微小光學

微小光學是指光傳輸路徑的線度和光波長在一個數量級上或接近一個數量級。通常把纖維光學、集成光學和梯度光學等統稱為微小光學。集成光學在微小光學研究中更引人關注。集成光學器件伴隨著光纖通信的興起和發展，已成為光纖網路的重要組成部分，也促使光纖通信容量爆炸性增長。

基本介紹

• 中文名：微小光學
• 外文名：microoptics
• 所屬領域：光學
• 內容：纖維光學、集成光學和梯度光學
• 提出時間：1981年
• 提出人：內田偵二教授

發展歷史

從半個世紀前微電子技術問世以來，人們不斷追求尺度越來越小、功能越來越完善的微結構裝置。微小光學(microoptics)一詞是日本電氣公司內田偵二教授在1981年提出來的。它主要是指用微透鏡及列陣，基於光的衍射原理而製作的二元光學元件、菲涅耳透鏡和光柵結構。微小光學是光學和微電子、微機械互相融合、滲透和交叉而形成的前沿學科。它與微電子和微機械一起統稱為微工程。微小光學器件在實現光束的發射、聚焦、傳輸、成像、分光、圖像處理和光計算諸方面的系列功能，是近代高科技發展的重要支柱。這些微小光學元件只是微米或亞微米尺寸，重量僅在微克量級。

目前世界上已製成的最小透鏡是用塑膠、磷化銦、磷化鎵或玻璃等材料做成的半球型微透鏡，它的直徑可小到4微米。它是用離子束輻照、鍍層和光刻等工藝製成的。微小光學元件排列起來，就構成光學元件列陣。其中通常稱為CCD的線陣(一維列陣)探測器，是在1厘米左右尺寸上製作了多達1024個探測器的集成光學元件；也可排列成面陣(二維列陣)探測器。與此相應，已把帶白聚焦透鏡的半導體雷射器精巧地排列起來，製成線陣或面陣雷射源。在這基礎上，80年代國際上出現三維集成光學器件。其中有一種方案是在一種材料基片上只製作一種功能的光學元件面陣，然後把不同功能的基片縱向疊合起來，從而實現多功能集成。

自本世紀80年代起的10年時間內，微小光學技術得到迅速發展。現已成功地把連線器、分波器、波分復用器、隔離器、光開關等各種功能器件集成在同一小片上，製成元源列陣器件。把雷射器、探測器、放大器、開關、存儲器等各種功能器件集成一塊，製成有源列陣器件。可以預期，這類器件將得到進一步發展，並將對未來光纖通信的發展和信息高速公路的實現產生深遠影響。
人們通常把幾種光學和電子學的功能結合在同一器件里，稱為集成光學，它的實現一直是工程師們的夙願，一些基本的元件已經在實驗室里製成，這些器件可以把射人一個或多個通道中的光信息轉換到另一個或多個不同的出射光通道里。這種轉換陣列能夠對光束中的信號進行讀入、讀出、監控或處理。這樣的光電子器件可以做到極高速的調製(109Hz以上)和處理，並且可以在數字信息和光訊號之間進行寬頻的轉換。

事實上，只有高度集成化的密集信息通道才允許充分發揮信息並行處理的特點，因而微小光學集成技術才是發展光計算的基礎。進入90年代以來，國內外科學工作者已在矩陣一向量乘法、光學互聯及圖像識別等套用基礎和技術研究中取得豐碩成果。有人用直徑僅1.05毫米、焦距為2.6毫米的自聚焦微透鏡列陣，製成多通道匹配特徵提取濾波器，研製成光學神經網路圖像識別系統。1991年還為實現精密裝配、密集安裝、耐用性好、信息容量大的光互連，研製了串聯排列自聚焦微透鏡列陣的光學網路系統。目前國際上微小光學及其集成技術的進展，已為光計算的發展創造了現實可能性。

