什么是集成光學(xué)？何為集成光�(xué)�
集成光學(xué)是研究媒�(zhì)薄膜中的光學(xué)�(xiàn)象以及光�(xué)元件集成化的一門�(xué)�。它是在激光技�(shù)�(fā)展過程中，由于光通信、光�(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�
它要解決的實(shí)�(zhì)問題，是獲得具有不同功能、不同集成度的集成光�，實(shí)�(xiàn)光學(xué)信息處理系統(tǒng)的集成化與微小型�。光波波�(zhǎng)比波�(zhǎng)最短的無線電波還要短四�(gè)�(shù)量級(jí)，因而它具有更大的傳遞信息和處理信息的能力。然而傳�(tǒng)的光�(xué)系統(tǒng)體積�、穩(wěn)定性差、光束的�(duì)�(zhǔn)和準(zhǔn)直困�，不能適�(yīng)光電子技�(shù)�(fā)展的需�。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�、性能�(wěn)定可�、效率高、功耗低、使用方便等�(yōu)�(diǎn)。集成光�(xué)出現(xiàn)�1969年前�，從它的�(chǎn)生和�(fā)展過程中，貝爾實(shí)�(yàn)室P.K.田等一批科�(xué)家起了重要作�。正從基�(chǔ)和開�(fā)研究�(jìn)入工程應(yīng)用階��
�(yùn)用范�
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�、光開關(guān) 、光�(xué)�(diào)制器 、濾波器 、光�(xué)雙穩(wěn)�(tài)器件、模-�(shù)�(zhuǎn)換器、存�(chǔ)器和檢測(cè)器等。除純粹集成光路外，�(xiàn)已出�(xiàn)和電子學(xué)元件的集��
此外，在光學(xué)波導(dǎo)中已觀察到了諸如二次諧� 、混頻和受激拉曼散射等非線性光�(xué)�(xiàn)�(見非線性光�(xué))，這必將大大擴(kuò)展集成光路的功能。集成光�(xué)�(duì)光纖通信、自�(dòng)控制、光�(xué)信息處理、光譜研究以及光�(xué)�(jì)算機(jī)的研究和�(yīng)用等具有重要意義�
�(xué)科理�
集成光學(xué)的理論問�，主要是媒質(zhì)波導(dǎo)理論，它有助于人們深入了解波�(dǎo)中光�(xué)�(xiàn)象的物理本質(zhì)，并用于光波�(dǎo)、器件和光學(xué)回路的研究設(shè)�(jì)。人們常常把波導(dǎo)中光�(xué)�(xiàn)�(如傳播、耦合、調(diào)制等�)的研�，稱為導(dǎo)波光�(xué)�
媒質(zhì)波導(dǎo)理論已從不同角度建立起來。首�，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�(gè)界面來回反射的光�，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(jiǎn)單和直觀地推�(dǎo)模方�，討論媒�(zhì)波導(dǎo)理論的基本概�，處理棱鏡、光柵耦合�、表面散射等許多問題。另外還從量子力�(xué)角度，建立了�(shì)阱模型的波導(dǎo)理論。描述光波在波導(dǎo)中運(yùn)�(dòng)的波�(dòng)方程和描述電子在位阱中運(yùn)�(dòng)的薛定諤方程有相同的形式，用 WKB法可得到波動(dòng)方程的近似解�
集成光學(xué)中許多重要現(xiàn)象及器件的分�，經(jīng)常采用耦合模理�。把由于波導(dǎo)�(jié)�(gòu)不規(guī)則性和材料不均勻性等�(chǎn)生模式之間功率交�(模式之間�(fā)生耦合)的實(shí)際波�(dǎo)系統(tǒng)，視為一種微擾波�(dǎo)系統(tǒng)，假定它是由互相�(fā)生耦合的若干孤立單元所組成。其電磁�(chǎng)可按某種形式的規(guī)則波�(dǎo)單元的本征模展開，推�(dǎo)并求解耦合模方程。在集成光學(xué)�，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�(見光的電磁理�、光的干�、幾何光�(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�，一般是比襯底折射率�;做成光波�(dǎo)以后，傳輸損耗要求小于每厘米一分貝;媒質(zhì)材料�(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�(zhǎng)期穩(wěn)定工作的性能，已探索過的材料有玻�、半�(dǎo)�、有�(jī)材料以及鐵電體等�
集成光學(xué)元器件的工藝技�(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�、固�(tài)�(kuò)散、離子交�、高頻濺�、真空蒸�(fā)、等離子聚合等作為成膜工�;采用光刻、電子束曝光、全息曝�、同步輻�、光鎖定、化�(xué)刻蝕、濺射刻�(離子�)、反�(yīng)離子刻蝕作為光路微加工技�(shù)。另�，高速脈沖技�(shù)，則是測(cè)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)�(kuò)散制備鈮酸鋰(LiNbO3)光波�(dǎo)及器�，用外延制備半導(dǎo)體異�(zhì)�(jié)光波�(dǎo)和器�，用離子交換制備玻璃光波�(dǎo)�
