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光子学的生长对今世信息手艺的影响

2004-01-01

摘要：文章先容了光子学在通讯、存储、信息处置惩罚和盘算中的应用，，，，，，，，叙述了光子学的开拓对信息手艺生长的深远影响，，，，，，，，指出了从电子信息时代向光子信息时代生长的趋势。。。。。。。。

早期的光学主要研究物质的宏旅行学特征，，，，，，，，如光的折射、反射、衍射、成像和照明等，，，，，，，，较少研究其微观的物理缘故原由。。。。。。。。随着本世纪60年月初激光的泛起，，，，，，，，人们着重于研究光子与物质相互作用、光子的实质。。。。。。。。以及光子的爆发、撒播、探测等微观机制。。。。。。。。本世纪下半叶光学向光子学偏向的开拓，，，，，，，，十分类似于本世纪上半叶电学向电子学的开拓、其科学及手艺意义都十分深远。。。。。。。。

本世纪以来，，，，，，，，信息工程依赖电子学和微电子学手艺，，，，，，，，如通讯是从无线电到微波，，，，，，，，存储是从磁芯到半导体集成。。。。。。。。运算生长是从电子管到大规模集成电路的电子盘算机等等，，，，，，，，以是。。。。。。。。现在谈到信息手艺都称为电子信息手艺。。。。。。。。从手艺特征而言，，，，，，，，我们正处于电子信息时代，，，，，，，，其特征为信息的载体是电子。。。。。。。。

光子学（photonics）从最早的界说（"光子学是以光子作为信息载体的一门系统性科学"）1970年第九界国际高速摄影聚会提出）就已细密地信息科学手艺联系在一起了。。。。。。。。今世社会和经济生长中，，，，，，，，信息的容量剧增，，，，，，，，随着高容量和高速率的信息生长，，，，，，，，电子学（electronics）和微电子学（microelectronics）显出局限性。。。。。。。。由于光子的速率要快得多，，，，，，，，光的频率比无线电的频率高得多，，，，，，，，为提高撒播速率和载波密度，，，，，，，，由电子到光子是生长的一定趋势，，，，，，，，它会使信息手艺的生长爆发突破。。。。。。。。现在，，，，，，，，信息的探测、传输、存储、显示、运算和处置惩罚已由光子和电子配合参于来完成，，，，，，，，所爆发的光电子学（optoelectronics）手艺已应用在信息领域。。。。。。。。以后将更注重光子的作用，，，，，，，，继光电子学后，，，，，，，，光子学手艺正在崛起。。。。。。。。如美国把"电子和光子质料"、微电子学和光电子学"列为国家要害手艺。。。。。。。。以为"光子学在国家要害手艺，，，，，，，，以为"光子学在国家清静与经济竞争方面有着深远的意义和潜力"。。。。。。。。通讯和盘算机研究与生长的末来属于光子学领?quot;从电子学到光电子学和光子学是跨世纪的生长。。。。。。。。

1 光子学器件

光子学手艺主要包括光子学的爆发、探测、传输、控制和处置惩罚，，，，，，，，因而必需有响应的光子学器件。。。。。。。。与电子学器件相比，，，，，，，，光子学器件中光子的运用不受回路漫衍延迟的影响（一样平常为10－9s），，，，，，，，光子在固体中传输速率为10 12cm/s左右，，，，，，，，光子学器件的时间响应和单道超大容量要比电子学器件高得多，，，，，，，，这对信息手艺生长有很大的推行动用。。。。。。。。

