Концепция интегральной оптики была выдвинута доктором Миллером из Bell Laboratories в 1969 году. Интегральная оптика - это новая дисциплина, которая изучает и разрабатывает оптические приборы и гибридные оптико-электронные системы приборов с использованием интегральных методов на основе оптоэлектроники и микроэлектроники. Теоретической основой интегральной оптики является оптика и оптоэлектроника, включающие волновую оптику и информационную оптику, нелинейную оптику, полупроводниковую оптоэлектронику, кристаллооптику, тонкопленочную оптику, направленную волновую оптику, теорию связанных мод и параметрического взаимодействия, тонкопленочные оптические волноводные приборы и системы. Технологической основой в основном являются тонкопленочные технологии и микроэлектроника. Область применения интегральной оптики очень широка, помимо оптоволоконной связи, технологии оптоволоконного зондирования, оптической обработки информации, оптических компьютеров и оптических накопителей, существуют и другие области, такие как исследования в области материаловедения, оптические приборы, спектральные исследования.
Во-первых, интегрированные оптические преимущества
1. Сравнение с дискретными оптическими системами устройств
Дискретное оптическое устройство — это тип оптического устройства, закрепленного на большой платформе или оптическом основании, образующего оптическую систему. Размер системы составляет порядка 1 м², а толщина пучка — около 1 см. Помимо больших габаритов, сборка и настройка такого устройства также более сложны. Интегрированная оптическая система обладает следующими преимуществами:
1. Световые волны распространяются в оптических волноводах, а их энергию легко контролировать и поддерживать.
2. Интеграция обеспечивает стабильное позиционирование. Как уже упоминалось, интегральная оптика предполагает размещение нескольких устройств на одной подложке, что исключает проблемы сборки, характерные для дискретной оптики. Таким образом, комбинация становится стабильной и более адаптивной к таким факторам окружающей среды, как вибрация и температура.
(3) Размеры устройства и длина взаимодействия сокращаются; соответствующая электроника также работает при более низких напряжениях.
4. Высокая плотность мощности. Свет, передаваемый по волноводу, ограничивается небольшим локальным пространством, что обеспечивает высокую плотность оптической мощности, что позволяет легко достигать необходимых порогов работы устройств и работать с нелинейными оптическими эффектами.
5. Интегральная оптика обычно интегрируется на подложке размером в сантиметр, которая имеет небольшие размеры и небольшой вес.
2. Сравнение с интегральными схемами
Преимущества оптической интеграции можно разделить на два аспекта: один заключается в замене интегрированной электронной системы (интегральной схемы) интегрированной оптической системой (интегральной оптической схемой); другой связан с оптическим волокном и диэлектрическим плоским оптическим волноводом, которые направляют световую волну вместо провода или коаксиального кабеля для передачи сигнала.
В интегрально-оптическом тракте оптические элементы формируются на подложке из пластины и соединяются оптическими волноводами, сформированными внутри или на поверхности подложки. Интегрально-оптический тракт, объединяющий оптические элементы на одной подложке в виде тонкой пленки, является важным способом решения проблемы миниатюризации исходной оптической системы и повышения ее общих характеристик. Интегрированное устройство обладает такими преимуществами, как компактность, стабильность и надежность работы, высокая эффективность, низкое энергопотребление и простота использования.
В целом, преимущества замены интегральных схем на интегрально-оптические схемы включают в себя расширение полосы пропускания, спектральное уплотнение, мультиплексирование, малые потери на сопряжение, компактность, малый вес, низкое энергопотребление, экономичность изготовления партии и высокую надежность. Благодаря разнообразию взаимодействий света с веществом, новые функции устройств могут быть реализованы посредством использования различных физических эффектов, таких как фотоэлектрический эффект, электрооптический эффект, акустооптический эффект, магнитооптический эффект, термооптический эффект и т.д., в составе интегрально-оптического тракта.
2. Исследование и применение интегральной оптики
Интегральная оптика широко используется в различных областях, таких как промышленность, оборона и экономика, но в основном она используется в следующих аспектах:
1. Коммуникационные и оптические сети
Оптические интегрированные устройства являются ключевым оборудованием для реализации высокоскоростных и высокопроизводительных оптических сетей связи, включая высокоскоростной интегрированный лазерный источник, волноводный решетчатый мультиплексор с плотным разделением по длине волны, узкополосный интегрированный фотодетектор, маршрутизирующий преобразователь длины волны, быстродействующую оптическую коммутационную матрицу, волноводный разделитель луча с несколькими доступами и малыми потерями и т. д.
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 высокую скорость параллельной обработки данных. Фотонный компьютер также обладает такими преимуществами, как большая ёмкость памяти, высокая помехоустойчивость, низкие требования к условиям окружающей среды и высокая отказоустойчивость. Основными функциональными компонентами фотонных компьютеров являются интегрированные оптические коммутаторы и интегрированные оптические логические компоненты.
3. Другие приложения, такие как оптический информационный процессор, волоконно-оптический датчик, волоконно-оптический решетчатый датчик, волоконно-оптический гироскоп и т. д.
Время публикации: 28 июня 2023 г.