Het concept van geïntegreerde optica werd in 1969 naar voren gebracht door Dr. Miller van Bell Laboratories. Geïntegreerde optica is een nieuw vakgebied dat optische apparaten en hybride optische elektronische apparaatsystemen bestudeert en ontwikkelt met behulp van geïntegreerde methoden op basis van opto-elektronica en micro-elektronica. De theoretische basis van geïntegreerde optica is optica en opto-elektronica, met inbegrip van golfoptica en informatie-optica, niet-lineaire optica, halfgeleideropto-elektronica, kristaloptica, dunnefilmoptica, geleidegolfoptica, gekoppelde modus en parametrische interactietheorie, dunnefilmoptische golfgeleiderapparaten en -systemen. De technologische basis is voornamelijk dunnefilmtechnologie en micro-elektronicatechnologie. Het toepassingsgebied van geïntegreerde optica is zeer breed. Naast optische vezelcommunicatie, optische vezelsensortechnologie, optische informatieverwerking, optische computers en optische opslag, zijn er andere gebieden, zoals materiaalkundig onderzoek, optische instrumenten en spectraalonderzoek.
Ten eerste, geïntegreerde optische voordelen
1. Vergelijking met discrete optische apparaatsystemen
Discreet optisch apparaat is een optisch apparaat dat op een groot platform of optische basis is bevestigd om een optisch systeem te vormen. De grootte van het systeem is ongeveer 1 m² en de dikte van de lichtbundel is ongeveer 1 cm. Naast de grote afmetingen zijn de montage en afstelling ook lastiger. Het geïntegreerde optische systeem heeft de volgende voordelen:
1. Lichtgolven planten zich voort in optische golfgeleiders. De energie van lichtgolven is eenvoudig te controleren en te behouden.
2. Integratie zorgt voor een stabiele positionering. Zoals hierboven vermeld, is het bij geïntegreerde optica mogelijk om meerdere apparaten op hetzelfde substraat te maken. Er zijn dus geen assemblageproblemen zoals bij discrete optica, waardoor de combinatie stabiel kan zijn en zich beter kan aanpassen aan omgevingsfactoren zoals trillingen en temperatuur.
(3) De afmetingen van het apparaat en de interactielengte worden verkort; de bijbehorende elektronica werkt ook op lagere spanningen.
4. Hoge vermogensdichtheid. Het licht dat door de golfgeleider wordt doorgelaten, is beperkt tot een kleine lokale ruimte, wat resulteert in een hoge optische vermogensdichtheid. Hierdoor kunnen de benodigde operationele drempels van het apparaat gemakkelijk worden bereikt en kan met niet-lineaire optische effecten worden gewerkt.
5. Geïntegreerde optica wordt over het algemeen geïntegreerd op een substraat van centimetergrootte, dat klein van formaat en licht van gewicht is.
2. Vergelijking met geïntegreerde schakelingen
De voordelen van optische integratie kunnen worden onderverdeeld in twee aspecten. Ten eerste kan het geïntegreerde elektronische systeem (geïntegreerd circuit) worden vervangen door een geïntegreerd optisch systeem (geïntegreerd optisch circuit). Ten tweede kan gebruik worden gemaakt van optische vezels en een diëlektrische vlakke optische golfgeleider die de lichtgolf geleiden in plaats van draad of coaxiale kabel om het signaal over te brengen.
In een geïntegreerd optisch pad worden de optische elementen gevormd op een wafersubstraat en verbonden door optische golfgeleiders die in of op het oppervlak van het substraat zijn aangebracht. Het geïntegreerde optische pad, dat optische elementen in de vorm van een dunne film op hetzelfde substraat integreert, is een belangrijke manier om de miniaturisatie van het oorspronkelijke optische systeem aan te pakken en de algehele prestaties te verbeteren. Het geïntegreerde apparaat biedt de voordelen van een klein formaat, stabiele en betrouwbare prestaties, hoge efficiëntie, laag energieverbruik en gebruiksgemak.
Over het algemeen omvatten de voordelen van het vervangen van geïntegreerde schakelingen door geïntegreerde optische schakelingen een grotere bandbreedte, golflengtemultiplexing, multiplexschakeling, laag koppelingsverlies, kleine afmetingen, een laag gewicht, een laag energieverbruik, een voordelige batchvoorbereiding en een hoge betrouwbaarheid. Door de verschillende interacties tussen licht en materie kunnen nieuwe apparaatfuncties ook worden gerealiseerd door gebruik te maken van diverse fysische effecten, zoals het foto-elektrisch effect, het elektro-optisch effect, het akoestisch-optisch effect, het magneto-optisch effect, het thermo-optisch effect, enzovoort, in de samenstelling van het geïntegreerde optische pad.
2. Onderzoek en toepassing van geïntegreerde optica
Geïntegreerde optica wordt op grote schaal gebruikt in verschillende sectoren, zoals de industrie, het leger en de economie, maar wordt voornamelijk gebruikt voor de volgende aspecten:
1. Communicatie- en optische netwerken
Optisch geïntegreerde apparaten vormen de belangrijkste hardware voor de realisatie van optische communicatienetwerken met hoge snelheid en grote capaciteit. Denk hierbij aan een geïntegreerde laserbron met hoge snelheidsrespons, een dichte golflengteverdelingsmultiplexer met golfgeleiderroosterarray, een geïntegreerde fotodetector met smalle bandbreedte, een routerende golflengteconverter, een optische schakelmatrix met snelle respons, een laagverliesgolfgeleiderbundelsplitter met meerdere toegangspunten, enzovoort.
2. Fotonische computer
De zogenaamde fotonencomputer is een computer die licht gebruikt als transmissiemedium voor informatie. Fotonen zijn bosonen, die geen elektrische lading hebben, en lichtbundels kunnen parallel of kruisend passeren zonder elkaar te beïnvloeden, wat de inherente mogelijkheid tot grote parallelle verwerking biedt. Een fotonische computer biedt ook voordelen zoals een grote informatieopslagcapaciteit, een sterk anti-interferentievermogen, lage eisen aan omgevingsomstandigheden en een hoge fouttolerantie. De meest basale functionele componenten van een fotonische computer zijn geïntegreerde optische schakelaars en geïntegreerde optische logische componenten.
3. Andere toepassingen, zoals optische informatieverwerkers, glasvezelsensoren, glasvezelroostersensoren, glasvezelgyroscopen, enz.
Plaatsingstijd: 28 juni 2023