高密度高相关性的激光光源始终对光信息工程起主要作用，，，，，，，，特殊是半导体激光器。。。。。。。。人们熟知。。。。。。。。由于有了低阈值，，，，，，，，低功耗，，，，，，，，长寿命及快响应的半导体激光器，，，，，，，，使光纤通讯成为现实，，，，，，，，并以0。。。。。。。。8um,1.3um和 1.55um的激光光源形成三个光通讯的窗口，，，，，，，，由于有高功率单模半导体激光器，，，，，，，，才使光盘存储手艺适用化，，，，，，，，并且现在高密度光存储的生长以半导体激光波长的缩短（从0。。。。。。。。8um到0.65um和0.5um）为标记，，，，，，，，形成三代光盘存储手艺，，，，，，，，大批子阱器件，，，，，，，，高密度笔直腔面发射器，，，，，，，，量子级联器件、微腔辐射与微腔光子动力学器件的生长，，，，，，，，可以一直降低激光阈值，，，，，，，，提高激光转换效率与输出功率，，，，，，，，扩展波段，，，，，，，，改善线宽。。。。。。。。实现激光光源的阵列化和集成化。。。。。。。。

非线性波导光学的生长，，，，，，，，探索弱光非线性效应和质料，，，，，，，，特殊是在低维和纳米质料中的光学非线性增强，，，，，，，，可以研制出超高速光开关、空间光调制器，，，，，，，，集成光子回路和光学双稳态器件等，，，，，，，，人工微结构的光子晶体可以用来控制或定域光子态。。。。。。。。由此制成光子控制器件。。。。。。。。

模拟微电子集成器件，，，，，，，，把差别功效的光子器件通过内部光波导互连，，，，，，，，制成了一个光子集成芯片，，，，，，，，包括激光器与光子接受器、放大器、调制器和光开关等。。。。。。。。现在光子集成器件主要应用种种电光效应，，，，，，，，也离不开电的操作，，，，，，，，因此适用的光子集成芯片必需配之响应的电子回路和成熟的微电子手艺于终端处置惩罚。。。。。。。。即大型的光电子集成系统。。。。。。。。

2 光通讯

把光子作为信息载体，，，，，，，，是20世纪中的一个划时代转变，，，，，，，，就是用光纤通讯取代电缆和微波通讯，，，，，，，，简言之，，，，，，，，信息的传输爆发了实质性厘革。。。。。。。。光纤通讯工业在国际上现在延猩习僖诿涝哪瓴怠�。。。。。。。在信息高速公路浪潮的推动下、高速公用通讯网和数字数据网会很快生长，，，，，，，，重大的信息流多�?000Gb／s，，，，，，，，由此对光纤通讯在速率和容量上提出了更高要求。。。。。。。。

本世纪70年月初由于低消耗的熔石英光纤和长寿命的半导体激光器的研制乐成，，，，，，，，使光通讯成为可能。。。。。。。。1978年前一条10公里长的光纤，，，，，，，，最高传输率为1Gb/s，，，，，，，，称为第一代光纤通讯；；；；；三年以后第二代光纤通讯由于应用了单模光纤和处于熔石英光纤最低色散波长（1。。。。。。。。3um）的半导体激光器和探测器，，，，，，，，光信号可以在光纤内以匀称速率撒播，，，，，，，，传输容量增添了近10倍；；；；；第三代光纤通讯由于应用熔石英光纤的最低消耗波长（1。。。。。。。。55um），，，，，，，，配上该波长的半导体激光器，，，，，，，，使无中继传输距离和传输容量又能好几倍的提高。。。。。。。。

在本世纪末期由于光子学手艺的生长，，，，，，，，爆发了光学放大器，，，，，，，，特殊是半导体激光器光泵的掺铒的光纤放大器（EDFA），，，，，，，，由于光信号的直接放大，，，，，，，，放大率抵达30dB以上，，，，，，，，不受信号偏振偏向的影响，，，，，，，，有很好的保真度，，，，，，，，很快抵达适用价值，，，，，，，，另一项有重大适用价值的光纤通讯的突破是波分复用手艺，，，，，，，，即统一起光纤中传输若干个差别波长的光信号。。。。。。。。用外调制的漫衍反响激光器（DFB）抵达高的信号传输率，，，，，，，，用光纤宽带耦合器将N 种波长的激光信号耦合入一条公用传输光纤，，，，，，，，在信号终端用光纤栅滤器，，，，，，，，疏散出N个波长的载波激光，，，，，，，，经检波器将信息解出。。。。。。。。这种波分复用手艺，，，，，，，，使信息传输率增添了N倍。。。。。。。。在光子集成回路再加入宽增益频带的铒光纤放大器，，，，，，，，就可以抵达高传输率容量（100Gb/s）和无中继长距离（＞100km）的光纤通讯系统，，，，，，，，可称为第四代光纤通讯。。。。。。。。

