什么是集成光学？

admin

集成光学的概念是1969年美国贝尔实验室的Miller博士提出的。集成光学是在光电子学和微电子学基础上，采用集成方法研究和发展光学器件和混合光学电子学器件系统的一门新的学科。集成光学的理论基础是光学和光电子学，涉及波动光学与信息光学、非线性光学、半导体光电子学、晶体光学、薄膜光学、导波光学、耦合模与参量作用理论、薄膜光波导器件和体系等多方面的现代光学内容；其工艺基础则主要是薄膜技术和微电子工艺技术。集成光学的应用领域非常广泛，除了光纤通信、光纤传感技术、光学信息处理、光计算机与光存储等之外，还有其他领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等。
一、集成光学优点
1.与离散光学器件系统的比较
离散光学器件是将体型光学器件固定在大型的平台或光具座上，构成光学系统。该系统的大小大约是1m2的数量级，光束的粗细大约为1cm的程度。除了体积庞大之外，组装、调整也比较困难。集成光学系统具有如下优点：
①.光波在光波导中传播，光波容易控制和保持其能量。
②.集成化带来的稳固定位。如上所述，集成光学期待在同一块衬底上制作若干个器件，因而不存在离散光学器件所具有的组装问题，这样就可以保持稳定的组合，从而它对振动和温度等环境因素的适应性也比较强。
③.器件尺寸和相互作用长度缩短；相关的电子器件的工作电压也较低。
④.功率密度高。沿波导传输的光被限制在狭小的局部空间，导致较高的光功率密度，容易达到必要的器件工作阈值和利用非线性光学效应工作。
⑤.集成光学器件一般集成在厘米尺度的衬底上，其体积小，重量轻。
2.与集成电路的比较
光集成的优点可以分为两个方面，其一是用集成光学体系（集成光路）代替集成电子体系（集成电路）；其二则与导光波的光学纤维和介质平面光波导代替电线或者同轴电缆传输信号有关。
在集成光路上，各光学元件形成在一个晶片衬底上，用衬底内部或表面上形成的光波导连接起来。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小型化和提高整体性能问题的重要途径。这样的集成器件具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低，使用方便等优点。
总的来说，用集成光路代替集成电路的优点包括带宽增加，波分复用，多路开关，耦合损耗小，尺寸小，重量轻，功耗小，成批制备经济性好，可靠性高等。由于光和物质的多种相互作用，还可以在集成光路的构成中，利用诸如光电效应、电光效应、声光效应、磁光效应、热光效应等多种物理效应，实现新型的器件功能。
二、集成光学研究应用
集成光学在工业、军事、经济等各个领域内都有广泛的应用，但主要应用在以下几方面：
1.通信与光网络
光集成器件是实现高速率大容量光通信网络的关键硬件，包括高速响应集成激光源、波导光栅阵列密集波分复用器、窄带响应集成光电探测器、路由选择的波长变换器、快速响应光开关矩阵、低损耗多址波导分束器等。
2.光子计算机
所谓光子计算机，就是利用光作为信息的传递媒体的计算机。光子属玻色子，不带电荷，光束可以平行或交叉通过而不相互影响，具有先天的巨平行处理能力。光子计算机还有信息存储量大、抗干扰能力强、对环境条件要求低、容错性强等优势。而光子计算机的最基本的功能元件就是集成光开关和集成光逻辑元件。
3.其他方面的应用，如光信息处理器、光纤传感器、光纤光栅传感器、光纤陀螺等。