тел.:  +7(499) 731-13-06,
          +7(499) 731-16-03
факс: +7(499) 731-55-92
email: admin AT niifp.ru

Образование  » 

Кафедра МФТИ  » 

 
 
 

Часть I

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  ФОТОНИКИ

 

 

                     I. Общая характеристика фотоники и  областей ее применения.

 

Лекция 1. Основные понятия и определения: Световые волны и  фотоны; оптический диапазон спектра, оптическое излучение, когерентное излучение. Фотоэлектрические преобразования, оптоэлектроника. Оптические сигналы, передача и преобразование оптических сигналов, фотоника. Оптическая связь и оптическая память. Волоконно-оптическая линия связи.

Оптоинформатика. Основная область применения фотоники - волоконно-оптические линии передачи (ВОЛП) и системы связи (ВОСС). Скоростной Интернет и техника глобальной мобильной связи. Внедрение фотоники в вычислительные устройства и системы – главная перспектива дальнейшего прогресса вычислительной техники (оптические межсоединения в СБИС, микропроцессорах и суперкомпьютерах).

 

Лекция 2 .Основные устройства микрофотоники.

1.      Модулируемые лазерные диоды (ЛД)

2.      Полупроводниковые оптические усилители – ПОУ( SOA));

3.      Широкополосные фотоприемники PIN, ЛФД.

4.      Пассивные оптические интегральные схемы (ОИС) – волноводные разветвители, аттенюаторы, оптические спектральные фильтры.

5. Спектральные  (де)мультиплексоры – СМП (WDM)).

 

            Интегральная микрофотоника - фотонные интегральные схемы – ФИС (PIC)  устройств микрофотоники..  

 

 

II. Световые волны и фотоны.

 

Лекция 3. Распространение, отражение и преломление световых волн. Электромагнитное поле световой волны. Уравненения Максвелла и волновые уравнения в оптических средах. Спектральное разложение  светового поля. Монохроматическое поле, амплитуда и фаза поля,  комплексное представление. Комплексная диэлектрическая  проницаемость ε(ω). Энергия и мощность потока светового поля, вектор Пойнтинга. Граничные условия на поверхности сред с различной проницаемостью

 

Лекция 4. Световые волны в однородном  пространстве. Плоские волны, волновой вектор, поляризация. Показатель преломления, дисперсия и затухание. Фазовая и групповая скорость. Распространение  дисперсионное уширение световых импульсов.

Отражение и  преломление, эффекты полного внутреннего отражения и туннелирования световых волн. Сферические волны. Линзовое преобразование световой волны, фокусировка, коллимация. Поперечный фазовый инвариант. Гауссовы пучки.

 

Лекция 5. Оптическое излучение и когерентность света. Характеристики излучения – мощность, интенсивность (освещенность, светимость),  направленность, яркость. Интерференция как проявление когерентности.  Временнáя и пространственная когерентность, интерферометры Майкельсона и Юнга. Время  когерентности, коэффициент корреляции и частотный спектр интенсивности. Радиус когерентности и пространственный спектр интенсивности.

.  Излучение от тепловых и люминисцентных источников и излучение лазеров. Причина высокой когерентности лазерного излучения. Ценность когерентного излучения –  возможность эффективного управления светом.  Необходимость когерентного излучения для эффективного ввода в одномодовый  волоконный волновод и для высокой скорости передачи световых сигналов.

Лекция 6.  Световые волны в ограниченном пространстве, локализация фотонов. Планарные оптические волноводы и резонаторы со ступенчатым профилем показателя преломления. Решение в виде плоских волн. Эффект ПВО на границе сердцевины, апертура захвата. Характер поля внутри и вне сердцевины волновода. Волновые решения уравнений Максвелла. ТЕ(Н) и ТМ(Е) волны. Волновод как двухмерная квантовая яма для фотона. Применение граничных условий. Собственные значения постоянной распространения. Способы возбуждения волн в планарном  волноводе.

