集成光學

它要解決的實質問題，是獲得具有不同功能、不同集成度的集成光路，實現光學信息處理系統的集成化和微小型化。

光波波長比波長最短的無線電波還要短四個數量級，因而它具有更大的傳遞信息和處理信息的能力。然而傳統的光學系統體積大、穩定性差、光束的對準和准直困難，不能適應光電子技術發展的需要。採用類似於半導體集成電路的方法，把光學元件以薄膜形式集成在同一襯底上的集成光路，是解決原有光學系統問題的一種途徑。這樣可有體積小、性能穩定可靠、效率高、功耗低、使用方便等優點。集成光學出現於1969年前後，從它的產生和發展過程中，貝爾實驗室P·K·田等一批科學家起了重要作用。正從基礎和開發研究進入工程應用階段。

集成光學的理論問題，主要是媒質波導理論。它有助於人們深入了解波導中光學現象的物理本質，並用於光波導、器件和光學迴路的研究設計。人們常常把波導中光學現象(如傳播、耦合、調製等等)的研究，稱為導波光學。

1、媒質波導電磁理論

媒質波導電磁理論通過麥克斯韋方程組和連續性邊界條件，求解本徵值和場分佈等問題。對一些比較複雜的問題，求解時往往採用一些近似方法。

2、鋸齒波模型的波導理論

從射線光學角度，建立了鋸齒波模型的波導理論。把波導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（見圖）。從鋸齒波模型出發，可以比較簡單和直觀地推導模方程，討論媒質波導理論的基本概念，處理稜鏡、光柵耦合器、表面散射等許多問題。

3、勢阱模型的波導理論

從量子力學角度，建立了勢阱模型的波導理論。描述光波在波導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。

集成光學中許多重要現象及器件的分析，經常採用耦合模理論。把由於波導結構不規則性和材料不均勻性等產生模式之間功率交換（模式之間發生耦合）的實際波導系統，視為一種微擾波導系統，假定它是由互相發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則波導單元的本徵模展開，推導並求解耦合模方程。在集成光學中，主要是利用耦合模方程來處理媒質波導中導模之間、導模與輻射模之間的各種耦合問題，以及與這類耦合有關的器件（見光的電磁理論、光的干涉、幾何光學）。

1、要具有一定的折射率，一般是比襯底折射率高10-3～10-1 。

2、做成光波導以後，傳輸損耗要求≤1bB/cm。

3、應具有多種功能，工藝上便於成膜和器件製作與集成。

4、在外界各種工作環境下具有長期穩定工作的性能。

已探索過的材料有玻璃、半導體、有機材料以及鐵電體等。

1、成膜與光路微加工。

採用外延（液相外延、汽相外延、分子束外延、金屬有機化學汽相澱積）、質子轟擊、離子注入、固態擴散、離子交換、高頻濺射、真空蒸發、等離子聚合等作為成膜工藝；採用光刻、電子束曝光、全息曝光、同步輻射、光鎖定、化學刻蝕、濺射刻蝕（離子銑）、反應離子刻蝕作為光路微加工技術。

2、高速脈衝技術

高速脈衝技術──納(10-9)秒甚至皮(10-12)秒技術，則是測試及在應用中不可缺少的手段。研究得最多的是用固態擴散製備鈮酸鋰(LiNbO3)光波導及器件，用外延製備半導體異質結光波導和器件，用離子交換製備玻璃光波導。

大塊光學元件的各種薄膜波導元件有薄膜媒質光波導、薄膜激光器、耦合器、調製器、開關、偏轉器、薄膜透鏡、稜鏡、探測器、濾波器、光學雙穩態器件、半加器迴路、模－數轉換器、傅里葉變換器、頻譜分析器、卷積、存儲器等。在光波導中，觀察到二次諧波產生、混頻、受激布里淵散射、受激喇曼發射等非線性光學效應，以及薄膜中像的傳輸和轉換等現象。一些元件的集成也已經實現。

在同一襯底上，三種典型元件(激光器、波導、探測器)的集成，六個分佈反饋激光器的集成，三個探測器的集成，由五個電光定向耦合器集成的4×4開關，光強調製器(或PN結探測器) 和具有大光腔結構的分佈布喇格反射鏡式激光器的集成，注入式激光器和場效應晶體管的集成等。集成光路不一定需要在一個襯底上集成所有光學元件，很多應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）。已經出現光學元件和電學元件之間的集成，還能出現光、電、聲、磁元件結合在一起的集成。

以固體化、小型化、集成化為目標的光信息傳輸和處理系統其應用的領域是多方面的。除光纖通信、光纖感測器、光學信息處理和光計算機外，導波光學原理、薄膜光波導器件和迴路，還在向其他領域（如材料科學研究、光學儀器、光譜研究等）滲透。

1、技術存在困難

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。“集成光學系統”將可以使數據以光的形式傳播，而且不必通過伺服器轉換，而是通過晶元的惟一通道直達目的地。科學家們為大家描述的這種“集成光學系統”其實是指安裝了特殊晶元的集成電路板。這種晶元中安裝的不是微型電子線路，而是微型光學線路，技術上還存在困難。

2、科學構想

“集成光學系統”還只是個科學上的構想，離當前流行的集成電路技術還非常地遙遠。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的光學通道，而阿爾卡特爾正在調查一項“集成光學系統”方案。歐洲航天局雄心勃勃的達爾文計劃也將使用“集成光學系統”，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“集成光學系統”還未曾涉及的領域。“集成光學系統”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，對於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。網際網路的速度將會快10萬倍，以這樣的速度在網上衝浪將會是多麼震撼。

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