本文报道了在透明薄膜中控制激光束的器件的设计的进展。目标是为光波通讯提供超小型的，高功率的部件。
通常的微波通讯系统有一些基本组成部分。首先，必须有一种振荡器，来产生相干性强的载波（即：所有的波都同步于相同的频率）。其次，波必须受调制，用改变频率或振幅的方法来携带信息，然后，受调制的微波束或者是通过金属波导管传送出去，或者是通过大气传播。由于波在传输过程中会衰减，这种类型的长距离通讯系统就需要附加一系列中继站。在那儿，微波信号被检波、放大、整形成原来的调制波形，再送向最后的目的地。至此，波束需要再一次被检波，放大和整形，接着才能把在起始点加在它上面的信息还原出来。
直到不久之前，试图组合一种可与之匹敌的光波通讯系统还是不可想象的。但想要这样做的动机是就已经有的：任何电磁波的信号负载能力，是随着频率的增加而增加的，而光波的频率一般要比微波高20000倍到200000倍。
六十年代初，激光的出现引起了一系列事件，断然改变了光导通讯的面貌。在过去的几年内，已经看到了三个重要的进展。一是半导体二极管激光器的发明，它满足了人们对廉价的、高功率、长寿命的相干光源的需求。这种光波是用作编码信号的载波的。另一个值得注意的进展是，极细的、低损耗的光导纤维的发展。这种光导纤维十分宜于光波的长距离传送。最后，设计成功一种基于精确地制导激光的，新一代微型光学器件，使光导微电路的设计成功在望。看来，在各种应用中以高功率、高容量的光导通讯系统来代替微波系统，只是一个时间问题了，在此，我将评论一下对任何未来的光导通讯系统都是一个重要方面的研究现状，即在透明薄膜中制导激光的部件的发展。
在大气中传播的光束总是趋于发散。这种发散的行为——衍射——不仅是光波，而且是所有其它各种传导波的一种基本特性。实际上，衍射意味着：如果任何光束从一点射向另一点（即使是一束高度准直的激光束），则只要二点间的距离足够大，光束就将大大减弱。试图利用一个会聚透镜来减小光束的“浪费”，从而增加光束的强度，实际上却使得光束散开更甚。
在1910年，Peter J. W. Debye曾指出，可以让光在由多层透明材料组成的波导中传播，来避免这一问题。
要了解为什么光束通过这样的波导时会受约束并能有效地传输，就得仔细地看一下，当光在分隔二个透明材料的交界面上反射时，究竟发生了什么？光在透明材料中传播时，它的速度总比真空中光速慢一些。与空气中的光速（每秒300000公里）相比，其减慢程度是材料的一种特性，称之为材料的折射率。例如，在折射率为1.5的玻璃中，光的速度是300000被1.5除，即每秒200000公里。
每当光波从一种材料中射向它与另一种折射率较低的材料的交界平面时，折射率的不连续总会使一部分波反射回第一种材料中去，而光束的其余部分被折射（以某一个角度传播）到第二种材料中去。在某一临界入射角（从一垂直于界面的直线测量起），折射波将出现在平行于界面的方向。在入射角更大时（即：掉射角更平），折射波将消失。此时将没有光透入第二种材料，故称入射波发生全内反射。仅当导光材料的折射率大于邻近的透明材料的折射率时，才发生全内反射现象。例如：对于在折射率为1.5的玻璃板中传播的光束，在玻璃 - 空气界面上，全内反射临界角是41.8°。
一般说来，当一种高折射率材料夹在低折射率材料中间时，就得到一种最简单的波导。在这种波导中，光线在上界面和下表面处经受不断的全反射，就可能弯曲迂回地通过内层。唯一必须满足的条件，是在二个界面上光线的入射角都要超过全内反射的临界角。把导光材料的四周全部都嵌在低折射率的材料中，就能得到一个有效的信道波导。这样的一个波道的截面可以是矩形，实际的薄膜波导就是如此；也可以是圆，光导纤维就是如此。
即使光在这样的波导内表面是全反射，总还有一小部分传输的电磁能透到波导的外面。典型的电磁场强度剖面图在波导中心最大，而离开中心就逐渐降低。偏巧，传播的能量不是完全约束在波道内，在许多应用中却起了一个重要的作用。