            Оптический волноводный резонатор. Продольные и поперечные моды. Спектральная резкость и добротность.

 

Лекция 7. Фотоны - кванты светового поля 

 Фурье-разложение по плоским волнам. Квантование энергии поля по величине  (Планк, равновесное тепловое излучение). Минимальный квант поля – фотон с энергией ħω (Эйнштейн, фотоэффект). Фотон как частица с импульсом  ħk=h (Комптон, рассеяние электронов).

 Моды электромагнитного поля в волноводах и резонаторах - собственные решения волнового уравнения (общие свойства). Разложение произвольного поля и распределение чисел фотонов по модам. Соотношения неопределенности для фотона. Минимальный размер локализации фотонов пространстве и во времени, ячейка фазового пространства фотонов. Концентрация фотонов в одной моде – когерентность светового излучения.   Применимость классического описания поля фотонов с помощью амплитуды и фазы.

 

 

 

III. Взаимодействие светового излучения с веществом.

 

Лекция 8. Элементы квантовой механики. Энергетические состояния квантовых систем, электронов в атомах и кристаллах. Волновая функция и операторы физических величин. Собственные значения и собственные функции. Уравнение Шрёдингера и гамильтониан. Изолированный атом,  энергетический спектр. Энергетические полосы в твердых телах. Электрон в потенциальной квантовой яме. Квантовый гармонический осциллятор. Кванты энергии возбуждения и нулевые колебания осциллятора.

 

 Лекция 9.  Квантовая теория излучения и поляризуемости атомов. Атом  во внешнем световом поле. Теория возмущений, поляризуемость атомов. Спонтанное и вынужденное излучение, коэффициенты Эйнштейна. Теория индуцированных квантовых переходов.  Переходы в непрерывный спектр, спонтанное излучение атома. Квантовые вероятности излучения и поглощения фотона, причина спонтанного излучения (Дирак). Тепловое и люминесцентное излучение.

 

Лекция 10. Лазерная  генерация света.  Принцип лазерного усиления  и генерации. Скоростные уравнения. Инверсная заселенность, эффект насыщения, коэффициент усиления. Форма линии поглощения и усиления излучения. Оптический резонатор и положительная обратная связь через индуцированное излучение. Порог лазерной генерации. Свойства лазерного излучения – когерентность, направленность, спектральная плотность. Пример: оптический лазер и волоконно-оптический усилитель (ВОУ) на отрезке кварцевого волокна, легированного трехвалентными ионами эрбия, (EDFA). Энергетические полосы Е+3 в кварце. Схема устройства ВОУ на диапазон λ = 1,52 – 1,57 мкм с накачкой лазерными диодами λ= 980 мкм через связанные волноводы.

 

 

 

IV. Оптические явления в полупроводниках. Светодиоды.

 

Лекция 11.. Энергетическая зонная структура и блоховские волновые функции электронов в кристаллическом  полупроводнике. Эффективная масса электронов и дырок. Прямозонные и непрямозонные полупроводники. Плотность электронных и дырочных состояний в близи края зоны. Дипольный момент для прямого и непрямого межзонных переходов, фундаментальное межзонное поглощение. Реальный край зоны, примесные уровни, хвосты состояний, экситонные уровни. Оптическая восприимчивость полупроводника.

Лекция 12. Электролюминесценция в полупроводниках.   Спонтанное и индуцированное излучение при инжекции в pn-переходе, излучательные и безизлучательные переходы. Электрическая инжекция, внутризонная релаксация, квазиравновесие, квазиуровни Ферми,  инжекционная концентрация носителей. Полупроводниковые гетеропереходы и инжекционная электролюминесценция.

         Светоизлучающие диоды (СИД). Эффективность светодиода. Конструкции СИД. Коэффициент вывода света. Ватт-амперная характеристика. Спектр излучения. Быстродействие.

