光电子理论与技术的五个前沿领域介绍

光电子理论与技术的五个前沿领域介绍
摘要：人们都达成这样一个共识，即21世界时生物时代与光的时代。

光电子理论的研究已经有了很多的成果，来自不同领域的科学家都在各自的领域里对光电子的理论有一定的贡献，不断丰富着光电子理论的内容，而且在技术上已经有很大的应用。

光电子学在21世纪必定引导着技术革命的先潮。

现在以及未来交叉学科的研究必然会使得光电子学更进一步的发展。

本文主要就光电子理论与技术的五个前沿领域介绍：生物医学光子学，光纤通信技，集成光学，等离子体光学，微纳光学。

这五个方面的理论研究很成熟，而且实际应用的技术也非常之多。

其技术应用在生活，医疗的方面为我们所熟悉，此文特点在于对理论进行一些简单介绍，而注重的是这五个方面在实际中的应用举例，以开阔视野为主要目的。

关键字：光电子理论生物医学光子学光纤通信技集成光学等离子体光学微纳光学
Abstract: People have reached a consensus that the 21st century when the era of biological age and light. Optoelectronics research has had a lot of theoretical results, the scientists from different fields in their respective fields on the photoelectron contribution to the theory of a certain, and constantly enrich the content of photoelectron theory, but also has great application of technology . Optoelectronics in the 21st century will lead the first wave of technological revolution. Current and future cross-disciplinary research is bound to make further development of optoelectronics. This review focuses on theory and technology of optoelectronic five fronts: Biomedical photonics, optical fiber communication technology, integrated optics, plasma optics, micro-nano optics. Theoretical Study of these five areas are mature and practical application of the technology is also very much. The technology used in life, the medical aspects familiar to us, the article is characterized by a brief introduction on some of the theory, and focus on five aspects is in the practical application example, the primary purpose to broaden our horizons.
Keywords: Biomedical Photonics, Optoelectronics theory technology integrated optical fiber communication optical micro-nano optical plasma
一．生物医学光子学
生物医学光子学(Biomedical Photonics)作为光子学与生命科学交叉形成的新的学科分支，将研究对象直指高等生命活体，特别是人类生活中所面临的一些重大问题。

近年来，随着探测技术的进步，已经将探测的灵敏度极限伸展到光子量级，为揭示生命体近自然环境下的光现象提供了可能。

生物医学光子学包括生物光子学和医学光子学两部分，尽管它们在各自领域中都得到迅速的发展，但两者之间有相互重叠的范围，并且相互促进。

生物医学光子学的特点与优势在于：1.特异性好，灵敏度高，有极高的光谱和时间分辨率及精确度；2.对样品的处理环节少，甚至可实现样品的近真实环境探测，对样品的损伤小；3.直观、快速，信息量大，可提供从紫外到红外范围的光谱信息和图像信息；4.应用范围广，在生物学研究、医学诊断与治疗、农业、环保、加工制造等领域都有广泛应用。

