集成光学1
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华南师范大学 集成光学 25 主讲人：刘柳
集成光学的主要研究对象
• 集成光路（OIC或PIC）：通常利用光波导将发 光元件、透镜、光调制、光耦合以及光接收等器 件连接在一起，集成在衬底上，构成具有一定独 立功能的微型光学体系。 • 如果同时与电子器件（如场效应晶体管、电阻、 电容等）集成，则构成混合光电子集成体系（ opto-electronic integrated circuit, OEIC）。
华南师范大学
集成光学
8
主讲人：刘柳
第一章 绪论
主讲人：刘柳 liuliuliu@
华南师范大学 集成光学 9 主讲人：刘柳
第一章 绪论
• 为什么叫光子学（Photonics）的历史发展
• 集成光学的优点
• 本门课主要讲述的内容概述
华南师范大学
华南师范大学 集成光学 21 主讲人：刘柳
第一章 绪论
• 为什么叫光子学（Photonics）? • 什么是集成光学？
• 集成光学的历史发展
• 集成光学的优点
• 本门课主要讲述的内容概述
华南师范大学
集成光学
22
主讲人：刘柳
什么是集成光学？
• 集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象以 及光学元器件集成化的一门学科。它要解 决的实质问题，是获得具有不同功能、不 同集成度的集成光路，以实现光学信息处 理系统的集成化和微小化。
华南师范大学 集成光学 14 主讲人：刘柳
电子技术的发展
近二十多年发展的相对论电子学，使得利用自 由电子产生的受激辐射——自由电子激光器更 臻完善，进一步证实早已为人们所接受的光波 也是电磁波的科学结论。 从微波波段拓展到光频波段受激辐射的产生与 放大的研究过程中，逐步发展出量子电子学这 一新兴的交叉学科，标志着电学与光学的相互 渗透、相互融合进入到一个新的阶段，并为光 子学的建立奠定基础。
华南师范大学
集成光学
3
主讲人：刘柳
课程目的
• 通过本课程的学习，掌握集成光学设计的基本理论 和方法；熟悉集成光学器件的基本工作原理和应用； 获得解决有关实际问题的能力。 • 通过本课程的学习为今后从事光通信、光信息处理、 光传感等方面的研究开发工作提供必要的基础知识， 培养出适应本世纪科技发展方向、掌握较为系统、
• 中文：
– 《集成光学》，唐天同、王兆宏主编，科学出版社， 2005。 – 《集成光路》，作者：西原浩，译者：梁瑞林，科学 出版社。
华南师范大学 集成光学 7 主讲人：刘柳
考试与成绩评定方式
• 学期总成绩包括平时成绩、实践成绩、 期末考试成绩三部分组成。
– 平时成绩包括平时记录的出勤情况、课堂课 间提问等，占1/3。 – 实践成绩占1/3。 – 期末考试成绩占1/3。
华南师范大学
集成光学
16
主讲人：刘柳
第三个回合
光与电打交道的第三个回合是1960年激光的 发明(激光的理论基础是：1917年爱因斯坦在辐射 理论中提出受激发射的概念)。激光是光学上的一 项重大革命，也是20世纪最主要的重大科学发明 之一。激光器(LASER)是电子学中微波量子放大器 (MASER)在波长上的延伸。激光器的发明不仅提供 了光频波段的相干电磁波振荡源，而且对时至今 日的无线电频率下的许多电子学的概念、理论和 技术原则上均可延伸到光频波段，如振荡、放大、 倍频、混频、参量、调制、信息处理、通信、雷 达以至计算机等 。
集成光学
10
主讲人：刘柳
第一章 绪论
• 为什么叫光子学（Photonics）? • 什么是集成光学？
• 集成光学的历史发展
• 集成光学的优点
• 本门课主要讲述的内容概述
华南师范大学
集成光学
11
主讲人：刘柳
光和电
电学（或电子学）和光学（或光子学）在表面看来是
两个独立的学科。在深入研究的过程中，人们发现两者有 着非常密切的内在联系。
华南师范大学
集成光学
26
主讲人：刘柳
集成光学的主要应用
光通讯：
华南师范大学
集成光学
27
主讲人：刘柳
集成光学的主要应用
• 光纤、各种集成光学器件已被广泛应用于光通 信系统中。 • 非通信领域——传感技术方面的应用也有了很 大的发展。 • 将成为光计算机中的主要部分：集成光学是光 计算机的重要基础。类似于电子计算机中有大 量的集成电路一样，集成光路将成为光计算机 中的主要部分。
