集成光学2015-14
集成光学器件及应用
集成光学器件及应用
佚名
【期刊名称】《中国光学》
【年(卷),期】1994(0)6
【摘要】TN256 94064000GaAs/GaAlAs双异质结光波导开关内带隙的注入载流子感生变化=Injected carrier-inducedband-gap change in GaAs/GaAlAs doubleheterostructure waveguide optical switch[刊,中]/王德煌,王威礼(北京大学物理系),庄婉如,林雯华(中科院半导体所)//半导体学报.-1994,15(7).
【总页数】1页(P24-24)
【关键词】光波导开关;双异质结;半导体;集成光学器件;载流子注入;学报;带隙;北京大学;集成光波导器件;感生
【正文语种】中文
【中图分类】TN256
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4.全硅集成光学──理论与工艺（Ⅵ）（续五）第六讲全硅集成光学导波无源器件 [J], 赵策洲
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2012级微电子工艺学试卷(A卷)参考答案
华中科技大学光学与电子信息学院考试试卷(A卷)2014～2015学年度第一学期课程名称：微电子工艺学考试年级：2012级考试时间：2015 年1 月28 日考试方式：开卷学生姓名学号专业班级一、判断下列说法的正误，正确的在后面括号中划“√”，错误的在后面括号中划“×”(本大题共10小题，每小题2分，共20分)1、随着器件特征尺寸不断缩小、电路性能不断完善、集成度不断提高，互连线所占面积已成为决定芯片面积的主要因素，互连线导致的延迟已可与器件门延迟相比较，单层金属互连逐渐被多层金属互连取代。
(√)2、采用区熔法进行硅单晶生长时，利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次使杂质被集中在尾部或头部，使中部材料被提纯。
区熔法一次提纯的效果比直拉法好，可以制备更高纯度的单晶。
(×)3、缺陷的存在对微电子器件利弊各半：在有源区不希望有二维和三维缺陷，而在非有源区的缺陷能够吸引杂质聚集，使邻近有源区内杂质减少，是有好处的。
(√)4、光刻胶的灵敏度是指完成曝光所需最小曝光剂量(mJ/cm2)，由曝光效率决定(通常负胶比正胶有更高曝光效率) 。
灵敏度大的光刻胶曝光时间较短，但曝光效果较差。
(×)5、无论对于PMOS还是NMOS器件，要得到良好受控的阈值电压，需要控制氧化层厚度、沟道掺杂浓度、金属半导体功函数以及氧化层电荷。
(√)6、半导体掺杂中掺入的杂质必须是电活性的，能提供所需的载流子，使许多微结构和器件得以实现。
掺杂的最高极限由杂质固溶度决定，最低极限由硅晶格生长的杂质决定。
(√)7、离子注入过程是一个平衡过程，带有一定能量的入射离子在靶材内同靶原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。
(×)8、溅射仅是离子对物体表面轰击时可能发生的四种物理过程之一，其中每种物理过程发生的几率取决于入射离子的剂量。
(√)9、等离子体刻蚀的优点是刻蚀速率较高、刻蚀选择性较好和刻蚀损伤较低，缺点是存在各向异性倾向。
集成光学芯片技术的发展与应用
集成光学芯片技术的发展与应用随着信息技术的发展和数据通信的日益普及，人们对更高速和更多容量的通信方式和数据存储方式的需求也越来越大。
为此，集成光学芯片技术应运而生，成为满足这些需求的重要途径之一。
本文将介绍集成光学芯片技术的基础概念、发展历程以及相关应用。
一、集成光学芯片技术的基础概念集成光学芯片技术，顾名思义，指将光学芯片集成到一个芯片上的技术，从而实现多个功能的集成化。
这些光学功能包括光源、调制器、耦合器、分束器、滤波器、放大器等。
通过集成，可以实现高速数据传输、节约空间、降低成本等效果。
集成光学芯片是一种微观器件，其结构复杂、制造难度大，需要应用多种高科技生产工艺，包括微影、离子注入、薄膜沉积、光刻等。
此外，由于集成光学芯片直接使用光学信号进行通信，因此对环境的要求也比较高，工作需要在光纤、光源、FPCB等器件的支持下完成。
二、集成光学芯片技术的发展历程集成光学芯片技术的历史可以追溯到上世纪70年代。
1970年美国Bell实验室的Miller首先提出将半导体材料应用于光学器件中的研究。
随着半导体技术的飞速发展，越来越多的光学器件采用半导体材料代替传统的玻璃等材料，这为集成光学芯片技术的发展奠定了基础。
20世纪80年代初，美国AT&T贝尔实验室的Alferness博士和日本NEC公司的Suzuki博士分别研制出了惠普波导和电离DBR 激光器。
这两个发明标志着集成光学芯片技术开始进入实用化阶段。
此外，20世纪90年代以来，欧洲、亚洲等地的许多研究机构也分别推出了各自的集成光学芯片方案。
21世纪，随着科技和资本的全球化，集成光学芯片技术开始进入高速发展期。
在美国，Cisco、Juniper、Alcatel-Lucent等公司相继推出了各自的100G/400G产品；在中国，华为、中兴通讯、烽火通信等国内公司也相继推出了相关产品。
这些产品的推出，不仅使得集成光学芯片技术在通信领域得以广泛应用，同时也进一步促进了集成光学芯片技术的发展。
集成光学ppt课件 第二章第2节 平板波导的射线光学理论
而12 0
TE波的色散方程变为
1
w k0 n 1 2n2 2marctan n n 1 2 2 2 n n3 2 2 2 2,m 0,1 ,2
故某一模式的截止波长为
w
cTE2
1 n12n22
marctann n122 2 n n3 22 21 2
T E 模
n 1 2 n e 2 ff 1 2k 0 w m a rc ta n n n 1 2 2 2 n n 1 e 2 2 ff n n e 2 f2 f 2 1 2 a rc ta n n n 1 3 2 2 n n 1 e 2 2 ff n n e 2 f3 2 f 1 2
§2.2平板波导的射线光学理论
• 2.2.1光波导的分类 • (a)平板波导(slab waveguide) • (b)条形波导(strip waveguide) • (c)圆柱波导(cylindrical waveguide)
平板波导
n3cladding
n1 core n2substract
c 1 3 i c 1 2 时 ， 形 成 衬 底 辐 射 波 ；
i c 1 2 且 c 1 3 时 ， 形 成 传 导 波 或 导 行 波 。
2.2.2 用射线方法研究平板光波导的导模
h n1 k0
1. 波矢的横向分量
把波矢分解为平行于波导的分量（相位常数为β）和垂直 于波导的分量（相位常数为h），三者关系为：
T M 模
如何理解模的概念？
(1)模式是光波导中一个常用的概念。 (2)从数学方面理解，模式是满足亥姆霍兹方程其在波导中心
TSW2500型短波发射机控制系统简介
Science &Technology Vision科技视界TSW2500型短波发射机控制系统简介李文君(国家新闻出版广电总局594台,陕西咸阳712000)【摘要】瑞士THALES 公司生产的TSW2500型500kW 短波发射机是目前世界上最先进的短波发射机。
发射机控制和调谐系统全部采用计算机和数字信号处理技术实现，本文主要分析了其控制系统硬件组成与功能定义。
【关键词】TSW2500；短波；发射机；控制系统1TSW2500型短波发射机简介瑞士THALES 公司生产的TSW2500型500kW 短波发射机是目前世界上最先进的短波发射机。
