摘要 ：文章介紹了光子學(xué)在通信、存儲(chǔ)、信息處理和計(jì)算中的應(yīng)用，論述了光子學(xué)的開拓對(duì)信息技術(shù)發(fā)展的深遠(yuǎn)影響，指出了從電子信息時(shí)代向光子信息時(shí)代發(fā)展的趨勢。
早期的光學(xué)主要研究物質(zhì)的宏觀光學(xué)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(jì)60年代初激光的出現(xiàn)，人們著重于研究光子與物質(zhì)相互作用、光子的本質(zhì)。以及光子的產(chǎn)生、傳播、探測等微觀機(jī)制。本世紀(jì)下半葉光學(xué)向光子學(xué)方向的開拓，十分類似于本世紀(jì)上半葉電學(xué)向電子學(xué)的開拓、其科學(xué)及技術(shù)意義都十分深遠(yuǎn)。
本世紀(jì)以來，信息工程依靠電子學(xué)和微電子學(xué)技術(shù)，如通信是從無線電到微波，存儲(chǔ)是從磁芯到半導(dǎo)體集成。運(yùn)算發(fā)展是從電子管到大規(guī)模集成電路的電子計(jì)算機(jī)等等，所以。目前談到信息技術(shù)都稱為電子信息技術(shù)。從技術(shù)特征而言，我們正處于電子信息時(shí)代，其特征為信息的載體是電子。
光子學(xué)（photonics）從最早的定義（“光子學(xué)是以光子作為信息載體的一門系統(tǒng)性科學(xué)“）1970年第九界國際高速攝影會(huì)議提出）就已緊密地信息科學(xué)技術(shù)聯(lián)系在一起了。當(dāng)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，信息的容量劇增，隨著高容量和高速度的信息發(fā)展，電子學(xué)（electronics）和微電子學(xué)（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(fā)展的必然趨勢，它會(huì)使信息技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生突破。目前，信息的探測、傳輸、存儲(chǔ)、顯示、運(yùn)算和處理已由光子和電子共同參于來完成，所產(chǎn)生的光電子學(xué)（optoelectronics）技術(shù)已應(yīng)用在信息領(lǐng)域。今后將更注意光子的作用，繼光電子學(xué)后，光子學(xué)技術(shù)正在崛起。如美國把“電子和光子材料“、微電子學(xué)和光電子學(xué)“列為國家關(guān)鍵技術(shù)。認(rèn)為“光子學(xué)在國家關(guān)鍵技術(shù)，認(rèn)為“光子學(xué)在國家安全與經(jīng)濟(jì)競爭方面有著深遠(yuǎn)的意義和潛力“。通信和計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展的末來屬于光子學(xué)領(lǐng)域“從電子學(xué)到光電子學(xué)和光子學(xué)是跨世紀(jì)的發(fā)展。
1.光子學(xué)器件
光子學(xué)技術(shù)主要包含光子學(xué)的產(chǎn)生、探測、傳輸、控制和處理，因而必須有相應(yīng)的光子學(xué)器件。與電子學(xué)器件相比，光子學(xué)器件中光子的運(yùn)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(xué)器件的時(shí)間響應(yīng)和單道超大容量要比電子學(xué)器件高得多，這對(duì)信息技術(shù)發(fā)展有很大的推動(dòng)作用。
高密度高相干性的激光光源始終對(duì)光信息工程起重要作用，特別是半導(dǎo)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(yīng)的半導(dǎo)體激光器，使光纖通信成為現(xiàn)實(shí)，并以0。8um,1.3um和 1.55um的激光光源形成三個(gè)光通信的窗口，由于有高功率單模半導(dǎo)體激光器，才使光盤存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)用化，并且目前高密度光存儲(chǔ)的發(fā)展以半導(dǎo)體激光波長的縮短（從0。8um到0.65um和0.5um）為標(biāo)志，形成三代光盤存儲(chǔ)技術(shù)，多量子阱器件，高密度垂直腔面發(fā)射器，量子級(jí)聯(lián)器件、微腔輻射與微腔光子動(dòng)力學(xué)器件的發(fā)展，可以不斷降低激光閾值，提高激光轉(zhuǎn)換效率與輸出功率，擴(kuò)展波段，改善線寬。實(shí)現(xiàn)激光光源的陣列化和集成化。
非線性波導(dǎo)光學(xué)的發(fā)展，探索弱光非線性效應(yīng)和材料，特別是在低維和納米材料中的光學(xué)非線性增強(qiáng)，可以研制出超高速光開關(guān)、空間光調(diào)制器，集成光子回路和光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件等，人工微結(jié)構(gòu)的光子晶體可以用來控制或定域光子態(tài)。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(nèi)部光波導(dǎo)互連，制成了一個(gè)光子集成芯片，包括激光器與光子接受器、放大器、調(diào)制器和光開關(guān)等。目前光子集成器件主要應(yīng)用各種電光效應(yīng)，也離不開電的操作，因此實(shí)用的光子集成芯片必須配之相應(yīng)的電子回路和成熟的微電子技術(shù)于終端處理。即大型的光電子集成系統(tǒng)。
