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 optische Geräte und hybride optische elektronische Gerätesysteme unter Verwendung integrierter Methoden auf der Grundlage von Optoelektronik und Mikroelektronik untersucht und entwickelt. Die theoretische Grundlage der integrierten Optik ist Optik und Optoelektronik, einschließlich Wellenoptik und Informationsoptik, nichtlineare Optik, Halbleiteroptoelektronik, Kristalloptik, Dünnschichtoptik, geführte Wellenoptik, gekoppelte Moden- und parametrische Wechselwirkungstheorie, optische Dünnschichtwellenleitergeräte und -systeme. Die technologische Basis ist vor allem die Dünnschichttechnik und die Mikroelektroniktechnik. Das Anwendungsgebiet der integrierten Optik ist sehr breit. Neben der Glasfaserkommunikation, der Glasfasersensorik, der optischen Informationsverarbeitung, dem optischen Computer und der optischen Speicherung gibt es weitere Bereiche wie materialwissenschaftliche Forschung, optische Instrumente und Spektralforschung.

Erstens integrierte optische Vorteile

1. Vergleich mit diskreten optischen Gerätesystemen

Ein diskretes optisches Gerät ist eine Art optisches Gerät, das auf einer großen Plattform oder optischen Basis befestigt ist, um ein optisches System zu bilden. Die Größe des Systems liegt in der Größenordnung von 1 m2 und die Dicke des Balkens beträgt etwa 1 cm. Zusätzlich zu seiner Größe sind auch Montage und Einstellung schwieriger. Das integrierte optische System bietet folgende Vorteile:

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

2. Integration bringt stabile Positionierung. Wie oben erwähnt, erwartet die integrierte Optik die Herstellung mehrerer Geräte auf demselben Substrat, sodass es bei der diskreten Optik keine Montageprobleme gibt, sodass die Kombination stabil sein kann und sich auch besser an Umgebungsfaktoren wie Vibration und Temperatur anpassen lässt .

(3) Die Gerätegröße und die Interaktionslänge werden verkürzt; Die zugehörige Elektronik arbeitet auch bei 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: Der eine besteht darin, das integrierte elektronische System (integrierte Schaltung) durch das integrierte optische System (integrierte optische Schaltung) zu ersetzen. Das andere bezieht sich auf die optische Faser und den optischen Wellenleiter mit dielektrischer Ebene, die die Lichtwelle anstelle von Draht oder Koaxialkabel zur Übertragung des Signals leiten.

In einem integrierten optischen Pfad sind die optischen Elemente auf einem Wafersubstrat ausgebildet und durch optische Wellenleiter verbunden, die im Inneren oder auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet sind. Der integrierte optische Pfad, der optische Elemente auf demselben Substrat in Form eines dünnen Films integriert, ist eine wichtige Möglichkeit, die Miniaturisierung des ursprünglichen optischen Systems zu lösen und die Gesamtleistung zu verbessern. Das integrierte Gerät bietet die Vorteile einer geringen Größe, einer stabilen und zuverlässigen Leistung, eines hohen Wirkungsgrads, eines geringen Stromverbrauchs und einer einfachen Verwendung.

Zu den Vorteilen des Ersetzens integrierter Schaltkreise durch integrierte optische Schaltkreise gehören im Allgemeinen eine erhöhte Bandbreite, Wellenlängenmultiplex, Multiplexumschaltung, geringer Kopplungsverlust, geringe Größe, geringes Gewicht, geringer Stromverbrauch, gute Wirtschaftlichkeit bei der Chargenvorbereitung und hohe Zuverlässigkeit. Aufgrund der vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie können auch neue Gerätefunktionen durch die Nutzung verschiedener physikalischer Effekte wie photoelektrischer Effekt, elektrooptischer Effekt, akustooptischer Effekt, magnetooptischer Effekt, thermooptischer Effekt usw. realisiert werden die Zusammensetzung des integrierten Strahlengangs.

2. Forschung und Anwendung integrierter Optik

Integrierte Optik ist in verschiedenen Bereichen wie Industrie, Militär und Wirtschaft weit verbreitet, wird jedoch hauptsächlich in folgenden Aspekten eingesetzt:

1. Kommunikations- und optische Netzwerke

Optische integrierte Geräte sind die Schlüsselhardware zur Realisierung optischer Kommunikationsnetzwerke mit hoher Geschwindigkeit und großer Kapazität, einschließlich integrierter Hochgeschwindigkeits-Laserquellen, Wellenleiter-Gitter-Array-Multiplexern mit dichter Wellenlängenteilung, integriertem Schmalband-Fotodetektor, Routing-Wellenlängenkonverter, schnell reagierender optischer Schaltmatrix, verlustarmer Wellenleiter-Strahlteiler mit Mehrfachzugriff und so weiter.

2. Photonischer Computer

Der sogenannte Photonencomputer ist ein Computer, der Licht als Übertragungsmedium von Informationen nutzt. Photonen sind Bosonen, die keine elektrische Ladung haben, und Lichtstrahlen können parallel verlaufen oder sich kreuzen, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen, was die angeborene Fähigkeit einer großen Parallelverarbeitung mit sich bringt. Photonische Computer bieten außerdem die Vorteile einer großen Informationsspeicherkapazität, einer starken Entstörungsfähigkeit, geringer Anforderungen an Umgebungsbedingungen und einer hohen Fehlertoleranz. Die grundlegendsten Funktionskomponenten photonischer Computer sind integrierte optische Schalter und integrierte optische Logikkomponenten.

3. Andere Anwendungen wie optische Informationsprozessoren, faseroptische Sensoren, faseroptische Gittersensoren, faseroptische Gyroskope usw.