生物医学光子学的研究具体应用介绍：
1．组织中的光子迁移
生物组织中光子迁移规律的研究一直是生物医学光子学界的研究重点。

各国的科学家不仅介绍了光子迁移理论和模型的最新研究成果．而且介绍了光子迁移理论的最新应用。

德国洪堡大学Ghar~te医学院神经学系Villringer教授的研究小组报道了用近红外光学方法监测大脑活动过程中有关噪声的消除措施，深受大会的欢迎。

在用近红外光谱技术对大脑进行功能检测时．由心跳所导致的脉动而引起的噪声会对信号产生很大的影响，同时呼吸也会引起噪声。

2．生物医学监测中的光学与成像技术
该专题内容涉及光学透照术与层析成像，光学测量与监测方法，荧光与光谱成像，以及散射介质中光信息的获取等。

日本Yamagata生物光子学信息研究实验室的K．PuiChan博士用不同波长的近红外光和二维外差探测器阵列在体对生物体透照成像。

荷兰菲力浦研究院的E．Lenderink博士，他介绍用于皮肤特征三维成像的光学相干层析成像技术，这一工作是他在MIT的研究成果。

3．低功率激光生物效应
俄罗斯科学院TiinaKaru博士主持过这一专题会议并报告了：blood irradiationasanew(renewa1)phototherapeuticmodality．她评述了在紫外(包括宽带紫外、377 nnl的N2分子激光)或可见光(HeNe激光)波段实行静脉和体外血液辐照的临床方法和当前对其效应的主要争论：免疫调节还是免疫抑制，特异性还是非特异性，应采用紫外辐照还是可见光等等。

结论是光疗的确有效果，但机理需进一步深入研究。

此外．该研究小组还特别报道了HeNe 激光治疗时，只有T淋巴细胞有反应的实验结果(B淋巴细胞对HeNe激光没有反应)。

4．生物医学光学传感器
瑞典Vikinge等人制作了一种表面血浆共振(surfaceplasmonreso．anc~)装置。

该装置可用于实时观测血浆凝固及其与促凝血酶浓度和肝素浓度的关系。

完全凝固后，传感器表面图像的原子力显微镜(ATM)观测表明．纤维素蛋白的网络结构与促凝血酶浓度有关，纤维厚度随着促凝血酶浓度的降低而增加。

这一结果与现有的通用方法相一致。

这种技术的显著特点是可用于验血，且无须样品准备。

5．激光热疗
热疗过程中热剂量的敦学描述和预测，不同激光热疗效果的比较等。

在激光热疗过程中．实时在体监测有极其重要的意义。

德国Roggan介绍了用扩散光子密度波方法监测对乳腺癌的激光热疗效果。

子密度渡系统所用的半导体激光器波长为825nm，调制频率为10～1000MHz，热疗过程中激光光斑尺寸为2mm．组织样品为火鸡肌肉和肝，热疗用激光为Nd：YAG．给出了该监测系统热疗中被凝固组织的尺寸，精度与临床相关尺寸可比。

二．光纤通信
光纤通信技术 (opticalfiber communications)从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。

1．光纤通信技术原理：
光纤通信是利用光纤和激光的特性来实现，利用激光的相干性和方向性，使用激光作为信息的载体在光纤中进行传输的通信方式。

在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度 (频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

从原理上看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。

光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外，在应用中，光纤常按用途进行分类，可分为通信用光纤和传感用光纤。

传输介质纤又分为通用与专用两种，而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器件的形式出现。

2．光纤通信的特点。

①通信容量大、传输距离远。

②信号串扰小、保密性能好。

③抗电磁干扰、传输质量佳，电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电
磁干扰。

④光纤尺寸小、重量轻，便于敷设和运输。

⑤材料来源丰富，环境保护好，有利于节约有色金属铜：⑥无辐射，难于窃听，因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。

⑦光缆适应性强，寿命长。

⑧质地脆，机械强度差。

⑨光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。

⑩分路、耦合不灵活。

@光纤光缆的弯曲半径不能过小。

总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争能力，因此其在信息社会中奖发挥越来越重要的作用。

3．光纤通信的应用。

光纤通信首先应用于市内电话局之间的光纤中继线路，继而广泛的用于长途干线网上，成为宽带通信的基础。

光纤通信尤其适用于国家之间大容量、远距离的通信，包括国内沿海通信和国际间长距离海底光纤通信系统。

目前，各国还在进一步研究、开发用于广大用户接入网上的光纤通信系统。

光是当前研究开发应用的主要目标纤通信的各种应用可以概括如下：通信网，包括全球通信网 (如横跨大西洋的太平洋的海底光缆和跨越欧洲大陆的洲际光缆干线)、各国的公共电信网 (如我国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线)、特殊通信手段 (如石油、化工、煤矿等部门易燃易爆环境下使用的光缆，以及飞机、军舰、潜艇、导弹和宇宙飞船内部的光缆系统)。

