導波光學

20世紀60年代激光的出現，使半導體電子學、導波光學、非線性光學等一系列新學科湧現出來。20世紀70年代，由於半導體激光器和光導纖維技術的重大突破，使以光通信、光信息處理、光纖傳感、光信息存儲與顯示等為代表的光信息科學與技術得到迅速發展，導波光學已經成為光信息科學與技術的基礎。 ^[2] 

波導(waveguide)，顧名思義就是傳導波的器件。光學波導，就是能夠將光約束在該器件內進行傳輸的器件。光波的全反射是一種能夠將光波約束在一定範圍內的簡單方法，因此全反射也被大量應用於光學波導的構建。光學波導有各種各樣的形式，如平面型的平波導、條形的條狀波導與圓柱形的光纖等，但是其基本原理均是構建在電磁場理淪的全內反射原理上的．同時光波在波導中的傳播也呈現m各種特性．因此人們將研究光學波導中光波傳輸的光學理淪稱為導波光學。

導波光學是光電子學的一個重要組成部分。因為作為光電子學的重要應用技術之一．光通信的學科基礎就是導波光學。同時隨着光電子技術的發展．光學系統集成化的趨勢日益顯現，集成光學將各種光學波導器件、發光器件、調製器件、探測器件等集成在一個共同的基底芯片上。從而構造m獨立功能的光電系統。這一技術的出現與發展極大地推進光電子學與光電子技術的發展，而這一切離不開光子學的理論基礎．特別是導波光學在其中起到極為重要的作用。

1．導波光學

導波光學是研究光在光波導中傳輸規律及其應用的學科。它的研究對象是以光波導現象為基礎的光子學和光電子學系統。

光波導：光波導是將光波限制在特定介質中進行傳輸的導光通道。光波導一般指導光薄膜，可定義為有一維或二維限制的狹窄的導光通道元器件。

光子學：光子學定義為光的產生、發射、調製、探測和存儲等行為的一門學科，主要的研究領域包括量子光學、分子光學和非線性光學。

光電子學：光電子學是由光學和電子學相結合而形成的新技術學科。光電子學通常是指光頻電子學，即以光波代替無線電波作為信息載體，實現光發射、控制、測量和顯示等。光電子學有時也狹義地專指光 電轉換器件及其應用的領域。光電子學還包括利用光電子發射帶出的信息來研究固體內部和表面的成分和電子結構的光電子能譜學。

2．集成光路

集成光路指在光波導上製造微型的光學元件，並互連耦合為具有一定功能的光學系統，用於實現光的發射、傳輸、偏轉、調製和探測功能的光路系統。

導波光學系統一般由光源、耦合器、光波導器件、光調製器和光探測器等組成。與傳統的、非集成的離散光學元件系統相比，導波光學系統具有體積小、重量輕、結構緊湊和性能穩定等特點。

離散光學系統是將有一定幾何尺寸的光學元器件固定在大型的光學平台或光具座上所構成的光路系統。系統的大小約是幾平方米的數量級，光束的粗細約為5～10mm的範圍。光束一般通過空氣在各個光學元器件之間進行傳輸。由於受到介質對光的吸收、色散和散射等因素的影響，系統光能損耗較大，組裝、調整也比較困難。

導波光學系統是在同一塊襯底上儘量製作多個微型的光學元器件，因而不存在離散光學器件所具有的組裝問題，不僅可以保持光學元器件相對位置不變，而且對振動和温度等環境因素的適應性也比較強。另外，由於各個光學元件用襯底內部或表面上形成的光波導連接起來，因此，光波容易控制和保持其能量。

導波光學系統具有體積小、性能穩定可靠、效率高、功耗低、使用方便等優點。首先，集成光路與光纖一樣，信號的載體是光波，光波的頻率比電子手段產生的電磁振盪高得多，因而可能加載頻帶度極寬的信號，而且避免了電路的導線固有的電容和電感導致的頻率限制效應。這樣，集成光路的光信號的傳輸帶寬及與此相應的傳輸信息量，比電子電路系統的電信號的傳輸帶寬和信息量多若干數量級。其次，雖然電子計算機已經進入大規模和超大規模集成電路的時代，但其運算速率始終受限於固體電子器件中電子運動的速度，而光子計算機以光速運動的光子為工作的基礎，其理論計算速率可高達10¹⁰～10¹¹次/s，比目前計算速率最快的電子計算機高100～1000倍。最後，空間上多道陣列、多頻段以及三維立體的光學存儲及處理的特點，使光存儲和處理的容量可達到10¹⁸kbit的“海量信息”。如果用集成光路來實現光信號的邏輯運算、傳送和處理，則可製成體積小、速度快、容量大的“全光計算機”。光子計算機與電子計算機相比有着並行處理、信號互不干擾、開關速度快、光速傳遞、寬帶以及信息容量極大的優點。

總地來説，用集成光路代替集成電路的優點，包括帶寬增加、波分複用、多路開關、耦合損耗小、尺寸小、重量輕、功耗小、成批製備、可靠性高等。由於光和物質的多種相互作用，還可以在集成光路的構成中，利用諸如光電效應、電光效應、聲光效應、磁光效應、熱光效應等多種物理效應，實現新型的器件功能。