集成光學發展初期，田炳耕曾對集成光學作了三條定義：(1)光波導能限制光束在其中傳播。(2)利用光波導可制成各種光波導器件;(3)將光波導和光波導器件集成起來可構成有特定功能的集成光路。 集成光學在一開始就將光纖通信作為其主要應用目標之一。
集成光學器件伴隨著光纖通信的興起和發展已經走過了幾十年。集成光學器件不僅成為光纖網絡的重要組成部分，而且也促使光纖通信容量爆炸性增長、光纖通信技術和產業的迅猛發展，加上集成光學器件技術的進一步發展和成熟還將掀起光纖通信技術及其相關產業發展的新高潮。
發展歷程
集成光學基于薄膜能夠傳輸光頻波段的電磁能的原理。故其誕生主要受微波工程和薄膜光學的影響。在1962年前，平面介質波導已應用于微波工程中，但直到1965年才由Anderson和他的研究小組把微波理論和光刻技術結合起來制作出應用于紅外區域的薄膜波導和其它平面器件和光路。1969年，貝爾實驗室的S.E Miller首次提出了“集成光學”(integrated optics)的概念，宣告了大力研究和發展光通信用的完善而可靠的薄膜技術的開始。
上世紀70年代初，研究人員對制作波導的材料和制作工藝作了大量的研究。此間，發光二極管(LED)、激光二極管(LD)、光纖的制造技術取得了很大進展。光纖傳播損耗的降低加速了光纖通信系統的發展。70年代晚期，和光纖通信相關的技術進一步成熟，企業和研究機構開始集中發展光纖通信系統;對集成光學的研究反而減少了，他們認為集成光學器件的商品化在近期內難以實現。80年代研究人員開始重新關注集成光學的發展，因為光纖通信系統中的分立元件較難準直，且其性能又不夠穩定。
平面光波導器件的分類
光波導是集成光學的重要基礎性部件，它能將光波束縛在光波長量級尺寸的介質中。用集成光學工藝制成的各種平面光波導器件，有的還要在一定的位置上沉積電極，兩端接上電壓，用以控制在波導中傳輸的光波的相位或強度。然后，光波導再與光纖或光纖陣列耦合。激光信號在光波導中耦合、傳輸、調制。
光波導器件按其組成材料可分為四種基本類型：鈮酸鋰鍍鈦光波導、硅基二氧化硅光波導、InGaAsP/InP光波導和聚合物光波導。
LiNbO3晶體的電光、聲光及非線性光學系數較大，材料的化學性能穩定。其晶體生長成本低且易長出大尺寸的單晶，適合制作各種調制、耦合和傳輸元件，但不能做光源和探測器。是集成光學最常用的晶體材料。
鈮酸鋰鍍鈦光波導的主要工藝是：首先在鈮酸鋰基體上用蒸發沉積或濺射沉積的方法鍍上鈦膜，然后進行光刻，形成所需要的光波導圖形，再進行擴散，可以采用外擴散、內擴散、質子交換和離子注入等方法來實現。最后沉積上二氧化硅保護層，制成平面光波導。該波導的損耗一般為0.2-0.5dB/cm;調制器和開關的驅動電壓一般為10V左右;一般的調制器帶寬為幾個GHz，采用行波電極的LiNbO3光波導調制器，帶寬已達50GHz以上。
現在對LiNbO3光波導器件的研究，主要是為了進一步提高LiNbO3調制器的工作速率以及開發具有其它功能的LiNbO3器件和集成模塊，如Ti:Er:LiNbO3激光器、攙Er光波導放大器和LiNbO3光波導開關等。
硅基二氧化硅光波導是20世紀90年代發展起來的新技術。其制作需要沉積較厚的二氧化硅層，通過加入鍺等摻雜劑，或者是加入氮氣生成氮氧化物，可以對膜層的折射率進行調整。還可以在氧化物中加入其它物質，如加入硼和磷即可生成硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)。
國外此技術已比較成熟。其制造工藝有：火焰水解法(FHD)、化學氣相淀積法(CVD，NEC公司開發)、等離子增強CVD法(FECVD，朗訊公司開發)、反應離子蝕刻技術(RIE)、多孔硅氧化法和熔膠-凝膠法(Sol-gel)。該波導的損耗很小，約為0.02dB/cm。
基于磷化銦(InP)的InGaAsP/InP光波導可與InP基的有源與無源光器件及InP基微電子回路集成在同一基片上，但其與光纖的耦合損耗較大。
聚合物波導的熱光系數和電光系數都比較大，很適合于研制高速光波導開關、AWG等。 聚合物材料可淀積在任何半導體材料上，為制作電光調制器提供了方便。此外，由于聚合物的相對介電系數低，為制作高速寬帶行波結構提供了方便。由于有機聚合物的制備工藝與半導體的相容，因而器件的制備非常簡單。德國HHI公司利用這種波導研制成功的AWG在25-65℃的波長漂移僅為±0.05nm。
需指出的是，在上述四種平面光波導器件中，除了LiNbO3平面光波導器件外，其余三種光波導器件目前都尚未成熟，仍處于研發階段。
光纖通信用之集成光學器件
