“集成”成为了一种潜力难以估量的科学技术手段。
平板波导几何光学分析 2012年2月
The first integrated circuit
• His idea founded a new industry
• Has Nobel price in physics year 2000
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2.集成光学概念的提出
• 集成光学的概念是1969年美国贝尔实验室的Miller博士提
出 的 (Integrated Optics: An Introduction, Bell System Technical Journal, 1969, 48:2059~2061)
• 集成光学发展初期，美国华裔科学家田柄耕假借集成电路 的概念，对集成光学归纳了三条定义：（1）光束能限制 在光波导中传播；（2）利用光波导可以制成各种光波导
6 成批制造的前景和经济性 7 改善可靠性
8 改善光学连接及对准的稳定性和可靠性，避免
由于震动带来的系统不稳定或失败
9 降低成本（制造、应用、维护、升级）
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光元器件与电子元器件的特性比较
光元器件 特征项 (a)基本作用 光波导中的光传输及光与 衬底表面附近的电子传 电子/晶格的相互作用 输与控制 光波导，半导体激光器等 晶体管、电阻、电容 电子元器件
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1.3.2发展新特点
• (1)集成光学已从实验室走向生产阶段，从初期的纯波导理论
研究进入集成光学器件和集成光路的设计、制作研究阶段。
• (2)已从单一的玻璃或铌酸锂材料发展到今天的多种材料，特
别是硅基和聚合物基材料的开发为集成光学进入工程应用打 下了基础。
器件；（3）将光波导和光波导器件集成起来可构成有特 定功能的集成光路
• 目前，“集成光学”的概念涵盖广泛的内容。
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• 按集成的方式划分：个数集成和功能集成 • 按集成的类型划分：光子集成回路（PIC）和光电子集成
回路（OEIC）
• 按集成的技术途径划分：单片集成和混合集成 • 按研究内容划分：导波光学和集成光路
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集成光路的优点
1 光波导具有非常宽的带宽 2 光子器件中光子运动速度比电子器件中电子高
得多，而且没有导线电容和电感对频率的限制 信号，即实现“波分多路复用”
3 在同一光路上可以传输和处理多个或多频率的
4 在空间上可以实现一维或二维以致三维立体的
多路阵列传输及存储、处理 5 较小的尺寸、重量，较低功耗
§1.2 集成光学的特点
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1.2.1 集成光学系统与离散光学器件系统的比较
• (1)光波在光波导中传播，光波容易控制和保持其能量。
• (2)集成化带来的稳固定位。 • (3)器件尺寸和相互作用长度缩短；相关的电子器件的工作电 压也较低。
• (4)功率密度高。沿波导传输的光被限制在狭小的局部空间， 导致较高的功率密度，容易达到必要的器件工作阈值和利用非 线性效应工作。
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光 波 导 理 论
－导波光学 （～20学时）
汪平河
光电学院416房间 电话83205564
wphsci@
平板波导几何光学分析 2012年2月 绪论
集成光学概论
1.1 集成光学的概念 1.2 集成光学的特点
1.3 集成光学的发展和现状
1.4 研究集成光学的意义
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§1.1 集成光学的概念
1. 集成电路(integrated circuit, IC)
1947年，贝尔研究所的肖克利（Shockley）、巴丁 （Bardeen）、布拉顿（Brattain）发明晶体管 1957年，得克萨斯仪器公司的基尔毕(Kirby)发明集成电路 2006年，被集成的晶体管个数达到两亿个；今年，美国 英特尔集成了23亿个晶体管（目前最高水平）。
2003年，科学家开发出制备纳米线的新方法。纳米线提供 了尺度远远小于光波长的导光结构，它与有关纳米尺度的 微腔和激光器的技术配合，可望用于制作各种纳米光集成 器件。
目前，集成光学主要是研究和开发光通信、光学信息处理、 光子计算机和光传感等所需要的多功能、稳定、可靠的光 集成体系和混合光电集成体系等。
器、半导体光放大器和集成光源不断涌现，为集成光学长远 的发展奠定了基础。
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1970年研制成功了低损耗光纤，目前光纤的传输损耗已经
降低到了0.2dB/km以下。
