光子学的发展对现代信息技术的影响
提要 ：文章介绍了光子学在通讯、存储、信息处置和推算中的利用 ，论说了光子学的启发对信息技术发展的深远影响 ，指出了从电子信息时期向光子信息时期发展的趋向。
早期的光学重要钻研物质的宏观光学个性 ，如光的折射、反射、衍射、成像和照明等 ，较少钻研其微观的物理原因。随着本世纪60年代初激光的出现 ，人们着沉于钻研光子与物质相互作用、光子的性质。以及光子的产生、传布、探测等微观机造。本世纪下半叶光学向光子学方向的启发 ，极度类似于本世纪上半叶电学向电子学的启发、其科学及技术意思都极度深远。
本世纪以来 ，信息工程依附电子学和微电子学技术 ，如通讯是从无线电到微波 ，存储是从磁芯到半导体集成。运算发展是从电子管到大规模集成电路的电子推算机等等 ，所以。目前谈到信息技术都称为电子信息技术。从技术特点而言 ，我们正处于电子信息时期 ，其特点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会议提出）就已缜密地信息科学技术联系在一路了。现代社会和经济发展中 ，信息的容量剧增 ，随着高容量和高速度的信息发展 ，电子学（electronics）和微电子学（microelectronics）显出局限性。由于光子的速度要快得多 ，光的频率比无线电的频率高得多 ，为提高传布速度和载波密度 ，由电子到光子是发展的必然趋向 ，它会使信息技术的发展产生突破。目前 ，信息的探测、传输、存储、显示、运算和处置已由光子和电子共同参于来实现 ，所产生的光电子学（optoelectronics）技术已利用在信息领域。今后将更把稳光子的作用 ，继光电子学后 ，光子学技术在崛起。如美国把"电子和光子资料"、微电子学和光电子学"列为国度关键技术。以为"光子学在国度关键技术 ，以为"光子学在国度安全与经济竞争方面有着深远的意思和潜力"。通讯和推算机钻研与发展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发展。
1 光子学器件
光子学技术重要蕴含光子学的产生、探测、传输、节造和处置 ，因而必须有相应的光子学器件。与电子学器件相比 ，光子学器件中光子的使用不受回路散布延长的影响（通常为10－9s） ，光子在固体中传输速度为10 12cm/s左右 ，光子学器件的功夫响应和单路超大容量要比电子学器件高得多 ，这对信息技术发展有很大的推作为用。
高密度高有关性的激光光源始终对光信息工程起沉要作用 ，出格是半导体激光器。人们熟知。由于有了低阈值 ，低功耗 ，长命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 ，才使光盘存储技术实用化 ，并且目前高密度光存储的发展以半导体激光波长的缩短（从0。8um到0.65um和0.5um）为标志 ，形成三代光盘存储技术 ，大批子阱器件 ，高密度垂直腔面发射器 ，量子级联器件、微腔辐射与微腔光子动力学器件的发展 ，能够不休降低激光阈值 ，提高激光转换效能与输出功率 ，扩大波段 ，改善线宽。实现激光光源的阵列化和集成化。
非线性波导光学的发展 ，索求弱光非线性效应和资料 ，出格是在低维和纳米资猜中的光学非线性加强 ，能够研造出超高速光开关、空间光调造器 ，集成光子回路和光学双稳态器件等 ，人为微结构的光子晶体能够用来节造或定域光子态。由此造成光子节造器件。
仿照微电子集成器件 ，把分歧职能的光子器件通过内部光波导互连 ，造成了一个光子集成芯片 ，蕴含激光器与光子接受器、放大器、调造器和光开关等。目前光子集成器件重要利用各类电光效应 ，也离不开电的操作 ，因而实用的光子集成芯片必须配之相应的电子回路和成熟的微电子技术于终端处置。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世纪中的一个划时期变动 ，就是用光纤通讯包办电缆和微波通讯 ，简言之 ，信息的传输产生了性质性刷新。光纤通讯产业在国际上目前延猩习僖诿涝哪瓴。在信息高速公路海潮的推动下、高速公用通讯网和数字数据网会很快发展 ，巨大的信息流多?000Gb／s ，由此对光纤通讯在速度和容量上提出了更高要求。
本世纪70年代初由于低损耗的熔石英光纤和长命命的半导体激光器的研造成功 ，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；三年以来第二代光纤通讯由于利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 ，光信号能够在光纤内以均匀速度传布 ，传输容量增长了近10倍；第三代光纤通讯由于利用熔石英光纤的最低损耗波长（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技术的发展 ，产生了光学放大器 ，出格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 ，放大率达到30dB以上 ，不受信号偏振方向的影响 ，有很好的保真度 ，很快达到实用价值 ，另一项有沉大实用价值的光纤通讯的突破是波分复用技术 ，即统一路光纤中传输若干个分歧波长的光信号。用表调造的散布反馈激光器（DFB）达到高的信号传输率 ，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 ，分离出N个波长的载波激光 ，经检波器将信息解出。这种波分复用技术 ，使信息传输率增长了N倍。在光子集成回路再参与宽增益频带迪腼光纤放大器 ，就能够达到高传输率容量（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。
