神通激光

第三節 小小光路本事大

　　打開電視機，可以看到一種長方體元件，人們習慣地稱它為集成塊。它是一種集成電路，就是把二極管、三極管、電阻和電容什麽的都製作在一塊很小的矽片上，並把這些元件按照一定要求互相連接起來，構成一塊不可分割的、具有一定功能的完整電路。現代的“集成塊”，在一塊大規模集成電路矽片上集成有幾萬個元件，在一塊超大規模集成電路上則包含有10萬個以上元件。

　　人們從集成電路得到啟示，20世紀60年代末，將同集成電路相類似的技術應用到光學領域裏來，便產生了集成光路的概念，並出現了一門研究集成光路理論、製造和應用的新學科——集成光學。

　　集成光學元件是什麽樣子？集成光路又是怎樣構成的呢？

　　我們還是從日常生活中最熟悉的“光學儀器”談起吧。人的眼睛近視了，需要配一副近視鏡；上了年紀，做活時就得求助老花鏡幫忙；洗完了臉，要到鏡子跟前照一照；看軍用地圖，常常要請放大鏡來配合……這些眼鏡、鏡子和放大鏡就是最簡單的光學元件，它們同光源（太陽或電燈）和眼睛一起構成了光路係統。近視鏡，是一種中間薄而邊緣厚的玻璃片，叫做凹透鏡，它有使光線發散和縮小景物的功能；老花鏡和放大鏡，是一種中間厚而邊緣薄的玻璃片，叫做凸透鏡，它有使光線會聚和放大景物的功能；鏡子，是背麵塗了水銀的玻璃片，叫做反射鏡，它有反射光線和折轉光路的作用。這些，都是製造光學儀器的光學零件。不過，在各種各樣的光學儀器裏，所采用的許許多多的凸透鏡、凹透鏡的材料、表麵的曲率和厚度都是各不相同的。為了獲得各種不同的性能和成像的光學係統，使儀器能滿足使用上的需要，光學工廠裏設計製造的凸透鏡和凹透鏡是多種多樣的，而且常常是把幾個鏡片膠合起來或者用幾片透鏡構成一組，以改善成像質量。反射鏡也有各式各樣的，而且在許多情況下采用棱鏡代替平麵鏡來折轉光路。此外，在製造光學儀器過程中，還采用許多其他光學零件，如供瞄準用的帶十字線或標尺的玻璃片——分劃板，供測量讀數用的帶有度、分、秒刻度的玻璃片——度盤、分盤和秒盤。采用這些光學零件，就可以構成各式各樣的光學係統，製成各種類型的光學儀器，諸如工廠檢查員用以檢查工件質量的大型工具顯微鏡，邊防戰士用以瞄準敵人坦克的火箭筒瞄準鏡，農業技術人員用以觀察昆蟲麵目的生物顯微鏡，醫院外科醫生用以縫合患者血管的手術顯微鏡，天文學家用以探索宇宙秘密的天文望遠鏡，公安人員用以鑒別作案人指紋的雙物鏡比較顯微鏡，電影院裏的電影放映機，公園裏為遊人留下幸福微笑的照相機……各種各樣的光學儀器和設備，在工業、農業、軍事、科研及日常生活的各個方麵，為人類做出了許許多多的貢獻，是人們從事現代化建設的得力助手。

　　一台光學儀器，常常有幾個、幾十個以至幾百個玻璃製成的光學零件，而且還要有固定、支承、調節這些光學零件並構成儀器整體的大量金屬零部件。這樣，一台光學儀器，小的有幾公斤重，大的就要上噸重了。此外，還有一些光學儀器采用巨大的光具座，以及防震和恒溫濕等設備，那就更加龐大笨重了。

　　光學零件和光路係統能不能微型化呢？完全能。不過，集成光學元器件的製作，集成光路的構成，與普通的光學零部件和光路係統是不同的。集成光路是以薄膜形式構成的微形光學係統。在這樣的係統中，采用一些特殊的技術方法，將具有發光、放大、調製、耦合、傳輸等功能的器件都製成薄膜的光波波導形式，而光波是作為被導引的波在薄膜中傳播的。通過控製薄膜厚度、波導寬度、波導與周圍介質之間的折射率之差形成的各種光波波導，都具有獨特的結構和傳播速度，因而有不同的功能。例如，在薄膜上做出一個凸透鏡形狀的膜層寬厚的區域，當光波通過時，光速在這個區域的邊緣前進得較快，往中心去，光速隨著膜層增厚而減慢，因而產生光束的會聚作用，成為薄膜凸透鏡。反之，在薄膜上做成一個凹透鏡形狀的膜層窄薄的區域，當光波通過時，光速在這個區域的邊緣前進得較慢，往中心去，光速隨著膜層的減薄而加快，因而產生光束的發散作用，成為薄膜凹透鏡。這種薄膜透鏡，就好像是從普通光學透鏡上切下的一個薄片。采取這樣的方式，也可以製成薄膜棱鏡、薄膜激光器、薄膜調製器、薄膜光開關、薄膜探測器等光電子器件，彼此以薄膜耦合器和薄膜光波導連接起來，從而構成一種具有一定功能的完整的微型光學係統。將所需要的幾種器件都做在同一塊公共的襯底基片上麵，就成為單片集成光路；而將多種器件製作在不同材料的襯底基片上麵，然後再外接到一起，則成為混合集成光路。

　　集成光路係統比起普通光學係統來，具有許多優點，它體積小、重量輕、功耗低、效率高，易於屏蔽和絕緣，性能穩定而可靠，使用輕便又經濟，有利於製作大規模的光電子係統。集成光路在光纖通信、光計算機、信息處理、圖像顯示和文件圖片掃描等方麵，都有重要的實際應用和廣闊的發展前景。

　　目前，集成光路的研究、試驗不斷取得新成果，已經進入實用階段，並且將會取得新的重大突破。一係列的集成光路通信設備和集成光學元器件的研製成功，必定加速光纖通信和光子計算機的發展和成熟。

　　人們利用集成光路，製成聲—光和光—聲的變換器。在光纖通信設備中，在發送端將聲音、圖像直接變成光信號通過光纖傳輸，在接收端再將光信號直接變成聲音、圖像信號；並采用米粒那麽大小的中繼器，它就像接力賽跑的中間運動員將棒接過來又傳下去那樣，使通信的中繼距離擴大，或者，傳送的聲音和圖像經過光掃描和連續化，加上光導纖維的光能損耗進一步降低，於是，人們完全拋開電通信係統，實現大容量遠距離的全光通信。

　　人們利用集成光路，即把激光器、開關、調製、濾波、放大等功能的元件集成在一起的微型光學器件，用於製造計算機，研製成全部由光子器件構成的光數字計算機。這種光數字計算機具有特高運算速度和特大信息存儲量，而且使用起來穩定可靠，是人類最理想的計算機。在未來的日子裏，電子必將讓賢給光子，今天的電子計算機作為光子計算機的先驅將走進曆史博物館，到那時，將是光子計算機大顯身手的時代。