该发射机采用高可靠性的TSM 调制器，音频信号采用数字信号处理方式，运行稳定、指标好，通过简单的改造就可以进行数字AM 广播（DRM ）；发射机控制和调谐系统全部采用计算机和数字信号处理技术实现，操作方便，自动化程度高，在整个短波广播频段内都能实现自动调谐，有多种可选工作模式（AM 、DCC 、DRM ），具有计算机辅助（故障）诊断功能，并能方便的实现远程监控；射频电路设计简洁、可靠，整机采用两只电子管，输出网络采用3π网络结构，损耗低、效率高、故障率低。
2TSW2500型500kW 短波发射机的主要特点1）在整个短波广播频段内均可稳定地输出额定功率；2）高效率、低损耗；3）采用高可靠性的TSM 调制器（THALES 公司生产的PSM 脉阶调制器，以下简称为TSM ）；4）失真度低；5）发射机在整个短波广播频段内都能实现自动调谐；6）使用彩色显示器和专用键盘，操作简单、方便；7）具有计算机辅助（故障）诊断功能；8）有多种工作模式（AM 、DCC 、SSB ）可供选择；9）调制器采用数字信号处理方式，维护量小；10）射频电路设计简洁；11）调制器双功率模块有风冷和水冷两种方式可供选择；12）发射机占地面积小；13）通过计算机接口，可方便地实现远程控制；14）可存贮300多个预置频率。
集成光学器件
一、光纤陀螺用集成光学芯片（Y波导调制器）1.1 芯片结构：1.2 工作原理：光纤陀螺用Y波导集成光学器件在光纤陀螺系统中作信号处理用，经光源发出的光由器件的Y分支波导分成两束光，分别沿顺时针和逆时针方向通过光纤线圈后，又由Y分支波导合束为一束光，最后达光电探测器。
当线圈静止不动时，两束光到达Y 分支合束器时的光相位相等，当线圈转动时，两束光之间将产生一个与线圈转速成比例的相位差，即塞格纳克效应。
在推挽电极上上施加调制电压，利用衬底材料的电光效应改变光波导的折射率，从而改变两束光在光波导中传播的光程，引入一个相位差，补偿效应，于是通过外加调制信号可以检测相位差，从而检测光纤线圈的转速。
1.3 应用领域：用于飞机、轮船、导弹、汽车等运动物体姿态控制的光纤陀螺系统中；电流传感系统中，利用法拉第效应测量通过光纤环路的电流大小。
1.5 产品实物图与外形尺寸：1.6 使用方法与注意事项a 该器件工作于单偏振状态，入光的偏振态必须与器件保持一致。
b为了防止器件的电损伤，调制器的电极电压应低于30V。
c 注意事项d 光纤施力过大易断裂,不宜拉扯,扭折,弯曲半径不得小于30mm。
e 管壳与光纤间不允许施加过大应力。
使用时,应同时拿起管壳与光纤,切勿使管壳与光纤交接处发生弯曲,以防光纤断裂影响器件性能。
f 存储器件环境湿度低于50%,且不含有对器件有害的材料。
g 应避免使器件承受强烈的热冲击,避免使器件受热不均匀。
h 光纤连接回路的连接处应避免施加应力。
1.7 发展方向：进一步降低损耗（≤4dB（典型值3.5dB），拓宽工作温度到-65︒C~+85︒C，提高批量化生产能力达5000只／年。
提高集成度：在同一芯片上整理多个Y波导调制器。
1.8 特点：低损耗、低电压、单偏振、宽工作温度范围、高稳定性。
二、光通信用集成光学强度调制器2.1 芯片结构：2.2工作原理：集成光学强度调制器在LiNbO3衬底上利用质子交换与退火工艺制备“M-Z”干涉型光波导，然后在“M-Z”光波导的分支两臂上制备行波调电调极，采用稳定可靠的耦合技术将光波导和光纤耦合而成。
一种基于集成光学芯片的微小型光纤陀螺
第28卷第5期 中国惯性技术学报 V ol.28 No.5 2020年10月 Journal of Chinese Inertial Technology Oct. 2020 收稿日期：2020-07-28；修回日期：2020-10-15基金项目：国家重点研发计划（2017YFC0601702）；航天科工集团重大自主创新课题（C041gjdx ）作者简介：尚克军（1977—），男，博士研究生，从事惯性导航、视觉导航、数据融合技术研究。
E-mail ：***************联 系 人：雷明（1983—），男，高级工程师，从事光纤陀螺技术研究。
E-mail ：152****************文章编号：1005-6734(2020)05-0650-04 doi.10.13695/ki.12-1222/o3.2020.05.013一种基于集成光学芯片的微小型光纤陀螺尚克军1,2，雷 明2，向 强2，杨 怿2，冯 喆2，张丽哲2（1. 北京理工大学自动化学院，北京100081；2. 北京自动化控制设备研究所，北京100074） 摘要：针对海陆空天领域对微小型光纤导航元件的需求，提出了一种基于集成光学芯片的微小型光纤陀螺。
首先，给出了兼具光源、探测器、耦合器的集成光学芯片设计方案，根据光子噪声计算出陀螺的精度极限；随后，基于集成光学芯片、微型化环圈和小型化检测电路，搭建成功微小型光纤陀螺样机，陀螺整机尺寸仅为35 mm×35 mm×35 mm ；最后，对陀螺样机进行了性能测试，陀螺测试零偏不稳定性达到了0.072 ︒/h 。
虽然与基于分立光学器件的传统光纤陀螺相比，精度上还存在一定差距，但是通过集成光学芯片性能的进一步优化，未来有望满足微小型光纤陀螺的应用需求。
关 键 词：微小型光纤陀螺；集成光学芯片；超细径光纤；零偏不稳定性中图分类号：V241.5 文献标志码：AAn integrated optical chip based miniature fiber optic gyroscopeSHANG Kejun 1,2, LEI Ming 2, XIANG Qiang 2, YANG Yi 2, FENG Zhe 2, ZHANG Lizhe 2（1. School of Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 2. Beijing Institute of AutomaticControl and Equipment , Beijing 100074, China)Abstract: In order to meet the demand of micro fiber elements in the field of sea, land, air and sky, an miniature fiber optical gyroscope (M-FOG) based on integrated optical chip is proposed. Firstly, an integrated optical chip with a light source, a photo-diode and a 3-dB coupler is designed, and the precision limit of M-FOG is calculated. Secondly, based on the integrated optical chip, miniature fiber coil and detection circuit, M-FOG prototype is built successfully with the size of the 35 mm ×35 mm ×35 mm. Finally, the performance of the M-FOG is tested and the bias instability is 0.072︒/h. Although there is still a certain gap in precision compared with the traditional FOG based on discrete optical components, further optimization of the performance of integrated optical chip is expected to satisfy the requirement of miniature FOG in the future.Key words: miniature fiber optic gyro; integrated optical chip; ultra-fine fiber; bias instability光纤陀螺（Fiber Optical Gyroscope, FOG ）经过40余年的发展，其精度范围覆盖0.0001 ︒/h~10 ︒/h [1-3]，已广泛应用于海、陆、空、天各领域。
