微结构光学研究进展

发布时间：01年03月28日

周常河，席鹏，刘友文，刘立人

（中国科学院上海光学精密机械研究所）

微结构光学是一门属于多门前沿学科交叉的新兴学科，正处在产生重要研究成果的前沿，极有可能引发新兴产业。随着微电子工艺技术的进展，人们可以加工出越来越细的线宽，0.35微米线宽目前已在商品化生产线中采用，正在积极准备把0.18微米线宽工艺技术推向市场，80纳米线宽已在某些实验室中成功做出。按照摩尔定律，更细线宽的加工能力继续取得进展，这说明人类正具有前所未有的微小尺度的加工能力，由此极可能引发新一轮光学产业技术革命。值得说明的是微电子工艺技术并不完全是微光学技术，如何设计、优化，并利用微电子工艺技术制造微光学元件与系统，以降低成本，提高性能，是微光学研究的重要内容。

微光学借助了微电子工艺技术的最新研究成果，是国际上最前沿研究方向之一，具有广泛的应用前景。光盘存储容量的进一步提高、光纤通讯容量的进一步提高以及星间激光通信等均和微光学的研究成果相关。近年激光冷却原子和飞秒化学等获得诺贝尔奖的重大基础研究成果，也和微时间空间尺度光学相关。目前微光学的研究有可能实现人类前所未有的控制光的能力。

1.完成的研究内容

1.1数字光学微结构

数字光学微结构指的是采用数字光学复制技术制造的微光学元件。一束光通过衍射光学元件可以并行分为多束等强度的光束，这是传统光学元件很难做到的。对于大规模的光电子阵列并行处理信息，常需要这样的阵列照明器。Dammann光栅就是这样一种利用微电子工艺技术加工制造的、可高效率进行光束分束的衍射光学元件。我们最近制造出了64×64 Dammann光栅分束实验结果。

Talbot光栅效应是指光栅在近场菲涅耳衍射距离上周期性的衍射自成象效应。在分数Talbot距离上有可能实现Talbot阵列照明。Talbot阵列照明可以实现超大规模的衍射阵列照明，阵列数量越大，衍射效率就越高。我们最近完成了面积为10 mm×10 mm，周期为200 μm，开口比为12的二维Talbot阵列照明实验结果。

我们所做成的光盘分束光栅可以实现如下指标：±1级是零级光点的17～20%，零级和±1级光的效率大于80%。零级光点可用于光盘中斑点信号的获取，±1级可用于光盘中轨迹误差信号的获取。

Zernike位相反转法可以实现任意不规则阵列的照明，这一优点是Dammann光栅和Talbot光栅所无法做到的。Zernike位相反转法用于阵列照明的另一个优点是可实现接近100%高效率的照明。

激光表演是衍射光学元件最能发挥其特长之处。一束光通过衍射光学元件，可产生出所需的图案，这样的衍射图案用其它传统的方法很难产生，这也是衍射光学元件用于激光表演的诱人之处。

1.2模拟光学微结构

模拟光学微结构主要指采用光学直接制作方法产生的微光学器件。我们近期主要研究光折变光学及应用。该研究在光折变光学和应用的多个方面取得了许多创新成果。

1.3三维集成光学

光信息处理和光通讯的光子器件的实用性要求是可集成化和可模块化包装。已实现的关键光子学器件的原理绝大多数基于微结构光学现象，而集成的手段也是基于微结构光学，因此微结构光学现象的深入研究和光子系统的微结构化已在国际上成为信息光子学的最基本的前沿研究方向之一。

平面集成光学技术是光子系统集成化的主要技术手段之一，但是只适合于零维或一维信号处理，不能充分发挥光学并行和无交叉干扰处理等特点，因而二维数据三维处理的微光子学系统技术是很重要的发展方向，此外，我们也发展了一种新型的堆栈结构的双折射模块化集成技术，并构建了光电混合处理的多种数字图像处理系统和光互连交换网络。再进一步地，将微结构光学回路、集成电路、微机械集成在单一芯片上或组建一个三维微系统，构成一个具有传感器、处理器、执行机构的微光机电系统，不仅在技术上有划时代的意义，而且在广泛的领域中有着重大的应用前景。显然微光学系统也是微系统的核心单元之一。

