关于集成光学介绍

[拼音]：jicheng guangxue

[外文]：integrated optics

研究媒质薄膜中的光学现象以及光学元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，实现光学信息处理系统的集成化和微小型化。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。这样可有体积小、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，从它的产生和发展过程中，贝尔实验室P.K.田等一批科学家起了重要作用。目前正从基础和开发研究进入工程应用阶段。

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。通过麦克斯韦方程组和连续性边界条件，求解本征值和场分布等问题。对一些比较复杂的问题，求解时往往采用一些近似方法。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（见图）。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。也从量子力学角度，建立了势阱模型的波导理论。描述光波在波导中运动的波动方程和描述电子在位阱中运动的薛定谔方程有相同的形式，用 WKB法可得到波动方程的近似解。

集成光学中许多重要现象及器件的分析，经常采用耦合模理论。把由于波导结构不规则性和材料不均匀性等产生模式之间功率交换（模式之间发生耦合）的实际波导系统，视为一种微扰波导系统，假定它是由互相发生耦合的若干孤立单元所组成。其电磁场可按某种形式的规则波导单元的本征模展开，推导并求解耦合模方程。在集成光学中，主要是利用耦合模方程来处理媒质波导中导模之间、导模与辐射模之间的各种耦合问题，以及与这类耦合有关的器件（见光的电磁理论、光的干涉、几何光学）。

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10-3～10-1；做成光波导以后，传输损耗要求≤1bB/cm；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。工艺技术主要涉及成膜与光路微加工。采用外延（液相外延、汽相外延、分子束外延、金属有机化学汽相淀积）、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──纳(10-9)秒甚至皮(10-12)秒技术，则是测试及在应用中不可缺少的手段。研究得最多的是用固态扩散制备铌酸锂(LiNbO3)光波导及器件，用外延制备半导体异质结光波导和器件，用离子交换制备玻璃光波导。

已做出了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。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，由五个电光定向耦合器集成的4×4开关，光强调制器(或PN结探测器) 和具有大光腔结构的分布布喇格反射镜式激光器的集成，注入式激光器和场效应晶体管的集成等。集成光路不一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、磁元件结合在一起的集成。

以固体化、小型化、集成化为目标的光信息传输和处理系统其应用的领域是多方面的。除光纤通信、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）渗透。

参考书目

1. P.K.Tien，Reviews of Modern Physics，Vol.49，No.2，1979.
2. T. Tamir，Integrated Optics，Springer-Verlag，Berlin，Heidelberg，New York，1975.