光波导理论
n2 N1
n2
a
a<
l
2 N12 n22
（8）
则此时也只能传输基侧模。
22
3、纵模控制： 在基横模条件满足下，由公式（6）
mnp
m
m L1
2
n L2
2
p L3
2
可知道纵向模式决定了光谱分布：
fp
pc 2neff L
模式间隔：
f c 2neff L
p=1,2,3…… （9）
17
（一）激光器选模理论
x
2E k2E 0
用分离变量法，令
L1
E(x, y, z) X (x)Y ( y)Z (z)
L2
将亥姆霍兹方程 分解为三个方程
y
d2 dx2
X
k
2 x
X
0
d2 dy 2
Y
k y2Y
0
d2 dz 2
Z
kz2Z
0
kx2 ky2 kz2 2m k2 （2）
L3
（1）
23
一般介质中的增益-频率特性是呈抛物线型。结 合基横模控制条件，只有增益系数大于损耗的模式 才能振荡；再结合纵模控制条件，有几个分立的纵 模可以被选中。
, ky
p
L3
(4)
m, n, p 0,1, 2……
把（4）代入 kx2 ky2 kz2 2m k2 得谐振波
频率为：
mnp
m
m L1
2
n L2
2
p L3
2
（5）
每一组（m, n, p）值，有一对独立偏振波模。
20
通常要求激光器工作于基横模单纵模条件下：
1、垂直横模的控制： 把源区和包层看成对称三层平面波导结构，按驻 波形成条件，以及横模m=1被截止的条件得：
集成光子学
集成光子学
集成光子学是由多个光子学技术综合而成的新兴学科。
1、简介：
集成光子学是一门新兴学科，它致力于利用多种光子学技术，包括激光、检测、探测器、集成光路、传感器、加工等，有效地集成、组装和分析各种物理系统，以创造出精密、高效、易用、可操作、便于生产和便携式的各种设备和应用系统。
集成光子学的研究方向包括光学器件研究、半导体光源研究、光波导研究、空间激光研究、光纤激光研究等。
2、整合的光子学技术：
（1）激光技术：激光技术是集成光子学中最重要的技术，它利用激光作为光源，以较高的精度和特征数据识别物体，实现物联网、智能控制、信息传输等方面的应用。
3、应用：
集成光子学技术在各个领域都得到了广泛的应用，例如：
总之，集成光子学是一门具有前瞻性和高度研发意义的有趣学科，它将在多个领域推动新一代的光子学技术发展，为人类的社会发展带来更多的贡献。
工匠精神,筑就光子集成技术平台——记西湖大学工学院研究员张紫阳
工匠精神,记两湖大学I:学院研究员张紫阳■ 文/徐飞古时候，工匠们喜欢不断雕琢自己的产品，改善自己的工艺，享 受着产品在双手中升华的过程，坚持通过自己的手艺提高品质，其利虽微.却长久造福于世。
战国时期 的《庄子》中便记载了游刃有余的“庖丁解牛”，庖丁是一位技艺高超的宰牛厨工，他为此不厌其烦地练习宰牛并将宰牛做到了极致，同 时也对自己的手艺怀有一种绝对的自信，这便是一种早期的“工匠精神”。
在新的时代背景下，工匠二 字不再局限于传统的手艺，它代表 着一个时代的气息。
“工匠精神” 不仅是职业技能，更是一种内在的 精神品质。
从容独立、踏实务实；摒弃浮躁、宁静致远，执着专一。
要想建设知识型、技能型、创 新型劳动者大军，营造劳动光荣的社会风尚和精益求精的敬业风气，就要深刻学习工匠精神。
学习“工匠精神”、践行“工匠精神”、弘 扬“工匠精神”，是对每个肩负中华民族伟大复兴任务的职业从业者 的要求。
留学海外多年的张紫阳回 到祖国后，在其专业领域践行工匠精神，专注科研。
多年的科研经验让张紫阳养成了专注认真的科研思维。
“作为科研人，严谨与认真是必备的专业素养，我们做的是走在前沿的领路人，若不能开辟出一条 坚实的道路，又怎能带领后续部队 勇往直前。
”这份坚定的科研信念也让张紫阳收获满满。
集大成者，立志科研大道至简，匠心至繁。
丰富的科研经验的表面是光鲜亮丽的成 就，背后却也是常人无法了解的艰苦与辛酸。
万事开头难，张紫阳在国外的求学之旅开始于瑞典皇家工学院，初到国外，语言与文化上的 差异使张紫阳感到不适应。
但很 快，在导师仇旻教授的指导下，他打开了集成光学的新世界。
他在硅 光平台上设计了世界上最小模场体积、国际上称为H0的光子晶体谐 振腔，这一设计被广泛应用于超小型光开关、逻辑门、激光器等器件 中。
初步的成功让张紫阳信心百 倍，他决心努力科研，吸收国外的先进经验，丰富自己的知识，扩展 科研思维的维度。
同时，他也深深地意识到技术的最终目的是为了应用于实践。
光集成芯片中的非线性光学相互作用及其应用
光集成芯片中的非线性光学相互作用及其应用随着信息技术领域的快速发展，人们对高速、宽带、低能耗的光通信和光计算技术的需求不断增强。
在这个背景下，光集成芯片技术作为一种高度集成化、低功耗、信号传输速度快的新型光电器件得到了广泛的关注和应用。
而非线性光学相互作用技术则是光集成芯片实现光信号处理和传输的核心技术之一。
一、非线性光学相互作用非线性光学相互作用是介质中光的相互作用过程中所表现的一种非线性现象。
当光的强度增加到一定程度时，介质的响应不再是线性的，出现了一系列非线性效应，包括自相互作用、非线性折射、双光子吸收等。
这些非线性光学效应使得光在介质中的传播方程从线性变成了非线性。
二、非线性光学在光集成芯片中的应用在光集成芯片中，非线性光学效应被广泛应用于光信号处理和光信息传输中。
光集成芯片中的非线性光学效应主要包括以下几种：光学相互作用、非线性折射、自聚焦、自相互作用等。
1、光学相互作用光学相互作用是指在介质中，一个光束受到另一个光束作用所引起的一系列非线性相互作用，包括光折射、光吸收、光散射、光非线性和非饱和吸收等。
在光集成芯片中，光学相互作用是实现光调制、光开关、光放大和光思考等光学功能的一种常见手段。
2、非线性折射非线性折射是介质中一种重要的非线性光学效应。
当光强度达到一定水平时，介质的折射率随着光强度的增加而变化，这种变化是非线性的。
利用非线性折射效应可以实现光光导开关、光电折射分离器等光学器件。
3、自聚焦自聚焦是指光束在介质中传输过程中由于非线性折射效应而发生的自聚焦现象。
当光强度逐渐增大时，光线聚焦于一个点上，形成了一个高度集中的光束。
利用自聚焦效应可以实现光波导和光聚焦探针等光学器件。
4、自相互作用自相互作用是指在介质中一个自发光源受到自己所发射的光的非线性相互作用产生的效应。
在光集成芯片中，自相互作用常用于光延迟线、光反馈器和光学微振膜等光学器件。
三、结语光集成芯片中的非线性光学相互作用技术，为实现高速、宽带、低功耗的光信号处理和传输提供了重要手段。
光学集成设计与制造检测技术
光学集成设计与制造检测技术光学集成设计与制造检测技术是一项在光学领域具有重要意义的技术，它不仅可以有效提高光学器件的性能和功能，还可以降低制造过程中的成本和时间。
本文将从光学集成设计的概念、制造检测技术的重要性以及如何进行有效的设计和制造检测等方面进行详细阐述，以期为相关研究和应用提供一定的指导。
首先，光学集成设计可以将多个光学器件集成到一个器件中，以实现更复杂的功能和性能。
传统的光学器件往往需要通过机械或电子的方式进行互联，而光学集成设计则通过光学波导等结构将多个光学器件集成到同一个芯片中，避免了互联过程中的损耗和干扰。
此外，光学集成设计还可以提供更高的灵活性和可调节性，使得器件的性能可以根据实际需求进行调整。
其次，光学集成制造检测技术在光学集成设计的过程中起到了关键的作用。
制造过程中的质量控制和检测是保证器件性能的重要环节。
光学集成器件的制造涉及到多个工艺步骤，如光刻、沉积和蚀刻等，每个步骤都可能对器件的性能产生影响。
