集成光學(xué)是研究媒質(zhì)薄膜中的光學(xué)現象以及光學(xué)元件集成化的一門(mén)學(xué)科。它是在激光技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，由于光通信、光學(xué)信息處理等的需要，而逐步形成和發(fā)展起來(lái)的。

　　興起的原因

　　它要解決的實(shí)質(zhì)問(wèn)題，是獲得具有不同功能、不同集成度的集成光路，實(shí)現光學(xué)信息處理系統的集成化與微小型化。光波波長(cháng)比波長(cháng)最短的無(wú)線(xiàn)電波還要短四個(gè)數量級，因而它具有更大的傳遞信息和處理信息的能力。然而傳統的光學(xué)系統體積大、穩定性差、光束的對準和準直困難，不能適應光電子技術(shù)發(fā)展的需要。采用類(lèi)似于半導體集成電路的方法，把光學(xué)元件以薄膜形式集成在同一襯底上的集成光路，是解決原有光學(xué)系統問(wèn)題的一種途徑。這樣可有體積小、性能穩定可靠、效率高、功耗低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。集成光學(xué)出現于1969年前后，從它的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程中，貝爾實(shí)驗室P.K.田等一批科學(xué)家起了重要作用。正從基礎和開(kāi)發(fā)研究進(jìn)入工程應用階段。

　　運用范圍

　　集成光路中現已制成的光學(xué)元件包括薄膜微型激光器、薄膜透鏡、棱鏡、薄膜型光學(xué)波導、耦合器、光開(kāi)關(guān) 、光學(xué)調制器 、濾波器 、光學(xué)雙穩態(tài)器件、模-數轉換器、存儲器和檢測器等。除純粹集成光路外，現已出現和電子學(xué)元件的集成。

　　此外，在光學(xué)波導中已觀(guān)察到了諸如二次諧波 、混頻和受激拉曼散射等非線(xiàn)性光學(xué)現象(見(jiàn)非線(xiàn)性光學(xué))，這必將大大擴展集成光路的功能。集成光學(xué)對光纖通信、自動(dòng)控制、光學(xué)信息處理、光譜研究以及光學(xué)計算機的研究和應用等具有重要意義。

　　學(xué)科理論

　　集成光學(xué)的理論問(wèn)題，主要是媒質(zhì)波導理論，它有助于人們深入了解波導中光學(xué)現象的物理本質(zhì)，并用于光波導、器件和光學(xué)回路的研究設計。人們常常把波導中光學(xué)現象(如傳播、耦合、調制等等)的研究，稱(chēng)為導波光學(xué)。

　　媒質(zhì)波導理論已從不同角度建立起來(lái)。首先，是建立在麥克斯韋方程組基礎上的媒質(zhì)波導電磁理論;其次，從射線(xiàn)光學(xué)角度，建立了鋸齒波模型的波導理論。把波導中的光波看成是在薄膜的上下兩個(gè)界面來(lái)回反射的光線(xiàn)，而且走的是一條鋸齒形路程。

　　從鋸齒波模型出發(fā)，可以比較簡(jiǎn)單和直觀(guān)地推導模方程，討論媒質(zhì)波導理論的基本概念，處理棱鏡、光柵耦合器、表面散射等許多問(wèn)題。另外還從量子力學(xué)角度，建立了勢阱模型的波導理論。描述光波在波導中運動(dòng)的波動(dòng)方程和描述電子在位阱中運動(dòng)的薛定諤方程有相同的形式，用 WKB法可得到波動(dòng)方程的近似解。

　　集成光學(xué)中許多重要現象及器件的分析，經(jīng)常采用耦合模理論。把由于波導結構不規則性和材料不均勻性等產(chǎn)生模式之間功率交換(模式之間發(fā)生耦合)的實(shí)際波導系統，視為一種微擾波導系統，假定它是由互相發(fā)生耦合的若干孤立單元所組成。其電磁場(chǎng)可按某種形式的規則波導單元的本征模展開(kāi)，推導并求解耦合模方程。在集成光學(xué)中，主要是利用耦合模方程來(lái)處理媒質(zhì)波導中導模之間、導模與輻射模之間的各種耦合問(wèn)題，以及與這類(lèi)耦合有關(guān)的器件(見(jiàn)光的電磁理論、光的干涉、幾何光學(xué))。

