Das Konzept der integrierten Optik wurde 1969 von Dr. Miller von den Bell Laboratories vorgestellt. Die integrierte Optik ist ein neues Forschungsgebiet, das optische Bauelemente und hybride optoelektronische Systeme mithilfe integrierter Methoden auf Basis von Optoelektronik und Mikroelektronik untersucht und entwickelt. Die theoretischen Grundlagen der integrierten Optik bilden die Optik und Optoelektronik, einschließlich Wellenoptik und Informationsoptik, nichtlinearer Optik, Halbleiter-Optoelektronik, Kristalloptik, Dünnschichtoptik, Wellenleiteroptik, Theorie gekoppelter Moden und parametrischer Wechselwirkungen sowie optischer Dünnschicht-Wellenleiterbauelemente und -systeme. Die technologischen Grundlagen liegen hauptsächlich in der Dünnschicht- und Mikroelektroniktechnologie. Das Anwendungsgebiet der integrierten Optik ist sehr breit gefächert. Neben der optischen Faserkommunikation, der optischen Fasersensorik, der optischen Informationsverarbeitung, optischen Computern und optischen Datenspeichern gibt es weitere Bereiche wie die Materialforschung, die Entwicklung optischer Instrumente und die Spektralanalyse.
Erstens, integrierte optische Vorteile
1. Vergleich mit diskreten optischen Gerätesystemen
Einzelbauelemente sind optische Geräte, die auf einer großen Plattform oder einem optischen Sockel befestigt sind und so ein optisches System bilden. Die Größe des Systems liegt in der Größenordnung von 1 m², die Strahldicke bei etwa 1 cm. Neben der Größe sind auch Montage und Justierung aufwendiger. Integrierte optische Systeme bieten folgende Vorteile:
1. Lichtwellen breiten sich in optischen Wellenleitern aus, und Lichtwellen lassen sich leicht kontrollieren und ihre Energie aufrechterhalten.
2. Integration sorgt für stabile Positionierung. Wie bereits erwähnt, ermöglicht die integrierte Optik die Herstellung mehrerer Bauelemente auf demselben Substrat. Dadurch entfallen die Montageprobleme der diskreten Optik, die eine stabile Kombination und somit eine bessere Anpassungsfähigkeit an Umwelteinflüsse wie Vibrationen und Temperaturschwankungen gewährleisten.
(3) Die Gerätegröße und die Interaktionslänge werden verkürzt; die zugehörige Elektronik arbeitet ebenfalls 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, mit der die erforderlichen Betriebsschwellen des Geräts leicht erreicht und nichtlineare optische Effekte genutzt werden können.
5. Integrierte Optiken werden im Allgemeinen auf einem zentimetergroßen Substrat integriert, das klein und leicht ist.
2. Vergleich mit integrierten Schaltungen
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 werden optische Fasern und dielektrische Planwellenleiter verwendet, um die Lichtwelle zu leiten, anstatt Drähte oder Koaxialkabel zur Signalübertragung zu verwenden.
In einem integrierten optischen Pfad werden die optischen Elemente auf einem Wafer-Substrat gefertigt und durch optische Wellenleiter verbunden, die im oder auf dem Substrat angeordnet sind. Der integrierte optische Pfad, der optische Elemente in Form von Dünnschichten auf demselben Substrat integriert, ist ein wichtiger Ansatz zur Miniaturisierung optischer Systeme und zur Verbesserung ihrer Gesamtleistung. Das integrierte Bauelement zeichnet sich durch geringe Größe, stabile und zuverlässige Leistung, hohe Effizienz, niedrigen Stromverbrauch und einfache Handhabung aus.
Im Allgemeinen bieten integrierte optische Schaltungen als Ersatz für integrierte Schaltkreise Vorteile wie erhöhte Bandbreite, Wellenlängenmultiplexverfahren, Multiplexschaltung, geringe Kopplungsverluste, geringe Größe, geringes Gewicht, niedriger Stromverbrauch, gute Wirtschaftlichkeit in der Serienfertigung und hohe Zuverlässigkeit. Aufgrund der vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie lassen sich durch die Nutzung physikalischer Effekte wie des photoelektrischen, elektrooptischen, akustooptischen, magnetooptischen und thermooptischen Effekts im integrierten optischen Pfad neue Gerätefunktionen realisieren.
2. Forschung und Anwendung der integrierten Optik
Die integrierte Optik findet in verschiedenen Bereichen wie Industrie, Militär und Wirtschaft breite Anwendung, hauptsächlich jedoch in folgenden Aspekten:
1. Kommunikations- und optische Netzwerke
Optische integrierte Bauelemente sind die Schlüsselhardware zur Realisierung von optischen Hochgeschwindigkeits- und Hochkapazitäts-Kommunikationsnetzen. Dazu gehören integrierte Laserquellen mit hoher Ansprechzeit, dichte Wellenlängenmultiplexer mit Wellenleitergitterarrays, integrierte Fotodetektoren mit schmalbandiger Ansprechzeit, Wellenlängenwandler, optische Schaltmatrizen mit schneller Ansprechzeit, verlustarme Mehrfachzugriffs-Wellenleiterstrahlteiler und so weiter.
2. Photonischer Computer
Der sogenannte Photonencomputer ist ein Computer, der Licht als Informationsübertragungsmedium nutzt. Photonen sind Bosonen ohne elektrische Ladung, und Lichtstrahlen können parallel verlaufen oder sich kreuzen, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Dadurch ermöglicht er eine hohe Parallelverarbeitungskapazität. Photonencomputer zeichnen sich zudem durch große Speicherkapazität, hohe Störfestigkeit, geringe Anforderungen an die Umgebungsbedingungen und hohe Fehlertoleranz aus. Die grundlegendsten Funktionskomponenten von Photonencomputern sind integrierte optische Schalter und integrierte optische Logikbausteine.
3. Weitere Anwendungen, wie z. B. optischer Informationsprozessor, faseroptischer Sensor, faseroptischer Gittersensor, faseroptisches Gyroskop usw.
Veröffentlichungsdatum: 28. Juni 2023