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光电子学的未来

光电子学的未来. 信息技术 - 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、

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光电子学的未来

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  1. 光电子学的未来 信息技术 - 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

  2. 光电子学的未来 信息高速公路特征 • 传输高通量化 • 网络普及化 • 服务综合化 • 系统智能化

  3. 光电子学的未来 信息高速公路的关键技术 (I) 1. 网络技术 2. 光纤通信, 同步网技术 3. 异步转移模式 ( ATM ) 技术 4. 卫星通信技术 5. 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 7. 高性能并行计算机系统和接口技术

  4. 光电子学的未来 信息高速公路的关键技术 (II) 8. 大型数据库和图像库技术 9. 高级软件技术和算法 10. 高速LAN 技术 11. 大画面高清晰度电视 ( HDTV ) 技术 12. 多媒体技术 13. 远程医疗诊断支持系统 14. 远程教育系统

  5. 光电子学的未来 光电子器件发展 微电子器件 电子集成 光电子集成 光电子器件 光子集成 光 电 子 集 成 器 件 全光型器件 光探测器件 光源器件 相 干 光 源 光 存 储 器 件 光 控 制 器 件 光 无 源 器 件 热 电 型 器 件 光 电 导 型 器 件 光 电 池 型 器 件 非 相 干 光 源 光 隔 离 器 光 频 变 换 器 光 双 稳 器 件 半 导 体 激 光 器 光 控 制 器 光 开 关 光 偏 转 器 染 料 激 光 器 气 体 激 光 器 固 体 激 光 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 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 Se 光 电 池 显 示 器 件 发 光 二 极 管 单 晶 PN 结 光 电 池 热 敏 电 阻 热 电 偶 放 电 堆 照 明 器 件 放 电 管 荧 光 管 等 离 子 体 器 件 电 子 束 器 件 电 致 发 光 器 件 液 晶 器 件

  6. 光电子学的未来 光通信新技术 相干光通信 光孤子通信 量子通信

  7. 光电子学的未来 单模光纤 光载波 激光器 调制器 光匹配器 光电 检测器 中频放 大、滤波 解调 光匹配器 本振 激光器 基带放 大、滤波 再生 相干光通信系统框图

  8. 光电子学的未来 光孤子通信 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 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。

  9. 光电子学的未来 量子信道的引入 — 不确定性原理 单光子作为信息载体 — 单量子态不可克隆定理

  10. 光电子学的未来 偏振分束器的作用 – 光波 格兰棱镜 45偏振 // 

  11. 光电子学的未来 偏振分束器的作用 – 光子 格兰棱镜 45偏振 

  12. 光电子学的未来 偏振分束器的作用 – 光子 格兰棱镜 45偏振 //

  13. 光电子学的未来 面向新世纪信息科学与技术的新挑战 “Photonics Nanostructures” 光子晶体进展 ( Photonic Crystals)

  14. 线度足够大：光子  “点” 宏观系统 ( a 1cm, X >> 1) 几何光学 线度不够大：光子  “点” 线度不够小：系统  “点” 介观系统 ( a 1-100m, X  1) Maxwell 电磁场理论 (a 0.1-1m, X  1) 光子晶体 (a 0.1-100nm, X<< 1) 纳光子学 线度足够小：原子或分子  “点” 微观系统 ( a 1nm, X << 1) Einstein 量子力学 介观光学物理的新突破 光学系统分区 (系统线度 a, 特征波长  1 m ：判据 X  a /  ) 线度  光波长 量子电动力学

  15. Tip:50 nm SiGe film: dislocation(100 ) 介观光学物理的新突破 Scanning near-field microscopy

  16. 介观光学物理的新突破 Negative refraction in PC ( superprism ) 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. (a) Schematic of the structure (b) without the PC (c) with the PC.

  17. 信息光电子技术的新突破 1. 光通信网络  DWDM 传输：损耗 色散/斜率( 偏振模色散) 光学非线性  DWDM 控制：复用/解复用(MUX/DMUX) 分插/复接(Add/Drop) 交叉互联 (OXC) 高速、宽带控光功能如何实现 ?!