激光器、调制器、探测器、光开关等
华南师范大学
集成光学
5
主讲人：刘柳
课程内容
• 本课程理论、应用与实践并重，主要分为 六个部分：
– 集成光学器件加工制作方法。
光刻、镀膜、刻蚀…
– 集成光学器件数值模拟设计方法。
光束传播法、模式匹配法…
– 集成光学现代应用。
硅基光子器件、光子晶体、表面等离子体波…
华南师范大学
集成光学
18
主讲人：刘柳
光学和电子学两个学科的相互交融，促成了 光子学的建立，可以说光子学是发展到现阶段的 光学。由于激光的发明，低损耗光纤的研制成功 和半导体光电器件的发展，使光学迅速进入近代 高新技术舞台，并对近代科学技术和人类社会生 活产生巨大的影响。 如上所述,光子学在形成过程中出现了若干新 的学科名称：量子电子学、光电子学、光波技术等。 这些学科名称、本质和内涵是相容的，因此，人们 拟用覆盖学科范围更为广泛的光子学加以概括，如 同电子学是发展到现阶段的电学那样。其对应的产 业可名为光子产业或光电子产业。
• 学
分：2
• 先修课程：物理光学、电磁理论、半导体物理、 基本编程
华南师范大学
集成光学
2
主讲人：刘柳
集成光学简介
• 集成光学的概念由美国科学家于1969年最先提出， 虽只有30多年的发展，但发展迅速，已成为当今 光学和光电子学领域的发展前沿之一。 • 其应用领域包括光纤通信、光传感技术、光学信 息处理、照明与显示、光计算机与光存储、材料 科学研究、光学仪器、光谱研究等。
光与电的第一次结合是19世纪初麦克斯韦提出的光的
电磁波理论，他明确指出无线电波和光波都是电磁波。
华南师范大学
集成光学
12
主讲人：刘柳
通信波段划分及相应传输媒介
频率，Hz
101 102
ELF
103
VF
104
VLF
105
LF
106
MF
107
HF
108
VHF
109
UHF
1010 1011
SHF EHF
1012 1013 1014 1015
集成光学
Integrated Photonics
主讲人：刘柳 liuliuliu@
华南师范大学 集成光学 1 主讲人：刘柳
课程简介
• 中文名称：集成光学 • 英文名称：Integrated Photonics （Optics）
• 总学时： 35个左右
– 其中：实践课8-10学时
华南师范大学 集成光学 19 主讲人：刘柳
光子学（Photonics）
• 一直以来，有关光的科学 ：光学（Optics）。
后来……: • 电场光学（electro-optics）：使用电控制的光学器 件，如：激光器、电光调制器、光开关等。在日 本使用得比较多。 • 光电子学（Optoelectronics）：包含光学效应的电 子器件，如：发光二极管、CCD相机等 • Quantum optics, Lightwave technology, ... 现在：统一称光子学（photonics）Electronics Photonics
华南师范大学 集成光学 20 主讲人：刘柳
光子学（Photonics）
把现阶段的光学称为光子学还有一个重要含义:它
标志着在发展和应用前景上与电子学占有同样重要的
地位。 光子学是研究作为信息载体和能量载体的光子的 产生﹑控制﹑探测及其应用的技术科学，是近代科学 技术发展的带头科学之一。 实际上，光子学是涉及学科面宽，技术密集程度 高的一门技术科学，它的发展水平代表着一个国家科 学技术发展的水平和综合实力。
华南师范大学
集成光学
6
主讲人：刘柳
参考书
• 英文：
– 《An introduction to optical waveguides》, Wileyinterscience, M. J. Adams, 1981. – 《Optical waveguide theory》, Allan W. Snyder, Springer, 1983. – 《Integrated Optics: Theory and Technology》，Fifth Edition, R.G.Hunsperger, Springer Verlag, 2002
频段 划分 传 输 介 质
电力、电话
无线电、电视
AM无线电 同轴电缆 双铰线
FM无线电
微波
卫星/微波
红外
可见光
光纤
光纤
107
106
105
104