2.光通信
把光子作為信息載體，是20世紀(jì)中的一個(gè)劃時(shí)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(fā)生了本質(zhì)性變革。光纖通信產(chǎn)業(yè)在國際上目前已有上百億美元的年產(chǎn)值。在信息高速公路浪潮的推動(dòng)下、高速公用通信網(wǎng)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)會(huì)很快發(fā)展，巨大的信息流多達(dá)1000Gb／s，由此對(duì)光纖通訊在速度和容量上提出了更高要求。
本世紀(jì)70年代初由于低損耗的熔石英光纖和長壽命的半導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)體激光器和探測器，光信號(hào)可以在光纖內(nèi)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(yīng)用熔石英光纖的最低損耗波長（1。55um），配上該波長的半導(dǎo)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(jì)末期由于光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了光學(xué)放大器，特別是半導(dǎo)體激光器光泵的摻鉺的光纖放大器（EDFA），由于光信號(hào)的直接放大，放大率達(dá)到30dB以上，不受信號(hào)偏振方向的影響，有很好的保真度，很快達(dá)到實(shí)用價(jià)值，另一項(xiàng)有重大實(shí)用價(jià)值的光纖通信的突破是波分復(fù)用技術(shù)，即同一路光纖中傳輸若干個(gè)不同波長的光信號(hào)。用外調(diào)制的分布反饋激光器（DFB）達(dá)到高的信號(hào)傳輸率，用光纖寬帶耦合器將N 種波長的激光信號(hào)耦合入一條公用傳輸光纖，在信號(hào)終端用光纖柵濾器，分離出N個(gè)波長的載波激光，經(jīng)檢波器將信息解出。這種波分復(fù)用技術(shù)，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(dá)到高傳輸率容量（100Gb/s）和無中繼長距離（＞100km）的光纖通信系統(tǒng)，可稱為第四代光纖通信。
從傳統(tǒng)的以光強(qiáng)度調(diào)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(diào)制方式和差分檢測方式的相干光光纖通信，可使信號(hào)傳遞得更遠(yuǎn)。在相干光通信中需要有頻率和相位穩(wěn)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(jì)元。在一條理想的光纖內(nèi)，“孤立子“（solition）可以無限遠(yuǎn)地傳播。在光纖中孤立子的形狀是由克爾效應(yīng)和色散效應(yīng)的補(bǔ)償來保持。孤立子的強(qiáng)度衰減用光纖放大器來補(bǔ)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(yuǎn)。孤立子傳輸中同樣可以用波分復(fù)用技術(shù)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(jì)的光纖通信。
3.光存儲(chǔ)
20世紀(jì)末興起的光存儲(chǔ)，特別是光盤存儲(chǔ)技術(shù)，將對(duì)信息的存取產(chǎn)生重大影響。光盤存儲(chǔ)技術(shù)是數(shù)字化存儲(chǔ)的取出。，與計(jì)算機(jī)直接連接。與磁存儲(chǔ)相比較，它有存儲(chǔ)容量大、壽命長、可替換、不易損壞等優(yōu)點(diǎn)。近年來。在幾次國際大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)會(huì)議上，對(duì)光存儲(chǔ)和磁存儲(chǔ)做了分析對(duì)比。一致認(rèn)為在今后15年內(nèi)是光盤和磁盤兼容的時(shí)期，到下世紀(jì)光盤存儲(chǔ)有可能成為計(jì)算機(jī)等主要的外存設(shè)備。CD（compact disk）光盤系列和正在發(fā)展的DVD（digital versatile disk）已成為多媒體技術(shù)的主要介質(zhì)，也已形成了上百億元美元的產(chǎn)業(yè)。數(shù)字光盤存儲(chǔ)技術(shù)正向更高存儲(chǔ)密度和更高存取方向發(fā)展。最近藍(lán)光半導(dǎo)體激光（GaN）有新的突破，適用于光盤存儲(chǔ)讀寫用激光器將很快能實(shí)用化。因此，到下世紀(jì)，比現(xiàn)有存儲(chǔ)密度高10倍（5英寸光盤可存儲(chǔ)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(yīng)用。