透明的薄膜波导是如何制成的？一种重要的薄膜波导，是由液相逐次生长半导体材料的晶体层而制得的。此技术中，通常从高度抛光的衬底着手。该衬底是某种透明的半导体单晶，如：砷化镓（GaAs）。然后在它上面生长一薄层砷化铝镓晶体（Gax—AlxAs），它是一种与砷化镓有亲缘关系的半导体，其中某些镓原子（标为x）被铝原子所取代。在这一层之上，覆盖纯砷化镓薄层，而其上又覆盖着另外一层砷化铝镓。砷化镓的折射率比砷化铝镓的大，因此，光能在砷化镓的内部传导。
此结构中，各层的生长，是让砷化镓衬底与掺进某种化合物的盛有熔融镓的貯存池接触，然后降低温度，促使晶体生长。砷化镓和砷化铝镓具有相同的晶体结构，因此最终形成的多层结构实质上是由连续的单晶组成的。
此种结构的另一个重要的特性是，半导体材料的电性质可由向熔融的貯存池中加进杂质原子来独立地控制。加进施主原子，如：锡或碲，形成n-型材料，其中电流是由带负电的载流子传导（外加的施主电子）。加进受主原子，如：锌之类，形成p-型材料，其中电流是由带正电的载流子传导（可移动的电子的空位或“空穴”）。在半导体p-n结表面附近，电子和空穴的相互湮灭导致了光波的发射。在1963年，Rogerio，C. Leite和作者在贝尔实验室工作时，发现了用这种器件发射的光，被p-n结附近的电介质波导所引导。上述观察激起了对开展导波光学方面研究的兴趣。
透明的波导也可以由改变材料的化学成分而制成，即引入微量成分来改变材料的折射率。此类波导中较普通的一种，由Jacob M. Hammer和他的美国无线电公司实验室的同事发展成的，是让钛原子扩散到铌酸锂（LiNbO8）晶体中去而得到的。含有钛原子的铌酸锂表面薄层的折射率比周围整块材料为高，因此，它能作为一个光学波导。利用光刻掩模技术，钛能按图样扩散到衬底材料中去，不仅能制造直线型信道波导，也能制造更复杂的网络。
看来，半导体二极管激光器是激光器中能在不久的将来，对消费者市场产生强烈影响的唯一的类型。它的独特的潜力主要在于它的简单和小型。在这类激光器里，通过多层半导体晶体的小电流的能量，是直接转化到激光中去的。器件的极小尺寸（每边小于一毫米）意味着，它能用来与集成电路相连接。而后者能直接激励激光器。此一因素，再加上半导体二极管激光器输出波长的通常范围是在光波的近红外区，这对于用光导纤维作传输线路的光导通讯系统来说，选用它来产生载波是最有利不过了。
从波导设计者的观点看来，一个半导体二极管激光器只不过是由砷化镓传导层夹在二个砷化铝镓层之间组成的薄膜波导。要了解在内部的砷化镓层里，传导的光是如何被流过这一层的电流放大的，必须先考察一下，由杂质原子的受控制的“掺杂层”怎样影响电子及其能量的空间分布。
在没有外加电压时，砷化镓层旁边n型砷化铝镓中的传导电子，与另一边的p型砷化铝镓中的电子的空位，有着几乎相等的能量。而由于交界面处的高电压势垒的阻挡，电子和空穴都不能进入内部砷化镓层。当一个大的“正向偏压”加到此结构上时，提高了n型一边的电子相对于p型一边的空穴的能量。外加的电压有降低势垒的作用。因而允许电子从n型区，而空穴从p型区，涌入中央的砷化镓层。
结果出现了这样的情况，一定能量的电子和较低能量的空穴分享了同样大小的空间。在此情形下，电子可以因适当波长的光的存在而激发，从高能量的导带穿过“能带隙”跃迁到低能量的价带的空能态（空穴）上去。而每一次跃迁，发射一个光子，或光量子。既然受激光的能量是相干地加在激励光上。这个过程就称为激光放大机制。激光作用的另一个主要的关键——提供一个反馈机制——是由发射的光波在晶体的解理面的反射所满足的。所发出的辐射的波长是由隔开电子和空穴的能隙决定。例如，在砷化镓晶体中，所形成的波长近似为8.5微米。
全过程可以由顺着一个电子前进的路径来扼要说明。电子首先从p型层引出，然后进入外线路，在材料的价带留下一个空穴。运行的电子当通过一个电源（例如一个电池）时，它的能量就升高一个正比于外加电压的数量。然后电子没有能量损失地扩散，从n型层进入激活的砷化镓层。同时，留在后面的空穴从p型层向“激活”区漂移。被全内反射所收集在同一砷化镓层的激光，激励了电子与价带中空穴的复合，而把能量差传递给传输波，使传输波在这个过程中被放大。