103
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
自由空间波长，m
华南师范大学 集成光学 13 主讲人：刘柳
电子技术的发展
电子学的发展，实质上就是人们不断地开拓 电磁波谱并加以应用的历史。近一个世纪以来， 从最简单的二极管、三极管，到后来相继发明的 束射功率管、闸流管、微波三四极管、行波管、 返波管、奥罗管、回旋管等，从而使电磁波波谱 由长波、中波、短波、超短波直至微波、毫米波 及亚毫米波波段，并正在向更短的波长进军，以 其与激光器件向长波长方向迈进相配合，共同占 领从亚毫米波与远红外波之间的空白波段（THz 波段)。
深入的集成光学基础理论和实践能力的高级工程技
术人才。
华南师范大学
集成光学
4
主讲人：刘柳
课程内容
• 本课程理论、应用与实践并重，主要分为l 六个部分：
– 介质波导基础理论。
波导的结构、二维和三维波导的模式理论、耦合理论
– 无源集成光学器件。
耦合器、干涉仪、滤波器、隔离器、环行器等
– 有源集成光学器件，以及光电集成。
华南师范大学
集成光学
28
主讲人：刘柳
第一章 绪论
• 为什么叫光子学（Photonics）? • 什么是集成光学？
• 集成光学的历史发展
• 集成光学的优点
• 本门课主要讲述的内容概述
华南师范大学
集成光学
29
主讲人：刘柳
集成光学的历史和发展
• 集成光学以导波光学为基础。 • 集成光学的概念是1969年美国贝尔实验室的S. E.
Miller博士提出的。
– 1962年在GaAs p-n 结激光器中存在着导波现象；
– 1965年制备出红外波段的薄膜波导；
– 1970年研制成功室温工作的双异质结激光器；
– ……
华南师范大学 集成光学 30 主讲人：刘柳
华南师范大学
集成光学
31
主讲人：刘柳
集成电子学和集成光学
电子学的发展过程：从真空管器件的真空电子 学以晶体管为基础的固体电子学以集成电路 为标志的集成电子学。
华南师范大学 集成光学 24 主讲人：刘柳
什么是集成光学？
• 集成光学是当今光子学领域的发展前沿之 一，它主要研究集成在一个平面衬底上的 光学器件和光电子学领域的理论、技术与 应用，是光学发展的必由之路和高级阶段 。
• 集成光学以光波导、激光器、光调制器、 接收器等光子和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。
华南师范大学 集成光学 17 主讲人：刘柳
半导体物理的发展促成光电效应的应用，从
光电池、光电探测器，发展到发光二极管和半导
体激光器，于是形成了以光电元件及其应用为主
要内容的狭义的光电子学。而光纤在通信中的成
功应用又出现光波技术（Lightwave Technology） 和导波光学技术（Waveguide optics）等分支学 科。
光通信 发射机
美国国家点 火装置NIF
华南师范大学 集成光学 23 主讲人：刘柳
什么是集成光学？
• 集成光学是采用集成方法研究光学器件和混 合光学-电子学器件系统的一门新的学科。 • 集成光学建立在光电子学、光波导理论、激 光技术和微电子学的微细加工工艺发展的基 础之上，是光子学的一个重要分支。 • 集成光学的任务是将传统的光学元器件和系 统微型化，并按照新的物理观点将这些元器 件或系统“集成”，以形成具有多种功能的 集成光学体系。
华南师范大学
集成光学
15
主讲人：刘柳
第二次结合
光与电第二次结合是1905年爱因斯坦将量子论用 于解释光电效应，并提出了光子的概念。他明确提出 当光作用于物质时，光是以“光子Photon”（光的能 量会集成一个个的“能包”）作为最小单位进行的。 光电探测器（光转电）和半导体激光器（电转光）分 别是光子——电子转换器和电子——光子转换器，它 们是光电相互依存和相互转化的典型例子。
集成光学的主要研究对象
• 集成光路（OIC或PIC）：通常利用光波导将发 光元件、透镜、光调制、光耦合以及光接收等器 件连接在一起，集成在衬底上，构成具有一定独 立功能的微型光学体系。 • 如果同时与电子器件（如场效应晶体管、电阻、 电容等）集成，则构成混合光电子集成体系（ opto-electronic integrated circuit, OEIC）。
华南师范大学
集成光学
8
