神通激光

第三节 小小光路本事大

　　打开电视机，可以看到一种长方体元件，人们习惯地称它为集成块。它是一种集成电路，就是把二极管、三极管、电阻和电容什么的都制作在一块很小的硅片上，并把这些元件按照一定要求互相连接起来，构成一块不可分割的、具有一定功能的完整电路。现代的“集成块”，在一块大规模集成电路硅片上集成有几万个元件，在一块超大规模集成电路上则包含有10万个以上元件。

　　人们从集成电路得到启示，20世纪60年代末，将同集成电路相类似的技术应用到光学领域里来，便产生了集成光路的概念，并出现了一门研究集成光路理论、制造和应用的新学科——集成光学。

　　集成光学元件是什么样子？集成光路又是怎样构成的呢？

　　我们还是从日常生活中最熟悉的“光学仪器”谈起吧。人的眼睛近视了，需要配一副近视镜；上了年纪，做活时就得求助老花镜帮忙；洗完了脸，要到镜子跟前照一照；看军用地图，常常要请放大镜来配合……这些眼镜、镜子和放大镜就是最简单的光学元件，它们同光源（太阳或电灯）和眼睛一起构成了光路系统。近视镜，是一种中间薄而边缘厚的玻璃片，叫做凹透镜，它有使光线发散和缩小景物的功能；老花镜和放大镜，是一种中间厚而边缘薄的玻璃片，叫做凸透镜，它有使光线会聚和放大景物的功能；镜子，是背面涂了水银的玻璃片，叫做反射镜，它有反射光线和折转光路的作用。这些，都是制造光学仪器的光学零件。不过，在各种各样的光学仪器里，所采用的许许多多的凸透镜、凹透镜的材料、表面的曲率和厚度都是各不相同的。为了获得各种不同的性能和成像的光学系统，使仪器能满足使用上的需要，光学工厂里设计制造的凸透镜和凹透镜是多种多样的，而且常常是把几个镜片胶合起来或者用几片透镜构成一组，以改善成像质量。反射镜也有各式各样的，而且在许多情况下采用棱镜代替平面镜来折转光路。此外，在制造光学仪器过程中，还采用许多其他光学零件，如供瞄准用的带十字线或标尺的玻璃片——分划板，供测量读数用的带有度、分、秒刻度的玻璃片——度盘、分盘和秒盘。采用这些光学零件，就可以构成各式各样的光学系统，制成各种类型的光学仪器，诸如工厂检查员用以检查工件质量的大型工具显微镜，边防战士用以瞄准敌人坦克的火箭筒瞄准镜，农业技术人员用以观察昆虫面目的生物显微镜，医院外科医生用以缝合患者血管的手术显微镜，天文学家用以探索宇宙秘密的天文望远镜，公安人员用以鉴别作案人指纹的双物镜比较显微镜，电影院里的电影放映机，公园里为游人留下幸福微笑的照相机……各种各样的光学仪器和设备，在工业、农业、军事、科研及日常生活的各个方面，为人类做出了许许多多的贡献，是人们从事现代化建设的得力助手。

　　一台光学仪器，常常有几个、几十个以至几百个玻璃制成的光学零件，而且还要有固定、支承、调节这些光学零件并构成仪器整体的大量金属零部件。这样，一台光学仪器，小的有几公斤重，大的就要上吨重了。此外，还有一些光学仪器采用巨大的光具座，以及防震和恒温湿等设备，那就更加庞大笨重了。

　　光学零件和光路系统能不能微型化呢？完全能。不过，集成光学元器件的制作，集成光路的构成，与普通的光学零部件和光路系统是不同的。集成光路是以薄膜形式构成的微形光学系统。在这样的系统中，采用一些特殊的技术方法，将具有发光、放大、调制、耦合、传输等功能的器件都制成薄膜的光波波导形式，而光波是作为被导引的波在薄膜中传播的。通过控制薄膜厚度、波导宽度、波导与周围介质之间的折射率之差形成的各种光波波导，都具有独特的结构和传播速度，因而有不同的功能。例如，在薄膜上做出一个凸透镜形状的膜层宽厚的区域，当光波通过时，光速在这个区域的边缘前进得较快，往中心去，光速随着膜层增厚而减慢，因而产生光束的会聚作用，成为薄膜凸透镜。反之，在薄膜上做成一个凹透镜形状的膜层窄薄的区域，当光波通过时，光速在这个区域的边缘前进得较慢，往中心去，光速随着膜层的减薄而加快，因而产生光束的发散作用，成为薄膜凹透镜。这种薄膜透镜，就好像是从普通光学透镜上切下的一个薄片。采取这样的方式，也可以制成薄膜棱镜、薄膜激光器、薄膜调制器、薄膜光开关、薄膜探测器等光电子器件，彼此以薄膜耦合器和薄膜光波导连接起来，从而构成一种具有一定功能的完整的微型光学系统。将所需要的几种器件都做在同一块公共的衬底基片上面，就成为单片集成光路；而将多种器件制作在不同材料的衬底基片上面，然后再外接到一起，则成为混合集成光路。

　　集成光路系统比起普通光学系统来，具有许多优点，它体积小、重量轻、功耗低、效率高，易于屏蔽和绝缘，性能稳定而可靠，使用轻便又经济，有利于制作大规模的光电子系统。集成光路在光纤通信、光计算机、信息处理、图像显示和文件图片扫描等方面，都有重要的实际应用和广阔的发展前景。

　　目前，集成光路的研究、试验不断取得新成果，已经进入实用阶段，并且将会取得新的重大突破。一系列的集成光路通信设备和集成光学元器件的研制成功，必定加速光纤通信和光子计算机的发展和成熟。

　　人们利用集成光路，制成声—光和光—声的变换器。在光纤通信设备中，在发送端将声音、图像直接变成光信号通过光纤传输，在接收端再将光信号直接变成声音、图像信号；并采用米粒那么大小的中继器，它就像接力赛跑的中间运动员将棒接过来又传下去那样，使通信的中继距离扩大，或者，传送的声音和图像经过光扫描和连续化，加上光导纤维的光能损耗进一步降低，于是，人们完全抛开电通信系统，实现大容量远距离的全光通信。

　　人们利用集成光路，即把激光器、开关、调制、滤波、放大等功能的元件集成在一起的微型光学器件，用于制造计算机，研制成全部由光子器件构成的光数字计算机。这种光数字计算机具有特高运算速度和特大信息存储量，而且使用起来稳定可靠，是人类最理想的计算机。在未来的日子里，电子必将让贤给光子，今天的电子计算机作为光子计算机的先驱将走进历史博物馆，到那时，将是光子计算机大显身手的时代。