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0431-81702023
光學工程
光子學的發展對當代信息技術的影響

 摘要 :文章介紹了光子學在通信、存儲、信息處理和計算中的應用,論述了光子學的開拓對信息技術發展的深遠影響,指出了從電子信息時代向光子信息時代發展的趨勢。 
  早期的光學主要研究物質的宏觀光學特性,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原因。隨著本世紀60年代初激光的出現,人們著重于研究光子與物質相互作用、光子的本質。以及光子的產生、傳播、探測等微觀機制。本世紀下半葉光學向光子學方向的開拓,十分類似于本世紀上半葉電學向電子學的開拓、其科學及技術意義都十分深遠。 
  本世紀以來,信息工程依靠電子學和微電子學技術,如通信是從無線電到微波,存儲是從磁芯到半導體集成。運算發展是從電子管到大規模集成電路的電子計算機等等,所以。目前談到信息技術都稱為電子信息技術。從技術特征而言,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)從最早的定義(“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會議提出)就已緊密地信息科學技術聯系在一起了。當代社會和經濟發展中,信息的容量劇增,隨著高容量和高速度的信息發展,電子學(electronics)和微電子學(microelectronics)顯出局限性。由于光子的速度要快得多,光的頻率比無線電的頻率高得多,為提高傳播速度和載波密度,由電子到光子是發展的必然趨勢,它會使信息技術的發展產生突破。目前,信息的探測、傳輸、存儲、顯示、運算和處理已由光子和電子共同參于來完成,所產生的光電子學(optoelectronics)技術已應用在信息領域。今后將更注意光子的作用,繼光電子學后,光子學技術正在崛起。如美國把“電子和光子材料“、微電子學和光電子學“列為國家關鍵技術。認為“光子學在國家關鍵技術,認為“光子學在國家安全與經濟競爭方面有著深遠的意義和潛力“。通信和計算機研究與發展的末來屬于光子學領域“從電子學到光電子學和光子學是跨世紀的發展。 
  1.光子學器件 
  光子學技術主要包含光子學的產生、探測、傳輸、控制和處理,因而必須有相應的光子學器件。與電子學器件相比,光子學器件中光子的運用不受回路分布延遲的影響(一般為10-9s),光子在固體中傳輸速度為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,這對信息技術發展有很大的推動作用。
高密度高相干性的激光光源始終對光信息工程起重要作用,特別是半導體激光器。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,使光纖通信成為現實,并以0。8um,1.3um和 1.55um的激光光源形成三個光通信的窗口,由于有高功率單模半導體激光器,才使光盤存儲技術實用化,并且目前高密度光存儲的發展以半導體激光波長的縮短(從0。8um到0.65um和0.5um)為標志,形成三代光盤存儲技術,多量子阱器件,高密度垂直腔面發射器,量子級聯器件、微腔輻射與微腔光子動力學器件的發展,可以不斷降低激光閾值,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。
  非線性波導光學的發展,探索弱光非線性效應和材料,特別是在低維和納米材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,把不同功能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。目前光子集成器件主要應用各種電光效應,也離不開電的操作,因此實用的光子集成芯片必須配之相應的電子回路和成熟的微電子技術于終端處理。即大型的光電子集成系統。 
  2.光通信

