光子學的生長對今世信息手藝的影響
摘要 ：文章先容了光子學在通訊、存儲、信息處置懲罰和盤算中的應用 ，敘述了光子學的開拓對信息手藝生長的深遠影響 ，指出了從電子信息時代向光子信息時代生長的趨勢。
早期的光學主要研究物質的宏旅行學特征 ，如光的折射、反射、衍射、成像和照明等 ，較少研究其微觀的物理緣故原由。隨著本世紀60年月初激光的泛起 ，人們著重于研究光子與物質相互作用、光子的實質。以及光子的爆發、撒播、探測等微觀機制。本世紀下半葉光學向光子學偏向的開拓 ，十分類似于本世紀上半葉電學向電子學的開拓、其科學及手藝意義都十分深遠。
本世紀以來 ，信息工程依賴電子學和微電子學手藝 ，如通訊是從無線電到微波 ，存儲是從磁芯到半導體集成。運算生長是從電子管到大規模集成電路的電子盤算機等等 ，以是。現在談到信息手藝都稱為電子信息手藝。從手藝特征而言 ，我們正處于電子信息時代 ，其特征為信息的載體是電子。
光子學（photonics）從最早的界說（"光子學是以光子作為信息載體的一門系統性科學"）1970年第九界國際高速攝影聚會提出）就已細密地信息科學手藝聯系在一起了。今世社會和經濟生長中 ，信息的容量劇增 ，隨著高容量和高速率的信息生長 ，電子學（electronics）和微電子學（microelectronics）顯出局限性。由于光子的速率要快得多 ，光的頻率比無線電的頻率高得多 ，為提高撒播速率和載波密度 ，由電子到光子是生長的一定趨勢 ，它會使信息手藝的生長爆發突破。現在 ，信息的探測、傳輸、存儲、顯示、運算和處置懲罰已由光子和電子配合參于來完成 ，所爆發的光電子學（optoelectronics）手藝已應用在信息領域。以后將更注重光子的作用 ，繼光電子學后 ，光子學手藝正在崛起。如美國把"電子和光子質料"、微電子學和光電子學"列為國家要害手藝。以為"光子學在國家要害手藝 ，以為"光子學在國家清靜與經濟競爭方面有著深遠的意義和潛力"。通訊和盤算機研究與生長的末來屬于光子學領?quot;從電子學到光電子學和光子學是跨世紀的生長。
1 光子學器件
光子學手藝主要包括光子學的爆發、探測、傳輸、控制和處置懲罰 ，因而必需有響應的光子學器件。與電子學器件相比 ，光子學器件中光子的運用不受回路漫衍延遲的影響（一樣平常為10－9s） ，光子在固體中傳輸速率為10 12cm/s左右 ，光子學器件的時間響應和單道超大容量要比電子學器件高得多 ，這對信息手藝生長有很大的推行動用。
高密度高相關性的激光光源始終對光信息工程起主要作用 ，特殊是半導體激光器。人們熟知。由于有了低閾值 ，低功耗 ，長壽命及快響應的半導體激光器 ，使光纖通訊成為現實 ，并以0。8um,1.3um和 1.55um的激光光源形成三個光通訊的窗口 ，由于有高功率單模半導體激光器 ，才使光盤存儲手藝適用化 ，并且現在高密度光存儲的生長以半導體激光波長的縮短（從0。8um到0.65um和0.5um）為標記 ，形成三代光盤存儲手藝 ，大批子阱器件 ，高密度筆直腔面發射器 ，量子級聯器件、微腔輻射與微腔光子動力學器件的生長 ，可以一直降低激光閾值 ，提高激光轉換效率與輸出功率 ，擴展波段 ，改善線寬。實現激光光源的陣列化和集成化。
非線性波導光學的生長 ，探索弱光非線性效應和質料 ，特殊是在低維和納米質料中的光學非線性增強 ，可以研制出超高速光開關、空間光調制器 ，集成光子回路和光學雙穩態器件等 ，人工微結構的光子晶體可以用來控制或定域光子態。由此制成光子控制器件。
