集積光学の概念は、1969年にベル研究所のミラー博士によって提唱されました。集積光学は、オプトエレクトロニクスとマイクロエレクトロニクスを基盤として、集積手法を用いた光学デバイスおよびハイブリッド光電子デバイスシステムの研究開発を行う新しい分野です。集積光学の理論的基礎は光学とオプトエレクトロニクスであり、波動光学と情報光学、非線形光学、半導体オプトエレクトロニクス、結晶光学、薄膜光学、導波光学、結合モードおよびパラメトリック相互作用理論、薄膜光導波デバイスおよびシステムが含まれます。技術的基礎は主に薄膜技術とマイクロエレクトロニクス技術です。集積光学の応用分野は非常に広く、光ファイバー通信、光ファイバーセンシング技術、光情報処理、光コンピューター、光ストレージに加えて、材料科学研究、光学機器、スペクトル研究などの分野もあります。
まず、統合された光学的利点
1. 個別光デバイスシステムとの比較
個別光学デバイスは、大型のプラットフォームまたは光学ベース上に固定され、光学系を形成する光学デバイスの一種です。システムのサイズは1m²程度、ビームの太さは約1cmです。大型であることに加え、組み立てや調整も困難です。集積光学系には、以下の利点があります。
1. 光波は光導波路内を伝播し、光波のエネルギーを制御し維持することが容易です。
2. 統合により安定した位置決めを実現。前述の通り、集積光学では複数のデバイスを同一基板上に集積するため、個別光学系のような組み立て上の問題がなく、安定した統合が可能となり、振動や温度などの環境要因への適応性も向上します。
（３）デバイスのサイズと相互作用長が短縮され、関連する電子機器もより低い電圧で動作します。
4. 高い光パワー密度。導波路に沿って伝播する光は狭い局所空間に閉じ込められるため、高い光パワー密度が得られ、必要なデバイス動作閾値に容易に到達し、非線形光学効果を活用できます。
5. 集積光学系は、一般的に、サイズが小さく、重量が軽いセンチメートル規模の基板上に集積されます。
2. 集積回路との比較
光集積の利点は、2 つの側面に分けられます。1 つは、集積電子システム (集積回路) を集積光学システム (集積光回路) に置き換えることです。もう 1 つは、信号を伝送するために、ワイヤや同軸ケーブルの代わりに光波を誘導する光ファイバーと誘電体平面光導波路に関連しています。
集積光路では、光学素子はウェハ基板上に形成され、基板内部または表面に形成された光導波路によって接続されます。薄膜状の光学素子を同一基板上に集積する集積光路は、従来の光学系の小型化を解決し、全体的な性能を向上させる重要な手段です。この集積デバイスは、小型、安定した信頼性の高い性能、高効率、低消費電力、使いやすさなどの利点を備えています。
一般的に、集積回路を光集積回路に置き換えることの利点としては、帯域幅の拡大、波長分割多重化、多重スイッチング、小さな結合損失、小型軽量、低消費電力、バッチ処理の経済性、高い信頼性などが挙げられます。光と物質の多様な相互作用により、光電効果、電気光学効果、音響光学効果、磁気光学効果、熱光学効果など、様々な物理的効果を集積光路の構成に利用することで、新たなデバイス機能を実現することもできます。
2. 集積光学の研究と応用
集積光学は産業、軍事、経済などさまざまな分野で広く使用されていますが、主に次の分野で使用されています。
1. 通信および光ネットワーク
光集積デバイスは、高速応答集積レーザー光源、導波路格子アレイ高密度波長分割多重装置、狭帯域応答集積光検出器、ルーティング波長変換器、高速応答光スイッチングマトリックス、低損失多重アクセス導波路ビームスプリッターなど、高速大容量光通信ネットワークを実現するための重要なハードウェアです。
2. 光子コンピュータ
いわゆる光子コンピュータは、光を情報伝送媒体として用いるコンピュータです。光子は電荷を持たないボソン粒子であり、光線は互いに影響を与えることなく平行または交差して通過できるため、高度な並列処理能力を備えています。また、光子コンピュータは、大容量の情報記憶容量、強力な耐干渉性、環境条件に対する要求の低さ、そして強力なフォールトトレランスといった利点も備えています。光子コンピュータの最も基本的な機能コンポーネントは、集積光スイッチと集積光ロジックコンポーネントです。
3. その他の用途（光情報プロセッサ、光ファイバーセンサー、ファイバーグレーティングセンサー、光ファイバージャイロスコープなど）
投稿日時: 2023年6月28日