 把光子作為信息載體,是20世紀中的一個劃時代變化,就是用光纖通信代替電纜和微波通信,簡言之,信息的傳輸發生了本質性變革。光纖通信產業在國際上目前已有上百億美元的年產值。在信息高速公路浪潮的推動下、高速公用通信網和數字數據網會很快發展,巨大的信息流多達1000Gb/s,由此對光纖通訊在速度和容量上提出了更高要求。 
  本世紀70年代初由于低損耗的熔石英光纖和長壽命的半導體激光器的研制成功,使光通信成為可能。1978年前一條10公里長的光纖,最高傳輸率為1Gb/s,稱為第一代光纖通信;三年以后第二代光纖通信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均勻速度傳播,傳輸容量增加了近10倍;第三代光纖通信由于應用熔石英光纖的最低損耗波長(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技術的發展,產生了光學放大器,特別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,放大率達到30dB以上,不受信號偏振方向的影響,有很好的保真度,很快達到實用價值,另一項有重大實用價值的光纖通信的突破是波分復用技術,即同一路光纖中傳輸若干個不同波長的光信號。用外調制的分布反饋激光器(DFB)達到高的信號傳輸率,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,分離出N個波長的載波激光,經檢波器將信息解出。這種波分復用技術,使信息傳輸率增加了N倍。在光子集成回路再加入寬增益頻帶的鉺光纖放大器,就可以達到高傳輸率容量(100Gb/s)和無中繼長距離(>100km)的光纖通信系統,可稱為第四代光纖通信。
  從傳統的以光強度調制方式和直接檢測方式的非相干光光纖通信改換成以相位調制方式和差分檢測方式的相干光光纖通信,可使信號傳遞得更遠。在相干光通信中需要有頻率和相位穩定的激光光源。成功的相干光通信可使信息傳遞距離邁入1000公里的紀元。在一條理想的光纖內,“孤立子“(solition)可以無限遠地傳播。在光纖中孤立子的形狀是由克爾效應和色散效應的補償來保持。孤立子的強度衰減用光纖放大器來補償。用皮秒(10 -12)激光脈沖,使孤立子彼此間不相互重疊。在“零誤碼“情況下,孤立子可以在光纖中傳遞萬里之遠。孤立子傳輸中同樣可以用波分復用技術來增大傳遞信息的容量。相干光通信和孤立子光通信是第五代光通信,是跨入下世紀的光纖通信。 
  3.光存儲
  20世紀末興起的光存儲,特別是光盤存儲技術,將對信息的存取產生重大影響。光盤存儲技術是數字化存儲的取出。,與計算機直接連接。與磁存儲相比較,它有存儲容量大、壽命長、可替換、不易損壞等優點。近年來。在幾次國際大容量數據存儲會議上,對光存儲和磁存儲做了分析對比。一致認為在今后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計算機等主要的外存設備。CD(compact disk)光盤系列和正在發展的DVD(digital versatile disk)已成為多媒體技術的主要介質,也已形成了上百億元美元的產業。數字光盤存儲技術正向更高存儲密度和更高存取方向發展。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實用化。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)和存取速度高10倍(每秒1 億比特)的可以擦除重寫的光盤將獲得應用。
  隨著光子學技術的發展,目前的熱記錄方式將向光子記錄方式發展。下世紀的超高密度快速存儲主要向以下幾個方面發展;

(1)利用近場光學掃描顯微鏡(NSOM)進行超高密度信息存儲。利用NSOM實現超高密度存儲的關鍵在于實用化的少于光衍射極限的光點的產生及探測,光學頭與記錄介質間少于波長間距的控制,近場區域瞬逝光與各類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代替聚焦光速逐點存取的方法,可以作為緩沖海量信息存儲,存儲密謀可達到100Gb/cm3。關鍵在于探索對激光有快速響應和有長存儲壽命的光子存儲材料。
(3)發展三維存儲技術,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、擦功能,實現能在室溫下燒孔存儲的光譜燒孔多維存儲。
  4.光信息處理和計算
  隨著科學和工程技術的不斷復雜化,對計算技術提出了更高的要求。計算楊向高速和智能化發展。運算的速度要高于10億次浮點以上,但信號的傳輸速度還只為光速的0.5%。新一代的電子計算機也領先于并行的系統結構和適合于并行處理的軟件。光學信息處理就充分發揮了并列處理的優點,它有高速處理信息的能力。以圖像為對象的光學信息已進行了多年工作。目前講的全光計算機是用光學系統完成二維或多維的數據的數字計算,尚處于探索斷。它利用眾所周知的并列處理和高速處理的特點,使光在信息處理中發揮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,在并列處理中首先要有面陣列的光子集成器件。高密度垂直腔面發射激光器(VCSEL)的光子集成回路是二維信息實時處理和圖形識別的關健器件。目前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 下對光信息進行多路和二維的處理。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理器。
  電子計算機向光學計算機發展中,有可能先經過光-電混合型,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,可以解決諸如電子計算機由于電路中不可避免的電阻和電容、電信號和傳遞速度受到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干擾等問題。所以目前光互連集成回路不僅為光子芯片與光學邏輯元件之間的運行連接所必需。同時也在VLSI中作內聯結。光學互連從光電混合型向全光型方向發展,前者輕易用于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 數量級。進一步發展光學神經網絡、光計算算法和結構及高密度交叉光互連等技術,逐步發展成全光數字計算機。 
  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,它標志著將實現Tb(10 bits)容量和Tb/s超大信息流的傳遞、存儲、處理和運算。光子、光電子和微電子技術的結合,將在下世紀產生更高水平的信息技術。

 


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