  18. 1.0 10.00 dBm 0.8 Loss ( dB / km) 25 THz 0.4 0.2 WDM Channels ... 0.1 1.2 1.3 1.7 1.4 1.5 1.6 ( m) 20 Er-doped fiber amplifier (EDFA ) 18 16 14 Er- 12 B 10 20 18 8 16 Y Axis Title 14 6 12 10 4 8 6 2 4 2 9 Fiber Raman amplifier (FRA) 0 1400 1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 X axis title 1440 1460 1480 1560 1600 1620 1400 1420 1500 1520 1540 1580 WDM EDFA 20 km 1450 nm Pump Raman amplifier 信息光电子技术的新突破 损耗限制 问题：增益谱不平坦  信道增益失衡 放大自发辐射(ASE)  S/N恶化

  19. 20 15 色散补偿光纤 (DCF) 10 色散位移光纤 (DSF)  特种光纤 Dispersion, ps/ nm·nm 5 0 +＝ 2.5％ 色散平坦光纤 (DFF) +＝ 2.5％  =0.35%  =0.35%  =0.35% - 5 DCF-a DCF-b SMF -10 -15 1.7 1.2 1.4 1.6 1.1 1.3 1.5 Wavelength, m  非线性啁啾光纤光栅 3 1 2 信息光电子技术的新突破 色散限制 问题: n 大  传输损耗增大 芯径小  光学非线性增强 问题 : 调谐范围小

  20. 信息光电子技术的新突破 光学非线性限制  折射率调制 －自相位调制 (SPM)：谱展宽  色散代价 －交叉相位调制 (SPM)： 谱展宽  色散代价 － 四波混频 (FWM)：相干干扰  串扰 / 功率耗散

  21. WDM/Point-to-Point Transport Fixed WDM/Multipoint Network Optical XC and WADM Reconfigured WDM/Multipoint Network 信息光电子技术的新突破 光网络动态调控

  22. Circulator Fiber l l l l 1 2 3 4 grating Output l l l l l l l Isolator Circulator Fiber 1 2 4 1 2 3 4 Add grating l 3 Input Drop l 3 信息光电子技术的新突破 光纤光栅型OADM 问题：光纤光栅不可调

  23. 信息光电子技术的新突破 微电机械(MEMS) OADM 问题：表面物理状态难控制

  24. Thermooptic phase shifters Waveguide gratings with interleavechirp 10 cm 信息光电子技术的新突破 2. 光子学集成(VLSI) 困难: 光子器件尺寸mm-cm级－波导弯曲损耗

  25. 光电功能材料进展 光电子技术的突破 1970s： 异质结半导体材料（LD 室温工作） 石英光导纤维（损耗 < 1dB/km〕 光纤通信奠定基石 1980s： 量子阱半导体材料（QW激光器） 光电器件更新换代 1990s： 稀土掺杂光纤（掺铒光纤放大器） 光通信技术的革命 光通信发展历史的见证 期待新一代光电功能材料的突破 !！!

  26. 光子晶体  概念－光子能带  光子晶体特性

  27. Diamond 二维 二维 三维 一维  d  d  Defect state • 介电常数周期分布的介质形成光子能带，禁止 带隙 (PBG) 频率的光传播  缺陷能级在包层带隙中，缺陷态的光受带隙限制 光子晶体（PC） 光子能带 结构参量: 孔径 －d 周期 － 芯径 －  光子晶体光纤是带缺陷 (纤芯)的二维光子晶体

  28. 应用：－ 高效率无发光二极管、太阳能电池 － 高效率无背瓣微波天线 P ( mW ) I th 光子晶体特性 1.光子带隙( PBG )限制作用 － 禁止频率落在带隙内的光传播－带阻滤波器 － 抑制频率落在带隙内的原子和分子的自发辐射

  29. － 带隙限制微腔自发辐射态密度增强（Purcell效应） Electron quantum boxes Optical microcavities 光子晶体特性 2. PBG 限制的“微腔”作用 － 带隙限制微腔的光子局域 ( Photonic location ) 应用：－ 实现接近零阈值的激光辐射 － 实现对量子态（量子比特）的操作

  30. 光子晶体特性 3.PBG限制“微腔”间的耦合作用 － “微腔”间通过消逝场直接耦合或跳跃式耦合－微腔波导 应用：－ 高速度、高选择性、高集成度的动态调控（如滤波 衰减、开关、分插/复用等） － 微腔波导激光器

  31. 光子晶体特性 4.线缺陷的PBG限制导波作用 － 无全内反射机制(无辐射模)，可折弯成90o而无光损耗 应用：－ 解除了传统光集成回路尺度过大（毫米级）的理论 限制，实现大规模微米级光集成回路的梦想。 － 单模波导芯径可粗可细，光学非线性可弱可强 应用：－ 实现高效率、低能耗的全光型光学非线性功能器件 （四波混频、波长变换、受激拉曼散射、高速光开关） － 空心波导(无介质损耗、无色散、无光学非线性〕 应用：－ 实现超高速、超长距离光通信

  32. 光子晶体特性 5.纳米尺度光学效应 ?!