构成因特网的计算机局域网和广域网，如光纤以太网，路由器之间的光纤告诉传输链路。

有线电视网的干线和分配网工业电系统，如工厂、银行、商场、交通和公安部门的监控，自动控制系统的数据传输。

综合业务光纤接入网，分为有缘接入网和无源接入网可实现电话、数据、视频 (会议电视、可视电话等)及多媒体业务综合接入核心网，提供各种各样的社区服务。

主要应用技术，TDM方式，FDM，WDM方式OTDM方式等
三．集成光学
集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象以及光学元件集成化的一门学科。

它是在激光技术发展过程中，由于光通信、光学信息处理等的需要，而逐步形成和发展起来的。

集成光学的理论问题，主要是媒质波导理论。

集成光学中许多重要现象及器件的分析，经常采用耦合模理论。

把由于波导结构不规则性和材料不
均匀性等产生模式之间功率交换（模式之间发生耦合）的实际波导系统，视为一种微扰波导系统，假定它是由互相发生耦合的若干孤立单元所组成。

其电磁场可按某种形式的规则波导单元的本征模展开，推导并求解耦合模方程。

在集成光学中，主要是利用耦合模方程来处理媒质波导中导模之间、导模与辐射模之间的各种耦合问题，以及与这类耦合有关的器件（见光的电磁理论、光的干涉、几何光学）。

一．元件集成
现在已经做出了很多对应于大块光学元件的各种薄膜波导元件，如薄膜媒质光波导、薄膜激光器、耦合器、调制器、开关、偏转器、薄膜透镜、棱镜、探测器、滤波器、光学双稳态器件、半加器回路、模-数转换器、傅里叶变换器、频谱分析器、卷积、存储器等。

在光波导中，观察到二次谐波产生、混频、受激布里渊散射、受激喇曼发射等非线性光学效应，以及薄膜中像的传输和转换等现象。

现在一些元件的集成也已经实现，例如在同一衬底上，三种典型元件(激光器、波导、探测器)的集成，六个分布反馈激光器的集成，三个探测器的集成，注入式激光器和场效应晶体管的集成等。

集成光路不—定需要在一个衬底上集成所有光学元件，很多应用是有限几种元件的集成，甚至在一个衬底上做同种元件的集成(单功能集成)。

已经出现光学元件和电学元件之间的集成，今后还可能出现光、电、声、磁元件结合在—起的集成。

二．学科应用
集成光学的应用领域是多方面的，除了光纤通信、光纤传感器、光学信息处理和光计算机外，导波光学原理、薄膜光波导器件和回路，还在向其他领域，如材料科学研究、光学仪器、光谱研究等方面渗透。

以固体化、小型化、集成化为目标的光信息传输和处理系统其应用的领域是多方面的。

除光纤通信、光纤传感器、光学信息处理和光计算机外，导波光学原理、薄膜光波导器件和回路，还在向其他领域（如材料科学研
究、光学仪器、光谱研究等）渗透。

四．等离子体光学
一．简介
等离子体光学（ plasmonics）是“表面等离子体亚波长光学（surface plasmons subwavelength optics）”的简称，是近年迅速发展起来的一门新兴学科，主要是研究纳米尺度的光现象，亦即在远小于光的波长、比现有最小电子器件还小的空间里进行研究。