从古板的以光强度调制方法和直接检测方法的非相关光光纤通讯替换成以相位调制方法和差分检测方法的相关光光纤通讯，，，，，，，，可使信号转达得更远。。。。。。。。在相关光通讯中需要有频率和相位稳固的激光光源。。。。。。。。乐成的相关光通讯可使信息转达距离迈入1000公里的纪元。。。。。。。。在一条理想的光纤内，，，，，，，，"伶仃子"（solition）可以无限远地撒播。。。。。。。。在光纤中伶仃子的形状是由克尔效应和色散效应的赔偿来坚持。。。。。。。。伶仃子的强度衰减用光纤放大器来赔偿。。。。。。。。用皮秒（10 －12）激光脉冲，，，，，，，，使伶仃子相互间不相互重叠。。。。。。。。在"零误码"情形下，，，，，，，，伶仃子可以在光纤中转达万里之远。。。。。。。。伶仃子传输中同样可以用波分复用手艺来增大转达信息的容量。。。。。。。。相关光通讯和伶仃子光通讯是第五代光通讯，，，，，，，，是跨入下世纪的光纤通讯。。。。。。。。

3 光存储

20世纪末兴起的光存储，，，，，，，，特殊是光盘存储手艺，，，，，，，，将对信息的存取爆发重大影响。。。。。。。。光盘存储手艺是数字化存储的取出。。。。。。。。，，，，，，，，与盘算机直接毗连。。。。。。。。与磁存储相较量，，，，，，，，它有存储容量大、寿命长、可替换、不易损坏等优点。。。。。。。。近年来。。。。。。。。在一再国际大容量数据存储聚会上，，，，，，，，对光存储和磁存储做了剖析比照。。。。。。。。一致以为在以后15年内是光盘和磁盘兼容的时期，，，，，，，，到下世纪光盘存储有可能成为盘算机等主要的外存装备。。。。。。。。CD（compact disk）光盘系列和正在生长的DVD（digital versatile disk）已成为多媒体手艺的主要介质，，，，，，，，也已形成了上百亿元美元的工业。。。。。。。。数字光盘存储手艺正向更高存储密度和更高存取偏向生长。。。。。。。。最近蓝光半导体激光（GaN）有新的突破，，，，，，，，适用于光盘存储读写用激光器将很快能适用化。。。。。。。。因此，，，，，，，，到下世纪，，，，，，，，比现有存储密度高10倍（5英寸光盘可存储100亿比特）和存取速率高10倍（每秒1 亿比特）的可以擦除重写的光盘将获得应用。。。。。。。。

随着光子学手艺的生长，，，，，，，，现在的热纪录方法将向光子纪录方法生长。。。。。。。。下世纪的超高密度快速存储主要向以下几个方面生长；；；；；

（1）使用近场光学扫描显微镜（NSOM）举行超高密度信息存储。。。。。。。。使用NSOM实现超高密度存储的要害在于适用化的少于光衍射极限的光点的爆发及探测，，，，，，，，光学头与纪录介质间少于波长间距的控制，，，，，，，，近场区域瞬逝光与种种存储介质相互作用下的存储机理。。。。。。。。（2）运用角度多功、波长多功、空间多功与移动多功等的全息存储取代聚焦光速逐点存取的要领，，，，，，，，可以作为缓冲海量信息存储，，，，，，，，存储谋害可抵达100Gb/cm3。。。。。。。。要害在于探索对激光有快速响应和有长存储寿命的光子存储质料。。。。。。。。

