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、光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、集積技術を用いて光デバイスやハイブリッド光電子デバイスシステムを研究・開発する新しい分野です。集積光学の理論的基盤は光学と光エレクトロニクスであり、波動光学、情報光学、非線形光学、半導体光エレクトロニクス、結晶光学、薄膜光学、導波路光学、結合モードとパラメトリック相互作用理論、薄膜光導波路デバイスおよびシステムなどが含まれます。技術的基盤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、光ストレージに加え、材料科学研究、光学機器、分光研究などの分野もあります。
まず、統合された光学的な利点
1. 個別光学デバイスシステムとの比較
個別光学デバイスは、大型プラットフォームまたは光学ベースに固定された光学デバイスの一種で、光学システムを形成します。システムのサイズは1m²程度で、ビームの厚さは約1cmです。サイズが大きいことに加えて、組み立てや調整もより困難です。統合光学システムには、次のような利点があります。
1. 光波は光導波路内を伝搬し、光波は容易に制御でき、そのエネルギーを維持することができる。
2. 集積化により位置決めが安定する。前述のように、集積光学では複数のデバイスを同一基板上に作製するため、個別光学のような組み立て上の問題がなく、安定した組み合わせが可能となり、振動や温度などの環境要因への適応性も向上する。
（３）デバイスのサイズと相互作用距離が短縮され、関連する電子回路も低電圧で動作する。
4. 高い電力密度。導波路に沿って伝送される光は小さな局所空間に閉じ込められるため、高い光電力密度が得られ、必要なデバイスの動作閾値に容易に到達し、非線形光学効果を利用できます。
5. 集積光学部品は一般的にセンチメートルスケールの基板上に集積されており、サイズが小さく軽量です。
2. 集積回路との比較
光集積の利点は大きく2つの側面から捉えることができる。1つは、集積電子システム（集積回路）を集積光システム（集積光回路）に置き換えることであり、もう1つは、信号を伝送する際に、電線や同軸ケーブルの代わりに光ファイバーや誘電体平面光導波路を用いて光波を導くことにある。
集積光路では、光学素子が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した集積光路は、従来の光学システムの小型化と全体性能の向上を実現する重要な手法です。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、使いやすさといった利点を有しています。
一般的に、集積回路を光集積回路に置き換える利点としては、帯域幅の拡大、波長分割多重化、多重スイッチング、結合損失の低減、小型化、軽量化、低消費電力、優れたバッチ生産効率、高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、集積光路の構成において、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、様々な物理効果を利用することで、新たなデバイス機能を実現することも可能です。
2. 集積光学の研究と応用
集積光学は、産業、軍事、経済など様々な分野で広く利用されていますが、主に以下の分野で活用されています。
1. 通信ネットワーク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、導波路回折格子アレイ高密度波長分割多重器、狭帯域応答集積フォトディテクタ、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など、高速かつ大容量の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. フォトニックコンピュータ
いわゆる光子コンピュータとは、光を情報伝達媒体として利用するコンピュータのことである。光子は電荷を持たないボソンであり、光線は互いに影響を与えずに平行または交差することができるため、並列処理能力に優れている。光子コンピュータは、大容量の情報記憶、強力な耐干渉性、環境条件に対する要求の低さ、高い耐障害性といった利点も有する。光子コンピュータの最も基本的な機能構成要素は、集積型光スイッチと集積型光ロジック素子である。
3. その他の用途としては、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があります。
投稿日時：2023年6月28日