二．等离子体光学的应用领域
2.1 表面等离子体光波导
表面等离子激元能在导体和绝缘体的界面上传播，而在垂直于表面的方向，其强度随它离表面的距离呈指数减小。

这些表面电磁波是由于电磁场与导体的电子等离子体耦合而产生的。

对于嵌入到均匀介质的金属薄板，在近红外的频率范围能够使表面等离子激元沿表面传播几个厘米的距离。

由于其传播距离太短，所以在过去，表面等离子激元的传播被认为没有什么利用价值。

但现在情况却有了巨大改变，由于纳米级制造技术的飞速发展，制造本身尺度小于表面等离子激元传播长度的器件成为可能。

这样，表面等离子激元就有了用武之地。

要利用表面等离子激元作为光波导，可以通过一定的亚波长结构来实现。

通过解一定边界条件的Maxwell方程，周期性的亚波长结构对光的汇聚和引导作用可以被模拟出来，因而为设计这种类型的光波导提供了帮助。

Kottmann通过数值分析给出了表面等离子激元在具有不同对称性横截面的表面结构上的分布，并分析了对应的谐振谱，发现随着横截面对称性的下降，谐振模式明显增多。

而在很多有条件的实验室，已经有很多可行的表面等离子激元光波导被制作出来。

例如，法国Bourgogne大学的Weeber所在研究小组制作了金属条表面等离子激元波导，如图1所示。

如果在金属的表面制作
一些特定结构就可以控
制表面等离子激元的传
播。

Ditlbacher的研究
小组利用电子束光刻和
化学气相沉积，将硅纳米结构（例如70nm厚的颗粒或纳米线）沉积在硅衬底上，再涂上70nm厚的银金属薄膜，如图2所示。

他们采用了通过激发光束的散射进行相位匹配的方法，在纳米线状缺陷处激发表面等离子激元。

表面等离子体光波导的实现和应用具有重要的意义。

长远来说，它是实现全光回路（optical circuit）的基础。

在此基础上人们可以进一步研制集成于金属表面的等离子体反射器、分波器、光开关和成束元件。

2.2 金属微孔和狭缝的透射
1998年，Ebbesen在Nature上发表了亚波长金属小孔阵列结构的异常透过现象的文章，实验结果表明：该结构的透过光强不仅远高于经典衍射理论计算结果，而且大于按照小孔所占金属表面的面积比的计算结果，这就意味着照在小孔之间的光也能通过某种方式耦合到金属膜的另一边。

对于这种增强的一般的解释是：当光照射在这些亚波长小孔的表面发生衍射和散射，将会在其上产生倏逝场，这些倏逝场一部分由于隧道效应穿透到小孔的另
一面，在另外一面倏逝场将会被散射，这样将会形
成传播场，在这里表面等离子激元的近场增强特性
对倏逝场的衰减进行了补偿，有效地提高了能量的
传输效率。

