Концепция интегральной оптики была выдвинута доктором Миллером из Bell Laboratories в 1969 году. Интегральная оптика — это новый предмет, который изучает и разрабатывает оптические устройства и гибридные оптико-электронные системы устройств с использованием интегрированных методов на основе оптоэлектроники и микроэлектроники. Теоретической основой интегральной оптики является оптика и оптоэлектроника, включающая волновую оптику и информационную оптику, нелинейную оптику, полупроводниковую оптоэлектронику, кристаллическую оптику, тонкопленочную оптику, направленную волновую оптику, теорию связанных мод и параметрического взаимодействия, тонкопленочные оптические волноводные устройства и системы. Технологической основой в основном являются тонкопленочные технологии и технологии микроэлектроники. Область применения интегральной оптики очень широка, в дополнение к оптоволоконной связи, технологии оптоволоконного зондирования, оптической обработке информации, оптическому компьютеру и оптическому хранению, существуют и другие области, такие как исследования в области материаловедения, оптические приборы, спектральные исследования.
Во-первых, преимущества интегрированной оптики
1. Сравнение с дискретными оптическими системами устройств
Дискретное оптическое устройство — это тип оптического устройства, закрепленного на большой платформе или оптическом основании для формирования оптической системы. Размер системы составляет порядка 1 м2, а толщина пучка — около 1 см. Помимо большого размера, сборка и настройка также более сложны. Интегрированная оптическая система имеет следующие преимущества:
1. Световые волны распространяются в оптических волноводах, а световые волны легко контролировать и поддерживать их энергию.
2. Интеграция обеспечивает стабильное позиционирование. Как упоминалось выше, интегрированная оптика предполагает изготовление нескольких устройств на одной подложке, поэтому не возникает проблем со сборкой, которые возникают у дискретной оптики, поэтому комбинация может быть стабильной, а также более адаптивной к факторам окружающей среды, таким как вибрация и температура.
(3) Размер устройства и длина взаимодействия сокращаются; связанная с ним электроника также работает при более низких напряжениях.
4. Высокая плотность мощности. Свет, передаваемый по волноводу, ограничивается небольшим локальным пространством, что приводит к высокой плотности оптической мощности, что позволяет легко достигать необходимых порогов работы устройства и работать с нелинейными оптическими эффектами.
5. Интегральная оптика обычно интегрируется на подложке размером в сантиметр, которая имеет небольшие размеры и легкий вес.
2. Сравнение с интегральными схемами
Преимущества оптической интеграции можно разделить на два аспекта: один заключается в замене интегрированной электронной системы (интегральной схемы) на интегрированную оптическую систему (интегральную оптическую схему); другой связан с оптоволокном и диэлектрическим плоским оптическим волноводом, которые направляют световую волну вместо провода или коаксиального кабеля для передачи сигнала.
В интегрированном оптическом пути оптические элементы формируются на подложке пластины и соединяются оптическими волноводами, сформированными внутри или на поверхности подложки. Интегрированный оптический путь, который объединяет оптические элементы на одной подложке в виде тонкой пленки, является важным способом решения проблемы миниатюризации исходной оптической системы и улучшения общей производительности. Интегрированное устройство имеет преимущества малого размера, стабильной и надежной производительности, высокой эффективности, низкого энергопотребления и простоты использования.
В целом, преимущества замены интегральных схем на интегральные оптические схемы включают в себя увеличенную полосу пропускания, мультиплексирование с разделением по длине волны, мультиплексную коммутацию, малые потери связи, малый размер, малый вес, низкое энергопотребление, хорошую экономичность подготовки партии и высокую надежность. Благодаря различным взаимодействиям между светом и веществом, новые функции устройства также могут быть реализованы путем использования различных физических эффектов, таких как фотоэлектрический эффект, электрооптический эффект, акустооптический эффект, магнитооптический эффект, термооптический эффект и т. д. в составе интегрированного оптического пути.
2. Исследование и применение интегральной оптики
Интегральная оптика широко используется в различных областях, таких как промышленность, оборона и экономика, но в основном она применяется 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 многоканальный делитель луча с малыми потерями и т. д.
2. Фотонный компьютер
Так называемый фотонный компьютер — это компьютер, который использует свет в качестве среды передачи информации. Фотоны — это бозоны, которые не имеют электрического заряда, а световые лучи могут проходить параллельно или пересекаться, не влияя друг на друга, что имеет врожденную способность к большой параллельной обработке. Фотонный компьютер также имеет преимущества большой емкости для хранения информации, сильной помехоустойчивости, низких требований к условиям окружающей среды и высокой отказоустойчивости. Самыми основными функциональными компонентами фотонных компьютеров являются интегрированные оптические переключатели 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.