集成光学2.doc

一、内容简介 1 、定义集成光学是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。 2 、兴起的原因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。正从基础和开发研究进入工程应用阶段。 3 、运用范围集成光路中现已制成的光学元件包括薄膜微型激光器、薄膜透镜、棱镜、薄膜型光学波导、耦合器、光开关、光学调制器、滤波器、光学双稳态器件、模- 数转换器、存储器和检测器等。除纯粹集成光路外,现已出现和电子学元件的集成。此外, 在光学波导中已观察到了诸如二次谐波、混频和受激拉曼散射等非线性光学现象(见非线性光学),这必将大大扩展集成光路的功能。集成光学对光纤通信、自动控制、光学信息处理、光谱研究以及光学计算机的研究和应用等具有重要意义。二、学科理论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。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)。三、材料工艺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