光集成(PIC)技术概述

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1、光子集成技术概论摘要：本文以光子学为基础，详细介绍了光子技术和光子集成的概念、主要应用领域、目前的研究热点及以光波导集成为基础的光子集成器件的研究进展。关键词：光子光子晶体光子技术光子集成光波导光子集成（PhotonicIntegratedCircuit,PIC）,也叫光子集成电路。以介质波导为屮心集成光器件的光波导型集成回路，即将若干光器件集成在一片基片上，构成一个整体，器件之间以半导体光波导连接，使其具有某些功能的光路。如集成外腔单稳频激光器，光子开关阵列，光外差接收机和光发射机等。一、光子集成（PIC）的理论基础光子集成技术的理论基础是光子学。当前

2、，支撑信息社会的两大微观信息载体是电子和光子，它们都是微观粒子。光子是波色子，不带电、传播速度快，光束可互相穿越而不互相干扰，因而可大规模互联和并行传输，具有独特的优越性。目前己研究开发和正在开发的光子技术主要领域有：激光技术和、光子计算机、光存储技术、光通信和全息光技术等。与电子学器件相比，光子学器件中光子的运用不受回路分布延迟的影响（一般为10%）,光在固体中传输速度为1012cm/s左右，光子学器件的吋间响应和容量要比电子学器件高得多。目前实验室已能获得十儿个飞秒的光子脉冲。光子信息系统的运算速度要大大超出现有的电子信息系统。光子信息系统的空间带宽

3、和频率带宽都很大，光子学与光子技术使光纤通信的容暈从原理上讲比微波通信大1万倍到10万倍以上，一路微波通道可以传送一路彩色电视或1千多路数字电话信号，而一根光纤则可以同时传送1千多万甚至1亿路电话。目前己完成了从第一代0.85Um波段与多模光纤，到第二代1.3um波段零色散与单模光纤，再到第三代1.55Pm波段与低损耗色散位移单模光纤的换代发展。利用光子学方式可以实现三维立体存储。光存储信息容量大，可靠性强，存取速度快，成本低且应用范围广。光盘、光卡的存储容量比磁盘、磁卡要髙出200至20000倍，且不易磨损，不受外界磁场、温度影响，可靠性强。由于光的频

4、率高，故此可高速传递信息，也可利用多重波长使信息二维并列传送，更甚者，光还可以进行并列处理，且无需阻抗匹配和布线冋路，故可进行高速信号调制，同电气布线相比较，在未來光计算机中将超越电气布线的极限，使高速处理系统得以实现。以光子晶体（photoniccrystals）（图1）为代表的光集成技术是近年来快速发展的前沿成果。近年来，技术上既可以在晶体内部通过引入缺陷来操控光子，也可以在三维光子晶体的表面来操控光子。这将在光子集成电路上通过光子晶体来操控光子提供了现实可能。光子晶体是介电常数等某些参数周期性变化的纳米结构材料，可产生一个光子带隙(bandgap)

5、,带隙将会影响光子在材料的传播。与半导体的情况类似，光子能带结构是周期性位势(periodicpotential)o在介电系数呈周期性排列的三维介电材料的光子系统屮，电磁波经介电函数散射后，某些波段的电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统内传递，相当于在频谱上形成能隙，于是色散关系(dispersionrelation)^有带状结构，即所谓的光子能带结构(photonicbandstructures)(图2、图3)«具有光子能带结构的介电物质，就称为光能隙(photonicenergygap)系统(photonicband-gapsystem,

6、简称PBG系统)，或简称光子晶体。图1[tlSiCN陶瓷材料形成的光子品体(a)Electronicdispersion小)Photonicdispersion图2半导体能隙和光子能隙比较图3光子能带结构能隙可以局限电磁波，光子晶体的杂质态大多落在能隙内，这为导引电磁波的成为可能。由于杂质四周都是光子晶体形成的“禁区”，电磁波在空间分布上只能局限在杂质附近，因此一个点状缺陷(pointdefecQffi当于一个微空腔(micro-cavity)0电磁波便可能沿着这些缺陷传递，就相当于一个波导(waveguide),于是可以通过引入杂质形成缺陷来控制和操作

7、光子流(图4)。三维光子晶体还具有表而态(surfacestates)(图5、图6),光子能够受限于这些表而态，表面并不吸收光，这可以被用来制作成新型传感器等光集成器件。诂诂：RX】】*bMHrFFJ4•fliII缺陷构造和光子局限0MaxAir图6二、光集成技术现状1、光子集成芯片由于光的波长短，光子系统的几何尺寸小，所以小尺寸是光子技术的一大特点（图7）。光子集成的特点是：将有源光电子器件（如半导体激光器、光放大器、光探测器）与光波导器件（分/合波器、耦合器、滤波器、调制器、光开关等）集成在一块半导体芯片上，构成了一种单片全光功能性器件。如，单量子阱

8、激光器中量子点处理元件的尺寸约在十分之一微米之下。光子器件具有三维结构，光子集成