 

Часть II

ФОТОННЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И УСТРОЙСТВА ФОТОНИКИ

 

 

 

V. Полупроводниковые лазеры

 

Лекция 13. Полупроводниковые лазеры. Лазерные структуры на pn-переходах  и гетеропереходах. Двойная гетероструктура (ДГС) на  GaAlAs. Волноводное  свойство ДГС, эффект удержания  электронов  и фотонов в активной зоне лазера. Оптическое усиление в диодах с гетеропереходами. Условие генерации, пороговый ток. Ватт-амперная характеристика лазера. Предельная мощность. Импульсное быстродействие ЛД. Диаграмма направленности излучения.

 

Лекция 14. Типы и конструкции лазерных диодов (ЛД). Конструкции с ограничением числа поперечных и продольных мод, полосковые лазеры на ППВ с селекцией продольных мод. Лазеры для ВОЛП (λ=1,55 мкм) на четверных соединениях InGaAsP/InP. Лазеры с резонаторами на брэгговских зеркалах и с распределенной обратной связью (РОС). Поверхностно-излучающие ЛД с планарными брэгговскими зеркалами и с вертикальным резонатором (VCSEL, «ВИКСЕЛЬ»).

 

Лекция 15. Квантоворазмерные полупроводниковые лазеры.

Совершенствование ЛД.  Проблема снижения порогового тока генерации. Значение плотности состояний для усиления света и величины порогового тока.  Применение методов наноэлектроники в полупроводниковых лазерах – квантовые ямы, нити, точки в активном слое ДГС. Одномерная симметричная «квантовая стенка». Множественные стенки, сверхрешетка с минизонами. Эффект Штарка в квантовой яме. Плотность состояний в квантовой стенке. Квантовые нити и точки. Модификация плотности состояний.

Современные гетеролазеры с одной и множественными квантовыми ямами (SQW, MQW), разработки лазеров с квантовыми точками (КТДГЦ-лазеры).

 

 

VI. Фотоприемники

 

Лекция 16. Фотоприемники. Фотовольтаические эффекты в неоднородных полу-проводниковых структурах. Фотодиоды и интегральные фотоприемники. Квантовая эффективность и ваттамперная фоточувствительность. p-i-n диоды, конструкция, импульсная характеристика. Лавинные фотодиоды (ЛФД), структура, усиление.

 

Лекция 17. Шумы в фотоприемниках, чувствительность и предельное быстродействие. Флуктуации тока в фотоприемнике. Математическое вероятностное описание шума. Тепловой резистивный шум. Термогенерационный шум.  Дробовой и фотонный шумы.  Отношение сигнал/шум и пороговая чувствительность. Пример расчета простого оптического приемника. Интегральный фотоприемник с входным волноводом (ФПВ) с предельным быстродействием (до 40 Гбит/с).

 

 

VII. Планарные и волоконные оптические волноводы

 

Лекция 18.  Планарно-полосковые волноводы (ППВ) гребенчатого и канального типа.

ППВ – аналог «квантовой нити (проволоки)» для фотона. Структура ЕН и НЕ мод, сравнение с модами прямоугольного СВЧ- волновода. Одномодовый режим ППВ. Условие эффективного торцевого возбуждения ППВ, согласование ППВ с ВОВ. Направляемые (связанные) и излучательные (свободные) моды  оптического волновода. Излучательые потери в ППВ на  искривлениях и шероховатостях стенок, минимальный критический радиус поворота волновода.

 

Лекция 19. Волоконно-оптические волноводы (ВОВ). Кварцевые ВОВ на SiO2:Ge со ступенчатым профилем.  Решение волнового уравнения с помощью цилиндрических функций. Классификация мод ВОВ по проекциям момента и спина фотона. Основная мода, критическая частота, условия одномодового режима. Распространение световых импульсов, затухание и дисперсионное уширение импульсов сигнала в линии. Спектральные характеристики затухания и дисперсии  кварцевых ВОВ, диапазоны λ=1,3 мкм и λ=1,55 мкм. Многомодовые кварцевые и полимерные волноводы на λ=0,8–0,9 мкм.