从传统的以光强度调造方式和直接检测方式的非有关光光纤通讯更换成以相位调造方式和差分检测方式的有关光光纤通讯 ，可使信号传递得更远。在有关光通讯中必要有频率和相位不变的激光光源。成功的有关光通讯可使信息传递距离迈入1000公里的纪元。在一条梦想的光纤内 ，"孤立子"（solition）能够无限远地传布。在光纤中孤立子的状态是由克尔效应和色散效应的赔偿来维持。孤立子的强度衰减用光纤放大器来赔偿。用皮秒（10 －12）激光脉冲 ，使孤立子彼此间不相互沉叠。在"零误码"情况下 ，孤立子能够在光纤中传递万里之远。孤立子传输中同样能够用波分复用技术来增大传递信息的容量。有关光通讯和孤立子光通讯是第五代光通讯 ，是跨入来世纪的光纤通讯。
3 光存储
20世纪末鼓起的光存储 ，出格是光盘存储技术 ，将对信息的存取产生沉大影响。光盘存储技术是数字化存储的取出。 ，与推算机直接衔接。与磁存储相比力 ，它有存储容量大、寿命长、可代替、不易败坏蹬着点。近年来。在几次国际大容量数据存储会议上 ，对光存储和磁存储做了分析对比。一致以为在今后15年内是光盘和磁盘兼容的时期 ，到来世纪光盘存储有可能成为推算机等重要的表存设备。CD（compact disk）光盘系列和在发展的DVD（digital versatile disk）已成为多媒体技术的重要介质 ，也已形成了上百亿元美元的产业。数字光盘存储技术正向更高存储密度和更高存取方向发展。最近蓝光半导体激光（GaN）有新的突破 ，合用于光盘存储读写用激光器将很快能实用化。因而 ，到来世纪 ，比现有存储密度高10倍（5英寸光盘可存储100亿比特）和存取速度高10倍（每秒1 亿比特）的能够擦除沉写的光盘将获得利用。
随着光子学技术的发展 ，目前的热纪录方式将向光子纪录方式发展。来世纪的超高密度急剧存储重要向以下几个方面发展；
（1）利用近场光学扫描显微镜（NSOM）进行超高密度信息存储。利用NSOM实现超高密度存储的关键在于实用化的少于光衍射极限的光点的产生及探测 ，光学头与纪录介质间少于波长间距的节造 ，近场区域瞬逝光与各类存储介质相互作用下的存储机理。 （2）使用角度多功、波长多功、空间多功与移动多功等的全息存储包办聚焦光速逐点存取的步骤 ，能够作为缓冲海量信息存储 ，存储暗杀可达到100Gb/cm3。关键在于索求对激光有急剧响应和有长存储寿命的光子存储资料。
（3）发展三维存储技术 ，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。来世纪初有可能研造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、擦职能 ，实现能在室温下烧孔存储的光谱烧孔多维存储。
4 光信息处置和推算
随着科学和工程技术的不休复杂化 ，对推算技术提出了更高的要求。推算杨向高速和智能化发展。运算的速度要高于10亿次浮点以上 ，但信号的传输速度还只为光速的0。5％。新一代的电子推算机也当吓宗并行的系统结构和适合于并行处置的软件。光学信息处置就充分阐扬了并列处置的利益 ，它有高速处置信息的能力。以图像为对象的光学信息已进行了多年工作。目前讲的全光推算机是用光学系统实现二维或多维的数据的数字推算 ，尚处于索求断。它利用多所周知的并列处置和高速处置的特点 ，使光在信息处置中阐扬大容量和高速的利益。研造出高效低功耗的光子器件依然是关健地点 ，在并列处置中首先要有面阵列的光子集成器件。高密度垂直腔面发射激光器（VCSEL）的光子集成回路是二维信息实时处置和图形识此外关健器件。目前研造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 下对光信息进行多路和二维的处置。它为光逻辑运算打下基础 ，有可能研造出开关功夫在纳秒、每秒亿次的光学数字处置器。
电子推算机向光学推算机发展中 ，有可能先经过光－电混合型 ，如利用光互连集成回路、若干光学开关和存储器以及光电转换元件 ，能够解决诸如电子推算机由于电路中不成预防的电阻和电容、电信号和传递速度受到RC弛豫功夫的限度 ，以及"时钟歪斜" ，互连拥挤、电子信号很容易自身滋扰等问题。所以目前光互连集成回路不仅为光子芯片与光学逻辑元件之间的运行衔接所必须。同时也在VLSI中作内联结。光学互连从光电混合型向全光型方向发展 ，前者等闲用于VLSI中作光互连 ，后者用可寻址的光源阵列 ，光学双稳态门阵劣注全息衍射光栅和检测器阵列组成 ，并行通路达10 数量级。进一步发展光学神经网络、光推算算法和结构及高密度交叉光互连等技术 ，逐步发展玉成光数字推算机。
光子学是近代光学的新启发 ，是继电子学 ，光电子学之后的新兴学科。20世纪我们重要处于电子信息时期 ，光电子学信息是跨世纪的 ，21世纪将进入光子信息时期 ，它标志取将实现Tb(10 bits)容量和Tb/s超大信息流的传递、存储、处置和运算。光子、光电子和微电子技术的结合 ，将鄙人间纪产生更高水平的信息技术。