因此，通过引入光学集成制造检测技术，可以对器件的制造过程进行实时监测和控制，及时发现和修正潜在的问题，提高器件的一致性和可靠性。
有效的光学集成设计需要综合考虑多个因素。
首先，需要对器件的功能和性能要求进行准确的定义和分析。
其次，需要选择合适的材料和工艺，使得器件可以满足设计要求。
同时，还需要进行光学波导的分析和优化，以提高光学器件的传输效率和损耗控制。
此外，在设计过程中还需要进行器件的热学和机械分析，以保证器件在各种环境下的稳定性和可靠性。
光学集成制造检测技术可以通过多种方法来实现。
其中，光学显微镜和扫描电镜等仪器可以用于对器件表面和内部结构进行观测和分析。
光学光谱仪和光学功率计等仪器可以用于对器件的光学性能进行测试和评估。
此外，还可以使用红外热像仪和力学测试仪等仪器，对器件的热学和机械性能进行评估和验证。
综上所述，光学集成设计与制造检测技术为光学器件的研究和应用提供了强有力的支撑。
集成固态光量子存储器件研究进展
集成固态光量子存储器件研究进展∗魏世海 张雪莹 廖金宇 樊博宇 范云茹 周强(电子科技大学基础与前沿研究院,成都610054)摘要:集成量子存储器在大规模量子网络建设中将扮演核心作用㊂近年来,人们致力于实现高性能集成光量子存储器件,其中基于稀土掺杂固体材料的集成固态光量子存储器件具有显著优势㊂此类量子存储器有望支持长时间㊁高效率㊁高保真㊁大带宽和多模式的光量子存储,还易与其他量子功能器件直接集成,发展全集成的量子信息器件㊂回顾了不同集成固态光量子存储器件的研究进展,包括掺铒石英光纤㊁钛扩散掺杂铌酸锂波导㊁飞秒激光直写掺杂波导和聚焦离子束刻蚀掺杂器件等,比较分析了各自的特点㊁潜力和挑战㊂关键词:量子网络;量子存储;稀土掺杂固体材料;可集成性中图分类号:O413;TN929.1㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A引用格式:魏世海,张雪莹,廖金宇,等.集成固态光量子存储器件研究进展[J].信息通信技术与政策,2023,49(7):44-52.DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2023.07.0060㊀引言量子网络[1-3]将实现许多革命性的应用,包括量子通信㊁量子计算和量子精密测量[4-8]等㊂为了实现远距离量子网络节点间的量子互联,光子被认为是最适合的量子信息载源,它不仅有利于实现远距离传输,还便于进行量子信息编码㊂尽管通过光纤直接传输光子并完成量子信息应用的最长距离已经达到1000km[9],但是光子损耗随量子通道距离呈指数增加,进一步增加光子的传输距离仍然具有挑战性㊂克服距离限制的有效方法之一是量子中继方案[10],它将传输通道划分为多个短距离链路,即基础链路,并通过量子纠缠交换在基础链路之间建立量子纠缠联接[11-12]㊂量子中继方案的实现依赖于使用光量子存储器实现不同基础链路间的时间同步㊂因此,发展大规模量子网络的主要挑战之一是研制高性能的光量子存储器件[13]㊂近年来,人们致力于在各种量子材料中实现高性能的量子存储,包括单粒子[14]㊁原子气体[15]和稀土离子掺杂固态(Rare-Earth Ions Doped Solid-State, REIDS)材料[16-17]等㊂每个材料体系在某些指标上具备一些性能优势,然而考虑到实际应用中对器件的可扩展性要求,可集成的光量子存储器件对大规模量子网络的建设至关重要㊂在发展集成光量子存储器件方面,使用REIDS材料的技术路线具有以下显著特点:一方面,大部分光量子存储协议都可以在REIDS材料的器件中实现;另一方面,RIEDS材料制备的器件可以实现长时间㊁高效率㊁高保真㊁大带宽和多模式的光量∗基金项目:国家重点研发计划项目(No.2018YFA0307400);四川省重点研发计划项目(No.2021YFSY0062, No.2021YFSY0063,No.2021YFSY0064,No.2021YFSY0065,No.2021YFSY0066,No.2022YFSY0061,No.2022YFSY0062,No.2022YFSY0063)子存储,还可以直接实现片上制备,甚至能与其他片上功能器件直接结合[18],例如可以将片上光量子存储与量子光源㊁单光子探测集成构成功能全面的量子信息器件㊂目前,已经有多种方法来制备集成固态光量子存储器件,包括掺铒石英光纤方案㊁钛扩散掺杂铌酸锂波导方案㊁激光直写掺杂波导方案和聚焦离子束刻蚀掺杂器件方案㊂本文在介绍常用固态量子存储协议的基础上,总结集成固态光量子存储器件最新研究进展,并对集成固态光量子存储件的特点㊁潜力和未来挑战进行分析㊂1㊀固态量子存储协议简介光量子存储的本质是通过光与物质相互作用来实现光子波包相干性的输入㊁存储和读取㊂在过去二十年,光量子存储器已经在多种物理体系中得到实现,包括REIDS材料㊁NV色心(Nitrogen-Vacancy Center)㊁半导体量子点㊁单原子㊁光机械振子㊁热原子系综㊁冷原子系综等㊂所采用的光量子存储协议包括电磁诱导透明协议(Electromagnetically Induced Transparency, EIT)㊁原子频率梳协议(Atomic Frequency Combs, AFC)㊁光子回波协议(Photon Echo,PE)等㊂1.1㊀电磁诱导透明协议(EIT)EIT最早由美国斯坦福大学S.Harris等[19]在1991年观测到的物理现象,即在控制光的作用下,原子对光的吸收变得透明或者吸收大幅减小㊂随后,这一现象被广泛应用于光量子存储中㊂EIT存储的一个必要条件是原子系综存在Λ型的能级结构㊂探测光,即信号光与基态到激发态跃迁共振,在进入介质之前用控制光将原子系综初始化,也就是应用一束与基态|g⓪到自旋能级跃迁|s⓪共振的强控制光将所有原子转移至基态形成透明窗口㊂在信号光进入存储介质以后关闭控制光,介质的透明窗口消失,探测光被介质吸收并以相干态的形式存储在自旋能级上㊂在存储一段时间后,再次将控制光打开,探测光则从自旋能级重新回到基态并辐射出光子㊂2013年,德国达姆施塔特工业大学T.Halfmann团队[20]在Pr3+:Y2SiO5晶体中实现了基于EIT的存储,存储时间超过了1min㊂EIT存储协议的缺点在于透明窗口的带宽在兆赫兹量级,难以实现比透明窗口带宽更大的宽带存储㊂1.2㊀原子频率梳协议(AFC)AFC由瑞士日内瓦大学N.Gisin团队[21]于2009年提出㊂与EIT不同,AFC最大的优势在于可以充分利用具有非均匀展宽的原子系综,实现宽带以及多模式存储㊂通过使用泵浦激光对原子系综的非均匀展宽做频率选择性光学泵浦,形成一系列频率间隔为Δ的梳状结构,不需要的原子从基态|g⓪的泵浦到激发态|e⓪后进一步退相干演化到辅助能级|aux⓪上㊂当与原子系综的跃迁能级共振的信号光子进入到所制备的AFC中被吸收后,生成Dicke态,具体如下㊂|ψ⓪=1㊀NðN j c j e i2πδj t e-iκz j|g1 e j g N⓪(1)其中,N为原子数,|g j⓪和|e j⓪代表原子j的基态和激发态,|z j⓪代表原子j的位置,K代表光场的波数,幅度cj依赖于原子j的频率和空间的位置,δj代表第j个原子相对于输入光子的频率失谐量㊂吸收光子后,该集体Dicke态将快速退相干,不同模式之间产生不同的频率失谐㊂由于这种周期性的吸收峰结构,经过1/Δ时间后,不同模式之间的相对相位重新归零,从而发射出光子回波信号㊂由于AFC结构的特殊性,它的存储时间是预先设定好的,即固定存储时间㊂为了解决固定存储时间问题,后续发展出一系列按需存储方案,如自旋波存储协议(Spin-Wave AFC)和斯塔克协议(Stark AFC)㊂基于AFC协议的固态量子存储器面向实际应用已经开始进入集成化和按需读出发展阶段, 