Che cosa è l'ottica integrata?

Il concetto di ottica integrata fu proposto dal Dr. Miller dei Bell Laboratories nel 1969. L'ottica integrata è una nuova disciplina che studia e sviluppa dispositivi ottici e sistemi ibridi ottico-elettronici utilizzando metodi integrati basati sull'optoelettronica e sulla microelettronica. La base teorica dell'ottica integrata è l'ottica e l'optoelettronica, che comprendono l'ottica ondulatoria e l'ottica dell'informazione, l'ottica non lineare, l'optoelettronica dei semiconduttori, l'ottica cristallina, l'ottica a film sottile, l'ottica a onde guidate, la teoria dell'interazione parametrica e accoppiata, dispositivi e sistemi a guida d'onda ottica a film sottile. La base tecnologica è principalmente la tecnologia a film sottile e la microelettronica. Il campo di applicazione dell'ottica integrata è molto ampio: oltre alla comunicazione in fibra ottica, alla tecnologia di rilevamento in fibra ottica, all'elaborazione ottica delle informazioni, ai computer ottici e alla memorizzazione ottica, esistono altri campi, come la ricerca nella scienza dei materiali, gli strumenti ottici e la ricerca spettrale.

In primo luogo, vantaggi ottici integrati

1. Confronto con sistemi di dispositivi ottici discreti

Un dispositivo ottico discreto è un tipo di dispositivo ottico fissato su una grande piattaforma o base ottica per formare un sistema ottico. Le dimensioni del sistema sono dell'ordine di 1 m² e lo spessore del fascio è di circa 1 cm. Oltre alle grandi dimensioni, anche l'assemblaggio e la regolazione risultano più complessi. Il sistema ottico integrato presenta i seguenti vantaggi:

1. Le onde luminose si propagano nelle guide d'onda ottiche e sono facili da controllare e mantenere nella loro energia.

2. L'integrazione garantisce un posizionamento stabile. Come accennato in precedenza, l'ottica integrata prevede la realizzazione di più dispositivi sullo stesso substrato, eliminando così i problemi di assemblaggio tipici dell'ottica discreta e garantendo una combinazione stabile e una maggiore adattabilità a fattori ambientali come vibrazioni e temperatura.

(3) Le dimensioni del dispositivo e la lunghezza dell'interazione sono ridotte; anche l'elettronica associata funziona a tensioni inferiori.

4. Elevata densità di potenza. La luce trasmessa lungo la guida d'onda è confinata in uno spazio locale ristretto, con conseguente elevata densità di potenza ottica, che consente di raggiungere facilmente le soglie operative necessarie del dispositivo e di lavorare con effetti ottici non lineari.

5. L'ottica integrata è generalmente integrata su un substrato su scala centimetrica, di piccole dimensioni e leggero.

2. Confronto con i circuiti integrati

I vantaggi dell'integrazione ottica possono essere suddivisi in due aspetti: uno è la sostituzione del sistema elettronico integrato (circuito integrato) con il sistema ottico integrato (circuito ottico integrato); l'altro è legato alla fibra ottica e alla guida d'onda ottica piana dielettrica che guidano l'onda luminosa invece del filo o del cavo coassiale per trasmettere il segnale.

In un percorso ottico integrato, gli elementi ottici sono formati su un substrato di wafer e collegati da guide d'onda ottiche ricavate all'interno o sulla superficie del substrato. Il percorso ottico integrato, che integra gli elementi ottici sullo stesso substrato sotto forma di film sottile, è un modo importante per risolvere la miniaturizzazione del sistema ottico originale e migliorarne le prestazioni complessive. Il dispositivo integrato presenta i vantaggi di dimensioni ridotte, prestazioni stabili e affidabili, elevata efficienza, basso consumo energetico e facilità d'uso.

In generale, i vantaggi della sostituzione dei circuiti integrati con circuiti ottici integrati includono una maggiore larghezza di banda, il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda, la commutazione multiplex, una ridotta perdita di accoppiamento, dimensioni ridotte, peso ridotto, basso consumo energetico, una buona economia di preparazione dei lotti e un'elevata affidabilità. Grazie alle diverse interazioni tra luce e materia, è possibile realizzare nuove funzioni del dispositivo utilizzando vari effetti fisici, come l'effetto fotoelettrico, l'effetto elettro-ottico, l'effetto acusto-ottico, l'effetto magneto-ottico, l'effetto termo-ottico e così via, nella composizione del percorso ottico integrato.

2. Ricerca e applicazione dell'ottica integrata

L'ottica integrata è ampiamente utilizzata in vari settori, come l'industria, la difesa e l'economia, ma trova impiego principalmente nei seguenti ambiti:

1. Reti di comunicazione e ottiche

I dispositivi ottici integrati sono l'hardware chiave per realizzare reti di comunicazione ottica ad alta velocità e grande capacità, tra cui una sorgente laser integrata ad alta velocità di risposta, un multiplexer a divisione di lunghezza d'onda densa a reticolo di guida d'onda, un fotodetector integrato a risposta a banda stretta, un convertitore di lunghezza d'onda di routing, una matrice di commutazione ottica a risposta rapida, un divisore di fascio di guida d'onda ad accesso multiplo a bassa perdita e così via.

2. Computer fotonico

Il cosiddetto computer fotonico è un computer che utilizza la luce come mezzo di trasmissione delle informazioni. I fotoni sono bosoni, privi di carica elettrica, e i fasci di luce possono passare parallelamente o incrociarsi senza influenzarsi a vicenda, il che conferisce loro la capacità innata di un'elevata elaborazione parallela. Il computer fotonico presenta inoltre i vantaggi di un'ampia capacità di archiviazione delle informazioni, una forte capacità anti-interferenza, bassi requisiti per le condizioni ambientali e un'elevata tolleranza ai guasti. I componenti funzionali più basilari dei computer fotonici sono gli interruttori ottici integrati e i componenti logici ottici integrati.

3. Altre applicazioni, come elaboratore di informazioni ottiche, sensore in fibra ottica, sensore a reticolo in fibra ottica, giroscopio in fibra ottica, ecc.