSi/SiO2 gap=14%0,center =1.5 m 制备工艺制备工艺 溶胶凝胶（溶胶凝胶（Sol-gel)Sol-gel)法法 SiSubstrateSubstrate微球尺度 855nm1.3 SiO2-Opals (模板模板)制备制备Th80oC65oC 制备工艺制备工艺 溶胶凝胶（溶胶凝胶（Sol-gel)Sol-gel)法法 Si-inverted opals 制备制备550oCSubstrateSubstrateSubstrateLPCVD 制备工艺制备工艺 (111)surface2层层4层层16层层a.透射谱：透射谱：理论理论 实验实验b.理论计算的光子能带理论计算的光子能带空气球大小：空气球大小：(a,b):1mm,(c,e):670nm 制备工艺制备工艺 (100)surfacec.理论计算的光子能带理论计算的光子能带 b.反射谱：反射谱：841nm,1070nm空气球大小：空气球大小：(d,f):855mm(c)(d)Patterned photonic crystals with high aspect ratiosDoping and patterning Si photonic crystals(b)在大面晶体中刻进在大面晶体中刻进100-m 光子晶体环光子晶体环 (a)在在 Si 光子晶体中引入填隙缺陷光子晶体中引入填隙缺陷 制备工艺制备工艺 应用研究应用研究 量子信息处理量子信息处理光电子学的未来光电子学的未来光电子技术及应用课程的讲义参考了：光电子技术及应用课程的讲义参考了：姚敏玉教授的姚敏玉教授的激光原理激光原理讲义讲义 刘小明教授的刘小明教授的光电子技术基础光电子技术基础讲义讲义 董毅副教授的董毅副教授的光通信光通信讲义讲义 郑小平副教授的郑小平副教授的光纤传感技术光纤传感技术讲义讲义 感谢：感谢：光电子学的未来光电子学的未来谢谢 谢谢