光子技术支撑新世纪

白杉 周洁

　　20世纪的最后十年，以光子学技术为依托的产业一经初露端倪，即以迅猛之势发展。网际科技界及产业界已经形成共识，认为光子产业将成为“改变世界技术的杠杆”，能够影响“各国的经济实力和国防实力”，并可凭籍光子学技术抢占发展的先机，从而在“尖端科技较量中夺魁”。从目前的技术视野和工业眼光来看，光子产业能够带来巨大的经济效益，是未来国际市场竞争的一个制高点。故此，许多发达的工业国家都把发展光子产业作为一项重要的技术国策。“在信息产业方面，如果说20世纪是电子世纪，那么21世纪是‘光子世纪’，光子技术将带来一场超过电子技术的产业革命。”专家们如是说。

一、大力发展光子技术和产业

　　光子技术和产业的基础是光子学。光子学是研究光子的产生、运动和转化的一门新兴学科，光子学的研究范围包括光子的产生、运动、传播、探测及光与物质的相互作用问题以及光子存载信息的传输、变换和处理问题等。当前，支撑信息社会的两大微观信息载体是电子和光子，它们都是微观粒子，因而作为能量和信息载体来说，他们具有共性，但是他们又存在许多差异。由于光子是波色子，不带电、传播速度快，光束可互相穿越而不互相干扰，因而可大规模互联和并行传输，具有独特的优越性。光子学的发展使古老的光学迸发出青春的活力，促进了光子技术的形成和发展。

　　目前已研究开发和正在开发的光子技术主要领域有：（1）作为光子发生与控制的激光技术和产业。（2）运算速度更快的光子计算机。（3）存储重大的光存储技术。（4）代替现行通信方式的光通信。（5）全息光技术。

二、光子技术的优势

1.响应速度快

　　光子学技术主要包含光子学的产生、探测、传输、控制和处理，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运用不受回路分布延迟的影响（一般为10-9s），光于在固体中传输速度为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，这对信息技术发展有很大的推动作用。

　　目前科学技术水平已能获得十几个飞秒的光子脉冲。光子信息系统的运算速度要大大超出现有的电子信息系统。

　　显然，这一点在未来信息时代的各种关键技术上将发挥巨大作用，尤其将会促成计算机技术的根本性变革。

2.传输容量大

　　光子技术的信息传输容量大。光子信息系统的空间带宽和频率带宽都很大，带宽和连接性的彻底改善将使系统的信息交换和传递更加通畅。这一优异特性已在现代光通信中得以充分体现，或者说近十年光纤通信的迅猛发展恰恰是光子技术促成的。光子学与光子技术已进入了当代信息技术最重要的一个领域：光纤通信领域。光纤通信的容量从原理上讲比微波通信大1万倍到10万倍以上，一路微波通道可以传送一路彩色电视或1千多路数字电话信号，而一根光纤则可以同时传送1千多万甚至1亿路电话。目前已完成了从第一代0.85μm波段与多模光纤，到第二代1.3μm波段零色散与单模光纤，再到第三代1.55μm波段与低损耗色散位移单模光纤的换代发展。目前，日本NEC公司实现了40Gbit/s×273，117km；而Alcatel公司则实现了40Gbit/s×256，100km的传输。

3.存储密度大

　　光子技术在信息存储领域的潜力令人刮目相看。以光存储的光盘已进入多媒体终端乃至千家万户；光盘存储的基础是光记录介质和精密伺服系统，更高的存储密度、更高的信息率（存入、取出）、高速数据传送是其发展的方向。光存储信息容量大，可靠性强，存取速度快，成本低且应用范围广。光盘、光卡的存储容量比磁盘、磁卡要高出200至20000倍，且不易磨损，不受外界磁场、温度影响，可靠性强。近年来，光盘以其数据存储密度高、误码率低、可靠性好及适应性强诸多优点而借受大众的青睬。目前，一张200mm双面光盘，其厚度不超过2.4mm，可存储两部电影的全部声像信息。随着可擦可录的大容量光盘的普及，价格低廉、复制方便的光盘将格外受到重视。科学家们认为，光盘已成为20世纪继汽车、电视、微机之后的又一项引人关注的重要发明。特别要提及的是，利用光子学方式可以实现三维立体存储，其容量之大，令人惊叹不己。一旦其关键技术取得突破，其无与伦比的优势便会立即显露出来。

4.处理速度快

　　信息处理是光于技术最重要的潜在应用。在光计算机中，同电气布线相比较，由于光的频率高，故可高速传递信息，而且还可利用多重波长，信息二维并列传送等，使信息传递能力大大提高。作为计算机的前处理技术还有模拟光计算，并列数字光计算等。光纤方法有极好的并行性，可以同时并行处理二维信息，实现三维并行互连及并行处理，能克服冯·诺依曼结构的电子计算机的瓶颈效应，特别有利于图像信息的处理、传输。用光学方法可演示神经网络的图像识别和复原的功能，具有并列信息处理、学习、自组织化机能的光神经网络正在开发中，尽管目前还处于初期的试验阶段。由于光可以进行并列处理，并且不需要阻抗匹配和不需要布线回路，故可进行高速信号调制等。这些优异的特点，超过了以前电气布线的极限，使高速处理系统得以实现。