  33. 光子晶体的发展进程 1987年提出光子带隙(PBG)概念 1990年PBG计算机论证  1991年微波PBG实验论证 1993年制造出第一块半导体三维光子晶体  1996年第一根TIR光子晶体光纤  1997年第一根PBG光子晶体光纤  1998－2000年光子晶体光纤研究热  2000年第一家光子晶体光纤公司成立  2001.10. Photonics Nanostructure Materials and Devices 国际会议在 San Diego召开 OFC 情况 论文：2001 ：6 ， 2002：15 国家：2001 ：4 ， 2002： 8

  34. 生物 信息 物理 材料 半导体 金属 石英 有机聚合物 液晶 生物蛋白 微波无线 光通信网络 量子信息 近场光学 纳光子学 凝聚态物理 光子晶体－交叉学科发展的产物

  35. 二维光子晶体 (光子晶体光纤－PCF )

  36. GLS glass Polymer 百花争艳 PCF 掺Yb

  37. 折射率导引光纤 （TIR-PCF〕 光子带隙导引光纤 （PBG-PCF〕 晶格：三角空气柱包层＋Silica柱芯 原理：低等效包层折射率－全内反射 特性：次高阶模截止带宽内单模传输 晶格：六角空气柱包层＋空气柱芯 原理：光子带隙限制局域单模传输 特性：带隙窗口(数m)内单模传输 PCF 类型

  38. Solid rod Hollow tube 0.8 mm 30 mm 16 mm PCF 制备工艺 玻璃毛细管聚束熔垃法 20 mm 20 mm 1 mm 1 mm 1 mm 0.03 mm

  39. PCF 制备工艺 玻璃毛细管聚束熔垃法

  40.  =1.6 mm  =125  m PCF 制备工艺 玻片－芯组装模压法 n2  , Aeff       =2n2/(Aeff)： SF57 Schott glass: n = 1.83(633nm) ,1.80(1.53m)， = 0.7dB/m (633nm) , 0.3dB/m(1.53m) n2=4.110－19m2/W (比纯SiO2大20倍)，Ts= 519oC (softening temprature)

  41. PCF 制备工艺 高光学非线性PCF Single mode transmission at 633nm and 1550nm  = 550W－1km－1（1550nm）( 比SMF大500倍，比普通PCF大15倍）

  42. Hole diameter: 2.3m Hole spacing: 4.3m Core diameter: 10.5m PCF 制备工艺 溶胶－凝胶（Sol-gel〕法

  43. Holes filled with air: TIR Holes filled with high n liquid : PBG n589nm=1.80  2000-1 band gap 3dB band width for gaps=1400nm PCF 制备工艺 带隙宽度可调PCF

  44. PCF 制备工艺 单模有机聚合物光子晶体光纤

  45. Near-field pattern 528 nm 458 nm Far-field pattern 633 nm 528 nm 458 nm  No other mode field patterns are observed confined to defect region.  No confined mode could be observed at 633nn. PCF 特性 1.宽带低损单模传输 Interstitial holes Near-field pattern  The relative intensities of the six lobes was varied and nearly equal.

  46. 10m 近场光斑 h= 0.0065  =180m 2 =22.5 m d = 1.2 m = 9.7 m d/=0.12 0 >458 nm PCF 特性 2. 可变的光学非线性  传导模数与  /0无关，只决定于. d/ Aeff : 1 1000m2 by changing 应用: 大模场面积－高功率激光/放大器 小模场面积－非线性光学器件

  47.  大的正色散  = 1.4 m  = 0.66 D = 250 ps/nm km  平坦的零色散  = 2.9 m  = 0.52 D = 0 ps/nm km  大的平坦负色散  = 3.2 m  = 047 D = -100 ps/nm/km PCF 特性 3. 灵活的色散特性 应用：色散补偿/色散管理/光孤子技术等

  48. 实例：可调光纤光栅（热光效应〕 电光效应 ？ 声光效应 ？ 磁光效应 ？ 光折变效应 ？ 应用：动态光控制器件 PCF 特性 4.场致折变

  49. PCF 特性 5. 单纤多芯传输 / 耦合 应用：多信道光传输 /光纤传感, 光控光耦合器件

  50. PCF 特性 6. 空气芯光纤 无损耗 ! 无材料色散 !！ 无光学非线性 !！！ 应用：通信/传感

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