Koncepcja optyki zintegrowanej została zaproponowana przez dr. Millera z Bell Laboratories w 1969 roku. Optyka zintegrowana to nowa dziedzina, która bada i rozwija urządzenia optyczne i hybrydowe systemy urządzeń optycznych i elektronicznych z wykorzystaniem metod zintegrowanych na bazie optoelektroniki i mikroelektroniki. Podstawą teoretyczną optyki zintegrowanej jest optyka i optoelektronika, obejmująca optykę falową i informacyjną, optykę nieliniową, optoelektronikę półprzewodnikową, optykę kryształów, optykę cienkowarstwową, optykę falowodową, teorię sprzężonych modów i interakcji parametrycznych, cienkowarstwowe urządzenia i systemy światłowodowe. Podstawą technologiczną jest głównie technologia cienkowarstwowa i mikroelektronika. Obszar zastosowań optyki zintegrowanej jest bardzo szeroki, oprócz komunikacji światłowodowej, technologii czujników światłowodowych, przetwarzania informacji optycznej, komputerów optycznych i pamięci optycznej, istnieją inne dziedziny, takie jak badania materiałoznawcze, instrumenty optyczne i badania spektralne.
Po pierwsze, zintegrowane zalety optyczne
1. Porównanie z dyskretnymi systemami urządzeń optycznych
Dyskretne urządzenie optyczne to rodzaj urządzenia optycznego zamocowanego na dużej platformie lub bazie optycznej, tworzącego układ optyczny. Rozmiar układu wynosi około 1 m², a grubość wiązki około 1 cm. Oprócz dużych rozmiarów, montaż i regulacja są również trudniejsze. Zintegrowany układ optyczny ma następujące zalety:
1. Fale świetlne rozchodzą się w światłowodach, a fale świetlne są łatwe do kontrolowania i utrzymywania ich energii.
2. Integracja zapewnia stabilne pozycjonowanie. Jak wspomniano powyżej, optyka zintegrowana zakłada tworzenie kilku urządzeń na tym samym podłożu, co eliminuje problemy montażowe, które występują w przypadku optyki dyskretnej. Dzięki temu połączenie jest stabilne i lepiej dostosowuje się do czynników środowiskowych, takich jak wibracje i temperatura.
(3) Rozmiar urządzenia i długość interakcji ulegają skróceniu. Powiązana elektronika działa również przy niższych napięciach.
4. Wysoka gęstość mocy. Światło przesyłane falowodem jest ograniczone do niewielkiej przestrzeni lokalnej, co przekłada się na wysoką gęstość mocy optycznej, która umożliwia osiągnięcie wymaganych progów działania urządzenia i pozwala na pracę z nieliniowymi efektami optycznymi.
5. Zintegrowane układy optyczne są na ogół zintegrowane na podłożu o wielkości centymetra, które jest małe i lekkie.
2. Porównanie z układami scalonymi
Zalety integracji optycznej można podzielić na dwa aspekty. Pierwszym jest zastąpienie zintegrowanego systemu elektronicznego (układu scalonego) zintegrowanym systemem optycznym (układu optycznego zintegrowanego). Drugim aspektem jest wykorzystanie włókna optycznego i płaskiego falowodu dielektrycznego, który kieruje falę świetlną zamiast przewodu lub kabla koncentrycznego w celu transmisji sygnału.
W zintegrowanym torze optycznym elementy optyczne są formowane na podłożu waflowym i połączone światłowodami uformowanymi wewnątrz lub na powierzchni podłoża. Zintegrowany tor optyczny, który integruje elementy optyczne na tym samym podłożu w postaci cienkiej warstwy, stanowi ważny sposób na rozwiązanie problemu miniaturyzacji oryginalnego układu optycznego i poprawę ogólnej wydajności. Zintegrowane urządzenie charakteryzuje się małymi rozmiarami, stabilną i niezawodną pracą, wysoką sprawnością, niskim poborem mocy oraz łatwością użytkowania.
Ogólnie rzecz biorąc, zalety zastąpienia układów scalonych zintegrowanymi układami optycznymi obejmują zwiększoną szerokość pasma, multipleksowanie z podziałem długości fali, przełączanie multipleksowe, niskie straty sprzężenia, niewielkie rozmiary, niewielką wagę, niskie zużycie energii, ekonomiczną obróbkę wsadową oraz wysoką niezawodność. Dzięki różnorodnym interakcjom między światłem a materią, nowe funkcje urządzeń można również realizować, wykorzystując różne efekty fizyczne, takie jak efekt fotoelektryczny, efekt elektrooptyczny, efekt akustooptyczny, efekt magnetooptyczny, efekt termooptyczny i inne, w strukturze zintegrowanego toru optycznego.
2. Badania i zastosowania optyki zintegrowanej
Zintegrowana optyka jest szeroko stosowana w różnych dziedzinach, takich jak przemysł, wojsko i gospodarka, ale głównie wykorzystuje się ją w następujących aspektach:
1. Sieci komunikacyjne i optyczne
Zintegrowane urządzenia optyczne stanowią kluczowy sprzęt do realizacji sieci komunikacji optycznej o dużej prędkości i przepustowości, w tym zintegrowane źródło laserowe o dużej szybkości reakcji, gęsty multiplekser z podziałem długości fali w układzie siatki falowodowej, zintegrowany fotodetektor o wąskopasmowej reakcji, konwerter długości fali routingu, szybka matryca przełączająca optyczna, niskostratny wielokrotny dzielnik wiązki falowodowej i tak dalej.
2. Komputer fotoniczny
Tak zwany komputer fotonowy to komputer wykorzystujący światło jako medium transmisyjne informacji. Fotony to bozony, które nie posiadają ładunku elektrycznego, a wiązki światła mogą przemieszczać się równolegle lub krzyżować bez wzajemnego oddziaływania, co zapewnia im wrodzoną zdolność do przetwarzania równoległego. Komputer fotonowy charakteryzuje się również dużą pojemnością pamięci, wysoką odpornością na zakłócenia, niskimi wymaganiami środowiskowymi i wysoką odpornością na błędy. Najbardziej podstawowymi komponentami funkcjonalnymi komputerów fotonicznych są zintegrowane przełączniki optyczne i zintegrowane układy logiczne.
3. Inne zastosowania, takie jak procesor informacji optycznej, czujnik światłowodowy, czujnik kratowy światłowodowy, żyroskop światłowodowy itp.
Czas publikacji: 28-06-2023