模擬微電子集成器件 ，把差別功效的光子器件通過內部光波導互連 ，制成了一個光子集成芯片 ，包括激光器與光子接受器、放大器、調制器和光開關等。現在光子集成器件主要應用種種電光效應 ，也離不開電的操作 ，因此適用的光子集成芯片必需配之響應的電子回路和成熟的微電子手藝于終端處置懲罰。即大型的光電子集成系統。
2 光通訊
把光子作為信息載體 ，是20世紀中的一個劃時代轉變 ，就是用光纖通訊取代電纜和微波通訊 ，簡言之 ，信息的傳輸爆發了實質性厘革。光纖通訊工業在國際上現在延猩習僖諉澇哪瓴?。在信息高速公路浪潮的推動下、高速公用通訊網和數字數據網會很快生長 ，重大的信息流多?000Gb／s ，由此對光纖通訊在速率和容量上提出了更高要求。
本世紀70年月初由于低消耗的熔石英光纖和長壽命的半導體激光器的研制樂成 ，使光通訊成為可能。1978年前一條10公里長的光纖 ，最高傳輸率為1Gb/s ，稱為第一代光纖通訊；三年以后第二代光纖通訊由于應用了單模光纖和處于熔石英光纖最低色散波長（1。3um）的半導體激光器和探測器 ，光信號可以在光纖內以勻稱速率撒播 ，傳輸容量增添了近10倍；第三代光纖通訊由于應用熔石英光纖的最低消耗波長（1。55um） ，配上該波長的半導體激光器 ，使無中繼傳輸距離和傳輸容量又能好幾倍的提高。
在本世紀末期由于光子學手藝的生長 ，爆發了光學放大器 ，特殊是半導體激光器光泵的摻鉺的光纖放大器（EDFA） ，由于光信號的直接放大 ，放大率抵達30dB以上 ，不受信號偏振偏向的影響 ，有很好的保真度 ，很快抵達適用價值 ，另一項有重大適用價值的光纖通訊的突破是波分復用手藝 ，即統一起光纖中傳輸若干個差別波長的光信號。用外調制的漫衍反響激光器（DFB）抵達高的信號傳輸率 ，用光纖寬帶耦合器將N 種波長的激光信號耦合入一條公用傳輸光纖 ，在信號終端用光纖柵濾器 ，疏散出N個波長的載波激光 ，經檢波器將信息解出。這種波分復用手藝 ，使信息傳輸率增添了N倍。在光子集成回路再加入寬增益頻帶的鉺光纖放大器 ，就可以抵達高傳輸率容量（100Gb/s）和無中繼長距離（＞100km）的光纖通訊系統 ，可稱為第四代光纖通訊。
從古板的以光強度調制方法和直接檢測方法的非相關光光纖通訊替換成以相位調制方法和差分檢測方法的相關光光纖通訊 ，可使信號轉達得更遠。在相關光通訊中需要有頻率和相位穩固的激光光源。樂成的相關光通訊可使信息轉達距離邁入1000公里的紀元。在一條理想的光纖內 ，"伶仃子"（solition）可以無限遠地撒播。在光纖中伶仃子的形狀是由克爾效應和色散效應的賠償來堅持。伶仃子的強度衰減用光纖放大器來賠償。用皮秒（10 －12）激光脈沖 ，使伶仃子相互間不相互重疊。在"零誤碼"情形下 ，伶仃子可以在光纖中轉達萬里之遠。伶仃子傳輸中同樣可以用波分復用手藝來增大轉達信息的容量。相關光通訊和伶仃子光通訊是第五代光通訊 ，是跨入下世紀的光纖通訊。
3 光存儲
20世紀末興起的光存儲 ，特殊是光盤存儲手藝 ，將對信息的存取爆發重大影響。光盤存儲手藝是數字化存儲的取出。 ，與盤算機直接毗連。與磁存儲相較量 ，它有存儲容量大、壽命長、可替換、不易損壞等優點。近年來。在一再國際大容量數據存儲聚會上 ，對光存儲和磁存儲做了剖析比照。一致以為在以后15年內是光盤和磁盤兼容的時期 ，到下世紀光盤存儲有可能成為盤算機等主要的外存裝備。CD（compact disk）光盤系列和正在生長的DVD（digital versatile disk）已成為多媒體手藝的主要介質 ，也已形成了上百億元美元的工業。數字光盤存儲手藝正向更高存儲密度和更高存取偏向生長。最近藍光半導體激光（GaN）有新的突破 ，適用于光盤存儲讀寫用激光器將很快能適用化。因此 ，到下世紀 ，比現有存儲密度高10倍（5英寸光盤可存儲100億比特）和存取速率高10倍（每秒1 億比特）的可以擦除重寫的光盤將獲得應用。