2.正在开展的研究工作

2.1介观光学

微制造技术（Microfabrication）在过去的20年里取得了突飞猛进的进展，目前已能制造出亚微米的最小线宽。可以肯定，介观（Mesoscopic）区域将会成为下个世纪研究的重点之一。介观是指器件的量子效应不可忽略，是介于微观与纳观之间的区域，其具体的划分区域或许略有争议，但这不妨碍介观这种说法。微制造技术（例如LIGA技术）和纳米制造技术（例如扫描隧道显微术）的结合将使得在介观区域制造器件成为可能。分子工程就是试图从原子或分子级（纳米级）出发，在介观区构造出各种功能的结构单元。其中一个例子就是病毒，在这方面，大自然可能是我们最好的老师。由此，我们提出介观光学（Mesoscopic Optics），对其进行研究，这是一个具有重大学术意义的研究方向。

2.2四维亚波长微结构光学

即研究一维超短时间激光脉冲在三维空间微结构的线性和非线性光学效应及在信息领域中的应用。

2.2.1超高频光栅衍射

超高频光栅指的是光栅衍射结构小于光波的波长，所以其衍射必须用严格的电磁场理论来进行分析。以往所做的工作都是假设光波为连续照射。如果照射光为飞秒（fsec）超短光脉冲，光速在一个飞秒内仅移动了0.3微米，而这样的范围已和超高频光栅的最小特征线宽可比拟，因此，这样的光脉冲衍射已不同于连续光照明下的光衍射。我们正在此方向工作，已初步得到有价值的新结果。

2.2.2 Talbot效应

我们已经考虑过飞秒超短光脉冲下光栅的Talbot效应，得出的结论是它不同于连续光照明下的Talbot效应，将在成像的空间和时间两方面产生变化，这一效应具有广泛的应用前景，如可测量飞秒光脉冲的宽度。进一步的理论与实验工作是我们正在研究的一个有价值的方向。

2.3微光电机扫描系统

广义地讲，这是一个十分宽广的研究方向，有许多有价值的研究题目，作为一个具体研究项目，我们正在考虑二维微光机电扫描系统。传统的光学扫描器采用光学分立元件，体积庞大，光学和机械结构复杂，扫描速度不快，我们的方案采用一双互补衍射微轮廓光栅，利用它们间的互相移动来控制光束的偏转，以微米级压电二维位移驱动器作为微驱动装置，使微机械，微光学、电子学集成一体，将实现二维扫描系统的微包装，并以此建立齐全的微光机电系统的实验基础。

2.4密集波分复用器件（DWDM）

全光通信以其高速、大容量的优势，有望在地面通信主干网中全面采用。目前全光通信系统与器件的需求供不应求，至少在可以预见的未来5年内，市场没有饱和的趋势，例如电话和Internet（国际互联网）均考虑采用光纤通讯，其中的电子元器件正日益被光学器件所代替，将来全波段全光网络将变得越来越重要。为充分发挥利用光纤的宽带宽，就采取在光纤中传播几个不同波长的光，其中每个波长的光作为传播信息的一个通道，这就是波分复用的概念。然而，要实现这个功能，就需要波分复用器，因此密集光纤波分复用器件（DWDM）将有很大的市场。

到目前为止，没有一个主导的WDM技术在性能、价格、可靠性及灵活性等指标上能满足所有客户的需要，因此，很有必要研制出新型的波分复用器件，这不仅有重要的学术价值，也有重要的应用前景。

我们提出的波分复用器件基于数字体全息的概念，根据体全息的Bragg效应可以实现波长选择性，实现不同波长的光对应于不同Bragg衍射角，采用先进的微电子工艺技术，作出数字可控的位相光栅，堆栈形成较厚的体光栅，以实现波分复用的功能。

由于微电子工艺技术采用的刻蚀加工工艺，具有大批量、低成本复制的可能性，并且随着技术的进步，更细更深的线宽可以加工出来，所以我们提出的数字体全息波分复用器的性能会不断提高，价格会不断下降，极有可能成为发展的方向之一。

3.结论

信息光电子产业是现代知识经济迅猛发展的驱动力之一，如光盘、光通讯等已发展成庞大的新型产业。以微结构为特征的现代微结构光学综合了现代光学衍射理论和现代微电子学工艺技术的最新成果，可实现传统光学元件所无法或很难实现的新的功能，其加工方法完全不同于以往传统的光学元件的加工手段，具有大批量、低成本复制的可能性，可优化现有的光学系统，减轻重量，缩小体积，代表了现代光学的发展方向之一。