El concepto de óptica integrada fue propuesto por el Dr. Miller de los Laboratorios Bell en 1969. La óptica integrada es un campo nuevo que estudia y desarrolla dispositivos ópticos y sistemas híbridos de dispositivos óptico-electrónicos mediante métodos integrados basados en la optoelectrónica y la microelectrónica. La base teórica de la óptica integrada es la óptica y la optoelectrónica, que incluyen la óptica ondulatoria y la óptica de la información, la óptica no lineal, la optoelectrónica de semiconductores, la óptica de cristales, la óptica de película delgada, la óptica de ondas guiadas, la teoría de interacción paramétrica y de modos acoplados, y los dispositivos y sistemas de guías de onda ópticas de película delgada. La base tecnológica es principalmente la tecnología de película delgada y la tecnología de 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 computación óptica y el almacenamiento óptico, existen otros campos, como la investigación en ciencia de materiales, instrumentos ópticos e 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 también son más difíciles. 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.
2. La integración proporciona un posicionamiento estable. Como se mencionó anteriormente, la óptica integrada permite fabricar varios dispositivos en el mismo sustrato, eliminando los problemas de ensamblaje propios de la óptica discreta. Esto garantiza 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 componentes ópticos integrados generalmente se integran en un sustrato de tamaño centimétrico, 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 consiste en reemplazar el 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 plana dieléctrica que guía la onda de luz en lugar de utilizar 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 integradas en el interior o la superficie del sustrato. Esta trayectoria, que integra elementos ópticos en un mismo sustrato en forma de película delgada, es una solución importante para la miniaturización de los sistemas ópticos convencionales y para mejorar su rendimiento general. El dispositivo integrado ofrece ventajas como tamaño reducido, rendimiento estable y fiable, alta eficiencia, bajo consumo energético 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, baja pérdida de acoplamiento, tamaño reducido, peso ligero, bajo consumo de energía, buena economía de producción y alta fiabilidad. Debido 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 acustoóptico, el efecto magnetoóptico, el efecto termoóptico, etc., 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 ámbito 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 con matriz de rejilla de guía de onda, 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 onda de acceso múltiple de baja pérdida, etc.
2. Computadora fotónica
La denominada 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 propagarse en paralelo o cruzarse sin afectarse entre sí, lo que les confiere una gran capacidad de procesamiento paralelo. Las computadoras fotónicas también presentan ventajas como una gran capacidad de almacenamiento de información, una fuerte resistencia a las interferencias, bajos requisitos ambientales y una alta tolerancia a fallos. Los componentes funcionales más básicos de las computadoras fotónicas son los conmutadores 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.
Fecha de publicación: 28 de junio de 2023