信息时代的光学器件透镜仅针尖那么大 [复制链接]

第11版(科技园地)
专栏：

　　信息时代的光学器件
透镜仅针尖那么大
金国藩
集成电路的集成度愈来愈高，１平方厘米上要集成几千或几万个器件，它们之间怎么联接呢？如果用导线连接那将像蜘蛛网似地绞在一起，对于多层结构的集成电路而言，难度就更大了。现在，科学家们终于找到了一个最有前途的方法，那就是用光束互联。这种互联不仅用在芯片的器件之间，也用在芯片与芯片之间，或线路板与线路板间的互联。因为光可在空气中自由传输，并不受电磁干扰。用光互联就需要许多微小的透镜和棱镜，这些小的透镜和棱镜就叫二元光学器件。
二元光学器件，是现代科学技术发展的产物。今天普通的光学仪器或传感器由于体积大、笨重，往往在系统中不易安装，特别是与密度日益提高的集成电路不能匹配。工业上已提出需要制作几毫米或小于１毫米直径的透镜等元件。为了能和电子元件耦合并做到多通道，需要阵列化的光学元件。有的应用领域，需要将光学元件与电子元件集成在一个基体上，实现真正的光电结合。
那么怎样实现光学元件的微型化、阵列化和光电集成化呢？近年来兴起了一种用计算机辅助设计，使用大规模集成电路制作衍射光学元件的技术，统称二元光学元件。
衍射光学元件不同于透镜、棱镜等的工作原理，因一般的透镜、棱镜都是基于光学折射原理，而衍射光学则是利用浮雕的面形，基于光学中的衍射（光的绕射）而得到聚焦和分束等功能。
二元光学元件的优点是：衍射效率高，具有色散特性，提高了元件设计的自由度。过去在透镜系统的设计中往往需配置不同镜片的材料及改变镜片的曲率去消除像差和色差，因此可变的结构参数较少，而二元光学元件中可改变光栅的栅距，相位阶数，阶高，栅的宽度等，故设计的自由度大。此外还有材料的选择灵活和易于简化光学系统等优点。二元光学元件具有如此多的优点，所以它一出现就受到各方面的重视。美国１９８４年军事战略领先计划中就有二元衍射光学研究项目。
光学仪器与传感器的进一步发展不仅是个别器件作成光电集成器件，而是使整个系统成为紧凑的光电系统。如近年来国外开始制作仿生近距光电组合传感器，其中使用二元光学器件作光的权重分配和与接受器阵列相联接的器件，该系统做得非常紧凑，并有神经网络功能。由于尺寸小，并具有智能功能，故广泛用于航天器中测量各种变化参量。
总之，二元光学器件将和集成电路、光电子器件一样，在通讯、航天、医学、工业等各个领域发挥巨大作用。