5.微型化、集成化

　　微光子技术与光子集成（PIC）同微电子技术和集成电路（IC）一样，将得到大发展。微光子技术的应用涉及梯度折射率光学、衍射光学、纤维光学等许多分支。已研制出的许多元器件，包括自聚焦微透镜阵列、光纤面板与微通道板、软调线光刻及光互连用微小光学阵列器件等等，由于光波的波长短，光子信息系统的几何尺寸将大大缩小。光子集成（PIC）的特点是，它将有源光电子器件（如半导体激光器、光放大器、光探测器）与光波导器件（分/合波器、耦合器、滤波器、调制器、光开关等）集成在一块半导体芯片上，构成了一种单片全光功能性器件。这从根本上改变了集成光学、光电子集成中有源无源器件分别集成后再用光纤连接的弊端，从而使器件在体积、功耗等众多方面更具有竞争力。在有源器件方面，仅就信息处理单元来说，其元件的微小程度已远远小于集成电路中的电子元件。例如，单量子阱激光器中量子点处理元件的尺寸约在十分之一微米之下。小尺寸是光子技术的一大特点。光学、电子学及固体物理学之间的区别将变得模糊，实际上这三者已在原子水平上达到集成化。未来的光子信息系统将足够灵巧和可靠。

三、我国各地“光谷”竟相崛起

　　近10年来，全球的光电子产业市场增长率，一直保持在两位数势头，广阔的市场前景使得光电子技术的发展，正在引起一场超过电子、微电子技术的产业革命。中国的激光和光电子技术的科研发展起步不晚，几乎与世界同步，尤其是近十几年来，中国光电子产业市场的年增长率，亦始终保持在两位数的高速增长势头。我国的激光器及其应用设备、显示器件与显示屏、红外探测器和各种成像设备、光电子器件、光纤及光通信设备、光存储和多媒体技术的发展，均涉及到多种创新领域，从而大大促进了计算机设备、网络通信设备，彩电、DVD、掌上电脑电子产品、智能手机、手持音响播放设备、数码相机等新型信息光电子产品的发展，使我国进入一个全新的后PC时代。目前，中国已成为光电子产品的重要市场，为今后的发展带来了很好的机遇。我国中央政府和各级地方政府在制定“十五”规划时，均把发展光电子技术产业列入今后重中之重。自2000年以来，“武汉·中国光谷”、“广东·中国光谷”、“长春·中国光谷”等国家级光电子产业发展园区相继筹建，上海、西安、福州、南昌、济南、无锡、合肥、宁波、重庆、北京通州等地的“光电子科技产业园区”的建设也在加速进行中。

　　在2001年整个IT经济不景气的情况下，中国的信息产业还能“逆风飞扬”，其中光电子就占有很大一部分。目前，电信改革重组已完成，势必会迎来一个大发展、大建设时期，其中就需要大量的光纤等光电通信产品，这将刺激光电市场的发展。目前，光网络只占所有网络的30％，以电缆为基础的通信网络则占70％，这70％的通信网络会逐渐被光网络所取代。据统计，全球每年通信设备产值约7000亿美元，而光缆网络只占约2000亿美元，若每年以30％至35％的速度增长，未来将会有很好的发展远景。随着我国国民经济信息化的发展，势必会促使高速宽带通信网、本地网、接入网和有线电视网的建设规模逐步扩大。根据信息产业“十五”计划，未来5年内我国省级干线网带宽年增长200％，“十五”末我国光缆总长度将达到250万公里，其中长途干线光缆将达到50万公里。这就是说，今后四年将新增长途干线光缆16万公里，新增本地网、接入网光缆近100万公里。

　　在我国，据不完全统计，现有光纤通信企业和研究所已经超过320个，其中：光纤光缆企业193家、光电器件企业46家、光缆材料和配套件企业22家、光通信仪表企业9家、光通信传输设备企业50家。权威资料显示，截止2002年3月底，我国总的光缆铺设长度超过IS0万公里。平均芯数达到36芯。其中，长途线路长度力35.4万公里，接入光缆线路长度为39.2万公里，本地光缆线路长度为104.7万公里。我国总的光缆线路长度比上年底累计增长了33.4万公里，增加率为22.9％；与去年同期相比，则增加了34.2％。

　　我国光电子产业在快速发展的同时，也存在一些问题。国内光纤光缆制造企业的生产能力远远大于市场的需求；部分企业产品的同质化程度较高，产业重复建设严重，已引起低于成本的恶性价格竞争。从技术上讲，我国的光纤业大多数停留在买棒拉丝的阶段，科技含量低，利润空间小。还有一个致命缺陷，就是目标市场不明确。国内有的光纤通信产品企业在创办时就定位于与国际市场接轨，所以至今发展态势良好；而有的企业没有国外销售的途径，国内销售又不畅，因而处于非常困难的境地。目前我国的通信光纤光缆市场已经出现了饱和与过剩；在光器件领域，低端产品如连接头、跳线和耦合器等也已经出现了过剩，生产厂家相对较多；一些高端产品如中大规模的光开关、复用解复用器、FBG以及许多有源器件，虽具有大量的市场，却由于技术和资金等原因而相对较少甚至是空白。因此，需要有措施来保障光谷顺利走出可能出现的低谷。

白杉 高级工程师，硕士。

周洁 高级程序员，学士。

摘自　中国电信建设