Концепция интегральной оптики была предложена доктором Миллером из Bell Laboratories в 1969 году. Интегральная оптика — это новая область науки, изучающая и разрабатывающая оптические устройства и гибридные оптико-электронные системы с использованием интегрированных методов на основе оптоэлектроники и микроэлектроники. Теоретической основой интегральной оптики является оптика и оптоэлектроника, включая волновую оптику и информационную оптику, нелинейную оптику, полупроводниковую оптоэлектронику, кристаллическую оптику, оптику тонких пленок, оптику направленных волн, теорию связанных мод и параметрического взаимодействия, тонкопленочные оптические волноводные устройства и системы. Технологической основой является, главным образом, технология тонких пленок и микроэлектроника. Область применения интегральной оптики очень широка: помимо волоконно-оптической связи, волоконно-оптических сенсорных технологий, оптической обработки информации, оптических компьютеров и оптического хранения данных, существуют и другие области, такие как материаловедение, оптические приборы, спектральные исследования.
Во-первых, преимущества интегрированной оптики.
1. Сравнение с дискретными оптическими системами.
Дискретное оптическое устройство — это тип оптического устройства, закрепленного на большой платформе или оптическом основании для образования оптической системы. Размер системы составляет порядка 1 м², а толщина пучка — около 1 см. Помимо больших размеров, сборка и настройка также более сложны. Интегрированная оптическая система имеет следующие преимущества:
1. Световые волны распространяются в оптических волноводах, и световые волны легко контролировать и поддерживать их энергию.
2. Интеграция обеспечивает стабильное позиционирование. Как упоминалось выше, интегрированная оптика предполагает создание нескольких устройств на одной подложке, поэтому отсутствуют проблемы сборки, характерные для дискретной оптики, что обеспечивает стабильность комбинации и лучшую адаптацию к таким факторам окружающей среды, как вибрация и температура.
(3) Размер устройства и длина взаимодействия сокращаются; соответствующая электроника также работает при более низких напряжениях.
4. Высокая плотность мощности. Свет, проходящий вдоль волновода, локализуется в небольшом локальном пространстве, что приводит к высокой плотности оптической мощности, позволяющей легко достичь необходимых рабочих порогов устройства и работать с нелинейными оптическими эффектами.
5. Интегрированная оптика, как правило, интегрируется на подложке сантиметрового размера, которая имеет небольшие габариты и малый вес.
2. Сравнение с интегральными схемами
Преимущества оптической интеграции можно разделить на два аспекта: во-первых, замена интегральной электронной системы (интегральной схемы) на интегральную оптическую систему (интегральную оптическую схему); во-вторых, использование оптического волокна и диэлектрического плоского оптического волновода для передачи световых волн вместо проводов или коаксиальных кабелей.
В интегрированном оптическом тракте оптические элементы формируются на подложке и соединяются оптическими волноводами, сформированными внутри или на поверхности подложки. Интегрированный оптический тракт, объединяющий оптические элементы на одной подложке в виде тонкой пленки, является важным способом решения проблемы миниатюризации исходной оптической системы и повышения ее общей производительности. Интегрированное устройство обладает преимуществами малых размеров, стабильной и надежной работы, высокой эффективности, низкого энергопотребления и простоты использования.
В целом, преимущества замены интегральных схем на интегральные оптические схемы включают в себя увеличение полосы пропускания, мультиплексирование с разделением по длинам волн, мультиплексное переключение, малые потери связи, малые размеры, малый вес, низкое энергопотребление, хорошую экономичность при серийном производстве и высокую надежность. Благодаря различным взаимодействиям света и вещества, новые функции устройств могут быть реализованы за счет использования различных физических эффектов, таких как фотоэлектрический эффект, электрооптический эффект, акустооптический эффект, магнитооптический эффект, термооптический эффект и т. д., в составе интегрального оптического тракта.
2. Исследование и применение интегрированной оптики
Интегрированная оптика широко используется в различных областях, таких как промышленность, военное дело и экономика, но в основном применяется в следующих сферах:
1. Коммуникационные и оптические сети
Оптические интегральные схемы являются ключевым оборудованием для реализации высокоскоростных и высокопроизводительных оптических сетей связи, включая высокоскоростные интегральные лазерные источники, многоканальные мультиплексоры с плотным разделением по длинам волн на основе волноводных решеток, узкополосные интегральные фотодетекторы, преобразователи длины волны, быстродействующие оптические коммутационные матрицы, многоканальные волноводные разветвители луча с низкими потерями и так далее.
2. Фотонный компьютер
Так называемый фотонный компьютер — это компьютер, использующий свет в качестве среды передачи информации. Фотоны — это бозоны, не имеющие электрического заряда, и световые лучи могут проходить параллельно или пересекаться, не влияя друг на друга, что обеспечивает им высокую степень параллельной обработки. Фотонный компьютер также обладает преимуществами большой емкости хранения информации, высокой помехоустойчивости, низкими требованиями к условиям окружающей среды и высокой отказоустойчивостью. Наиболее основными функциональными компонентами фотонных компьютеров являются интегрированные оптические переключатели и интегрированные оптические логические компоненты.
3. Другие области применения, такие как оптический информационный процессор, волоконно-оптический датчик, волоконно-оптический датчик, волоконно-оптический гироскоп и т. д.
Дата публикации: 28 июня 2023 г.