           Входная апертура, эффективность ввода излучения от когерентного (ЛД) и некогерентного (СИД)  источников в одномодовый и многомодовый ВОВ. Причина уникально низких излучательных потерь в кварцевых ВОВ (0,2 дБ/км, на 6 порядков ниже, чем в ППВ).

 

 

Лекция 20. Общие свойства волноводных мод. Определение модовых волновых функций и собственных значений постоянной распространения kzn(ω) из граничных условий. Дискретный спектр βn  у направляемых мод и непрерывный у излучательных. Туннелирующий (эванесцентный) характер поля направляемых мод вне сердцевины волновода. 

Эффективный показатель преломления, нормализованная частота и дисперсионные характеристики волноводных мод. Эффективная ширина волновода и коэффициент удержания энергии волны в сердцевине волновода.

Ортогональность и нормировка модовых волновых функций на поток мощности. Полнота системы мод,  разложение произвольного поля по модовым волновым функциям

 

 

VIII. Фотонные интегральные схемы

 

Лекция 21.  Пассивные ФИС, оптические интегральные схемы (ОИС). Волноводные разветвители 1Х2 и 1XN с планарным расширителем. Связанные волноводы, взаимодействие между близкими волноводами. Волноводный интерферометр Маха-Цендера (ИМЦ).

Волноводная брэгговская дифракционная решетка (БДР). Оптический волноводный резонатор с торцевыми и брэгговскими зеркалами. Кольцевой волноводный резонатор.

 

Лекция 22.  Эффект Франца-Келдыша  в полупроводнике. Волноводный амплитудный модулятор на электропоглощении.

Электрооптический эффект в кристалле LiNbO3. Диффузионные канальные волноводы в ниобате лития.   Быстродействующий электрооптический модулятор на ИМЦ.   Коммутатор 2х2  и управляемый ответвитель на LiNbO3.

Модулятор и переключатель каналов 1х2 на кольцевом резонаторе со связанными волноводами.

Лекция 23. Толстопленочные планарные и канальные волноводы из SiO2:Ge на кремниевой подложке. Планарная мультиволноводная линза. Планарная фокусирующая дифракционная решетка. Планарный волноводный спектроскоп на фазированной волноводной дифракционной решетке (ФВДР). Плотный спектральный мультиплексор и демультиплексор (DWDM) оптических каналов на ФВДР.

 

Перестраиваемый спектральный фильтр на ИМЦ с ВБР. Спектральный мультиплексор ввода-вывода оптических каналов (OADM) на ИМЦ с брэгговскими зеркалами.     

 

 

IX. Методы и устройства высокоскростной оптической связи.

 

 

Лекция 24. Методы повышения пропускной способности ВОСП.

 Временнòе уплотнение (TDM) и коммутация (TDC) электрических цифровых каналов связи. Спектральное уплотнение (мультиплексирование по длине волны) оптических каналов (WDM),  плотное спектральное мультиплексирование (DWDM). Пространственная кросс-бар коммутация оптических каналов (OXC) и спектральная селективная коммутация мультиплексированных оптических каналов (OADM).

         Новый этап развития волоконно-оптической связи – системы FTTH («волокно прямо в дом», 2 Гбит/с) и сотовые ВОСП для массовой мобильной видео-связи. Стратегия – создание ФИС с большим масштабом интеграции – БФИС (LS-PICLarge Scale Photonic Integrated Circuits).

Дальнейшая задача – максимально интегрировать группы из компонент 3 – 11 путем  создания ФИС большого масштаба интеграции – БФИС (LS-PIC).

 

 

 

X. Большие фотонные интегральные схемы, интегральная нанофотоника

 

Лекция 25. Новый этап дальнейшего развития микрофотоники. Главные задачи -

- Переключатели и коммутаторы оптических каналов (OXC).