主讲人：刘柳
第一章 绪论
主讲人：刘柳 liuliuliu@
华南师范大学 集成光学 9 主讲人：刘柳
第一章 绪论
• 为什么叫光子学（Photonics）的历史发展
• 集成光学的优点
• 本门课主要讲述的内容概述
华南师范大学
华南师范大学 集成光学 21 主讲人：刘柳
第一章 绪论
• 为什么叫光子学（Photonics）? • 什么是集成光学？
• 集成光学的历史发展
• 集成光学的优点
• 本门课主要讲述的内容概述
华南师范大学
集成光学
22
主讲人：刘柳
什么是集成光学？
• 集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象以 及光学元器件集成化的一门学科。它要解 决的实质问题，是获得具有不同功能、不 同集成度的集成光路，以实现光学信息处 理系统的集成化和微小化。
华南师范大学 集成光学 14 主讲人：刘柳
电子技术的发展
近二十多年发展的相对论电子学，使得利用自 由电子产生的受激辐射——自由电子激光器更 臻完善，进一步证实早已为人们所接受的光波 也是电磁波的科学结论。 从微波波段拓展到光频波段受激辐射的产生与 放大的研究过程中，逐步发展出量子电子学这 一新兴的交叉学科，标志着电学与光学的相互 渗透、相互融合进入到一个新的阶段，并为光 子学的建立奠定基础。
华南师范大学
集成光学
3
主讲人：刘柳
课程目的
• 通过本课程的学习，掌握集成光学设计的基本理论 和方法；熟悉集成光学器件的基本工作原理和应用； 获得解决有关实际问题的能力。 • 通过本课程的学习为今后从事光通信、光信息处理、 光传感等方面的研究开发工作提供必要的基础知识， 培养出适应本世纪科技发展方向、掌握较为系统、
• 中文：
– 《集成光学》，唐天同、王兆宏主编，科学出版社， 2005。 – 《集成光路》，作者：西原浩，译者：梁瑞林，科学 出版社。
华南师范大学 集成光学 7 主讲人：刘柳
考试与成绩评定方式
• 学期总成绩包括平时成绩、实践成绩、 期末考试成绩三部分组成。
– 平时成绩包括平时记录的出勤情况、课堂课 间提问等，占1/3。 – 实践成绩占1/3。 – 期末考试成绩占1/3。
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集成光学
16
主讲人：刘柳
第三个回合
光与电打交道的第三个回合是1960年激光的 发明(激光的理论基础是：1917年爱因斯坦在辐射 理论中提出受激发射的概念)。激光是光学上的一 项重大革命，也是20世纪最主要的重大科学发明 之一。激光器(LASER)是电子学中微波量子放大器 (MASER)在波长上的延伸。激光器的发明不仅提供 了光频波段的相干电磁波振荡源，而且对时至今 日的无线电频率下的许多电子学的概念、理论和 技术原则上均可延伸到光频波段，如振荡、放大、 倍频、混频、参量、调制、信息处理、通信、雷 达以至计算机等 。
集成光学
10
主讲人：刘柳
第一章 绪论
• 为什么叫光子学（Photonics）? • 什么是集成光学？
• 集成光学的历史发展
• 集成光学的优点
• 本门课主要讲述的内容概述
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集成光学
11
主讲人：刘柳
光和电
电学（或电子学）和光学（或光子学）在表面看来是
两个独立的学科。在深入研究的过程中，人们发现两者有 着非常密切的内在联系。
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集成光学
26
主讲人：刘柳
集成光学的主要应用
光通讯：
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集成光学
27
主讲人：刘柳
集成光学的主要应用
• 光纤、各种集成光学器件已被广泛应用于光通 信系统中。 • 非通信领域——传感技术方面的应用也有了很 大的发展。 • 将成为光计算机中的主要部分：集成光学是光 计算机的重要基础。类似于电子计算机中有大 量的集成电路一样，集成光路将成为光计算机 中的主要部分。
激光器、调制器、探测器、光开关等
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集成光学
