集成光學(xué)是研究媒質(zhì)薄膜中的光學(xué)現(xiàn)象以及光學(xué)元件集成化的一門學(xué)科。它是在激光技術(shù)發(fā)展過程中，由于光通信、光學(xué)信息處理等的需要，而逐步形成和發(fā)展起來的。

興起的原因

它要解決的實質(zhì)問題，是獲得具有不同功能、不同集成度的集成光路，實現(xiàn)光學(xué)信息處理系統(tǒng)的集成化與微小型化。光波波長比波長最短的無線電波還要短四個數(shù)量級，因而它具有更大的傳遞信息和處理信息的能力。然而傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)體積大、穩(wěn)定性差、光束的對準(zhǔn)和準(zhǔn)直困難，不能適應(yīng)光電子技術(shù)發(fā)展的需要。采用類似于半導(dǎo)體集成電路的方法，把光學(xué)元件以薄膜形式集成在同一襯底上的集成光路，是解決原有光學(xué)系統(tǒng)問題的一種途徑。這樣可有體積小、性能穩(wěn)定可靠、效率高、功耗低、使用方便等優(yōu)點。集成光學(xué)出現(xiàn)于1969年前后，從它的產(chǎn)生和發(fā)展過程中，貝爾實驗室P·K·田等一批科學(xué)家起了重要作用。正從基礎(chǔ)和開發(fā)研究進(jìn)入工程應(yīng)用階段。

運用范圍

集成光路中現(xiàn)已制成的光學(xué)元件包括薄膜微型激光器、薄膜透鏡、棱鏡、薄膜型光學(xué)波導(dǎo)、耦合器、光開關(guān) 、光學(xué)調(diào)制器 、濾波器 、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件、模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲器和檢測器等。除純粹集成光路外，現(xiàn)已出現(xiàn)和電子學(xué)元件的集成。

此外，在光學(xué)波導(dǎo)中已觀察到了諸如二次諧波 、混頻和受激拉曼散射等非線性光學(xué)現(xiàn)象（見非線性光學(xué)），這必將大大擴(kuò)展集成光路的功能。集成光學(xué)對光纖通信、自動控制、光學(xué)信息處理、光譜研究以及光學(xué)計算機(jī)的研究和應(yīng)用等具有重要意義。

學(xué)科理論

集成光學(xué)的理論問題，主要是媒質(zhì)波導(dǎo)理論，它有助于人們深入了解波導(dǎo)中光學(xué)現(xiàn)象的物理本質(zhì)，并用于光波導(dǎo)、器件和光學(xué)回路的研究設(shè)計。人們常常把波導(dǎo)中光學(xué)現(xiàn)象(如傳播、耦合、調(diào)制等等)的研究，稱為導(dǎo)波光學(xué)。

媒質(zhì)波導(dǎo)理論已從不同角度建立起來。首先，是建立在麥克斯韋方程組基礎(chǔ)上的媒質(zhì)波導(dǎo)電磁理論；其次，從射線光學(xué)角度，建立了鋸齒波模型的波導(dǎo)理論。把波導(dǎo)中的光波看成是在薄膜的上下兩個界面來回反射的光線，而且走的是一條鋸齒形路程。

從鋸齒波模型出發(fā)，可以比較簡單和直觀地推導(dǎo)模方程，討論媒質(zhì)波導(dǎo)理論的基本概念，處理棱鏡、光柵耦合器、表面散射等許多問題。另外還從量子力學(xué)角度，建立了勢阱模型的波導(dǎo)理論。描述光波在波導(dǎo)中運動的波動方程和描述電子在位阱中運動的薛定諤方程有相同的形式，用 WKB法可得到波動方程的近似解。

集成光學(xué)中許多重要現(xiàn)象及器件的分析，經(jīng)常采用耦合模理論。把由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不規(guī)則性和材料不均勻性等產(chǎn)生模式之間功率交換（模式之間發(fā)生耦合）的實際波導(dǎo)系統(tǒng)，視為一種微擾波導(dǎo)系統(tǒng)，假定它是由互相發(fā)生耦合的若干孤立單元所組成。其電磁場可按某種形式的規(guī)則波導(dǎo)單元的本征模展開，推導(dǎo)并求解耦合模方程。在集成光學(xué)中，主要是利用耦合模方程來處理媒質(zhì)波導(dǎo)中導(dǎo)模之間、導(dǎo)模與輻射模之間的各種耦合問題，以及與這類耦合有關(guān)的器件（見光的電磁理論、光的干涉、幾何光學(xué)）。

材料工藝

集成光學(xué)所用的媒質(zhì)材料，要具有一定的折射率，一般是比襯底折射率高；做成光波導(dǎo)以后，傳輸損耗要求小于每厘米一分貝；媒質(zhì)材料應(yīng)具有多種功能，工藝上便于成膜和器件制作與集成；在外界各種工作環(huán)境下具有長期穩(wěn)定工作的性能，已探索過的材料有玻璃、半導(dǎo)體、有機(jī)材料以及鐵電體等。