Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 关于 集成光学
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Apr 25 20:10:27 2003) , 转信

 

集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象，以及光学元器件集成化的一门学科。它是在激
光技术发展过程中，由于光通信、光学信息处理等的需要，而逐步形成和发展起来的。
它要解决的实质问题，是获得具有不同功能、不同集成度的集成光路，以实现光学信息
处理系统的集成化和微小型化。
   因为光波波长比波长最短的无线电波还要短四个数量级，因而它具有更大的传递信息
和处理信息的能力。然而传统的光学系统体积大、稳定性差、光束的对准和准直困难，
不能适应光电子技术发展的需要。采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件以薄
膜形式集成在同一衬底上的集成光路，是解决原有光学系统问题的一种途径。这样的器
件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低，使用方便等优点。
   集成光学出现于1969年前后，在它的产生和发展过程中，贝尔实验室的一批科学家起
了重要作用，目前已从基础和开发研究进入了工程应用阶段。
   集成光学的理论问题，主要是媒质波导理论，它有助于人们深入了解波导中光学现象
的物理本质，并用于光波导、器件和光学回路的研究设计。人们常常把波导中光学现象
(如传播、耦合、调制等等)的研究，称为导波光学。
   媒质波导理论已从不同角度建立起来。首先，是建立在麦克斯韦方程组基础上的媒质
波导电磁理论；其次，从射线光学角度，建立了锯齿波模型的波导理论。把波导中的光
波看成是在薄膜的上下两个界面来回反射的光线，而且走的是一条锯齿形路程。
   从锯齿波模型出发，可以比较简单和直观地推导模方程，讨论媒质波导理论的基本概
念，处理棱镜、光栅耦合器、表面散射等许多问题。另外还从量子力学角度，建立了势
阱模型的波导理论。
   集成光学所用的媒质材料，要具有一定的折射率，一般是比衬底折射率高；做成光波
导以后，传输损耗要求小于每厘米一分贝；媒质材料应具有多种功能，工艺上便于成膜
和器件制作与集成；在外界各种工作环境下具有长期稳定工作的性能，已探索过的材料
有玻璃、半导体、有机材料以及铁电体等。
   集成光学元器件的工艺技术主要涉及成膜与光路微加工。通常采用外延、质子轰击、
离子注入、固态扩散、离子交换、高频溅射、真空蒸发、等离子聚合等作为成膜工艺；
采用光刻、电子束曝光、全息曝光、同步辐射、光锁定、化学刻蚀、溅射刻蚀(离子铣)
、反应离子刻蚀作为光路微加工技术。另外，高速脉冲技术，则是测试及在应用中不可
缺少的手段。
   现在已经做出了很多对应于大块光学元件的各种薄膜波导元件，如薄膜媒质光波导、
薄膜激光器、耦合器、调制器、开关、偏转器、薄膜透镜、棱镜、探测器、滤波器、光
学双稳态器件、半加器回路、模-数转换器、傅里叶变换器、频谱分析器、卷积、存储器
等。在光波导中，观察到二次谐波产生、混频、受激布里渊散射、受激喇曼发射等非线
性光学效应，以及薄膜中像的传输和转换等现象。
   现在一些元件的集成也已经实现，例如在同一衬底上，三种典型元件(激光器、波导
、探测器)的集成，六个分布反馈激光器的集成，三个探测器的集成，注入式激光器和场
效应晶体管的集成等。
   集成光路不—定需要在一个衬底上集成所有光学元件，很多应用是有限几种元件的集
成，甚至在一个衬底上做同种元件的集成(单功能集成)。已经出现光学元件和电学元件
之间的集成，今后还可能出现光、电、声、磁元件结合在—起的集成。
   集成光学的应用领域是多方面的，除了光纤通信、光纤传感器、光学信息处理和光计
算机外，导波光学原理、薄膜光波导器件和回路，还在向其他领域，如材料科学研究、
光学仪器、光谱研究等方面渗透。
 



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