在金属薄膜足够薄的时候，金属上下表
面的表面等离子激元将会发生重叠并通过小孔发
生相互作用。

但是现在关于这种透过增强的机理还
不是十分清楚，表面等离子激元在其中的作用还有
不同的解释。

2002年，Ebbesen又在Science上发表了利用准周期金属微结构控制出射光束质量的实验文章。

这种结构如图3，图3（a）所示的是小孔，在小孔的周围刻有周期性的同心圆沟槽结构，该周期性结构与特定波长的入射光相互作用激发表面等离子激元，由此产生透过增强效应。

在出射端刻有同样的周期性结构，透过小孔的光有很好的方向性。

图3（b）所示的结构是在金属膜中间刻有长条形沟槽结构，在入射面和出射面长条两边都刻有光栅，这种准周期性金属微结构可以很好地控制出射光的能量和方向性。

图3（c）、（d）分别是这两种情况下的出射光束。

2.3 辐射过程及非线性的增强
由局域等离子共振和表面等离子激元传播引起的金属表面附近电磁场的增加也能增强近场荧光的发射。

然而对于和金属表面接触的分子需要仔细控制，这样即使经过非辐射跃迁也不会减少荧光性。

因此为了观察到增强的荧光性，通常需要纳米厚度的绝缘层以阻止从分子到金属离子的非辐射受激跃迁。

贵金属光致发光现象首先由Mooradian利用金和铜的样本通过强的连续氩激光束（2W）激发而观察到。

这种现象是由于d电子激发到sp导带并进行直接辐射复合，导致光谱的峰值处于带间吸收限的中心。

由于非辐射驰豫过程占主导地位，整个的量子效率非常低。

与拉曼散射增强类似，利用粗糙金属薄膜和金属纳米颗粒可以提高光致发光效率。

由于等离子激发和避雷针效应，这种发光效率的提高可以用局域场增强模型来解释。

由于表面等离子激元将光的能量聚集在亚波长结构中会引起电场强度的增强，从而会产生非线性现象，因此可以利用这个效应发展近场非线性光学。

如利用非线性现象制作纳米量级的光学开关。

又如，用于探测新分子的近场拉曼光谱仪经常利用表面等离子体共振增强效应来增强光信号。

2.4 光谱分析与传感器
光在界面处发生全内反射时的倏逝波可以引发金属表面的自由电子产生表面等离子激元。

当入射角或波长为满足某个特定条件的情况下，表面等离子激元与倏逝波的频率和波数相等，二者将会发生共振，即表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）。

共振的结果是入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现共振峰。

表面等离子体共振对金属表面附近的折射率的变化极为敏感，当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不同时，共振峰位置将不同。

利用这个原理，研究人员开发了多种类型的传感器。

将光波与表面等离子体子耦合并使其发生共振，必须使用耦合器件。

根据耦合器件的不同，利用表面等离子体共振原理的传感器主要分为棱镜型、光纤型、光栅型和集成波导型四种。

以表面等离子体共振原理设计的生物传感器近来逐渐引起广泛重视。

SPR生物传感器技术因其突出的优越性为蛋白质组学、抗体-抗原分子互作、药物筛选等生命科学研究提供了一种新的技术手段。

SPR生物传感器技术加速了生命科学
研究进展，使人们对复杂生命现象中的分子机理的理解更为深入并带来越来越多新的发现。

2.5 纳米光刻
由于光学衍射极限的存在，传统的光刻方法无法刻出超衍射极限的精细结构。

采用近场光学的方法则可以突破衍射极限，刻出超精细结构。

表面等离子激元干涉可引起电场在一定深度上具有很强的透射增强，这一特性对于近场非接触光刻很有利。

如果在光刻中引入表面等离子体激元，利用其近场透射增强特性，则会大大改善光刻图形的质量。

2.6 特异材料的制备
在过去的二十几年中，科学家利用某些半导体或绝缘材料制成波长量级的结构用来控制光与物质的相互作用，最著名的例子就是光子晶体，它是一种折射率周期性变化的绝缘材料。

人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。

同样可能控制光子反应的人造材料还包括特异材料（metamaterial）。

由于特异材料是利用局域的介电特性形成负介电常数与负磁导率，与光子晶体相比，特异材料结构的单元尺寸和周期性远小于其传播电磁波的波长。

负介电常数与负磁导率的实现方法有许多种。

其中Pendry小组与Smith小组所采用的办法是用金属短线的等离子振荡频率实现负介电常数。

用开口金属环的谐振实现负的磁导率，并使两者的频率相同，将这两种单元对应组合成三维的空间结构，这样在特定频率正好能够实现负折射率。

由于在可见光与红外频段的制备技术与工艺条件的限制，目前还很难制备出适用于可见光或者红外频段的特异材料，故目前对特异材料的实验研究基本上都是在微波频段中进行的。

此外，由于目前用谐振方法产生负介电常数与负磁导率的方法都有很大的损耗，因而目前在可见光与红外波段还难以实现有价值的实验。

科学家已经建立了等离子体光学材料能使物体隐形的理论，一种理论认为遮蔽装置是由具有特殊光学特性的特异材料制成
的较厚的外壳，这个壳可以将它的中心空腔周围的电磁辐射弯曲，于是位于腔内的物体被隐藏。

