集成光學(xué)的材料工藝與元件集成及應(yīng)用
上一文我們?yōu)榇蠹抑v解了什么是集成光學(xué)、集成光學(xué)興起的原因、集成光學(xué)的運用范圍、集成光學(xué)的學(xué)科理論。本文我們將繼續(xù)深入了解集成光學(xué)，關(guān)于集成光學(xué)的材料工藝、集成光學(xué)的元件集成、集成光學(xué)的學(xué)科應(yīng)用。
集成光學(xué)的材料工藝
集成光學(xué)所用的媒質(zhì)材料，要具有一定的折射率，一般是比襯底折射率高；做成光波導(dǎo)以后，傳輸損耗要求小于每厘米一分貝；媒質(zhì)材料應(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)境下具有長期穩(wěn)定工作的性能，已探索過的材料有玻璃、半導(dǎo)體、有機材料以及鐵電體等。
集成光學(xué)元器件的工藝技術(shù)主要涉及成膜與光路微加工。通常采用外延、質(zhì)子轟擊、離子注入、固態(tài)擴散、離子交換、高頻濺射、真空蒸發(fā)、等離子聚合等作為成膜工藝；采用光刻、電子束曝光、全息曝光、同步輻射、光鎖定、化學(xué)刻蝕、濺射刻蝕(離子銑)、反應(yīng)離子刻蝕作為光路微加工技術(shù)。另外，高速脈沖技術(shù)，則是測試和在應(yīng)用中不可缺少的手段。研究得最多的是用固態(tài)擴散制備鈮酸鋰(LiNbO3)光波導(dǎo)及器件，用外延制備半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光波導(dǎo)和器件，用離子交換制備玻璃光波導(dǎo)。
集成光學(xué)的元件集成
現(xiàn)在已經(jīng)做出了很多對應(yīng)于大塊光學(xué)元件的各種薄膜波導(dǎo)元件，如薄膜媒質(zhì)光波導(dǎo)、薄膜激光器、耦合器、調(diào)制器、開關(guān)、偏轉(zhuǎn)器、薄膜透鏡、棱鏡、探測器、濾波器、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件、半加器回路、模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、傅里葉變換器、頻譜分析器、卷積、存儲器等。在光波導(dǎo)中，觀察到二次諧波產(chǎn)生、混頻、受激布里淵散射、受激喇曼發(fā)射等非線性光學(xué)效應(yīng)，以及薄膜中像的傳輸和轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。
現(xiàn)在一些元件的集成也已經(jīng)實現(xiàn)，例如在同一襯底上，三種典型元件(激光器、波導(dǎo)、探測器)的集成，六個分布反饋激光器的集成，三個探測器的集成，注入式激光器和場效應(yīng)晶體管的集成等。
集成光路不—定需要在一個襯底上集成所有光學(xué)元件，很多應(yīng)用是有限幾種元件的集成，甚至在一個襯底上做同種元件的集成(單功能集成)。已經(jīng)出現(xiàn)光學(xué)元件和電學(xué)元件之間的集成，今后還可能出現(xiàn)光、電、聲、磁元件結(jié)合在—起的集成。
集成光學(xué)的學(xué)科應(yīng)用
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、光學(xué)信息處理和光計算機外，導(dǎo)波光學(xué)原理、薄膜光波導(dǎo)器件和回路，還在向其他領(lǐng)域，如材料科學(xué)研究、光學(xué)儀器、光譜研究等方面滲透。以固體化、小型化、集成化為目標的光信息傳輸和處理系統(tǒng)其應(yīng)用的領(lǐng)域是多方面的。除光纖通信、光纖傳感器、光學(xué)信息處理和光計算機外，導(dǎo)波光學(xué)原理、薄膜光波導(dǎo)器件和回路，還在向其他領(lǐng)域（如材料科學(xué)研究、光學(xué)儀器、光譜研究等）滲透。 數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上移動就好像汽車在公路上行駛。假如汽車不必轉(zhuǎn)換方向，直奔目的地，那么速度會非常快。但是，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多。同樣地，這種情況也會發(fā)生在信息高速公路上。光束載著數(shù)據(jù)通過光纖以極快的速度傳播，當(dāng)數(shù)據(jù)到達一個服務(wù)器時，服務(wù)器會改變數(shù)據(jù)的傳送方向，使它們到達最終的目的地。人們還必須要把光信號轉(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30萬公里。“集成光學(xué)系統(tǒng)”將可以使數(shù)據(jù)以光的形式傳播，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目的地。科學(xué)家們?yōu)榇蠹颐枋龅倪@種“集成光學(xué)系統(tǒng)”其實是指安裝了特殊芯片的集成電路板。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。技術(shù)上還存在困難。“集成光學(xué)系統(tǒng)”還只是個科學(xué)上的構(gòu)想，離當(dāng)前流行的集成電路技術(shù)還非常地遙遠。但也正是因為如此，歐洲航天局才籌資開始了以下這兩項研究。奧斯迪爾姆被要求研究傳統(tǒng)的光學(xué)通道，而阿爾卡特爾正在調(diào)查一項“集成光學(xué)系統(tǒng)”方案。歐洲航天局雄心勃勃的達爾文計劃也將使用“集成光學(xué)系統(tǒng)”，不過它所涉及的光的波長要比鬼怪計劃的中涉及的光波要長。這是“集成光學(xué)系統(tǒng)”還未曾涉及的領(lǐng)域。“集成光學(xué)系統(tǒng)”這項成果的意義遠不是人們可以更好地尋找行星。在地球上，對于每一個家庭電腦的用戶來說，這項成果都具有非同尋常的意義。互聯(lián)網(wǎng)的速度將會快10萬倍，以這樣的速度在網(wǎng)上沖浪將會是多么震撼。
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