Il concetto di ottica integrata è stato 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 la microelettronica. Le basi teoriche dell'ottica integrata sono costituite da ottica e optoelettronica, e comprendono ottica ondulatoria e ottica dell'informazione, ottica non lineare, optoelettronica a semiconduttore, ottica cristallina, ottica a film sottile, ottica a guida d'onda, teoria dei modi accoppiati e dell'interazione parametrica, dispositivi e sistemi a guida d'onda ottica a film sottile. Le basi tecnologiche sono principalmente la tecnologia a film sottile e la tecnologia microelettronica. Il campo di applicazione dell'ottica integrata è molto ampio: oltre alle comunicazioni in fibra ottica, alla tecnologia di rilevamento in fibra ottica, all'elaborazione ottica delle informazioni, ai computer ottici e all'archiviazione ottica, vi sono altri settori come la ricerca sulla scienza dei materiali, la strumentazione ottica e la ricerca spettrale.
In primo luogo, vantaggi ottici integrati
1. Confronto con sistemi a 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 le onde luminose sono facili da controllare e da mantenere nella loro energia.
2. L'integrazione garantisce un posizionamento stabile. Come accennato in precedenza, l'ottica integrata prevede la realizzazione di diversi dispositivi sullo stesso substrato, eliminando così i problemi di assemblaggio tipici dell'ottica discreta. Di conseguenza, la combinazione risulta stabile e più adattabile a fattori ambientali quali vibrazioni e temperatura.
(3) Le dimensioni del dispositivo e la lunghezza di 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 un piccolo spazio locale, 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 realizzata su un substrato di dimensioni centimetriche, che risulta quindi piccolo e leggero.
2. Confronto con i circuiti integrati
I vantaggi dell'integrazione ottica possono essere suddivisi in due aspetti: il primo consiste nella sostituzione del sistema elettronico integrato (circuito integrato) con un sistema ottico integrato (circuito ottico integrato); il secondo è legato alla fibra ottica e alla guida d'onda ottica planare dielettrica che guidano l'onda luminosa al posto 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 realizzate all'interno o sulla superficie del substrato. Il percorso ottico integrato, che unisce gli elementi ottici sullo stesso substrato sotto forma di film sottile, rappresenta un'importante soluzione per la miniaturizzazione dei sistemi ottici tradizionali e per il miglioramento delle prestazioni complessive. Il dispositivo integrato offre 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, la multiplazione a divisione di lunghezza d'onda, la commutazione multipla, una bassa perdita di accoppiamento, dimensioni ridotte, peso contenuto, basso consumo energetico, buona economicità di produzione in serie e alta affidabilità. Grazie alle diverse interazioni tra luce e materia, è inoltre possibile realizzare nuove funzionalità dei dispositivi 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 diversi settori come l'industria, il settore militare e l'economia, ma trova impiego principalmente nei seguenti ambiti:
1. Reti di comunicazione e reti ottiche
I dispositivi ottici integrati sono l'hardware chiave per realizzare reti di comunicazione ottica ad alta velocità e grande capacità, tra cui sorgenti laser integrate ad alta risposta, multiplexer a divisione di lunghezza d'onda densa con array di reticoli di guida d'onda, fotorivelatori integrati a risposta a banda stretta, convertitori di lunghezza d'onda di instradamento, matrici di commutazione ottica a risposta rapida, divisori di fascio a 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, possedendo così un'innata capacità di elaborazione parallela. Il computer fotonico offre inoltre i vantaggi di un'elevata capacità di memorizzazione delle informazioni, una forte resistenza alle interferenze, bassi requisiti in termini di condizioni ambientali e un'elevata tolleranza ai guasti. I componenti funzionali di base dei computer fotonici sono gli interruttori ottici integrati e i componenti logici ottici integrati.
3. Altre applicazioni, come processore di informazioni ottiche, sensore a fibra ottica, sensore a reticolo di diffrazione a fibra ottica, giroscopio a fibra ottica, ecc.
Data di pubblicazione: 28 giugno 2023