元件集成
�(xiàn)在已�(jīng)做出了很多對(duì)�(yīng)于大塊光�(xué)元件的各種薄膜波�(dǎo)元件，如薄膜媒質(zhì)光波�(dǎo)、薄膜激光器、耦合�、調(diào)制器、開�(guān)、偏�(zhuǎn)器、薄膜透鏡、棱�、探�(cè)�、濾波器、光�(xué)雙穩(wěn)�(tài)器件、半加器回路、模-�(shù)�(zhuǎn)換器、傅里葉變換�、頻譜分析器、卷�、存�(chǔ)器等。在光波�(dǎo)�，觀察到二次諧波�(chǎn)�、混頻、受激布里淵散�、受激喇曼�(fā)射等非線性光�(xué)效應(yīng)，以及薄膜中像的傳輸和轉(zhuǎn)換等�(xiàn)象�
�(xiàn)在一些元件的集成也已�(jīng)�(shí)�(xiàn)，例如在同一襯底上，三種典型元件(激光器、波�(dǎo)、探�(cè)�)的集�，六�(gè)分布反饋激光器的集�，三�(gè)探測(cè)器的集成，注入式激光器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的集成��
集成光路�—定需要在一�(gè)襯底上集成所有光�(xué)元件，很多應(yīng)用是有限幾種元件的集�，甚至在一�(gè)襯底上做同種元件的集�(單功能集�)。已�(jīng)出現(xiàn)光學(xué)元件和電�(xué)元件之間的集�，今后還可能出現(xiàn)光、電、聲、磁元件�(jié)合在一起的集成�
�(xué)科應(yīng)�
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�(xué)信息處理和光�(jì)算機(jī)外，�(dǎo)波光�(xué)原理、薄膜光波導(dǎo)器件和回路，還在向其他領(lǐng)�，如材料科學(xué)研究、光�(xué)儀�、光譜研究等方面滲��
以固體化、小型化、集成化為目�(biāo)的光信息傳輸和處理系�(tǒng)其應(yīng)用的�(lǐng)域是多方面的。除光纖通信、光纖傳感器、光�(xué)信息處理和光�(jì)算機(jī)�，導(dǎo)波光�(xué)原理、薄膜光波導(dǎo)器件和回路，還在向其他領(lǐng)�(如材料科�(xué)研究、光�(xué)儀器、光譜研究等)滲�� �(shù)�(jù)在互�(lián)�(wǎng)上移�(dòng)就好像汽車在公路上行駛。假如汽車不必轉(zhuǎn)換方�，直奔目的地，那么速度�(huì)�?�?。但�，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�。同樣地，這種情況也會(huì)�(fā)生在信息高速公路上。光束載著數(shù)�(jù)通過光纖以極快的速度傳播，當(dāng)�(shù)�(jù)到達(dá)一�(gè)服務(wù)器時(shí)，服�(wù)器會(huì)改變�(shù)�(jù)的傳送方向，使它們到�(dá)最終的目的�。人們還必須要把光信�(hào)�(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�?�?span style="text-wrap: wrap;">集成光學(xué)系統(tǒng)”將可以使數(shù)�(jù)以光的形式傳�，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(dá)目的�。科�(xué)家�?yōu)榇蠹颐枋龅倪@種�集成光學(xué)系統(tǒng)”其�(shí)是指安裝了特殊芯片的集成電路�。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�(shù)上還存在困難?�?span style="text-wrap: wrap;">集成光學(xué)系統(tǒng)”還只是�(gè)科學(xué)上的�(gòu)�，離�(dāng)前流行的集成電路技�(shù)還非常地遙遠(yuǎn)。但也正是因?yàn)槿绱耍瑲W洲航天局才籌資開始了以下這兩�(xiàng)研究。奧斯迪爾姆被要求研究傳�(tǒng)的光�(xué)通道，而阿爾卡特爾正在�(diào)查一�(xiàng)�集成光學(xué)系統(tǒng)”方�。歐洲航天局雄心勃勃的達(dá)爾文�(jì)劃也將使用�集成光學(xué)系統(tǒng)�，不過它所涉及的光的波�(zhǎng)要比鬼怪計(jì)劃的中涉及的光波要長(zhǎng)。這是�集成光學(xué)系統(tǒng)”還未曾涉及的領(lǐng)�?�?span style="text-wrap: wrap;">集成光學(xué)系統(tǒng)”這項(xiàng)成果的意義遠(yuǎn)不是人們可以更好地尋找行星。在地球�，對(duì)于每一�(gè)家庭電腦的用戶來�，這項(xiàng)成果都具有非同尋常的意義?；ヂ?lián)�(wǎng)的速度將會(huì)�10萬�，以這樣的速度在網(wǎng)上沖浪將�(huì)是多么震��