2022年中国科学技术大学李传锋团队[22]实现光纤集成化的片上光量子存储器,并通过斯塔克协议在试验上验证了按需读出㊂1.3㊀光子回波协议光子回波协议是最早用于实现量子存储的协议之一㊂传统的光子回波协议通过将强光脉冲作用于原子系综,使其相位翻转以实现存储㊂初始时刻t=0,所有原子具有相同的相位㊂当输入信号光脉冲时,原子被激发到激发态,并开始退相干产生相位差㊂等待一段时间后,在t=t0时刻输入第二个强光脉冲(π脉冲)使得上下能级的布居数发生翻转㊂在t=2t0时刻,不同原子间的相位差重新归零,从而发射出光子回波㊂该协议中π脉冲的使用产生了大量的布居数翻转,导致原子从激发态回到基态的过程中释放出大量的噪声光子,降低了存储信号的保真度㊂为了抑制噪声,法国巴黎南大学V.Damon等提出低噪声回波恢复协议[23]㊂该协议在t=t0+t s时刻输入第二个π脉冲将被激发的电子重新泵浦至基态㊂存储信号以二阶回波形式在t=t0+2t s时刻读出,并通过引入空间失配来抑制一阶回波㊂通过这种方式,降低了辐射的大量噪声对回波信号的影响,从而实现回波信号的高保真按需读出㊂2020年,中国科学技术大学李传锋团队[24]利用飞秒激光直写的Eu3+:Y2SiO5波导成功实现了低噪声回波恢复协议;受四级光子回波和低噪声光子回波的启发,该团队在2021年提出一种通过四个π脉冲来实现的无噪声光子回波协议[25],该协议基于四维原子希尔伯特空间中的双重定相,可以同时消除相干噪声和自发辐射噪声,并在激光直写的Eu3+:Y2SiO5波导中通过试验验证了该协议,将单光子水平的相干光回波的信噪比提高到了40以上,相比于低噪声回波恢复协议提高了近30倍㊂该协议在光子回波的噪声抑制方面展现出了非凡的实力,对于实现高保真度的按需读出具有非常重要的意义[26]㊂2㊀可集成固态光量子存储器件研究进展随着全球化量子网络的发展,开发集成光量子存储器件是一个必然趋势㊂集成光量子存储器件与其他集成量子信息器件相连接,如量子光源㊁单光子探测器等,将为多功能量子网络的建设打下坚实基础㊂由于紧凑性㊁可扩展性和增强的光-物质相互作用等优势, REIDS材料成为研究集成固态光量子存储器件的重要候选者㊂光量子存储器已经在不同集成器件结构中得到了验证,包括掺铒石英光纤㊁钛扩散铌酸锂波导㊁飞秒激光直写掺杂波导以及聚焦离子束刻蚀掺杂器件等㊂2.1㊀掺铒石英光纤掺铒石英光纤是最早用于通信波段量子存储器的光纤集成器件,其最大的优点在于可与现有的通信基础设施兼容,并且具有超大的可用带宽㊂自2015年以来,W.Tittel团队[27-28]致力于掺铒石英光纤波导的量子存储研究,并取得一系列研究成果,包括单光子㊁纠缠光子存储等,实现的存储总带宽达18GHz,最长存储时间为50ns,存储的频域模式有6个,偏振编码量子比特的存储保真度接近1㊂2020年,W.Tittel团队[29]首次实现两个固态量子存储器之间的纠缠,通过将自发参量下转换产生的纠缠光子对分别送至基于Tm3+:LiNbO3晶体波导和掺铒石英光纤固态光量子存储器中,实现存储器间的纠缠保真度达93%,证明了两个集成固态光量子存储器之间的纠缠㊂此外,掺铒石英光纤具有大的非均匀展宽,为实现大带宽㊁多模式存储提供有利条件㊂2022年,电子科技大学周强团队[30]利用稀释制冷提升铒离子的相干性,进一步结合光频梳技术,将掺铒石英光纤的可用存储带宽增加到50 GHz,并在5个频道中分别实现330个时域模式存储,总存储模式数达到1650个,是迄今公开报道的最大存储模式数纪录,图1为试验中使用的掺铒石英光纤㊂目前,基于掺铒石英光纤的光量子存储器在存储效率和存储时间方面受到限制,不断提高掺铒石英光纤中铒离子的相干特性,需要研究者们在材料㊁工艺和试验条件上进行大量的探索和研究工作㊂图1㊀基于掺铒光纤的集成固态光量子存储器件2.2㊀钛扩散掺杂铌酸锂波导铌酸锂晶体以其成熟的生长技术㊁优异的光学性能和集成能力,被广泛应用于制造各种集成光学器件㊂铌酸锂光波导的主要制备过程是利用扩散的方法在其表面形成折射率高于晶体衬底的波导层(一般几微米厚),从而将光场限制在晶体的表面传播㊂目前,高质量的铌酸锂光波导主要采用氧化锂外扩散㊁质子交换和钛扩散三种方法制备㊂其中,钛扩散法制备的铌酸锂光波导传输损耗低,易于与单模光纤耦合㊂从1974年美国贝尔实验室R.Schmidt等采用钛扩散法制备铌酸锂波导开始,钛扩散波导引起人们广泛的关注,被应用于各种集成化器件的研究㊂2010年,W.Tittel 团队通过钛扩散制备得到Ti4+:Tm3+:LiNbO3波导(见图2),并对其非均匀展宽㊁相干时间以及塞曼能级寿命进行了表征㊂2011年,W .Tittel 团队将Ti 4+:Tm 3+:LiNbO 3波导应用到集成化的光量子存储研究中,实现了大带宽的纠缠光子存储[31]㊂2014年,W .Tittel 团队提出基于多模量子存储器构建高速量子网络的方案,并在Ti 4+:Tm 3+:LiNbO 3波导中实现26个频域模式的存储[32]㊂2019年,W .Tittel 团队进一步在Ti 4+:Er 3+:LiNbO 3波导中实现通信波段的单光子存储,这有利于将集成化的量子存储器兼容到现有的通信设施中,促进量子存储器的实际应用[33]㊂然而,在稀土掺杂的铌酸锂波导制造过程中需要高温操作,会引起较大的晶格畸变,使得存储性能整体低于相应的块状晶体㊂尽管如此,钛扩散掺杂铌酸锂波导作为最早的技术路线,是集成固态光量子存储器件发展过程中的重要一步㊂图2㊀基于钛扩散掺铥铌酸锂波导的集成固态光量子存储器件2.3㊀飞秒激光直写掺杂波导飞秒激光微加工是一项成熟的波导制备技术,主要通过聚焦能量在被加工材料的内部使其结构和折射率发生变化,其最大的优势在于可制备三维结构的波导,并且制备速度快㊁损伤小㊂1996年以来,飞秒激光直写掺杂波导技术已被用于各种复杂结构的制备,如集成激光源㊁光功率分束器㊁光耦合器㊁马赫-曾德尔干涉仪和布拉格光栅等㊂2016年,西班牙巴塞罗那科学技术学院H .de Riedmatten 团队[34-46]将激光直写掺杂波导用于多模式光量子存储器的研究,目前已经在Pr 3+:Y 2SiO 5晶体中制备了I ㊁II 型波导,并且实现单光子存储㊁自旋波存储以及130个时-频模式存储㊂2016年,中国科学技术大学李传锋团队[22,24,37-39]也开始利用飞秒激光直写技术制备波导,在Eu 3+:Y 2SiO 5晶体中制备出II ㊁III ㊁IV 型波导,在Er 3+:Y 2SiO 5晶体中制备出III 型波导,实现了光量子态的按需存储,存储时间高达10μs ,偏振编码量子比特的存储保真度高达99.4%㊂2023年,电子科技大学周强团队与山东大学陈峰团队[40]合作,成功制备出III 型Er 3+:LiNbO 3波导,并将其封装为光纤尾纤集成的片上器件,量子存储带宽达到了4GHz ,量子存储的时域模式数达到330个,并首次在此类器件中实现通信波段多模集成光量子存储㊂图3为激光直写技术在RIEDS 材料中制备的I ㊁II ㊁III ㊁IV 型波导㊂与钛扩散技术相比,飞秒激光微加工具有加工精度高㊁结构多等优点,相应块状材料的特性能保留在制备出的光波导中㊂总体而言,飞秒激光加工掺杂波导器件具有实现高性能集成固态光量子存储器件的前景㊂2.4㊀聚焦离子束刻蚀掺杂器件利用聚焦离子束刻蚀直接在REIDS 材料上制作光子晶体微腔器件是实现集成光量子存储器的技术路线之一㊂在稀土掺杂晶体中制备光子晶体微腔结构,能有效增强光与物质的相互作用,可以提高存储器的存储效率㊂2015年,美国加州理工学院A .Faraon 团队[41]通过聚焦离子束刻蚀在Nd 3+:Y 2SiO 5晶体中制备光子晶体微腔(见图4),其中Nd 3+离子的相干时间达到94μs ,相较于同等掺杂浓度的块状晶体提高了一个数量级,而后在该材料中实现了相干光的存储㊂2017年,A .Faraon 团队[42]在Nd 3+:YVO 4晶体中制备出三角纳米束谐振器,实现了保真度达98.7%的频率片量子比特存储,以及带宽为80MHz ㊁存储时间为75ns 的时间片量子比特存储,保真度为96.8%[43]㊂2019年,A .Faraon 