Het concept van geïntegreerde optica werd in 1969 geïntroduceerd door Dr. Miller van Bell Laboratories. Geïntegreerde optica is een nieuw vakgebied dat zich bezighoudt met de studie en ontwikkeling van optische apparaten en hybride opto-elektronische systemen met behulp van geïntegreerde methoden op basis van opto-elektronica en micro-elektronica. De theoretische basis van geïntegreerde optica is optica en opto-elektronica, waaronder golfoptica en informatieoptica, niet-lineaire optica, halfgeleideropto-elektronica, kristaloptica, dunnefilmoptica, geleidegolfoptica, gekoppelde modus- en parametrische interactietheorie, dunnefilm optische golfgeleiderapparaten en -systemen. De technologische basis is voornamelijk dunnefilmtechnologie en micro-elektronicatechnologie. Het toepassingsgebied van geïntegreerde optica is zeer breed. Naast glasvezelcommunicatie, glasvezelsensortechnologie, optische informatieverwerking, optische computers en optische opslag, zijn er ook andere gebieden, zoals materiaalkundig onderzoek, optische instrumenten en spectrale research.
Ten eerste, geïntegreerde optische voordelen
1. Vergelijking met discrete optische apparaatsystemen
Een discreet optisch apparaat is een type optisch apparaat dat op een groot platform of optische basis is bevestigd om een optisch systeem te vormen. De afmetingen van het systeem zijn ongeveer 1 m², en de bundeldikte is circa 1 cm. Naast de grote afmetingen zijn montage en afstelling ook lastiger. Een geïntegreerd optisch systeem heeft de volgende voordelen:
1. Lichtgolven planten zich voort in optische golfgeleiders, en lichtgolven zijn gemakkelijk te controleren en hun energie te behouden.
2. Integratie zorgt voor een stabiele positionering. Zoals hierboven vermeld, maakt geïntegreerde optica het mogelijk om meerdere componenten op hetzelfde substraat te produceren. Hierdoor ontstaan er geen montageproblemen zoals bij discrete optica, wat resulteert in een stabiele combinatie en een betere aanpassing 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 geleid, is geconcentreerd in een kleine lokale ruimte, wat resulteert in een hoge optische vermogensdichtheid. Hierdoor kunnen de benodigde werkingsdrempels van het apparaat gemakkelijk worden bereikt en kunnen niet-lineaire optische effecten worden benut.
5. Geïntegreerde optische componenten worden doorgaans op een substraat van centimeterschaal geïntegreerd, dat klein en licht van gewicht is.
2. Vergelijking met geïntegreerde schakelingen
De voordelen van optische integratie kunnen in twee aspecten worden onderverdeeld: ten eerste het vervangen van het geïntegreerde elektronische systeem (geïntegreerde schakeling) door het geïntegreerde optische systeem (geïntegreerde optische schakeling); ten tweede het gebruik van optische vezels en diëlektrische vlakke optische golfgeleiders die de lichtgolf geleiden in plaats van draden of coaxkabels om het signaal te verzenden.
In een geïntegreerd optisch pad worden de optische elementen op een wafer-substraat gevormd en met elkaar verbonden door optische golfgeleiders die in of op het oppervlak van het substraat zijn aangebracht. Het geïntegreerde optische pad, waarbij optische elementen in de vorm van een dunne film op hetzelfde substraat zijn geïntegreerd, is een belangrijke manier om de miniaturisatie van het oorspronkelijke optische systeem te realiseren en de algehele prestaties te verbeteren. Het geïntegreerde apparaat heeft als voordelen een klein formaat, stabiele en betrouwbare prestaties, een hoog rendement, een 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, lage koppelingsverliezen, klein formaat, laag gewicht, laag energieverbruik, goede productiekosten en hoge betrouwbaarheid. Door de verschillende interacties tussen licht en materie kunnen ook nieuwe apparaatfuncties 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 diverse sectoren, zoals de industrie, het leger en de economie, maar de belangrijkste toepassingen zijn de volgende:
1. Communicatie- en optische netwerken
Optische geïntegreerde apparaten vormen de belangrijkste hardware voor het realiseren van snelle optische communicatienetwerken met een grote capaciteit. Voorbeelden hiervan zijn snelle geïntegreerde laserbronnen, golfgeleiderrooster-array-multiplexers met dichte golflengteverdeling, smalbandige geïntegreerde fotodetectoren, routing-golflengteomzetters, snelle optische schakelmatrices, verliesarme meervoudige toegangsgolfgeleiderbundelsplitsers, enzovoort.
2. Fotonische computer
De zogenaamde fotonencomputer is een computer die licht gebruikt als medium voor de overdracht van informatie. Fotonen zijn bosonen, die geen elektrische lading hebben, en lichtbundels kunnen parallel lopen of elkaar kruisen zonder elkaar te beïnvloeden, waardoor ze een inherente mogelijkheid bieden tot parallelle verwerking. Fotonencomputers hebben ook de voordelen van een grote informatieopslagcapaciteit, een sterke storingsbestendigheid, lage eisen aan de omgevingsomstandigheden en een hoge fouttolerantie. De meest basale functionele componenten van fotonencomputers zijn geïntegreerde optische schakelaars en geïntegreerde optische logica-componenten.
3. Andere toepassingen, zoals optische informatieprocessor, glasvezelsensor, glasvezelroostersensor, glasvezelgyroscoop, enz.
Geplaatst op: 28 juni 2023