这种激光器的原先形式是1962年在通用电气公司研究实验室，国际商用机器公司托与斯 · J · 华生研究中心和麻省理工学院林肯实验室工作的几个研究小组各自独立地发明的。第一个半导体二极管激光器是完全由砷化镓制成的。在这些期的器件中，缺少高功率的波导。这意味着，要激光作用的起始电流必须十分高，而要连续工作又需维持非常低的温度。把砷化镓夹在砷化铝镓层之间而得的多层波导结构与电子注入相结合的想法，是1969年由二个苏联工作者佐莱斯 · J · 阿尔弗洛夫（Zhores. J. Alferov）和鲁道夫 · 柯蔡尼洛夫（Rudolph Kazarinov）提出的。他们的提议导致了低阈电压半导体二极管激光器可以在当今广泛应用。
在导波光学范围内，一系列应用要求在波导结构中加入周期微扰。最普通的微扰是，在波导的一个或几个界面处采取波纹截面的形式。考虑一下当光波在波导中传播，遇到这样的波纹时，会发生什么呢？波纹的每一个峰脊把反射光和折射光向各个方向散射。然而，也可存在一些分立的方向，被所有的峰脊散射的光沿这些方向同步地迭加。在特殊情况下，这些方向取决于光的波长和波纹的周期（也就是二个相邻峰脊之间的距离）。
如果波纹的周期等于在波导中传播光的半波长，或者是半波长的倍数（称为布喇格条件的情况），那么光将完全地反射回去，沿着与入射波相反的方向传播。换句话说，波纹能够起一种平面镜的作用。这样，一小段这样的波状波导就将强烈地反射满足布喇格条件的光波，而让另外一些光几乎无损失地通过。这种特性可以用来作为一类新的光学滤波器（也就是欲选择或滤去某一波长带）。在这种滤光器中，入射波在波导中以直角传到波纹处。由于在这种情况下，滤光器滤除了波长中满足布喇格条件的狭带，所以它称为带阻滤波器。第一个这样的滤波器于1974年在贝尔实验室获成功，是由Dale，C. Flanders，H. W. Kogelnik和Charles，V. Shank做的。
在波状波导中布喇格反射定律的另一个应用，是近来由我的加里福尼亚理工学院实验室的同事洪庆生（Chi-shain Hong），Jeffrey. B. Sheuan，Abraham Katzir和Alexarder C. Livaros发展起来的。在他们的设计中，首先在透明波导中制成有变化周期的波纹，然后输入光来以相对于波纹成45°角方向馈入。满足布喇格条件的波长（现在要求波纹的周期等于波长的倍数除以2的平方根）在与入射光束成直角的方向反射出去。
由于波纹的周期沿光传播的方向变化，不同的波长将在不同的地方反射。当一些光束的每一束有不同的波长，又携带着不同的信息，而在单一波道（例一个光学纤维）中传播时，就可采用这一方案。在接收站，用另一种变化周期的布喇格滤光器，把各光束在不同处分离出来，并且送入一套检波器中，以还原出每一光束所载的信息。
在同一个半导体二极管激光器中，加进二段波纹，各处于放大区的二边，它们就能代替通常作为激光反射器的解理面反射镜。这些反射器对波长的高度选择性，使激光器能发出单色性极好（即单一波长）的光。选择对应的波纹周期加到激光器的结构中去，就能在一个很宽的范围里，选择半导体二极管激光器的特征波长。按此原理工作的激光器首先在1975年由严华成（Huan-chun Yeh），中村道治（Michiharn Nakamura）和作者在加里福尼亚理工学院演示成功。
在上述应用中所用的波状光栅的周期，大约是零点几微米的数量级，相当于每毫米几千条光栅线。这些极细的光栅，是利用全息照相曝光的光刻技术制成的。此技术是，让待刻波纹的表面覆盖一层光敏薄膜，然后使二束激光在薄膜内相互作用，形成干涉条纹。光栅的周期决定于激光束的波长和它们的入射角。