团队[44]进一步在Er 3+:Y 2SiO 5晶体中制备出光子晶体微腔,实现了通信波段弱相干光的多时域模式存储㊂聚焦离子束刻蚀器件具有尺寸紧凑㊁结构设计灵活等优点,但需要高精度制备工艺条件,在实现高性能集成固态光量子存储器件方面具有进一步的发展空间㊂(c)图3㊀基于激光直写掺杂波导的集成固态光量子存储器件图4㊀基于聚焦离子束刻蚀器件的集成固态光量子存储器件㊀㊀表1总结了目前在不同REIDS 材料上制造的集成固态光量子存储器件的研究进展㊂3㊀结束语目前,掺铒石英光纤制造技术成熟,但是在存储时间和效率上还需要进一步提升㊂钛扩散掺杂铌酸锂波导的制造技术相对成熟,但制造过程需要高温条件,导致存储性能低于对应的块状材料㊂聚焦离子束刻蚀掺杂器件的制造过程非常精确,可以制造多种高精度的量子存储器件结构,但制造过程会影响晶体中稀土离子的性质,目前存储效率较低㊂飞秒激光直写掺杂波导可以制造各种波导结构,具有较高的加工精度,且制造的光波导保留了块状材料的大部分优良性质,对量子存储性能的影响较小,但在材料上实现复杂量子器件结构具有挑战性㊂在REIDS 材料上生长和制备硅基光学结构,形成混合材料和器件结构[45],该方法充分利用硅基光子学的研究成果,其具有良好的集成性,在与现有硅基光学芯片的互联方面具有巨大的潜力㊂此外,该方法还避免了对REIDS 晶体材料进行直接加工,大大减少了加工引入的缺陷,从而确保了与块状晶体一致的相干特性㊂然而,硅材料的高折射率特性使得大部分光被限制在硅材料中,如何提升器件中光与掺杂材料的相互作用是需要进一步解决的问题㊂集成固态光量子存储器件在未来量子网络中将扮演重要角色,现有集成固态光量子存储器件已经取得长足的进展,但综合性能还需进一步提升,需要人们在材料生长㊁器件制备㊁性能测试等方面开展持续研究㊂参考文献[1]KIMBLE H J .The quantum internet [J ].Nature ,2008,453(7198):1023-1030.[2]WEHNER S ,ELKOUSS D ,HANSON R .Quantuminternet :a vision for the road ahead [J ].Science ,2018,362(6412):eaam 9288.[3]WEI S H ,JING B ,ZHANG X Y ,et al .Towards real-world quantum networks :a review [J ].Laser &PhotonicsReviews ,2022,16(3):2100219.表1㊀集成固态光量子存储器件性能工艺方案存储材料存储波长/nm存储时间/ns存储效率/%存储带宽/MHz存储模式/个掺铒石英光纤Er 3+:SiO 2[27-30]1532230 2.0500001650钛扩散掺杂铌酸锂波导Tm 3+:LiNbO 3[31]795600.2500026Er 3+:LiNbO 3[33]1532480.160001激光直写I 型掺杂波导Pr 3+:Y 2SiO 5[34,36]60655007.060130激光直写II 型掺杂波导Pr 3+:Y 2SiO 5[35]606130002.741Eu 3+:Y 2SiO 5[24,38]580988034.4111激光直写III 型掺杂波导Eu 3+:Y 2SiO 5[39]580250026.8101Er 3+:Y 2SiO 5[22]153832510.91001Er 3+:LiNbO 3[40]15322601.04000330激光直写IV 型掺杂波导Eu 3+:Y 2SiO 5[37]580105002.421聚焦离子束刻蚀掺杂器件Nd 3+:YVO 4[43]880752.5801Er 3+:Y 2SiO 5[44]15391650.29010[4]GISIN N,THEW R.Quantum communication[J]. 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[41]ZHONG T,KINDEM J M,MIYAZONO E,et al.Nanophotonic coherent light-matter interfaces based on rare-earth-doped crystals[J].Nature Communications, 2015,6(1):8206.[42]ZHONG T,KINDEM J M,ROCHMAN J,et al.Interfacing broadband photonic qubits to on-chip cavity-protected rare-earth ensembles[J].Nature Communic-ations,2017,8(1):14107.[43]ZHONG T,KINDEM J M,BARTHOLOMEW J G,etal.Nanophotonic rare-earth quantum memory with optically controlled retrieval[J].Science,2017,357 (6358):1392-1395.[44]CRAICIU I,LEI M,ROCHMAN J,et al.Nanophotonic quantum storage at telecommunication wavelength[J].Physical Review Applied,2019,12(2):024062.[45]CRAICIU I,LEI M,ROCHMAN J,et al.Multifunctionalon-chip storage at telecommunication wavelength for quantum networks[J].Optica,2021,8(1):114-121.作者简介:魏世海㊀电子科技大学基础与前沿研究院博士研究生在读,主要从事固态量子存储器等方面的研究工作张雪莹㊀电子科技大学基础与前沿研究院博士研究生在读,主要从事片上固态量子存储器等方面的研究工作廖金宇㊀电子科技大学基础与前沿研究院博士研究生在读,主要从事固态量子存储器等方面的研究工作樊博宇㊀电子科技大学基础与前沿研究院博士后,主要从事量子芯片及量子计算的研究工作范云茹㊀电子科技大学基础与前沿研究院博士后,主要从事量子互联网等方面的研究工作周强㊀㊀通信作者㊂电子科技大学基础与前沿研究院教授,主要从事量子互联和量子计算等方面的研究工作Progress of integrated solid-state photonic quantum memoryWEI Shihai,ZHANG Xueying,LIAO Jinyu,FAN Boyu,FAN Yunru,ZHOU Qiang(Institute of Fundamental and Frontier Sciences,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu610054,China)Abstract:Integrated quantum memory plays a crucial role in large-scale quantum networks.Over the past years,rare-earth ions doped solid-state materials have shown significant advantages in achieving high-performance integrated photonic quantum memory.This kind of photonic quantum memory enables photonic quantum storage to have long storage time,high efficiency,high