目前，光纖通信中用得最多的集成光學器件主要有：光耦合器(Coupler、Splitter)、光調制器、光開關、可調諧光濾波器(OTF)等。
光耦合器
光耦合器是實現光信號分路/合路的功能器件，一般是對同一波長的光功率進行分路和合路。用于光纖通信的耦合器分為：光纖熔錐型耦合器、微機電元件型(MEMS)耦合器和集成光波導型耦合器。這里介紹集成光波導型耦合器。
采用平面光波導技術能做成不同結構與功能的集成光波導型耦合器，其主要工藝過程有：沉積、光刻、擴散。圖1所示為最簡單的Y形(1×2)分支耦合器的基本結構。
集成光波導耦合器
光調制器
a)LiNbO3光波導調制器
光纖通信系統的調制器主要是LiNbO3光波導調制器。LiNbO3光波導調制器是利用電光效應對光波的相位、強度或偏振態進行調制的器件。對高速系統而言，最常見的LiNbO3光調制器是Mach-Zehnder干涉儀(MZI)型行波電極強度光調制器，圖2是其結構示意圖。這種調制器采用了MZI的波導結構和行波電極結構，不僅可獲得很高的工作速度，而且調制信號的頻率啁啾非常小。
MZI行波電極LiNbO3電光調制器
MZI光波導通常是采用Ti內擴散或質子交換工藝制作的。行波電極通常采用不對稱條狀線(ASL)和共平面波導(CPW)電極。
b) 硅基光波導調制器
硅基光波導調制器是借助硅晶體的電光效應對光信號進行調制的半導體電光調制器。然而，硅的電光效應十分微弱。增大電光效應的最佳辦法是借助于載流子注入來實現折射率和/或光吸收率變化(⊿n和/或⊿α)。圖3是一種硅絕緣體(SOI)電光調制器結構示意圖，這是一種基于大截面單模凸條光波導的光強調制器，其工作原理建立在自由載流子等離子彌散和波導消失效應的基礎上。凸條光波導由SOI上的硅光波導層構成。
SOI光強調制器
c) 聚合物光波導調制器
聚合物光波導調制器通常是制作在玻璃或硅材料上，其光波導為MZI型。聚合物光波導是通過旋轉涂復聚合物溶物、熱固化、光刻和反應離子刻蝕等工藝制作的，底部和頂部電極是通過蒸發Cr/Au制作的。
光開關
光開關是光交換的核心器件，主要用來實現光層面上的路由選擇、波長選擇、光分插復用、光交叉連接和自愈保護等功能。高速光纖通信系統中，需要大量的1×N、N×N光開關。光開關的實現方法有：微機電光開關(MEMS)、熱光開關、電光開關、液晶光開關等。下面介紹電光開關和熱光開關。
a) 電光開關
電光開關利用波導材料的電光效應對波導折射率進行調制，通過改變光程達到開關的目的。適合制作光纖通信系統的光開關的典型材料有Si、GaAs、InP。
電光開關可以分為三類：定向耦合器型、干涉型、Y分支型。
定向耦合器型電光開關由一對靠得很近的條形光波導以及分布在條形光波導上的表面電極構成。通過注入電流改變波導臂的折射率，從而導致兩個相鄰波導之間的能量耦合來實現傳輸通道的切換。耦合器的耦合長度與相鄰波導間的間距決定著波導間的能量耦合比。圖4為定向耦合器型光開關的結構示意圖。
定向耦合器型光開關
干涉型電光開關分為MZI型和X交叉型，使用最多的是MZI型，它由一個2×2的MZI和兩個3dB定向耦合器組成。輸入定向耦合器把輸入光一分為二并進入MZI的兩個波導臂傳輸，在傳輸期間，通過電極兩端的電壓，改變波導臂的折射率，使兩個波導臂的光束產生相位差。當具有不同相位的兩束光匯集于輸出定向耦合器時，兩束光發生干涉，通過控制干涉的狀態(相長或相消干涉)，達到切換輸出端口的目的。X交叉型開關也屬于干涉型電光開關，它是通過交叉部的模式間的干涉實現光的開/關。圖5為MZI型和X交叉型光開關的結構示意圖。
干涉型光開關
Y分支型電光開關由輸入/輸出單模光波導、線性Y分支型波導和Y分支上的電極構成。這種電光開關是通過Y分支的兩個輸出分支波導的折射率變化，實現數字式輸出，故有時將這種光開關稱之為數字光開關。
b) 熱光開關
熱光開關是基于熱光效應的光開關，所謂熱光效應是指光介質的光學性質隨溫度的變化而發生變化的物理效應。對半導體熱光開關而言，典型的材料是Si和SiO2。熱光開關的最大優點是可制作光開關矩陣，基于MZI的熱光開關是制作光開關矩陣的首選結構。
結束語
在各種集成光學器件中，用于光纖通信的器件已經取得了長足的進步，并具有了一定的規模。但是，光纖通信的發展呼喚著功能更全、指標更先進的集成光學器件。在現階段纖維光學和集成光學將共同發展、互為補充;分立器件和集成光學器件將長期共存，但趨勢是集成化。
現在，集成光學器件還處于研究開發階段的初期，集成的規模、器件的性能、市場的規模遠不能和微電子器件相比。但作為21世紀光通信網的關鍵元件，集成光學器件肯定將占據很重要的地位。