1972年，Somekh和Yariv提出了在87年，Yablonovitch和John大约同时提出了光子晶体 （photonic crystal, PC）的概念。
光子计算机是一种全新的计算机，是以光子作为主要的信息载 体，以光子系统作为计算机的主体，以光运算作为计算机运 算方式的计算机。
• 光子计算机的优点：
(a)具有超高的运算速度 ——串行电子计算机的极限速度是1010 次/秒，而光子计算机的理论计算速度达1023次/秒，在技术上 可实现1012~1015次/秒的计算速度
光波导理论与技术
选修课 汪平河/刘永 共40学时（周二9-11节，三教102） I ： 理论 II： 技术
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教学目的
• 通过本课程的学习，要求学生：
– 了解集成光学的基本概念， – 熟练掌握光波在平板介质波导中的传输特性 – 掌握集成光波导器件的制备材料、典型结构、工 作原理及基本制备工艺过程， – 掌握光波导器件的参数测试技术， – 了解光波导技术的应用及发展现状。
• (3)以III－V族半导体为衬底的集成光学达到迅猛发展。 • (4)目前集成光学已进入实质的工程应用，光通信和光信息处 理是集成光学两大类重要应用领域。
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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：
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
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集成光学主要应用（一）——光纤通信 • 1.光纤通信
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3.集成光学的定义
• (1)集成光学是在光电子学和微电子学基础 上，采用集成方法研究和发展光学器件和 混合光学－电子学器件系统的一门新的学 科。 • (2)集成光学是研究介质薄膜中的光学现象， 以及光学元器件集成化的一门学科。 • (3)集成光学是研究集成光路特性和制造技 术以及与微电子学相结合的学科。 平板波导几何光学分析 2012年2月
(b)具有超并行性工作的能力
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集成光学主要应用（三）——光纤传感
• 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。
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经过40年的发展，集成光学不再是当初把几 个光学器件集成在一起的简单概念，而是一 个集光学、激光、微电子学、光电子学、通 信、薄膜技术等为一体的独立的交叉学科， 是当今光学和光电子学领域的发展前沿之一，
是光学发展的必由之路和高级阶段。
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(f)元器件可靠性 (g)元器件制造工艺
§1.3 集成光学的发展和现状
1.3.1 发展简史
1962年开发出了第一个半导体同质结激光二极管，但其效率 较低，阈值电流较大，不能在室温下连续工作。
1967年异质结外延生长技术的出现，拉开了半导体激光器实 用化的序幕。 1969年，S. E. Miller提出“集成光学”概念 1970年实现了激光二极管的室温连续工作。此后，分布反馈 式和分布布拉格反射器式激光器、量子阱和应变量子阱激光 器、垂直腔面发射激光器、半导体激光器阵列等半导体激光
• 教材及主要参考书目 • 教材：
– 光波导理论与技术，李玉权 崔敏，人民邮电出版社，2002
• 参考书：
– – – – – – – 《Integrated Optics: Theory and Technology》 ， sixth Edition, R.G.Hunsperger, Springer Verlag, 2009 介质光波导及其应用, 秦秉坤等, 北京理工大学出版社，1991 光波导技术理论基础, 叶培大等, 北京邮电大学出版社,2002 《Optical Integrated Circuits》 ， Hiroshi Nishihara, Masamitsu Haruna, Toshiaki Suhara，McGraw-Hill Professional, 1989 集成光学， 蔡伯荣主编 电子科技大学出版社出版，1998 徐国昌,《光电子物理基础》[M].东南大学出版社:2000. 光波导模式理论，马春生、刘式墉，吉林大学出版社，2006
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教学内容
• • 第一章：集成光学概论 第二章：导波光学理论 – 第一节 平板光波导的射线光学分析（4学时） – 第二节 平板光波导的波动方程分析（4学时）