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)元器件集成化的一門學(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。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，以實現(xiàn)光學(xué)信息處理系統(tǒng)的集成化和微小型化。

 因為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。這樣的器件具有體積小、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，在它的產(chǎn)生和發(fā)展過程中，貝爾實驗室的一批科學(xué)家起了重要作用，目前已從基礎(chǔ)和開發(fā)研究進入了工程應(yīng)用階段。
 

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。

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)，則是測試及在應(yīng)用中不可缺少的手段。

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—起的集成。

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。

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