5
主讲人：刘柳
课程内容
• 本课程理论、应用与实践并重，主要分为 六个部分：
– 集成光学器件加工制作方法。
光刻、镀膜、刻蚀…
– 集成光学器件数值模拟设计方法。
光束传播法、模式匹配法…
– 集成光学现代应用。
硅基光子器件、光子晶体、表面等离子体波…
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集成光学
18
主讲人：刘柳
光学和电子学两个学科的相互交融，促成了 光子学的建立，可以说光子学是发展到现阶段的 光学。由于激光的发明，低损耗光纤的研制成功 和半导体光电器件的发展，使光学迅速进入近代 高新技术舞台，并对近代科学技术和人类社会生 活产生巨大的影响。 如上所述,光子学在形成过程中出现了若干新 的学科名称：量子电子学、光电子学、光波技术等。 这些学科名称、本质和内涵是相容的，因此，人们 拟用覆盖学科范围更为广泛的光子学加以概括，如 同电子学是发展到现阶段的电学那样。其对应的产 业可名为光子产业或光电子产业。
• 学
分：2
• 先修课程：物理光学、电磁理论、半导体物理、 基本编程
华南师范大学
集成光学
2
主讲人：刘柳
集成光学简介
• 集成光学的概念由美国科学家于1969年最先提出， 虽只有30多年的发展，但发展迅速，已成为当今 光学和光电子学领域的发展前沿之一。 • 其应用领域包括光纤通信、光传感技术、光学信 息处理、照明与显示、光计算机与光存储、材料 科学研究、光学仪器、光谱研究等。
光与电的第一次结合是19世纪初麦克斯韦提出的光的
电磁波理论，他明确指出无线电波和光波都是电磁波。
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集成光学
12
主讲人：刘柳
通信波段划分及相应传输媒介
频率，Hz
101 102
ELF
103
VF
104
VLF
105
LF
106
MF
107
HF
108
VHF
109
UHF
1010 1011
SHF EHF
1012 1013 1014 1015
集成光学
Integrated Photonics
主讲人：刘柳 liuliuliu@
华南师范大学 集成光学 1 主讲人：刘柳
课程简介
• 中文名称：集成光学 • 英文名称：Integrated Photonics （Optics）
• 总学时： 35个左右
– 其中：实践课8-10学时
华南师范大学 集成光学 19 主讲人：刘柳
光子学（Photonics）
• 一直以来，有关光的科学 ：光学（Optics）。
后来……: • 电场光学（electro-optics）：使用电控制的光学器 件，如：激光器、电光调制器、光开关等。在日 本使用得比较多。 • 光电子学（Optoelectronics）：包含光学效应的电 子器件，如：发光二极管、CCD相机等 • Quantum optics, Lightwave technology, ... 现在：统一称光子学（photonics）Electronics Photonics
华南师范大学 集成光学 20 主讲人：刘柳
光子学（Photonics）
把现阶段的光学称为光子学还有一个重要含义:它
标志着在发展和应用前景上与电子学占有同样重要的
地位。 光子学是研究作为信息载体和能量载体的光子的 产生﹑控制﹑探测及其应用的技术科学，是近代科学 技术发展的带头科学之一。 实际上，光子学是涉及学科面宽，技术密集程度 高的一门技术科学，它的发展水平代表着一个国家科 学技术发展的水平和综合实力。
华南师范大学
集成光学
6
主讲人：刘柳
参考书
• 英文：
– 《An introduction to optical waveguides》, Wileyinterscience, M. J. Adams, 1981. – 《Optical waveguide theory》, Allan W. Snyder, Springer, 1983. – 《Integrated Optics: Theory and Technology》，Fifth Edition, R.G.Hunsperger, Springer Verlag, 2002
频段 划分 传 输 介 质
电力、电话
无线电、电视
AM无线电 同轴电缆 双铰线