隨著光子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前的熱記錄方式將向光子記錄方式發(fā)展。下世紀(jì)的超高密度快速存儲(chǔ)主要向以下幾個(gè)方面發(fā)展；
（1）利用近場光學(xué)掃描顯微鏡（NSOM）進(jìn)行超高密度信息存儲(chǔ)。利用NSOM實(shí)現(xiàn)超高密度存儲(chǔ)的關(guān)鍵在于實(shí)用化的少于光衍射極限的光點(diǎn)的產(chǎn)生及探測，光學(xué)頭與記錄介質(zhì)間少于波長間距的控制，近場區(qū)域瞬逝光與各類存儲(chǔ)介質(zhì)相互作用下的存儲(chǔ)機(jī)理。
（2）運(yùn)用角度多功、波長多功、空間多功與移動(dòng)多功等的全息存儲(chǔ)代替聚焦光速逐點(diǎn)存取的方法，可以作為緩沖海量信息存儲(chǔ)，存儲(chǔ)密謀可達(dá)到100Gb/cm3。關(guān)鍵在于探索對(duì)激光有快速響應(yīng)和有長存儲(chǔ)壽命的光子存儲(chǔ)材料。
（3）發(fā)展三維存儲(chǔ)技術(shù)，如光子引發(fā)的電子俘獲三維存儲(chǔ)光盤和光譜燒孔存儲(chǔ)等高密度光存儲(chǔ)。下世紀(jì)初有可能研制出使用次數(shù)達(dá)百萬次的多層電子俘獲三維光盤，能高速高密度地執(zhí)行讀、寫、擦功能，實(shí)現(xiàn)能在室溫下燒孔存儲(chǔ)的光譜燒孔多維存儲(chǔ)。
4.光信息處理和計(jì)算
隨著科學(xué)和工程技術(shù)的不斷復(fù)雜化，對(duì)計(jì)算技術(shù)提出了更高的要求。計(jì)算楊向高速和智能化發(fā)展。運(yùn)算的速度要高于10億次浮點(diǎn)以上，但信號(hào)的傳輸速度還只為光速的0.5%。新一代的電子計(jì)算機(jī)也領(lǐng)先于并行的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和適合于并行處理的軟件。光學(xué)信息處理就充分發(fā)揮了并列處理的優(yōu)點(diǎn)，它有高速處理信息的能力。以圖像為對(duì)象的光學(xué)信息已進(jìn)行了多年工作。目前講的全光計(jì)算機(jī)是用光學(xué)系統(tǒng)完成二維或多維的數(shù)據(jù)的數(shù)字計(jì)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(diǎn)，使光在信息處理中發(fā)揮大容量和高速的優(yōu)點(diǎn)。研制出高效低功耗的光子器件仍然是關(guān)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(fā)射激光器（VCSEL）的光子集成回路是二維信息實(shí)時(shí)處理和圖形識(shí)別的關(guān)健器件。目前研制出的高密度對(duì)稱反射式自電光效應(yīng)（SR－SEED）無腔面的光雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)集成面陣，可在光功耗極低（＜10fj/um2 下對(duì)光信息進(jìn)行多路和二維的處理。它為光邏輯運(yùn)算打下基礎(chǔ)，有可能研制出開關(guān)時(shí)間在納秒、每秒億次的光學(xué)數(shù)字處理器。
電子計(jì)算機(jī)向光學(xué)計(jì)算機(jī)發(fā)展中，有可能先經(jīng)過光－電混合型，如應(yīng)用光互連集成回路、若干光學(xué)開關(guān)和存儲(chǔ)器以及光電轉(zhuǎn)換元件，可以解決諸如電子計(jì)算機(jī)由于電路中不可避免的電阻和電容、電信號(hào)和傳遞速度受到RC弛豫時(shí)間的限制，以及“時(shí)鐘歪斜“，互連擁擠、電子信號(hào)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(xué)邏輯元件之間的運(yùn)行連接所必需。同時(shí)也在VLSI中作內(nèi)聯(lián)結(jié)。光學(xué)互連從光電混合型向全光型方向發(fā)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(xué)雙穩(wěn)態(tài)門陣列、全息衍射光柵和檢測器陣列組成，并行通道達(dá)10 數(shù)量級(jí)。進(jìn)一步發(fā)展光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光計(jì)算算法和結(jié)構(gòu)及高密度交叉光互連等技術(shù)，逐步發(fā)展成全光數(shù)字計(jì)算機(jī)。
光子學(xué)是近代光學(xué)的新開拓，是繼電子學(xué)，光電子學(xué)之后的新興學(xué)科。20世紀(jì)我們主要處于電子信息時(shí)代，光電子學(xué)信息是跨世紀(jì)的，21世紀(jì)將進(jìn)入光子信息時(shí)代，它標(biāo)志著將實(shí)現(xiàn)Tb(10 bits)容量和Tb/s超大信息流的傳遞、存儲(chǔ)、處理和運(yùn)算。光子、光電子和微電子技術(shù)的結(jié)合，將在下世紀(jì)產(chǎn)生更高水平的信息技術(shù)。