什么是集成光學(xué)？何為集成光學(xué)？

　　集成光學(xué)是研究媒質(zhì)薄膜中的光學(xué)現(xiàn)象以及光學(xué)元件集成化的一門學(xué)科。它是在激光技術(shù)發(fā)展過程中，由于光通信、光學(xué)信息處理等的需要，而逐步形成和發(fā)展起來的。

　　興起的原因

　　它要解決的實(shí)質(zhì)問題，是獲得具有不同功能、不同集成度的集成光路，實(shí)現(xiàn)光學(xué)信息處理系統(tǒng)的集成化與微小型化。光波波長(zhǎng)比波長(zhǎng)最短的無線電波還要短四個(gè)數(shù)量級(jí)，因而它具有更大的傳遞信息和處理信息的能力。然而傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)體積大、穩(wěn)定性差、光束的對(duì)準(zhǔn)和準(zhǔn)直困難，不能適應(yīng)光電子技術(shù)發(fā)展的需要。采用類似于半導(dǎo)體集成電路的方法，把光學(xué)元件以薄膜形式集成在同一襯底上的集成光路，是解決原有光學(xué)系統(tǒng)問題的一種途徑。這樣可有體積小、性能穩(wěn)定可靠、效率高、功耗低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。集成光學(xué)出現(xiàn)于1969年前后，從它的產(chǎn)生和發(fā)展過程中，貝爾實(shí)驗(yàn)室P.K.田等一批科學(xué)家起了重要作用。正從基礎(chǔ)和開發(fā)研究進(jìn)入工程應(yīng)用階段。

　　運(yùn)用范圍

　　集成光路中現(xiàn)已制成的光學(xué)元件包括薄膜微型激光器、薄膜透鏡、棱鏡、薄膜型光學(xué)波導(dǎo)、耦合器、光開關(guān) 、光學(xué)調(diào)制器 、濾波器 、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件、模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器和檢測(cè)器等。除純粹集成光路外，現(xiàn)已出現(xiàn)和電子學(xué)元件的集成。

　　此外，在光學(xué)波導(dǎo)中已觀察到了諸如二次諧波 、混頻和受激拉曼散射等非線性光學(xué)現(xiàn)象(見非線性光學(xué))，這必將大大擴(kuò)展集成光路的功能。集成光學(xué)對(duì)光纖通信、自動(dòng)控制、光學(xué)信息處理、光譜研究以及光學(xué)計(jì)算機(jī)的研究和應(yīng)用等具有重要意義。

　　學(xué)科理論

　　集成光學(xué)的理論問題，主要是媒質(zhì)波導(dǎo)理論，它有助于人們深入了解波導(dǎo)中光學(xué)現(xiàn)象的物理本質(zhì)，并用于光波導(dǎo)、器件和光學(xué)回路的研究設(shè)計(jì)。人們常常把波導(dǎo)中光學(xué)現(xiàn)象(如傳播、耦合、調(diào)制等等)的研究，稱為導(dǎo)波光學(xué)。

　　媒質(zhì)波導(dǎo)理論已從不同角度建立起來。首先，是建立在麥克斯韋方程組基礎(chǔ)上的媒質(zhì)波導(dǎo)電磁理論;其次，從射線光學(xué)角度，建立了鋸齒波模型的波導(dǎo)理論。把波導(dǎo)中的光波看成是在薄膜的上下兩個(gè)界面來回反射的光線，而且走的是一條鋸齒形路程。

　　從鋸齒波模型出發(fā)，可以比較簡(jiǎn)單和直觀地推導(dǎo)模方程，討論媒質(zhì)波導(dǎo)理論的基本概念，處理棱鏡、光柵耦合器、表面散射等許多問題。另外還從量子力學(xué)角度，建立了勢(shì)阱模型的波導(dǎo)理論。描述光波在波導(dǎo)中運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)方程和描述電子在位阱中運(yùn)動(dòng)的薛定諤方程有相同的形式，用 WKB法可得到波動(dòng)方程的近似解。

　　集成光學(xué)中許多重要現(xiàn)象及器件的分析，經(jīng)常采用耦合模理論。把由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不規(guī)則性和材料不均勻性等產(chǎn)生模式之間功率交換(模式之間發(fā)生耦合)的實(shí)際波導(dǎo)系統(tǒng)，視為一種微擾波導(dǎo)系統(tǒng)，假定它是由互相發(fā)生耦合的若干孤立單元所組成。其電磁場(chǎng)可按某種形式的規(guī)則波導(dǎo)單元的本征模展開，推導(dǎo)并求解耦合模方程。在集成光學(xué)中，主要是利用耦合模方程來處理媒質(zhì)波導(dǎo)中導(dǎo)模之間、導(dǎo)模與輻射模之間的各種耦合問題，以及與這類耦合有關(guān)的器件(見光的電磁理論、光的干涉、幾何光學(xué))。

　　材料工藝

　　集成光學(xué)所用的媒質(zhì)材料，要具有一定的折射率，一般是比襯底折射率高;做成光波導(dǎo)以后，傳輸損耗要求小于每厘米一分貝;媒質(zhì)材料應(yīng)具有多種功能，工藝上便于成膜和器件制作與集成;在外界各種工作環(huán)境下具有長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的性能，已探索過的材料有玻璃、半導(dǎo)體、有機(jī)材料以及鐵電體等。

