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

　　它要解決的實質(zhì)問題，是獲得具有不同功能、不同集成度的集成光路，實現(xiàn)光學(xué)信息處理系統(tǒng)的集成化與微小型化。光波波長比波長最短的無線電波還要短四個數(shù)量級，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、光束的對準和準直困難，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。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，貝爾實驗室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)研究進入工程應(yīng)用階段。

　　運用范圍

　　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、存儲器和檢測器等。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))，這必將大大擴展集成光路的功能。集成光學(xué)對光纖通信、自動控制、光學(xué)信息處理、光譜研究以及光學(xué)計算機的研究和應(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。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，建立了勢阱模型的波導(dǎo)理論。描述光波在波導(dǎo)中運動的波動方程和描述電子在位阱中運動的薛定諤方程有相同的形式，用 WKB法可得到波動方程的近似解。

　　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)實現(xiàn)，例如在同一襯底上，三種典型元件(激光器、波導(dǎo)、探測器)的集成，六個分布反饋激光器的集成，三個探測器的集成，注入式激光器和場效應(yīng)晶體管的集成等。

　　集成光路不—定需要在一個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)信息處理和光計算機外，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)信息處理和光計算機外，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，那么速度會非?？?。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)到達一個服務(wù)器時，服務(wù)器會改變數(shù)據(jù)的傳送方向，使它們到達最終的目的地。人們還必須要把光信號轉(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目的地。科學(xué)家們?yōu)榇蠹颐枋龅倪@種“集成光學(xué)系統(tǒng)”其實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。“集成光學(xué)系統(tǒng)”還只是個科學(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。但也正是因為如此，歐洲航天局才籌資開始了以下這兩項研究。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“集成光學(xué)系統(tǒng)”方案。歐洲航天局雄心勃勃的達爾文計劃也將使用“集成光學(xué)系統(tǒng)”，不過它所涉及的光的波長要比鬼怪計劃的中涉及的光波要長。這是“集成光學(xué)系統(tǒng)”還未曾涉及的領(lǐng)域?！?span style="text-wrap: wrap;">集成光學(xué)系統(tǒng)”這項成果的意義遠不是人們可以更好地尋找行星。在地球上，對于每一個家庭電腦的用戶來說，這項成果都具有非同尋常的意義?；ヂ?lián)網(wǎng)的速度將會快10萬倍，以這樣的速度在網(wǎng)上沖浪將會是多么震撼。