FM无线电
微波
卫星/微波
红外
可见光
光纤
光纤
107
106
105
104
103
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
自由空间波长，m
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电子技术的发展
电子学的发展，实质上就是人们不断地开拓 电磁波谱并加以应用的历史。近一个世纪以来， 从最简单的二极管、三极管，到后来相继发明的 束射功率管、闸流管、微波三四极管、行波管、 返波管、奥罗管、回旋管等，从而使电磁波波谱 由长波、中波、短波、超短波直至微波、毫米波 及亚毫米波波段，并正在向更短的波长进军，以 其与激光器件向长波长方向迈进相配合，共同占 领从亚毫米波与远红外波之间的空白波段（THz 波段)。
深入的集成光学基础理论和实践能力的高级工程技
术人才。
华南师范大学
集成光学
4
主讲人：刘柳
课程内容
• 本课程理论、应用与实践并重，主要分为l 六个部分：
– 介质波导基础理论。
波导的结构、二维和三维波导的模式理论、耦合理论
– 无源集成光学器件。
耦合器、干涉仪、滤波器、隔离器、环行器等
– 有源集成光学器件，以及光电集成。
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第一章 绪论
• 为什么叫光子学（Photonics）? • 什么是集成光学？
• 集成光学的历史发展
• 集成光学的优点
• 本门课主要讲述的内容概述
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集成光学
29
主讲人：刘柳
集成光学的历史和发展
• 集成光学以导波光学为基础。 • 集成光学的概念是1969年美国贝尔实验室的S. E.
Miller博士提出的。
– 1962年在GaAs p-n 结激光器中存在着导波现象；
– 1965年制备出红外波段的薄膜波导；
– 1970年研制成功室温工作的双异质结激光器；
– ……
华南师范大学 集成光学 30 主讲人：刘柳
华南师范大学
集成光学
31
主讲人：刘柳
集成电子学和集成光学
电子学的发展过程：从真空管器件的真空电子 学以晶体管为基础的固体电子学以集成电路 为标志的集成电子学。
华南师范大学 集成光学 24 主讲人：刘柳
什么是集成光学？
• 集成光学是当今光子学领域的发展前沿之 一，它主要研究集成在一个平面衬底上的 光学器件和光电子学领域的理论、技术与 应用，是光学发展的必由之路和高级阶段 。
• 集成光学以光波导、激光器、光调制器、 接收器等光子和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。
华南师范大学 集成光学 17 主讲人：刘柳
半导体物理的发展促成光电效应的应用，从
光电池、光电探测器，发展到发光二极管和半导
体激光器，于是形成了以光电元件及其应用为主
要内容的狭义的光电子学。而光纤在通信中的成
功应用又出现光波技术（Lightwave Technology） 和导波光学技术（Waveguide optics）等分支学 科。
光通信 发射机
美国国家点 火装置NIF
华南师范大学 集成光学 23 主讲人：刘柳
什么是集成光学？
• 集成光学是采用集成方法研究光学器件和混 合光学-电子学器件系统的一门新的学科。 • 集成光学建立在光电子学、光波导理论、激 光技术和微电子学的微细加工工艺发展的基 础之上，是光子学的一个重要分支。 • 集成光学的任务是将传统的光学元器件和系 统微型化，并按照新的物理观点将这些元器 件或系统“集成”，以形成具有多种功能的 集成光学体系。
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集成光学
15
主讲人：刘柳
第二次结合
光与电第二次结合是1905年爱因斯坦将量子论用 于解释光电效应，并提出了光子的概念。他明确提出 当光作用于物质时，光是以“光子Photon”（光的能 量会集成一个个的“能包”）作为最小单位进行的。 光电探测器（光转电）和半导体激光器（电转光）分 别是光子——电子转换器和电子——光子转换器，它 们是光电相互依存和相互转化的典型例子。