[科普中国]-导波光学

介绍

20世纪60年代激光的出现，使半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科涌现出来。20世纪70年代，由于半导体激光器和光导纤维技术的重大突破，使以光通信、光信息处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表的光信息科学与技术得到迅速发展，导波光学已经成为光信息科学与技术的基础。2

波导(waveguide)，顾名思义就是传导波的器件。光学波导，就是能够将光约束在该器件内进行传输的器件。光波的全反射是一种能够将光波约束在一定范围内的简单方法，因此全反射也被大量应用于光学波导的构建。光学波导有各种各样的形式，如平面型的平波导、条形的条状波导与圆柱形的光纤等，但是其基本原理均是构建在电磁场理沦的全内反射原理上的．同时光波在波导中的传播也呈现m各种特性．因此人们将研究光学波导中光波传输的光学理沦称为导波光学。

导波光学是光电子学的一个重要组成部分。因为作为光电子学的重要应用技术之一．光通信的学科基础就是导波光学。同时随着光电子技术的发展．光学系统集成化的趋势日益显现，集成光学将各种光学波导器件、发光器件、调制器件、探测器件等集成在一个共同的基底芯片上。从而构造m独立功能的光电系统。这一技术的出现与发展极大地推进光电子学与光电子技术的发展，而这一切离不开光子学的理论基础．特别是导波光学在其中起到极为重要的作用。

导波光学基本概念1．导波光学

导波光学是研究光在光波导中传输规律及其应用的学科。它的研究对象是以光波导现象为基础的光子学和光电子学系统。

光波导：光波导是将光波限制在特定介质中进行传输的导光通道。光波导一般指导光薄膜，可定义为有一维或二维限制的狭窄的导光通道元器件。

光子学：光子学定义为光的产生、发射、调制、探测和存储等行为的一门学科，主要的研究领域包括量子光学、分子光学和非线性光学。

光电子学：光电子学是由光学和电子学相结合而形成的新技术学科。光电子学通常是指光频电子学，即以光波代替无线电波作为信息载体，实现光发射、控制、测量和显示等。光电子学有时也狭义地专指光 电转换器件及其应用的领域。光电子学还包括利用光电子发射带出的信息来研究固体内部和表面的成分和电子结构的光电子能谱学。

2．集成光路

集成光路指在光波导上制造微型的光学元件，并互连耦合为具有一定功能的光学系统，用于实现光的发射、传输、偏转、调制和探测功能的光路系统。

导波光学系统构成导波光学系统一般由光源、耦合器、光波导器件、光调制器和光探测器等组成。与传统的、非集成的离散光学元件系统相比，导波光学系统具有体积小、重量轻、结构紧凑和性能稳定等特点。

离散光学系统是将有一定几何尺寸的光学元器件固定在大型的光学平台或光具座上所构成的光路系统。系统的大小约是几平方米的数量级，光束的粗细约为5～10mm的范围。光束一般通过空气在各个光学元器件之间进行传输。由于受到介质对光的吸收、色散和散射等因素的影响，系统光能损耗较大，组装、调整也比较困难。

导波光学系统是在同一块衬底上尽量制作多个微型的光学元器件，因而不存在离散光学器件所具有的组装问题，不仅可以保持光学元器件相对位置不变，而且对振动和温度等环境因素的适应性也比较强。另外，由于各个光学元件用衬底内部或表面上形成的光波导连接起来，因此，光波容易控制和保持其能量。

导波光学系统优点导波光学系统具有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低、使用方便等优点。首先，集成光路与光纤一样，信号的载体是光波，光波的频率比电子手段产生的电磁振荡高得多，因而可能加载频带度极宽的信号，而且避免了电路的导线固有的电容和电感导致的频率限制效应。这样，集成光路的光信号的传输带宽及与此相应的传输信息量，比电子电路系统的电信号的传输带宽和信息量多若干数量级。其次，虽然电子计算机已经进入大规模和超大规模集成电路的时代，但其运算速率始终受限于固体电子器件中电子运动的速度，而光子计算机以光速运动的光子为工作的基础，其理论计算速率可高达1010～1011次/s，比目前计算速率最快的电子计算机高100～1000倍。最后，空间上多道阵列、多频段以及三维立体的光学存储及处理的特点，使光存储和处理的容量可达到1018kbit的“海量信息”。如果用集成光路来实现光信号的逻辑运算、传送和处理，则可制成体积小、速度快、容量大的“全光计算机”。光子计算机与电子计算机相比有着并行处理、信号互不干扰、开关速度快、光速传递、宽带以及信息容量极大的优点。

总地来说，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、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。