El concepto de óptica integrada fue propuesto por el Dr. Miller de Bell Laboratories en 1969. La óptica integrada es una nueva disciplina que estudia y desarrolla dispositivos ópticos y sistemas de dispositivos ópticos electrónicos híbridos utilizando métodos integrados basados en la optoelectrónica y la microelectrónica. La base teórica de la óptica integrada es la óptica y la optoelectrónica, que abarca la óptica ondulatoria y la óptica de la información, la óptica no lineal, la optoelectrónica de semiconductores, la óptica de cristales, la óptica de películas delgadas, la óptica de ondas guiadas, la teoría de la interacción paramétrica y de modos acoplados, y los dispositivos y sistemas de guías de ondas ópticas de películas delgadas. La base tecnológica es principalmente la tecnología de películas delgadas y la tecnología microelectrónica. El campo de aplicación de la óptica integrada es muy amplio; además de la comunicación por fibra óptica, la tecnología de detección por fibra óptica, el procesamiento de información óptica, la informática óptica y el almacenamiento óptico, existen otros campos, como la investigación en ciencia de los materiales, los instrumentos ópticos y la investigación espectral.
En primer lugar, las ventajas ópticas integradas
1. Comparación con sistemas de dispositivos ópticos discretos
Un dispositivo óptico discreto es un tipo de dispositivo óptico fijado sobre una gran plataforma o base óptica para formar un sistema óptico. El tamaño del sistema es del orden de 1 m² y el espesor del haz es de aproximadamente 1 cm. Además de su gran tamaño, su montaje y ajuste también son más difíciles. El sistema óptico integrado ofrece las siguientes ventajas:
1. Las ondas de luz se propagan en guías de ondas ópticas y son fáciles de controlar y mantener su energía.
2. La integración proporciona un posicionamiento estable. Como se mencionó anteriormente, la óptica integrada permite fabricar varios dispositivos en el mismo sustrato, eliminando así los problemas de ensamblaje que presenta la óptica discreta, lo que permite una combinación estable y una mayor adaptabilidad a factores ambientales como la vibración y la temperatura.
(3) El tamaño del dispositivo y la longitud de interacción se acortan; la electrónica asociada también funciona a voltajes más bajos.
4. Alta densidad de potencia. La luz transmitida a través de la guía de ondas se limita a un pequeño espacio local, lo que resulta en una alta densidad de potencia óptica, que permite alcanzar fácilmente los umbrales de operación necesarios del dispositivo y trabajar con efectos ópticos no lineales.
5. Las ópticas integradas generalmente se integran en un sustrato de escala centimétrica, que es de tamaño pequeño y peso ligero.
2. Comparación con circuitos integrados
Las ventajas de la integración óptica se pueden dividir en dos aspectos, uno es reemplazar el sistema electrónico integrado (circuito integrado) con el sistema óptico integrado (circuito óptico integrado); el otro está relacionado con la fibra óptica y la guía de ondas ópticas del plano dieléctrico que guían la onda de luz en lugar de alambre o cable coaxial para transmitir la señal.
En una trayectoria óptica integrada, los elementos ópticos se forman sobre un sustrato de oblea y se conectan mediante guías de ondas ópticas formadas en el interior o la superficie del sustrato. La trayectoria óptica integrada, que integra elementos ópticos sobre el mismo sustrato en forma de película delgada, es una forma importante de resolver la miniaturización del sistema óptico original y mejorar el rendimiento general. El dispositivo integrado ofrece las ventajas de un tamaño compacto, un rendimiento estable y fiable, alta eficiencia, bajo consumo de energía y facilidad de uso.
En general, las ventajas de sustituir los circuitos integrados por circuitos ópticos integrados incluyen mayor ancho de banda, multiplexación por división de longitud de onda, conmutación multiplex, bajas pérdidas de acoplamiento, tamaño reducido, peso ligero, bajo consumo de energía, buena economía en la preparación de lotes y alta fiabilidad. Gracias a las diversas interacciones entre la luz y la materia, también se pueden lograr nuevas funciones en los dispositivos mediante el uso de diversos efectos físicos, como el efecto fotoeléctrico, el efecto electroóptico, el efecto acústico-óptico, el efecto magneto-óptico y el efecto termo-óptico, entre otros, en la composición de la trayectoria óptica integrada.
2. Investigación y aplicación de la óptica integrada
La óptica integrada se utiliza ampliamente en diversos campos como la industria, el ejército y la economía, pero se utiliza principalmente en los siguientes aspectos:
1. Redes de comunicación y ópticas
Los dispositivos ópticos integrados son el hardware clave para realizar redes de comunicación óptica de gran capacidad y alta velocidad, incluida la fuente láser integrada de respuesta de alta velocidad, el multiplexor de división de longitud de onda densa de matriz de rejilla de guía de ondas, el fotodetector integrado de respuesta de banda estrecha, el convertidor de longitud de onda de enrutamiento, la matriz de conmutación óptica de respuesta rápida, divisor de haz de guía de ondas de acceso múltiple de baja pérdida, etc.
2. Computadora fotónica
La llamada computadora fotónica es una computadora que utiliza la luz como medio de transmisión de información. Los fotones son bosones sin carga eléctrica, y los haces de luz pueden circular en paralelo o cruzarse sin afectarse entre sí, lo que le confiere la capacidad innata de un gran procesamiento en paralelo. La computadora fotónica también ofrece las ventajas de una gran capacidad de almacenamiento de información, una sólida capacidad antiinterferente, bajos requisitos ambientales y una alta tolerancia a fallos. Los componentes funcionales más básicos de las computadoras fotónicas son los interruptores ópticos integrados y los componentes lógicos ópticos integrados.
3. Otras aplicaciones, como procesador de información óptica, sensor de fibra óptica, sensor de rejilla de fibra, giroscopio de fibra óptica, etc.
Hora de publicación: 28 de junio de 2023