（3）生长三维存储手艺，，，，，，，，如光子引发的电子俘获三维存储光盘和光谱烧孔存储等高密度光存储。。。。。。。。下世纪初有可能研制出使用次数达百万次的多层电子俘获三维光盘，，，，，，，，能高速高密度地执行读、写、擦功效，，，，，，，，实现能在室温下烧孔存储的光谱烧孔多维存储。。。。。。。。

4 光信息处置惩罚和盘算

随着科学和工程手艺的一直重大化，，，，，，，，对盘算手艺提出了更高的要求。。。。。。。。盘算杨向高速和智能化生长。。。。。。。。运算的速率要高于10亿次浮点以上，，，，，，，，但信号的传输速率还只为光速的0。。。。。。。。5％。。。。。。。。新一代的电子盘算机也领先于并行的系统结构和适合于并行处置惩罚的软件。。。。。。。。光学信息处置惩罚就充分验展了并列处置惩罚的优点，，，，，，，，它有高速处置惩罚信息的能力。。。。。。。。以图像为工具的光学信息已举行了多年岁情。。。。。。。。现在讲的全光盘算机是用光学系统完成二维或多维的数据的数字盘算，，，，，，，，尚处于探索断。。。。。。。。它使用众所周知的并列处置惩罚和高速处置惩罚的特点，，，，，，，，使光在信息处置惩罚中施展大容量和高速的优点。。。。。。。。研制出高效低功耗的光子器件仍然是关健所在，，，，，，，，在并列处置惩罚中首先要有面阵列的光子集成器件。。。。。。。。高密度笔直腔面发射激光器（VCSEL）的光子集成回路是二维信息实时处置惩罚和图形识别的关健器件。。。。。。。。现在研制出的高密度对称反射式自电光效应（SR－SEED）无腔面的光双稳态开关集成面阵，，，，，，，，可在光功耗极低（＜10fj/um2 下对光信息举行多路和二维的处置惩罚。。。。。。。。它为光逻辑运算打下基础�。。。。。。。�，，，，，，，有可能研制出开关时间在纳秒、每秒亿次的光学数字处置惩罚器。。。。。。。。

电子盘算机向光学盘算机生长中，，，，，，，，有可能先经由光－电混淆型，，，，，，，，如应用光互连集成回路、若干光学开关和存储器以及光电转换元件，，，，，，，，可以解决诸如电子盘算机由于电路中不可阻止的电阻和电容、电信号和转达速率受到RC弛豫时间的限制，，，，，，，，以及"时钟歪斜"，，，，，，，，互连拥挤、电子信号很容易自身滋扰等问题。。。。。。。。以是现在光互连集成回路不但为光子芯片与光学逻辑元件之间的运行毗连所必需。。。。。。。。同时也在VLSI中作内联络。。。。。。。。光学互连从光电混淆型向全光型偏向生长，，，，，，，，前者容易用于VLSI中作光互连，，，，，，，，后者用可寻址的光源阵列，，，，，，，，光学双稳态门阵列、全息衍射光栅和检测器阵列组成，，，，，，，，并行通道达10 数目级。。。。。。。。进一步生长光学神经网络、光盘算算法和结构及高密度交织光互连等手艺，，，，，，，，逐步生长玉成光数字盘算机。。。。。。。。

光子学是近代光学的新开拓，，，，，，，，是继电子学，，，，，，，，光电子学之后的新兴学科。。。。。。。。20世纪我们主要处于电子信息时代，，，，，，，，光电子学信息是跨世纪的，，，，，，，，21世纪将进入光子信息时代，，，，，，，，它标记着将实现Tb(10 bits)容量和Tb/s超大信息流的转达、存储、处置惩罚和运算。。。。。。。。光子、光电子和微电子手艺的团结，，，，，，，，将在下世纪爆发更高水平的信息手艺。。。。。。。。

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