图4是这种遮蔽装置的工作原理示意图，宇宙中的光线绕过特异材料外壳空腔内的宇宙飞船，太空望远镜只能看到飞船后面的星系。

五．微纳光学
微纳光学主要指微纳米尺度的光学效应，以及利用微纳米尺度的光学效应开发出的光学器件、系统及装置。

微纳光学不仅是光电子产业的重要发展方向之一，也是目前光学领域的前沿研究方向。

一些纳米光学领域的新概念：光子晶体（Photonic Crystal）、表面等离子体光学（Plasmonics）以及奇异材料（Metamaterials）。

当然，纳米天线（Nano Attena）、硅基光子学、量子点激光器等，都吸引了大量的研究者，进行了非常深入的研究。

微纳光学技术的多种应用：
1．加工新型光栅
借助于大规模集成电路工艺技术，可以加工出新型的光栅。

光栅是个实用性很强的基本光学器件，在光谱仪、光通信波分复用器件、激光聚变工程、光谱分析等领域中大量使用。

传统的表面光栅不论是机械刻划光栅，还是全息光栅，其表面的光栅结构是很薄的。

明胶或光折变体全息光栅的光栅厚度较厚，由于制造工艺的一致性、温度稳定性和长期稳定性问题，在实际应用时仍然有限制。

2．制作深刻蚀亚波长光栅
采用激光全息、光刻工艺和半导体干法刻蚀工艺可以加工出深刻蚀亚波长光栅。

其简化的基本工艺流程如图1 所示。

首先，
采用激光全息产生高密度光栅的光场；其次，
通过光刻工艺，在光刻胶上做出光栅掩模；最
后，通过反应离子或高密度等离子体等半导体
干法刻蚀技术，加工出深蚀的表面光栅。

通过
在普通石英玻
璃中引入深刻蚀光栅结构，如图2 所示，就可以
实现一系列实用的光学器件。

图2(a)所示的高效
率光栅，衍射效率理论值为98%，可以实现偏振无
关结构，也就是对于TE，TM 偏振入射光均可以实现很高的衍射效率。

图2(b)所示为偏振分束器件，也就是将TE，TM 偏振方向的光完全分开，表现出类似于晶体的偏振分光性能。

图2(c) 所示为在二次布拉格角度下工作的分束光栅。

图2(d) 所示为高效率1×3 分束器，衍射效率可以高达98％，和商品化的1×3 分束器（衍射效率75％）相比，衍射效率要高出23%, 具有重要的应用前景。

3．可实现多种新型光学元件
利用微纳光学技术，结合数字编码技术，还可以实现更多新型的光学元件，例如偏振透镜。

所谓偏振透镜就是可以仅对一个偏振光成像，而对另外一个
偏振光则完全滤除。

众所周知，光学透镜是
一个基本的光学元件。

一般来说，普通的光
学透镜没有偏振特性，对于不同偏振光的成
像功能完全一样。

如果要想实现偏振控制功
能，则必须附加上起偏器等元件，这将使得
结构复杂、成本昂贵、体积庞大。

最近发明的一种微纳结构数字编码的“偏振透镜”能够实现对任意偏振光成像的功能，如图3 所示。

它利用光学表面的微结构实现偏振选择功能和数字编码实现透镜成像功能，使普通光学材料通过引入微纳光学结构，就可以实现偏振成像的功能。

其优点是体积小、重量轻，通过大批量复制技术，可以实现低生产成本，具有良好的产业化前景。

微纳光学具有广泛的应用前景。

例如，下一代光盘产业的研究已经进入到纳米阶段，光学超分辨技术、纳米结构的光学制造、快速相变材料以及利用表面等离子体等纳米光学技术等都在其中得到了广泛的重视与研究。

在光通信、激光武器、大气污染检测等多种应用场合，微纳米光学技术都将发挥重要作用。

微纳光学不仅是新型光电子产业的发展方向，也已经成为光学领域的前沿学科方向，在Nature，Science 等国际顶级期刊上经常有微纳光学领域的论文发表。

微纳光学结构的制造是一个基本技术问题，表面等离子体光学器件、负折射率材料等纳米光学器件均需要先进纳米尺度的制造技术，它包括聚焦电子束设备、光刻工艺设备、反应离子刻蚀设备或高密度等离子体刻蚀设备以及激光全息设备等。

借助这些纳米制造技术，可以制造出一系列新型的光学元件，例如：偏振分光器件等。

因此，微纳光学器件在光存储、光显示、光通信等多个领域，具有重要的应用前。