- Быстродействующие (10 Гб/с) оптические модуляторы (ИЭОМ, ОМЭП)

-  Плотные спектральные  (де)мультиплексоры (ПСМ (DWDM)).

- Спектральный мультиплексор ввода-вывода оптических каналов (OADM)

Основное направление –  интегральная нанофотоника,  создание ФИС с большим масштабом интеграции (БФИС) с субмикронными размерами волноводных элементов. Разработка технологии и исследование нано-размерных элементов в первой декаде XXI. Ключевая технология, – DRIE, – глубокое вертикальное реактивно-ионное травление магнитным удержанием пучка ионов.

Лекция 26. Новые типы волноводов нанофотники:

- Субмикронные БКП-волноводы (с большим контрастом показателя преломления) в кремнии и InP шириной 500 нм;

- Волноводы в двухмерных фотонных кристаллах на кремнии c микронным радиусом поворота;

-Поверхностно-плазмонные полосковые наноразмерные волноводы (70 нм, серебро, золото);

- Кольцевые волноводные резонаторы микронных размеров.

 

Лекция 27. Создание первой БФИС (LS-PIC)  на нано-размерных БКП-волноводах в InP (2004 г.). 10-канальный передатчик и фотоприемник на 100 Гбит/с.

 2010 г. – разработка БФИС передающего и приемного модулей от 400 Мбит/с до 1,6 Тбит/с  на гетероструктурах InGaAsP/InP с оптическим волноводным контактом на кремниевом чипе. Компоненты ВОСП, интегрированные в БФИС передающего модуля на чипе размером 5Х8 мм2 на число каналов от 10 до 40 –

- перестраиваемые РОС-лазеры

- модуляторы на электропоглощении (МЭП) с электронным управлением на 10 – 40 Гбит/с;

- полупроводниковые оптические усилители на ЛД (SOA);

- монитор световой мощности (волноводный ответвитель с фотоприемником);

- DWDM мультиплексор, объединяющий все N =10 – 40 λ-каналов в один одномодовый канал, соединенный с выходным ВОВ.

Компоненты приемного модуля БФИС,

- SOA на входном ВОВ;

- DWDM демультиплексор на 10 – 40 λ-каналов;

- волноводные p-i-n-диодные ФП на каждый канал с трансимпедансными усилителями на кремниевом чипе с полосой 30 ГГц.       .

 

   2010 г. – коммерческое промышленное производство БФИС передающих и приемных модулей на 100 Гбит/с - Infinera Corp.(CA, USA) . Передовые разработки, значительные достижения – фирмы Intel, UCSB, Luxtera.  Univ. California, Ghent Univ.-IMEC.

 

.

Л И Т Е Р А Т У Р А

 

1.«Волноводная оптоэлектроника», под ред. Т.Тамира,

     М.,»Мир», 1991.

2. А.Н.Пихтин. «Оптическая и квантовая электроника», М.,Высшая школа, 2001.

2. Ларкин А. И., Юу Ф.Т.С. «Когерентная фотоника».М., Бином. Лаборатория Знаний,2007.

 

3. М.Янг. «Оптика и лазеры (включая волоконную оптику и оптические волноводы)», М. «Мир», 2005. 

 4. Р.Фриман . «Волоконно-оптические системы связи», М. Техносфера, 2004.

5. Э. Розеншер, Б.Винтер. «Оптоэлектроника», М., Техносфера, 2004.

6. Robert G. Hunsperger, «Integrated Optics: Theory and Technology», Springer, 2009.

 

7. R. Nagarajan et al, ‘Large Scale Photonic Integrated Circuits’, IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 11, No. 1, pp. 50-65, January/February 2005.

 

8. Ivan Kaminov. “Photonic Integrated Circuits”, NICTA seminar, Melbourne, October 3, 2007.  

 

 

 

                                                                      

 

                                                                                                          К.К.Свидзинский  
 
 
Copyright © 1998-2017, NT-MDT