研究在布喇格条件下光的反射，导致了最近我和加里福尼亚理工学院的同事Pochi A. Yeh和贝尔实验室的Alfred Y. Cho，发现了光在分层半导体材料与均匀媒质的界面附近传播的新模式。如果分层材料的周期（在这种情形下是重复的距离）接近于入射光的半波长，那么光波将不能进入到分层材料体内。因为来自邻近界面的逐次反射，相互之间完全同相，从而被加强（此情况类似于X射线在晶体表面的布喇格反射）。通常，入射光不能进入到分层材料体内，就要逃逸到周围的均匀介质（空气）中去。但是在此处，它将因全内反射折回。最后结果是这样的一个传播模式：光的大部分能量约束在头几层中，并且沿着平行于分离层界面所定义的平面方向传播。
仅在最近，在称为分子来外延的晶体生长方法改进以后，制造这样精确的周期性的分层材料才变成现实。它能控制各层的厚度在几个埃之内。基于布喇格反射定律的光学波导，摆脱了加在通常的波导上的一些基本约束。当高度波长选择性很重要时，或在通常的波导不能运用时，预料光学波导将起重要的作用。
大多数光学波导是由晶体材料制成的这一事实，开拓了对于微波电路设计者来说并不有利的可能性范围。例如，许多晶体材料的折射率能够被一个外加电场所控制，称作电 - 光效应的现象。既然材料的波导特性与它的折射率密切相关，那么施加电场到透明波导上，就能剧烈地限制传导光的特性。这个电 - 光控制方法，可以利用快速调节开关和耦合光束来操作。
电 - 光控制波导之一例，是一个称为直接耦合的过程。基本效应包括，二个平行波导，相互之间足够靠近，而使在一个波导中传播的光的边缘部分能到达另一个波导中去，反之亦然。（看前页上图说明）。在这些条件下，倘若在二个波导中的波速相同，在一个波导（用A表示）中传播的波将逐渐地漏入，并激励第二个波导（用B表示）。波速的相等保证了波导B被波导A的“漏场”所激发的波，与原来在波导B中传播的波具有完全相同的位相。既然传播功率的总额是一个常数，在波导B中光波的激发就必然伴随着在波导A中功率的衰减。
结果是在某一定的距离内，功率从波导A完全传递到波导B。由一对接近的电极提供的电压，在波导B上横向施加一个电场。电 - 光地引起折射率变化，又产生了此波导中波速的微小变化。结果在速度上失配，阻止了在此波导中功率的逐渐增长，只有在波导A中的光波总功率的一部分传到波导B去。进而，耦合的能量顺着波导回到波导A中。事实上，所得的是这样的一个器件：进入一个波导的功率，或者从另一个波导的输出端（当电压“截止”）输出，或者从原来的波导（当电压“导通”）输出。
这种传导光的电开关，是首先在1975年由得克萨斯仪器公司的James Campbell和Fread. A. Blum演示成功的，可用来构造光学分布网络。此处，一系列输入的光导纤维按要求与一系列输出波导连结。同样重要地，它也能用来对带有电信号的光束进行调制。要了解这种调制是如何实现的，考虑一列资料，译成一系列二进位的电压脉冲，横向加在波导B上（参看前面一页的下图说明）。一个连续的激光束被馈入波导A的输入端。在脉冲的“导通”周期，功率通过波导A的输出端输出；在“截止”周期，从波导B的输出端输出。
如此，长串电脉冲还原成了光学载波的调制包络形式。换言之，传导光强度的空间分布曲线图是一个电压波形的再现。这样，信息就能由光束携带着，在光导纤维中或在大气中传播。其后，一个光学检波器，如光电倍增管或半导体二极管，能把光束再还原成与原来电信号近乎一样的复制品。
在文中所述的，以透明薄膜的光波导和外电场和电流的操纵为基础的现象和器件，差不多全是过去八年中的研究结果。目前，光导通讯系统中主体构造单元大部分已研究成功。研究和发展转向装在单一的片基上，而能完成更复杂作用的集成薄膜器件。
能用现有的技术来建造的“下一代”电路的一个例子，是一种用光导纤维作传输线路的中继站。作为调制光束的包络而被携带的信息，由光导纤维进入中继站。由一个p-n结检波器还源（还原成电信号）。被检波的电信号（由一长串1和0组成）在一个转换放大器中被整形和放大，并用来调制一激光束的输出。这个中继站的所有器件一个个都能用砷化镓晶体做成。因此，在同一个单晶片基上建造器件（甚至是更复杂的光学电路），在原则上是可能的。这种挑战不断地激励着我们这些活跃在导波光学领域中的人们。
[本文选自Scientific American1979年1月。黄进初译]