El concepto de óptica integrada fue propuesto por el Dr. Miller de los Laboratorios Bell en 1969. La óptica integrada es una disciplina reciente que estudia y desarrolla dispositivos ópticos y sistemas híbridos optoelectrónicos mediante métodos integrados, basándose en la optoelectrónica y la microelectrónica. Su fundamento teórico reside en la óptica y la optoelectrónica, incluyendo 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 modos acoplados e interacción paramétrica, y los dispositivos y sistemas de guías de onda ópticas de película delgada. Su base tecnológica se fundamenta principalmente en la tecnología de películas delgadas y la microelectrónica. El campo de aplicación de la óptica integrada es muy amplio; además de las comunicaciones por fibra óptica, la tecnología de detección por fibra óptica, el procesamiento óptico de la información, la computación óptica y el almacenamiento óptico, abarca otros campos como la investigación en ciencia de materiales, la instrumentación óptica y la investigación espectral.
En primer lugar, ventajas ópticas integradas
1. Comparación con sistemas de dispositivos ópticos discretos
Un dispositivo óptico discreto es un tipo de dispositivo óptico fijado a una plataforma o base óptica de gran tamaño para formar un sistema óptico. El tamaño del sistema es del orden de 1 m², y el grosor del haz es de aproximadamente 1 cm. Además de su gran tamaño, su montaje y ajuste son más complejos. El sistema óptico integrado presenta las siguientes ventajas:
1. Las ondas de luz se propagan en guías de onda ópticas, y es fácil controlar y mantener su energía en ellas.
2. La integración proporciona un posicionamiento estable. Como se mencionó anteriormente, la óptica integrada permite fabricar varios dispositivos en el mismo sustrato, por lo que no existen 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 lo largo de la guía de ondas se confina a un pequeño espacio local, lo que da como resultado una alta densidad de potencia óptica, que facilita alcanzar los umbrales de funcionamiento necesarios del dispositivo y trabajar con efectos ópticos no lineales.
5. Los sistemas ópticos integrados generalmente se integran en un sustrato de escala centimétrica, que es pequeño en tamaño y ligero en peso.
2. Comparación con circuitos integrados
Las ventajas de la integración óptica se pueden dividir en dos aspectos: uno es la sustitución del sistema electrónico integrado (circuito integrado) por el sistema óptico integrado (circuito óptico integrado); el otro está relacionado con la fibra óptica y la guía de onda óptica de plano dieléctrico que guían la onda de luz en lugar de cables o cables coaxiales 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 onda ópticas formadas en su interior o en su superficie. La trayectoria óptica integrada, que integra elementos ópticos en el mismo sustrato en forma de película delgada, es una vía importante para la miniaturización del sistema óptico original y la mejora de su rendimiento general. El dispositivo integrado presenta ventajas como tamaño reducido, 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 un mayor ancho de banda, multiplexación por división de longitud de onda, conmutación multiplexada, bajas pérdidas de acoplamiento, tamaño reducido, peso ligero, bajo consumo de energía, buena economía de producción en serie y alta fiabilidad. Debido a las diversas interacciones entre la luz y la materia, también se pueden implementar nuevas funciones en los dispositivos mediante el uso de diversos efectos físicos, como el efecto fotoeléctrico, el efecto electroóptico, el efecto acustoóptico, el efecto magnetoóptico y el efecto termoóptico, entre otros, en la composición de la ruta óptica integrada.
2. Investigación y aplicación de la óptica integrada
La óptica integrada se utiliza ampliamente en diversos campos como la industria, el sector militar y la economía, pero se emplea principalmente en los siguientes aspectos:
1. Redes de comunicación y ópticas
Los dispositivos ópticos integrados son el hardware clave para lograr redes de comunicación óptica de alta velocidad y gran capacidad, incluyendo fuentes láser integradas de respuesta de alta velocidad, multiplexores de división de longitud de onda densa de matriz de rejilla de guía de ondas, fotodetectores integrados de respuesta de banda estrecha, convertidores de longitud de onda de enrutamiento, matrices de conmutación óptica de respuesta rápida, divisores 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, que no tienen carga eléctrica, y los haces de luz pueden pasar en paralelo o cruzarse sin interferir entre sí, lo que les confiere una gran capacidad de procesamiento paralelo. La computadora fotónica también presenta ventajas como una gran capacidad de almacenamiento de información, una alta resistencia a las interferencias, bajos requisitos ambientales y una elevada tolerancia a fallos. Los componentes funcionales más básicos de las computadoras fotónicas son los interruptores ópticos integrados y los componentes de lógica óptica integrada.
3. Otras aplicaciones, como procesador de información óptica, sensor de fibra óptica, sensor de rejilla de fibra, giroscopio de fibra óptica, etc.
Fecha de publicación: 28 de junio de 2023