Was ist integrierte Optik?

Das Konzept der integrierten Optik wurde 1969 von Dr. Miller von den Bell Laboratories vorgestellt. Integrierte Optik ist ein neues Fachgebiet, das sich mit der Untersuchung und Entwicklung optischer Geräte und hybrider optischer elektronischer Gerätesysteme unter Verwendung integrierter Methoden auf der Grundlage der Optoelektronik und Mikroelektronik befasst. Die theoretische Grundlage der integrierten Optik ist Optik und Optoelektronik, einschließlich Wellenoptik und Informationsoptik, nichtlinearer Optik, Halbleiteroptoelektronik, Kristalloptik, Dünnschichtoptik, geführter Wellenoptik, gekoppelter Moden- und parametrischer Wechselwirkungstheorie sowie optischer Dünnschichtwellenleitergeräte und -systeme. Die technologische Grundlage sind hauptsächlich Dünnschichttechnologie und Mikroelektronik. Das Anwendungsfeld der integrierten Optik ist sehr breit. Neben Glasfaserkommunikation, Glasfasersensortechnologie, optischer Informationsverarbeitung, optischen Computern und optischer Speicherung gibt es noch weitere Bereiche, wie beispielsweise Materialforschung, optische Instrumente und Spektralforschung.

Erstens: Vorteile der integrierten Optik

1. Vergleich mit diskreten optischen Gerätesystemen

Ein diskretes optisches Gerät ist ein optisches Gerät, das auf einer großen Plattform oder optischen Basis befestigt ist und ein optisches System bildet. Die Größe des Systems liegt in der Größenordnung von 1 m², und die Strahldicke beträgt etwa 1 cm. Neben der Größe sind auch Montage und Justierung schwieriger. Das integrierte optische System bietet folgende Vorteile:

1. Lichtwellen breiten sich in optischen Wellenleitern aus und Lichtwellen lassen sich leicht steuern und ihre Energie aufrechterhalten.

2. Integration sorgt für stabile Positionierung. Wie bereits erwähnt, ermöglicht die integrierte Optik die Herstellung mehrerer Geräte auf demselben Substrat. Dadurch entfallen die Montageprobleme der diskreten Optik, sodass die Kombination stabil und anpassungsfähiger an Umgebungsfaktoren wie Vibrationen und Temperatur ist.

(3) Die Gerätegröße und die Interaktionslänge werden verkürzt; die zugehörige Elektronik arbeitet zudem mit niedrigeren Spannungen.

4. Hohe Leistungsdichte. Das entlang des Wellenleiters übertragene Licht ist auf einen kleinen lokalen Raum beschränkt, was zu einer hohen optischen Leistungsdichte führt, die es leicht macht, die erforderlichen Betriebsschwellenwerte des Geräts zu erreichen und mit nichtlinearen optischen Effekten zu arbeiten.

5. Integrierte Optiken werden im Allgemeinen auf einem zentimetergroßen Substrat integriert, das klein und leicht ist.

2. Vergleich mit integrierten Schaltkreisen

Die Vorteile der optischen Integration lassen sich in zwei Aspekte unterteilen: Zum einen wird das integrierte elektronische System (integrierter Schaltkreis) durch das integrierte optische System (integrierter optischer Schaltkreis) ersetzt; zum anderen stehen Glasfaser und dielektrische ebene optische Wellenleiter im Zusammenhang, die die Lichtwelle leiten, anstatt das Signal über Drähte oder Koaxialkabel zu übertragen.

Bei einem integrierten optischen Pfad werden die optischen Elemente auf einem Wafersubstrat gebildet und durch optische Wellenleiter verbunden, die im Inneren oder auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet sind. Der integrierte optische Pfad, der optische Elemente in Form einer Dünnschicht auf demselben Substrat integriert, ist ein wichtiger Weg, um die Miniaturisierung des ursprünglichen optischen Systems zu lösen und die Gesamtleistung zu verbessern. Das integrierte Gerät bietet die Vorteile kleiner Größe, stabiler und zuverlässiger Leistung, hoher Effizienz, geringem Stromverbrauch und einfacher Bedienung.

Zu den Vorteilen des Ersatzes integrierter Schaltkreise durch integrierte optische Schaltkreise zählen im Allgemeinen eine höhere Bandbreite, Wellenlängenmultiplex, Multiplexschaltung, geringe Kopplungsverluste, geringe Größe, geringes Gewicht, geringer Stromverbrauch, wirtschaftliche Chargenvorbereitung und hohe Zuverlässigkeit. Aufgrund der vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie können zudem neue Gerätefunktionen realisiert werden, indem verschiedene physikalische Effekte wie der photoelektrische Effekt, der elektrooptische Effekt, der akustooptische Effekt, der magnetooptische Effekt, der thermooptische Effekt usw. im integrierten optischen Pfad genutzt werden.

2. Forschung und Anwendung der integrierten Optik

Integrierte Optik wird in vielen Bereichen wie der Industrie, dem Militär und der Wirtschaft eingesetzt, hauptsächlich jedoch in folgenden Bereichen:

1. Kommunikations- und optische Netzwerke

Optische integrierte Geräte sind die Schlüsselhardware zur Realisierung optischer Kommunikationsnetzwerke mit hoher Geschwindigkeit und großer Kapazität. Dazu gehören eine integrierte Laserquelle mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit, ein Wellenleitergitter-Array mit dichtem Wellenlängenmultiplexer, ein integrierter Fotodetektor mit Schmalbandreaktion, ein Routing-Wellenlängenkonverter, eine optische Schaltmatrix mit schneller Reaktion, ein Wellenleiter-Strahlteiler mit Mehrfachzugriff und geringen Verlusten usw.

2. Photonischer Computer

Der sogenannte Photonencomputer nutzt Licht als Informationsübertragungsmedium. Photonen sind Bosonen ohne elektrische Ladung, deren Lichtstrahlen parallel verlaufen oder sich kreuzen können, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Dies ermöglicht eine hohe Parallelverarbeitung. Photonische Computer bieten zudem die Vorteile großer Informationsspeicherkapazität, hoher Entstörungsfähigkeit, geringer Anforderungen an die Umgebungsbedingungen und hoher Fehlertoleranz. Die grundlegendsten Funktionskomponenten photonischer Computer sind integriert optische Schalter und integriert optische Logikkomponenten.

3. Andere Anwendungen, wie z. B. optischer Informationsprozessor, Glasfasersensor, Fasergittersensor, Glasfasergyroskop usw.