值得指出的是，微小光學集成技術與雷射的關係，絕不限於有源列陣光集成器件中包含了雷射器。事實上，所有在絕緣體上生長極薄單晶矽膜(SOI)技術都跟雷射技術分不開。SOl技術在80年代後期得到突破性發展，它在矽積體電路工藝中有無容置疑的地位。雷射再結晶技術是研製三維積體電路的主要手段。首次雷射再結晶實驗(包括引晶、蓋帽層、矽膜圖形的形成等工藝)已使S01技術製成能在幾千兆赫的頻率下工作並能經受高溫的CMOS電路。雷射在微電子和微光學技術中的成功套用是由雷射的特性決定的。

20世紀後半期，尤其是最近30年中，光學是以學科結合點(光學與微電子技術、材料、計算機技術等)作為生長點的。反過來，光學領域的最新成就又成為高新技術的重要支撐。事實上，除上述光計算機需要功能完善的微小尺度結構裝置外，在生物、環境控制、醫學、航空航天、精密制導、靈巧武器、先進情報感測器、數字通信等領域也在小型化方向上提出更高要求。最近科學家們正在考慮把微小光學和微電子、微機械(尺寸在1微米到1毫米範圍內的機械裝置)結合起來，叫做三微技術。現正在構思和努力研究由此做成微小機器人。此外，美國還在研究用納米材料設計跨世紀的微型衛星。這種衛星將要執行的各種偵察任務，受到本世紀開創的光學技術的支撐。

微小光學元器件

微型化、集成化、陣列化是微小光學元器件的一個顯著特點，也是變折射率透鏡的發展方向。

光在各個領域的套用正是利用了光的自身特徵。構築光學系統需要各種各樣的光學器件，包括採用最先進技術的系統到最簡易的系統裝置。

如果粗略分類，微小光學器件分為光纖器件和各種元件集成在一塊基板上的集成光學器件。光纖器件又可分為容積形、薄膜插入形、纖維形等。下面就講述各種器件的特徵及其優缺點。

集成光學器件

集成光學器件是在基板上集成了與波導相連的光源、調製器、分波器、開關等許多元件。集成器件將多種功能的光學元件小型化，具有性能穩定的優點，適於大批量生產等特點。但是，由於多數情況下適合於光源、調製器的能動元件和分波器、波導等被動元件的材料並不相同，所以，材料的選擇和製作工藝是今後亟待解決的課題。此外，降低光纖損耗、穩定連線技術也是關鍵問題。

容積型光學器件

光從光纖外部射出變為平行光後，經過容積型微小光學元件的處理，再次進入光纖。由於容積型器件是由稜鏡、偏振因子、濾光器、衍射柵格等組合而成的，所以光纖之間位置很難對正，穩定性較差，損耗也增大。隨後出現的光學器件去掉了一部分元件，變換為纖維型、薄膜插入型、集成型等結構形式。

薄膜插入型光學器件

解決了容積型器件的缺點，它是纖芯擴大的光纖和薄膜光學元件的組合。通過熱擴散方式使光纖的纖芯直徑局部擴大，提高了光束的準直性(相當於稜鏡的作用)，經過薄膜狀的光學元件處理後，光束再次進入粗心光纖。該結構具有位置容易對正、光纖損耗小等優點，不過，薄膜光學元件的開發是今後尚需解決的課題。

微光學陣列

微光學陣列指用微小光學的陣列排列方法來形成的具有一種全新功能的光學元件。這對發展光電陣列光學是一個全新的領域，如微透鏡陣列、微稜鏡陣列、光開關陣列等。微光學陣列已用於光掃描、半導體雷射陣列光束合成、紅外焦平面陣列以及光信息處理、光通信等領域。

微透鏡分為折射型和衍射型，在提高感測器成像質量上都有套用。折射型微透鏡具有設計和工藝簡單的特點，但是採用光刻膠熱熔工藝的微透鏡焦距和表面形貌都較難控制，獲得的相對孔徑在F/1～F/10之間，過高或過低相對孔徑的微透鏡卻較難實現。