集成光路

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集成光路(Integrated Optical Circuit,IOC)

　　集成光路是指將傳統的一系列分立光學器件如棱鏡、透鏡、光柵、光耦合器等平面化、微型化後形成的一種集成化了的光學系統。集成光路有許多集成電路無法比擬的優點。例如，集成光路以光頻為載波工作，頻率比電子學頻率高出1000倍以上，因此其處理的信息容量要比集成電路大得多；集成電路僅以一維時間順序處理信息，而集成光路除了可以一維時間順序處理信息之外，還具有空間並行處理信息的能力，即集成光路可進行多維信息處理，因此，集成光路的信息處理速度要比集成電路快得多；集成光路的開關響應速度很高；集成光路的抗電磁干擾能力強，保密性強。

　　集成光路由許多光波導器件構成。這些光波導器件可分為無源器件和有源器件兩大類。無源光波導器件主要包括波導棱鏡、透鏡、反射鏡、光分束器和檢偏器等波導幾何光學器件和波導型定向耦合器、濾波器、光隔離器，衰減器、集成光學調製器、光開關等；有源光波導器件是指含有光源的集成光學器件。

　　集成光路由許多光波導器件構成，這些光波導器件可分為無源器件和有源器件兩大類。無源光波導器件主要包括波導棱鏡、透鏡、反射鏡、光分束器和檢偏器等波導幾何光學器件和波導型定向耦合器、濾波器、光隔離器、衰減器、集成光學調製器、光開關等。有源光波導器件是指含有光源的集成光學器件。

　　集成光路材料實際上是指一些光波導薄膜材料和它們的襯底材料。不同功能的集成光學器件需要不同的光波導薄膜材料，因此要選用不同的襯底材料。一般無源光波導器件主要選用LiNbO₃、石英或硅材料、玻璃等作襯底。其中，普通無源器件可選用玻璃、石英、SiO₂等，電光調製器或聲光調製器通常都採用電光繫數和光彈性繫數高的LiNbO₃，含探測器的無源器件必須使用硅等半導體材料。有源光波導器件則主要選用GaAs、InP以及其他一些Ⅲ一V族或Ⅱ一Ⅵ族直接帶隙半導體為襯底材料。

　　光波導薄膜材料可以通過真空濺射、擴散、外延、質子轟擊、離子註入等成膜技術來製備，可根據光波導器件類型和襯底材料種類可選用合適的成膜技術。

　　對普通無源器件而言，若以玻璃或其他無定形材料為襯底，可採用真空濺射技術在襯底上形成光波導，所採用的光波導材料主要有Ta_2O_5、Nb_20_5、Si_3N_4等。對於需要採用晶體材料為襯底的光波導器件，可採用擴散的方法在襯底上形成光波導，即將雜質和襯底置於700~1000℃的高溫環境中，雜質在高溫下揮發並且向襯底擴散，通過調節擴散溫度和時間來控制擴散深度等。如以LiNb0₃晶體為襯底的光波導器件就可通過向LiNb0₃中擴散Ti或Ta等形成摻Ti或摻Ta的LiNbO₃波導，以ZnS、ZnSe等晶體為襯底的則可向這些晶體擴散Cd形成摻Cd的ZnS或ZnSe波導。可用擴散技術形成光波導的襯底材料還有Si、GaAs、LiTa0₃等晶體材料。

　　有些晶體材料例如CdTe、GaP、ZnTe等作為襯底時，可用離子註入法將需要摻入的雜質離子如Be+等加速到幾十千伏至幾百千伏來轟擊襯底錶面，將離子註入襯底替代襯底晶體材料中的某些原子以形成波導。另一些襯底材料如熔石英等，則可用離子註入法將H ⁺ 、Li ⁺ 或Bi^{3 +} 等摻人襯底材料的晶格間隙中使晶格畸變，導致襯底上被轟擊部位的折射率增大而形成波導。用離子註入法形成的波導一般都要進行褪火處理，以消除晶格缺陷、降低波導的光損耗。

　　GaAs、GaP、ZnTe、ZnSe等半導體晶體材料作為襯底時，可用質子轟擊法在襯底錶面轟擊質子，產生深能級陷阱中心，使被轟擊區的載流子濃度降低，從而提高該區的折射率，形成波導。質子轟擊法形成的波導也要進行退火處理，以降低損耗。

　　在製作集成光學調製器和光開關時，一般以LiNbO₃等電光晶體為襯底材料，採用向LiNbO₃襯底擴散Ti的方法和各種刻蝕技術(如化學腐蝕或離子束刻蝕等)來形成各種條波導和光波導器件。

　　在製作單塊(即激光器、波導和光探測器等都集成在一塊基板上)有源集成光學器件時，一般都以半導體晶體材料如GaAs、InP等為襯底，採用分子束外延、液相外延、氣相外延或金屬有機氣相沉積等外延生長法在襯底錶面形成多層結構，其中包括發光器件、波導和探測器件等。

　　目前還處於發展階段的集成光學的地位了。目前，集成光學已初具規模，併在光通信及光信息處理方面顯示出電子學無法比擬的優越性。不單是比離散元器件構成的光學系統具有巨大優越性，作為一種信息的處理與傳輸系統，與微電子系統相比，集成光學系統也具有其固有的重大優越性。

　　光集成的優點可以分為兩個方面，其一是用集成光學體系(集成光路)代替集成電子體系(集成電路)，其二則與導光波的光學纖維和介質平面光波導代替電線或者同軸電纜傳輸信號有關。

　　在集成光路上，各光學元件形成在一個晶片襯底上，用襯底內部或錶面上形成的光波導連接起來。採用類似於半導體集成電路的方法，把光學元件以薄膜形式集成在同一襯底上的集成光路，是解決原有光學系統小型化和提高整體性能問題的重要途徑。這樣的集成器件具有體積小、性能穩定可靠、效率高、功耗低，使用方便等優點。

　　與集成電子體系相比，集成光學體系具有其獨特的優越性。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蕩(包括微波)高得多，因而可能載入頻帶寬度極寬的信號；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超過若幹數量級。其次，雖然電子電腦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，而光子電腦以光速運動的光子為工作的基礎，其理論計算速率可高達10^{10}一10^{11}次／s，它比目前計算速率最陝的電子電腦高100-~1000倍。第三，空間上多道陣列、多頻(波分復用)以致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“全光電腦”。光子電腦比電子電腦有著並行處理、信號互不幹擾、開關速度快、光速傳遞、寬頻以及信息容量極大的優點。

　　總的來說，用集成光路代替集成電路的優點包括帶寬增加，波分復用，多路開關，耦合損耗小，尺寸小，重量輕，功耗小，成批製備經濟性好，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。集成光路的主要優點列舉在表1中。

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