　　集成光學(xué)元器件的工藝技術(shù)主要涉及成膜與光路微加工。通常采用外延、質(zhì)子轟擊、離子注入、固態(tài)擴(kuò)散、離子交換、高頻濺射、真空蒸發(fā)、等離子聚合等作為成膜工藝;采用光刻、電子束曝光、全息曝光、同步輻射、光鎖定、化學(xué)刻蝕、濺射刻蝕(離子銑)、反應(yīng)離子刻蝕作為光路微加工技術(shù)。另外，高速脈沖技術(shù)，則是測(cè)試和在應(yīng)用中不可缺少的手段。研究得最多的是用固態(tài)擴(kuò)散制備鈮酸鋰(LiNbO3)光波導(dǎo)及器件，用外延制備半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光波導(dǎo)和器件，用離子交換制備玻璃光波導(dǎo)。

　　元件集成

　　現(xiàn)在已經(jīng)做出了很多對(duì)應(yīng)于大塊光學(xué)元件的各種薄膜波導(dǎo)元件，如薄膜媒質(zhì)光波導(dǎo)、薄膜激光器、耦合器、調(diào)制器、開關(guān)、偏轉(zhuǎn)器、薄膜透鏡、棱鏡、探測(cè)器、濾波器、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件、半加器回路、模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、傅里葉變換器、頻譜分析器、卷積、存儲(chǔ)器等。在光波導(dǎo)中，觀察到二次諧波產(chǎn)生、混頻、受激布里淵散射、受激喇曼發(fā)射等非線性光學(xué)效應(yīng)，以及薄膜中像的傳輸和轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。

　　現(xiàn)在一些元件的集成也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，例如在同一襯底上，三種典型元件(激光器、波導(dǎo)、探測(cè)器)的集成，六個(gè)分布反饋激光器的集成，三個(gè)探測(cè)器的集成，注入式激光器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的集成等。

　　集成光路不—定需要在一個(gè)襯底上集成所有光學(xué)元件，很多應(yīng)用是有限幾種元件的集成，甚至在一個(gè)襯底上做同種元件的集成(單功能集成)。已經(jīng)出現(xiàn)光學(xué)元件和電學(xué)元件之間的集成，今后還可能出現(xiàn)光、電、聲、磁元件結(jié)合在一起的集成。

　　學(xué)科應(yīng)用

　　集成光學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域是多方面的，除了光纖通信、光纖傳感器、光學(xué)信息處理和光計(jì)算機(jī)外，導(dǎo)波光學(xué)原理、薄膜光波導(dǎo)器件和回路，還在向其他領(lǐng)域，如材料科學(xué)研究、光學(xué)儀器、光譜研究等方面滲透。

　　以固體化、小型化、集成化為目標(biāo)的光信息傳輸和處理系統(tǒng)其應(yīng)用的領(lǐng)域是多方面的。除光纖通信、光纖傳感器、光學(xué)信息處理和光計(jì)算機(jī)外，導(dǎo)波光學(xué)原理、薄膜光波導(dǎo)器件和回路，還在向其他領(lǐng)域(如材料科學(xué)研究、光學(xué)儀器、光譜研究等)滲透。 數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上移動(dòng)就好像汽車在公路上行駛。假如汽車不必轉(zhuǎn)換方向，直奔目的地，那么速度會(huì)非常快。但是，假如汽車不得不在十字路口轉(zhuǎn)換方向，那么它的速度就要慢得多。同樣地，這種情況也會(huì)發(fā)生在信息高速公路上。光束載著數(shù)據(jù)通過光纖以極快的速度傳播，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)一個(gè)服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器會(huì)改變數(shù)據(jù)的傳送方向，使它們到達(dá)最終的目的地。人們還必須要把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流，這些過程使一切都慢了下來。

　　電子在電路中以每秒鐘幾千公里的速度傳遞，而光在光纖中的傳播速度則將近每秒鐘30萬公里?！?span style="text-wrap: wrap;">集成光學(xué)系統(tǒng)”將可以使數(shù)據(jù)以光的形式傳播，而且不必通過服務(wù)器轉(zhuǎn)換，而是通過芯片的惟一信道直達(dá)目的地?？茖W(xué)家們?yōu)榇蠹颐枋龅倪@種“集成光學(xué)系統(tǒng)”其實(shí)是指安裝了特殊芯片的集成電路板。這種芯片中安裝的不是微型電子線路，而是微型光學(xué)線路。技術(shù)上還存在困難?！?span style="text-wrap: wrap;">集成光學(xué)系統(tǒng)”還只是個(gè)科學(xué)上的構(gòu)想，離當(dāng)前流行的集成電路技術(shù)還非常地遙遠(yuǎn)。但也正是因?yàn)槿绱?，歐洲航天局才籌資開始了以下這兩項(xiàng)研究。奧斯迪爾姆被要求研究傳統(tǒng)的光學(xué)通道，而阿爾卡特爾正在調(diào)查一項(xiàng)“集成光學(xué)系統(tǒng)”方案。歐洲航天局雄心勃勃的達(dá)爾文計(jì)劃也將使用“集成光學(xué)系統(tǒng)”，不過它所涉及的光的波長(zhǎng)要比鬼怪計(jì)劃的中涉及的光波要長(zhǎng)。這是“集成光學(xué)系統(tǒng)”還未曾涉及的領(lǐng)域。“集成光學(xué)系統(tǒng)”這項(xiàng)成果的意義遠(yuǎn)不是人們可以更好地尋找行星。在地球上，對(duì)于每一個(gè)家庭電腦的用戶來說，這項(xiàng)成果都具有非同尋常的意義。互聯(lián)網(wǎng)的速度將會(huì)快10萬倍，以這樣的速度在網(wǎng)上沖浪將會(huì)是多么震撼。