fidelity,large bandwidth and multimode capacity,and can also be integrated with other quantum functional devices.This paper reviews progress of integrated photonics quantum memories with various devices fabricated in rare-earth ions doped solid-state materials,such as erbium doped silica fibers,titanium-indiffused LiNbO3waveguides,femtosecond laser micromachining waveguides,and focused ions beam etching photonic devices. It also discusses the merits and potential of those photonics quantum memories and the challenges. Keywords:quantum network;quantum storage;rare-earth ions doped solid-state materials;integration(收稿日期:2023-06-12)。
集成光学第一章
4. 从四个方面理解集成光学的概念：
• (a)理论基础：光学和光电子学 • (b)工艺基础：薄膜技术、微电子工艺 • (c) 主要目的：实现光学系统的薄膜化、微 型化和集成化 • (d) 主要应用：光纤通信、光子计算机、光 纤传感、光学信息处理等
集成光学主要应用（一）——光纤通信 • 1.光纤通信
• 光纤传感器可埋入温度高达250℃以上的地 层深处，因此可测量距离达数百公里。可 用于检测地震波、地质板块内部应力、温 度、位移和倾斜、地下流体压力、地下磁 场等地下物理量的动态变化。 • 正是由于光纤传感器具有许多独特优势， 可以解决许多传统传感器无法解决的测量 问题，故自从它问世以来，就被广泛地用 于医疗、交通、电力、机械、石油化工、 航空航天、地质和岩土工程等各个领域。
1.3.3 集成光学国际研究进展
主要集中在理论与器件两个方面：
1. 理论研究热点主要集中在以下两个方面：
1）围绕新型集成光学器件的结构设计、功能模拟与特性 参数的计算等是目前集成光学理论研究的一个热点。 理论上对于集成器件的结构和性能模拟通常使用计算机辅 助设计与数值计算的方法，如传递矩阵法（ TMM ）、光 束传播法（BPM）、时域有限差分法（FDTD）和有限元 法（FEM）等都有效地用于集成光学器件的模拟与计算， 并用于实现集成器件结构的优化。 设计方法有两类：一是从基本原理入手，设计具有一定功能 的光学器件；二是直接从功能角度出发，以提高器件性能， 减少器件损耗，或者使器件性能具备特色等。
• 光纤传感器具有抗电磁干扰和原子辐射、重量轻、 体积小、绝缘、耐高温、耐腐蚀等众多优异的性 能，能够对应变、压力、温度、振动、声场、折 射率、加速度、电压、气体等各种参数进行精确 测量，能够适应极端恶劣的环境。同时，由于光 纤传输损耗低、频带宽，使得光纤传感器在组网 和传输距离方面，与传统的传感器相比具有无可 比拟的优势。
集成光电子学的现状与发展前景分析
集成光电子学的现状与分析摘要集成光电子学是当今光电子学领域的发展前沿之一，随着光电子器件的发展与广泛应用，光电子集成也随即发展起来。
而光电子集成也是光子学发展的必由之路和高级阶段。
本论文将主要介绍光电集成器件、光电集成材料以及光电集成技术的发展现状及其前景。
关键词：光电子器件、光电子集成（OEIC）技术、OEIC光发射机器件、OEIC光接收机器件、光中继器件、GaAs光电子集成技术、InP光电子集成技术、硅基光电子集成技术。
一、引言集成光电子学是当今光电子学领域的发展前沿之一，它主要研究集成在一个平面上的光电子学器件和光电子系统的理论、技术与应用，是光子学发展的必由之路和高级阶段。
集成光电子学以半导体激光器等光电子元件为核心集成起来，并以具有一定功能的体系为标志。
目前，主要是研究和开发光通信、光传感、光学信息处理和光子计算机所需的多功能、稳定、可靠的光集成体系和光电子集成体系(OEIC: optical-electronic integrated circuit)；光学器件与电子器件集成在一起，则构成复合光电子集成体系。
光电子集成（OEIC）技术和光子集成技术是光电子技术的基础，自从20世纪光电子集成的概念被提出以后，光电子集成技术的发展已经取得了一系列重大的突破。
随着光电子集成器件的发展，其制造工艺不断向着简约化、标准化、系列化和自动化发展。
集成光电子学的理论基础是光学和光电子学，涉及波动光学与信息光学、非线性光学和、半导体光电子学、晶体光学、薄膜光学、导波光学、耦合模与参量作用理论、薄膜光波导器件和体系等多方面的现代光学和光电子学内容；其工艺基础则主要是薄膜技术和微电子工艺技术。
集成光电子学的应用领域非常广泛，除了光纤通信、光纤传感技术、光学信息处理、光计算机与光存储等之外，还在向其他领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。
二、典型的光电子器件简介[1]1、有源器件1)半导体发光二级管LED（lighting emitting diode）早期的光纤通讯使用过LED作为光源。
集成光学器件的制备和应用
集成光学器件的制备和应用随着信息技术的发展，光学器件的需求越来越大。
为了实现光电子集成，集成光学器件逐渐被广泛使用。
集成光学器件是将多个光学元件集成在一起，可以实现多种功能。
本文将介绍集成光学器件的制备和应用。
一、制备1. 激光光刻技术激光光刻技术是集成光学器件制造中使用最为普遍的技术之一。
激光光刻技术可以实现高精度、高分辨率的器件制备。
在激光光刻过程中，电路图案被传送到样品表面，并通过透明掩模来选择性地将样品表面的材料除去，从而形成所需的结构和元器件。
激光光刻技术的优点在于光刻精度高、雕刻速度快、加工精度高等。
2. 电学化学技术电学化学技术是通过在电场作用下，利用物质在电极表面的氧化、还原反应来实现制备集成光学器件的一种技术。
该技术可以用于制备光学波导器件、耦合器件、滤波器件、反射镜、阵列波导和光模式变换器件等。
3. 氮化硅沉积技术氮化硅沉积技术是制备集成光学器件的一种重要技术。
该技术主要是通过在基底上沉积氮化硅薄膜，然后加工排列，形成所需的器件结构。
氮化硅沉积技术具有高成本效益、制备工艺简单等优点。
二、应用1. 通信领域在通信领域中，集成光学器件广泛应用于光纤通信和光学互连中。
在光纤通信中，集成光学器件可以作为耦合器、滤波器、多路复用器等器件使用。
在光学互连中，集成光学器件可以作为光电转换器、调制器等器件使用。
2. 生物医学领域在生物医学领域中，集成光学器件可以应用于分子医学、基因检测、细胞计数等医学技术中。
集成光学器件被广泛应用于生物芯片检测技术、单细胞类型判定技术、单分子检测技术等领域中。
3. 传感器领域在传感器领域中，集成光学器件可以应用于气体传感、化学传感、生物传感等方面。
集成光学器件可以实现高灵敏度、高分辨率的传感。
总结：集成光学器件的制备和应用是信息技术、生物医学和传感器等领域中的重要技术和应用。
同时，随着集成光学器件的广泛应用，其制备技术和应用领域也将得到进一步发展和完善。
聚合物脊形光波导TM模色散特性的偏振修正