隨著光子學手藝的生長 ，現在的熱紀錄方法將向光子紀錄方法生長。下世紀的超高密度快速存儲主要向以下幾個方面生長；
（1）使用近場光學掃描顯微鏡（NSOM）舉行超高密度信息存儲。使用NSOM實現超高密度存儲的要害在于適用化的少于光衍射極限的光點的爆發及探測 ，光學頭與紀錄介質間少于波長間距的控制 ，近場區域瞬逝光與種種存儲介質相互作用下的存儲機理。 （2）運用角度多功、波長多功、空間多功與移動多功等的全息存儲取代聚焦光速逐點存取的要領 ，可以作為緩沖海量信息存儲 ，存儲謀害可抵達100Gb/cm3。要害在于探索對激光有快速響應和有長存儲壽命的光子存儲質料。
（3）生長三維存儲手藝 ，如光子引發的電子俘獲三維存儲光盤和光譜燒孔存儲等高密度光存儲。下世紀初有可能研制出使用次數達百萬次的多層電子俘獲三維光盤 ，能高速高密度地執行讀、寫、擦功效 ，實現能在室溫下燒孔存儲的光譜燒孔多維存儲。
4 光信息處置懲罰和盤算
隨著科學和工程手藝的一直重大化 ，對盤算手藝提出了更高的要求。盤算楊向高速和智能化生長。運算的速率要高于10億次浮點以上 ，但信號的傳輸速率還只為光速的0。5％。新一代的電子盤算機也領先于并行的系統結構和適合于并行處置懲罰的軟件。光學信息處置懲罰就充分驗展了并列處置懲罰的優點 ，它有高速處置懲罰信息的能力。以圖像為工具的光學信息已舉行了多年歲情。現在講的全光盤算機是用光學系統完成二維或多維的數據的數字盤算 ，尚處于探索斷。它使用眾所周知的并列處置懲罰和高速處置懲罰的特點 ，使光在信息處置懲罰中施展大容量和高速的優點。研制出高效低功耗的光子器件仍然是關健所在 ，在并列處置懲罰中首先要有面陣列的光子集成器件。高密度筆直腔面發射激光器（VCSEL）的光子集成回路是二維信息實時處置懲罰和圖形識別的關健器件。現在研制出的高密度對稱反射式自電光效應（SR－SEED）無腔面的光雙穩態開關集成面陣 ，可在光功耗極低（＜10fj/um2 下對光信息舉行多路和二維的處置懲罰。它為光邏輯運算打下基礎 ，有可能研制出開關時間在納秒、每秒億次的光學數字處置懲罰器。
電子盤算機向光學盤算機生長中 ，有可能先經由光－電混淆型 ，如應用光互連集成回路、若干光學開關和存儲器以及光電轉換元件 ，可以解決諸如電子盤算機由于電路中不可阻止的電阻和電容、電信號和轉達速率受到RC弛豫時間的限制 ，以及"時鐘歪斜" ，互連擁擠、電子信號很容易自身滋擾等問題。以是現在光互連集成回路不但為光子芯片與光學邏輯元件之間的運行毗連所必需。同時也在VLSI中作內聯絡。光學互連從光電混淆型向全光型偏向生長 ，前者容易用于VLSI中作光互連 ，后者用可尋址的光源陣列 ，光學雙穩態門陣列、全息衍射光柵和檢測器陣列組成 ，并行通道達10 數目級。進一步生長光學神經網絡、光盤算算法和結構及高密度交織光互連等手藝 ，逐步生長玉成光數字盤算機。
光子學是近代光學的新開拓 ，是繼電子學 ，光電子學之后的新興學科。20世紀我們主要處于電子信息時代 ，光電子學信息是跨世紀的 ，21世紀將進入光子信息時代 ，它標記著將實現Tb(10 bits)容量和Tb/s超大信息流的轉達、存儲、處置懲罰和運算。光子、光電子和微電子手藝的團結 ，將在下世紀爆發更高水平的信息手藝。
