O que é óptica integrada?

O conceito de óptica integrada foi proposto pelo Dr. Miller, dos Laboratórios Bell, em 1969. A óptica integrada é uma área recente que estuda e desenvolve dispositivos ópticos e sistemas híbridos de dispositivos ópticos e eletrônicos utilizando métodos integrados com base na optoeletrônica e na microeletrônica. A base teórica da óptica integrada reside na óptica e na optoeletrônica, abrangendo óptica ondulatória e óptica da informação, óptica não linear, optoeletrônica de semicondutores, óptica de cristais, óptica de filmes finos, óptica de ondas guiadas, teoria de interação paramétrica e de modos acoplados, dispositivos e sistemas de guia de onda ópticos de filmes finos. A base tecnológica é principalmente a tecnologia de filmes finos e a tecnologia de microeletrônica. O campo de aplicação da óptica integrada é muito amplo, incluindo, além de comunicação por fibra óptica, tecnologia de sensoriamento por fibra óptica, processamento de informação óptica, computação óptica e armazenamento óptico, outras áreas, como pesquisa em ciência dos materiais, instrumentos ópticos e pesquisa espectral.

Primeiro, vantagens ópticas integradas

1. Comparação com sistemas de dispositivos ópticos discretos

Um dispositivo óptico discreto é um tipo de dispositivo óptico fixado em uma grande plataforma ou base óptica para formar um sistema óptico. O tamanho do sistema é da ordem de 1 m² e a espessura do feixe é de cerca de 1 cm. Além do tamanho grande, a montagem e o ajuste também são mais difíceis. O sistema óptico integrado apresenta as seguintes vantagens:

1. As ondas de luz se propagam em guias de onda ópticos, sendo fácil controlá-las e manter sua energia.

2. A integração proporciona um posicionamento estável. Como mencionado anteriormente, a óptica integrada permite a fabricação de diversos dispositivos no mesmo substrato, eliminando os problemas de montagem presentes na óptica discreta. Isso garante uma combinação estável e maior adaptabilidade a fatores ambientais como vibração e temperatura.

(3) O tamanho do dispositivo e o comprimento de interação são reduzidos; os componentes eletrônicos associados também operam em tensões mais baixas.

4. Alta densidade de potência. A luz transmitida ao longo do guia de ondas fica confinada a um pequeno espaço local, resultando em uma alta densidade de potência óptica, o que facilita o alcance dos limiares operacionais necessários do dispositivo e o trabalho com efeitos ópticos não lineares.

5. Os componentes ópticos integrados são geralmente integrados em um substrato de escala centimétrica, que é pequeno em tamanho e leve em peso.

2. Comparação com circuitos integrados

As vantagens da integração óptica podem ser divididas em dois aspectos: o primeiro é a substituição do sistema eletrônico integrado (circuito integrado) pelo sistema óptico integrado (circuito óptico integrado); o segundo está relacionado à fibra óptica e ao guia de onda óptico plano dielétrico que guiam a onda de luz em vez de fios ou cabos coaxiais para transmitir o sinal.

Em um caminho óptico integrado, os elementos ópticos são formados em um substrato de wafer e conectados por guias de onda ópticos formados dentro ou na superfície do substrato. O caminho óptico integrado, que integra elementos ópticos no mesmo substrato na forma de filme fino, é uma maneira importante de solucionar a miniaturização do sistema óptico original e melhorar o desempenho geral. O dispositivo integrado apresenta as vantagens de tamanho reduzido, desempenho estável e confiável, alta eficiência, baixo consumo de energia e facilidade de uso.

Em geral, as vantagens de substituir circuitos integrados por circuitos ópticos integrados incluem maior largura de banda, multiplexação por divisão de comprimento de onda, comutação multiplexada, baixa perda de acoplamento, tamanho reduzido, peso leve, baixo consumo de energia, boa economia na produção em lote e alta confiabilidade. Devido às diversas interações entre luz e matéria, novas funções de dispositivos também podem ser realizadas utilizando vários efeitos físicos, como o efeito fotoelétrico, o efeito eletro-óptico, o efeito acusto-óptico, o efeito magneto-óptico, o efeito termo-óptico e outros, na composição do caminho óptico integrado.

2. Pesquisa e aplicação da óptica integrada

A óptica integrada é amplamente utilizada em diversos campos, como indústria, setor militar e economia, mas é aplicada principalmente nos seguintes aspectos:

1. Redes de comunicação e ópticas

Os dispositivos ópticos integrados são o hardware essencial para a implementação de redes de comunicação óptica de alta velocidade e grande capacidade, incluindo fontes de laser integradas de resposta rápida, multiplexadores de divisão de comprimento de onda densos com matriz de grades de guia de onda, fotodetectores integrados de resposta de banda estreita, conversores de comprimento de onda de roteamento, matrizes de comutação óptica de resposta rápida, divisores de feixe de guia de onda de acesso múltiplo de baixa perda e assim por diante.

2. Computador fotônico

O chamado computador fotônico é um computador que utiliza a luz como meio de transmissão de informações. Fótons são bósons, que não possuem carga elétrica, e feixes de luz podem passar em paralelo ou se cruzar sem interferir uns nos outros, o que lhes confere a capacidade inata de processamento paralelo de alta qualidade. O computador fotônico também apresenta vantagens como grande capacidade de armazenamento de informações, forte resistência a interferências, baixas exigências quanto às condições ambientais e alta tolerância a falhas. Os componentes funcionais mais básicos dos computadores fotônicos são chaves ópticas integradas e componentes lógicos ópticos integrados.

3. Outras aplicações, como processador de informação óptica, sensor de fibra óptica, sensor de grade de fibra, giroscópio de fibra óptica, etc.