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集成光学

2012-11-23 21:40:46 来源:

   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,称为波导光学。

 

  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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