Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 微小光学(microoptics)
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat May 24 16:14:07 2003) , 转信

发信站: 西子浣纱城

    微小光学(microoptics)一词是日本电气公司内田桢二教授1981年首先提出的。
微小光学是研究微米、亚微米级尺寸光学器件的设计、制作工艺，以及应用这种器
件以实现光波的发展、传输、变换和接收的理论和技术的新学科。
    微小光学元件主要包括两大类：基于光折射、反射原理制作的光学器件，主要
是微透镜及阵列、微型普通透镜；基于光衍射原理制作的光学元件，主要是二元光
学、菲涅尔透镜和光栅结构。
1. 自聚焦透镜
    自聚焦透镜是1969年由日本板玻璃公司首先采用离子交换技术制作成功的。自
聚焦透镜的聚焦原理与普通透镜不同，它不是利用光学加工使表面成曲面而使光线
偏折，而是利用玻璃和熔盐的极性离子之间的热梯度交换而使玻璃中的极性离子的
浓度呈梯度变化，从而在玻璃中形成相应的折射率梯度。由于这类透镜的直径小,
(可小于0.3mm)，数值孔径大(可大与0.6)，端面可为平面，焦距短，光学特性与透
镜长度有关。它的出现是传统光学的重大突破，同时为微小光学的提出和发展奠定
了基础。
2. 阵列光学器件
(可小于0.3mm)，数值孔径大(可大与0.6)，端面可为平面，焦距短，光学特性与透
镜长度有关。它的出现是传统光学的重大突破，同时为微小光学的提出和发展奠定
了基础。
    微小光学迅猛发展的一个重要标志是阵列光学器件的出现。微小光学阵列器件
的发展在很大程度上依赖于微加工技术的发展。微加工技术(microfabrication)是
指利用一定量的粒子或分子(如电子束、离子、分子、激光、X射线、紫外光等)与基
片表面产生的物理或化学过程来达到某种特定加工目的。目前已发展的几种制作微
透镜的微加工技术是：
(1)经典法
(2)一次成型法。
(3)变折射率法。
(4)化学气相淀积。
(5)溶胶－凝胶工艺。

 3. 衍射光学器件
    衍射光学器件主要包括二元光学、菲涅尔透镜和光栅结构。
 (1)二元光学。二元光学是1980年美国林肯试验室正式提出的，这是一个光学
与微电子学相互渗透交叉的前沿学科。与传统光学相比，二元光学有如下特点：
* 理论基础是光的衍射。二元光学器件是同轴、纯相位型衍射光学器件，有很
高的衍射效率，不仅能产生任何形式的波前，而且可对光学波前进行各种变换。
* 采用微电子工艺制作。
* 由于很好地选择陡度和间距，有很好的消球差、色散能力。
* 易实现微型化，列阵化。
 (2)微菲涅尔透镜阵列。微菲涅尔透镜在光通信和光信息处理中有重要应用，
因为它体积小、重量轻、衍射效率高、衍射极限聚焦特性好。
 4. 三维集成光学器件
    三维集成光学器件的思想最早是由K.Iga在1982年提出。他提出在一种基片上
制作一种功能光学器件，然后将不同功能的基片纵向叠加起来,从而可实现多功能
集成。
微小光学在光通信中的应用
    自聚焦透镜在光通信中有广泛的应用。利用自聚焦透镜制作的无源器件(如连
接器、分波器、波分复用器、隔离器、耦合器、光开关等)，有源器件已大量商品
化。利用自聚焦透镜阵列可以制作多种无源器件阵列。在光源和探测器阵列中,微
透镜阵列可以大大提高耦合效率。
微小光学在光计算和光互连中的应用
(1)利用微透镜阵列建立新型多通道成象和付里叶变换系统，可应用于矩阵－向量
乘法、光学互连和图象识别。
(2)利用微透镜阵列可以构成光学神经网络图象识别系统。
(3)光学图象交叉开关(OICS)。具有图象运算、多通道成象、扩展相消的全并行处
理功能。
(4)光学总线互连系统(OBIS)。可以实现精密装配，密集安装，耐用性好，信息容
量大的自由空间光学互连。利用OBIS还可以实现多层神经网络光学系统。
(5)表面垂直传输电光器件(VSTEPS)。


微小光学在光通信中的应用
    自聚焦透镜在光通信中有广泛的应用。利用自聚焦透镜制作的无源器件(如连
接器、分波器、波分复用器、隔离器、耦合器、光开关等)，有源器件已大量商品
化。利用自聚焦透镜阵列可以制作多种无源器件阵列。在光源和探测器阵列中,微
透镜阵列可以大大提高耦合效率。
微小光学在光计算和光互连中的应用
(1)利用微透镜阵列建立新型多通道成象和付里叶变换系统，可应用于矩阵－向量
乘法、光学互连和图象识别。
(2)利用微透镜阵列可以构成光学神经网络图象识别系统。
(3)光学图象交叉开关(OICS)。具有图象运算、多通道成象、扩展相消的全并行处
理功能。
(4)光学总线互连系统(OBIS)。可以实现精密装配，密集安装，耐用性好，信息容
量大的自由空间光学互连。利用OBIS还可以实现多层神经网络光学系统。
(5)表面垂直传输电光器件(VSTEPS)。

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