　　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;做成光波導以后，傳輸損耗要求小于每厘米一分貝;媒質(zhì)材料應具有多種功能，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(cháng)期穩定工作的性能，已探索過(guò)的材料有玻璃、半導體、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)光波導及器件，用外延制備半導體異質(zhì)結光波導和器件，用離子交換制備玻璃光波導。

　　元件集成

　　現在已經(jīng)做出了很多對應于大塊光學(xué)元件的各種薄膜波導元件，如薄膜媒質(zhì)光波導、薄膜激光器、耦合器、調制器、開(kāi)關(guān)、偏轉器、薄膜透鏡、棱鏡、探測器、濾波器、光學(xué)雙穩態(tài)器件、半加器回路、模-數轉換器、傅里葉變換器、頻譜分析器、卷積、存儲器等。在光波導中，觀(guān)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(xiàn)性光學(xué)效應，以及薄膜中像的傳輸和轉換等現象。

　　現在一些元件的集成也已經(jīng)實(shí)現，例如在同一襯底上，三種典型元件(激光器、波導、探測器)的集成，六個(gè)分布反饋激光器的集成，三個(gè)探測器的集成，注入式激光器和場(chǎng)效應晶體管的集成等。

　　集成光路不—定需要在一個(gè)襯底上集成所有光學(xué)元件，很多應用是有限幾種元件的集成，甚至在一個(gè)襯底上做同種元件的集成(單功能集成)。已經(jīng)出現光學(xué)元件和電學(xué)元件之間的集成，今后還可能出現光、電、聲、磁元件結合在一起的集成。

　　學(xué)科應用

　　集成光學(xué)的應用領(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，導波光學(xué)原理、薄膜光波導器件和回路，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其應用的領(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，導波光學(xué)原理、薄膜光波導器件和回路，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。 數據在互聯(lián)網(wǎng)上移動(dòng)就好像汽車(chē)在公路上行駛。假如汽車(chē)不必轉換方向，直奔目的地，那么速度會(huì )非?？?。但是，假如汽車(chē)不得不在十字路口轉換方向，那么它的速度就要慢得多。同樣地，這種情況也會(huì )發(fā)生在信息高速公路上。光束載著(zhù)數據通過(guò)光纖以極快的速度傳播，當數據到達一個(gè)服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器會(huì )改變數據的傳送方向，使它們到達最終的目的地。人們還必須要把光信號轉化為電流，這些過(guò)程使一切都慢了下來(lái)。

　　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(wàn)公里?！?span style="text-wrap: wrap;">集成光學(xué)系統”將可以使數據以光的形式傳播，而且不必通過(guò)服務(wù)器轉換，而是通過(guò)芯片的惟一信道直達目的地?？茖W(xué)家們?yōu)榇蠹颐枋龅倪@種“集成光學(xué)系統”其實(shí)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(xiàn)路，而是微型光學(xué)線(xiàn)路。技術(shù)上還存在困難?！?span style="text-wrap: wrap;">集成光學(xué)系統”還只是個(gè)科學(xué)上的構想，離當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(kāi)始了以下這兩項研究。奧斯迪爾姆被要求研究傳統的光學(xué)通道，而阿爾卡特爾正在調查一項“集成光學(xué)系統”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”，不過(guò)它所涉及的光的波長(cháng)要比鬼怪計劃的中涉及的光波要長(cháng)。這是“集成光學(xué)系統”還未曾涉及的領(lǐng)域?！?span style="text-wrap: wrap;">集成光學(xué)系統”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(gè)家庭電腦的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這項成果都具有非同尋常的意義?；ヂ?lián)網(wǎng)的速度將會(huì )快10萬(wàn)倍，以這樣的速度在網(wǎng)上沖浪將會(huì )是多么震撼。