聚合物脊形光波导TM模色散特性的偏振修正廖进昆;唐雄贵;高原;万文杰;张晓霞;刘永;刘永智【摘要】有机聚合物脊形光波导的色散特性对聚合物光子学器件性能具有重要影响.本文利用标量变分理论计算脊形光波导的有效折射率,其用到的近似光场分布运用变分有效折射率法获得.考虑折射率分布的横向变化,基于导模满足的矢量波动方程,利用微扰法对标量变分理论所得有效折射率进行偏振修正,求得精度更高的色散特性.对聚合物多模脊形光波导基模和高阶模的色散特性进行分析,研究了波导结构参数对色散特性的影响,分析了单模波导TM、TE基模的偏振色散特性.研究结果表明,运用本征方程分析TM模的色散特性误差大,必须加以修正;而对于TE模,其误差相对较小.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2015(036)005【总页数】8页(P526-533)【关键词】集成光学;光学波导;光学聚合物【作者】廖进昆;唐雄贵;高原;万文杰;张晓霞;刘永;刘永智【作者单位】电子科技大学光电信息学院,四川成都610054;湖南师范大学物理与信息科学学院,湖南长沙410006;电子科技大学光电信息学院,四川成都610054;电子科技大学光电信息学院,四川成都610054;电子科技大学光电信息学院,四川成都610054;电子科技大学光电信息学院,四川成都610054;电子科技大学光电信息学院,四川成都610054【正文语种】中文【中图分类】TN252.34有机聚合物脊形波导是聚合物光子学中的重要组成部分，现已在光子学器件、光互联、测量系统、生物医学等领域得到广泛的应用[1-6]。
在实际应用中，由于周围环境因素的影响，如温度、压力以及光波长的改变，光波导的传输特性也会因此改变，严重时将恶化相关性能，使其不能正常工作。
因此，对聚合物脊形光波导的色散特性建立快速而准确的分析显得尤为必要[7]。
过去对脊形光波导的分析主要建立在借助有效折射率法(EI)所导出的本征方程，通过求解该超越方程来获得脊形波导的色散特性，该方法计算量小但精度低，在要求高精度的情形下有较大的困难，尤其是对TM模误差更大。
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Ac J0 (m) cos ct c Ac Jn (m) cos c nm t c n1
=c k f Am cos mt
调频波的总相角： t t dt c =ct m f sinmt c
mf
k f Am
m
max m
：调频系数
k f ：比例系数
因此有 Ecm t Ac cos ct m f sinmt c
光波调制的基本概念
8
调相波的电场： Ecm t Ac cos ct cm t
Ecm t
Ac cos ct c
ma 2
Ac
cos c
m t c
ma 2
Ac cos c
m t c
• 调幅波的频谱由三个频率成分组成，其中等号右边第 一项为载频分量，第二、三项是因调制而产生的新分 量，称为边频分量。
调幅波的频谱分析
6
a(t) Am cosmt
e(t) Ac (1 ma cosmt) cos(ct c )
光波调制的基本概念
9
• 考虑三角函数和差化积公式
cos cos cos sin sin
• 角度调制波的表达式可以写为
Ecm t Ac cos ct c cos m sin mt sin ct c sin m sin mt
• 考虑贝塞尔函数展开式
cos m sin mt J0 m 2 J2n(m)cos(2nmt) n1
sin m sin mt 2 J2n1(m)sin(2n 1)mt n1
光波调制的基本概念
10
• 角度调制波的表达式可以写为
Ecm t Ac J0 m cos ct c
2 J2n m cos 2nmt cos ct c n1
2
n1
J
2
n1mΒιβλιοθήκη sin2n1
m
t
sin
• 在单频正弦波调制时，角度调制波的频谱由载频分量 以及对称分布的无穷多对边频分量组成，各边频分量 的大小由调制系数（也称为调制深度）的贝塞尔函数 值决定，当 m = 1 时，只有载频分量和第一边频分量 起主要作用。
12
2.频谱分析
调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可以写成统一的 形式
e(t) Ac cos(ct msinmt c ) Ac cos(ct c ) cos(msinmt) Ac sin(ct c )sin(msinmt)
• 进行幅度调制后，激光载波的振幅不再为常数，而是 与调制信号有关。调幅波的表达式为
Ecm t Ac 1 ma cosmt cosct c
ma
Am Ac
：调幅系数
通常情况下，ma 1
光波调制的基本概念
5
• 考虑三角函数积化和差公式
cos
cos
1 2
cos
cos
• 调幅波的表达式可以写为
其中：cos msin mt J0 (m) 2 J2n (m) cos 2nmt n1 sin msin mt 2 J2n1(m)sin 2n 1mt n1 e(t) Ac J0 m cos ct c J1 m cos c m t c
J1 m cos c m t c J2 m cos c 2m t c J2 m cos c 2m t c L
c
t
c
• 考虑积化和差公式
sin
sin
1 2
cos
cos
cos
cos
1 2
cos
cos
光波调制的基本概念
11
• 角度调制波的表达式可以写为
Ecm t AcJ0 m cos ct c
Ac Jn(m)cos c nm t c n1
1n Ac Jn(m)cos c nm t c n1
假设调制信号为余弦波：
cm t c t c ka t =c k Am cosmt
m k Am ：调相系数
因此有 Ecm t Ac cos ct m cosmt c
• 由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可 以写成统一的形式
Ecm t Ac cos ct m sinmt c
Ac[cos(ct c ) ma cosmt cos(ct c )]
Ac
cos(ct
c )
ma 2
Ac
cos[(c
m )t c ]
ma 2
Ac
cos[(c
m )t
c ]
调幅波含三个不同的频率 ：
第一项为调制前的激光振荡波 第二项激光频率和调制频率之和 第三项激光频率和调制频率之差
光波调制的基本概念
7
➢ 频率调制和相位调制----调频和调相：载波的频率和 相位随着调制信号的变化规律而改变；两者均表现为 总相角随时间的变化，因此统称为角度调制。
调频波的电场： Ecm t Ac cos t t c
假设调制信号为余弦波： t c t c k f a t
➢ 脉冲编码光调制：先将模拟信号经过模数转换（采样、 量化、编码）成一列二进制的数字信号后再对光载波 进行调制。
光波调制的基本概念
3
➢ 实现光波调制的两种方式：
• 利用调制信号直接控制激光器的振荡参数，使输出激 光束的特性随信号而变，称为内调制；
• 利用调制信号作用于激光器外部独立的调制器，产生 某种物理效应（如电光、磁光、声光、热光、非线性 等效应），使通过调制器的激光束某一个参量随信号 而变，称为外调制。
➢ 本章将首先介绍光波调制的基本概念，然后详细讨论 电光（强度、相位）调制器的工作原理，最后介绍电 光调制器在光通信和光信息处理系统中的应用。
光波调制的基本概念
4
➢ 振幅调制：载波的振幅随着调制信号的规律而改变， 简称调幅。
激光载波的电场： Ec t Ac cosct c
假设调制信号为余弦波： at Am cosmt
1
第九章 电光调制器
教 师：汪平河 办公地点：光电楼416室 E-mail:
光波调制的基本概念
2
➢ 光调制器和光开关是光通信和光信息处理系统中的重 要元件。
➢ 光调制：将信息（通常为电信号形式）加载到光载波 上，使光载波的某一个参数（振幅、频率、相位、偏 振等）随着所加载的信息而改变。
➢ 模拟光调制：利用模拟电信号（在时间上、幅度上） 连续地改变某一载波参数以实现光载波调制，包括幅 度（强度）调制、频率调制、相位调制和偏振调制。