现代光学及光子技术的应用（2）

  从技术发展的角度来看，20世纪是电子时代(又称微电子时代)，而21世纪被众多学者称为是光子时代，这是因为在未来高度信息化的社会里，光子学具备了巨大的技术应用前景。信息技术包括信息的探测、采集、处理、传输、显示、存储与拷贝等。现代信息技术的基本要求有三大方面：第一，是信息的高密度。由于信息量和信息密度的急剧增加，使原来基于电波长波的传送信息通道拥挤不堪，因而由长波转向短波和超短波，最后又转向光波，促使人们以光波作为信息载体，因此光通信、光记录、光显示等进入我们的生活。而且光波的应用也由红外向短波、紫外方向发展。例如在DVD光盘中，若以蓝光发射的激光器代替红光发射的激光器，则光学数据存储容量将增加25倍。第二，是信息的数字化。数字化量比模拟量更准确，易合成，易压缩。从多媒体角度看，图像的传播用光波更直接更方便。因此在图像信息的获取、传输、存储、处理、光电显示等方面，光子技术具有不可替代的作用。第三，是信息处理的高速度。对复杂信息进行实时的高速采集、大容量的传输、高密度的实时记录、大面积的真彩色显示和复制等，都离不开光子的参与，还有各种现代仪器要求光机电算一体(Optomechatronics)。因此光子学和光子技术在信息技术的诸多方面显示出更大的优势。光子技术应用的优势主要体现在以下几方面。

  1) 响应速度快。光子器件及其系统的响应速度快，例如光开关器件，响应时间可达飞秒(1fs=10-15s)量级，而电子器件及其系统的响应时间最快为纳秒(1ns=10-9s)量级。光子信息系统的运算速度大大超过现有的电子信息系统，这一点在未来的信息技术特别是计算机技术上将会促成根本性的变革。1990年1月，美国贝尔实验室完成了世界上第一台数字光处理器，其核心部件的光开关速度达到每秒10亿次，显示了光子技术的高速度运转和平行处理特征。

  2) 传输容量大。光子信息系统的空间带宽和频率带宽都很大，因此信息传输容量大，使信息交换和传递更加通畅。光纤通信的容量比微波通信的容量要大1万到10万倍，一路微波通道只可以传送一路彩色电视或1千多路数字电话信号，而一根光纤可以同时传送1千多万甚至1亿路电话信号。

  3) 存储密度大。光存储技术由于其信息存储密度大、容量大、可靠性强、存取速度快和低成本等特点，得到广泛应用。光盘早已进入多媒体终端和千家万户。光盘和光卡的存储量比磁盘、磁卡要高出200至20000倍，而且不易磨损，不受外磁场干扰，不受温度影响。可以说光盘是20世纪以来，继汽车、电视、微机之后的又一重大发明。有人预计，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，一旦关键技术取得突破，将会显示出无与伦比的优势。

  4) 处理速度快。高速度处理信息是光子技术最有潜力的应用。在光计算机中，与电气布线相比较，由于光的频率高，可以高速传递信息，而且可以利用多重波长、信息二维并列传递等，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。光纤具有极好的并行性，可以同时并行处理二维信息、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，特别有利于图像的处理和传输。用光学方法可以演示神经网络的图像识别和复原的功能，现在具有并列处理、学习、自组织化机能的光神经网络正处在开发和实验中。光不需要阻抗匹配，不需要布线回路，因此可以进行高速信号调制。这些特点远远超过了电气布线的局限。

  5) 微型化、集成化。微光子技术与光子集成(PIC)技术将同微电子技术和集成电路(IC)一样得到迅猛发展。微光子技术涉及梯度折射率光学、衍射光学、纤维光学等许多分支，已研制出许多微型光学阵列器件，由于光波波长短，光子信息系统的几何尺寸将大大缩小。光子集成的特点是将有源电子器件(如半导体激光器、光放大器、光探测器等)与光波导器件(如分合波器、耦合器、滤波器、调制器、光开关等)集成在一块半导体芯片上，构成一种单片全光功能性器件。这从根本上改变了集成光学和光电子集成中，有源无源器件分别集成后再利用光纤连接的弊端，使器件体积更小、功耗更低。

  2.2 光子学与其他学科的进一步结合

  1) 光子学与生物学相结合。生物的基本单元是细胞，细胞里的DNA(脱氧核糖核酸)，呈双重螺旋结构，由被称为A、G、C、T的4种碱基组成，碱基有吸收光谱，其荧光寿命小于10ps(皮秒)，因此需要亚皮秒或飞秒级的脉冲来准确测量这些碱基的光谱和荧光寿命，这样就能准确地认识分子。生命是取决于遗传因子这一物质的作用的，科学家希望能用光来控制遗传因子，继而控制生命和物质。人的大脑里有大约1千亿个神经细胞，信号从一个细胞传到另一个细胞时，经过一个叫做突触的接点。这个接点是不连续的，其间的信息由神经物质来传递，也就是说大脑或心灵的活动也是由这种神经传递物质所控制的，既然心灵活动是基于物质的作用，那么就可以用光来控制。这方面的研究还有待于光学专家与生命科学家共同取得突破性进展。

  2) 光子学与飞秒化学相结合。20世纪30年代人们提出了化学反应的过渡态理论，把化学动力学的研究深入到微观过程。过渡态只是一个理论假设，反应物越过这个过渡态就形成了产物。飞越过渡态的时间尺度是分子振动周期的量级，当时被认为是不可能通过实验来研究的，因此在化学反应路径上，过渡态成了未解之谜。到20世纪80年代飞秒激光器研制成功，飞秒激光器的脉冲宽度正是化学反应经历过渡态的时间尺度。飞秒激光脉冲如同一个飞秒尺寸的探针，可以跟踪化学反应中原子或分子的运动和变化。美国加州理工学院的泽维尔教授率先应用飞秒光谱研究化学反应过渡态的探测，并取得了世人瞩目的成就，因此获得1999年诺贝尔化学奖，从而形成了飞秒化学这一物理化学的新学科。目前飞秒化学已经广泛应用到化学和生命科学各领域。

  3) 光子学与医学相结合。老年痴呆症是一种大脑退化病，由于它的不确定性使人们感到困苦忧伤。为了研究这种病，医学上寻求一种对大脑无损伤的诊断方法。因为皮肤、骨头和血液对波长在600~1300nm之间的光透过很好，已经有一种红光探针用于诊断脑部疾病。科技人员用647nm波长的探针透过头盖骨进入大脑，在那里使脑组织发出近红外的荧光，这个荧光光谱返回并透过头盖骨被收集分析，带回健康组织和疾病组织的一些特征。这种技术叫做近红外荧光光谱技术，它是完全无损伤的。用这种技术还可以测出服药与不服药的病人之间疾病变化速率的差异。可以预见，这种光谱技术有朝一日会成为治疗脑部疾病的有力武器。

  4) 光子学与农业科学结合。激光对有机体的作用是相当复杂的，到目前大致认为是激光通过光、热、压力、和电磁场等效应对有机体发生作用。预计光子技术在激光育种、作物生长期照射、激光灭虫等领域也会有更大的用武之地。光子技术还可以应用到农业生产。日本滨松光子公司的一个植物实验工厂，利用半导体激光器种植水稻，实验表明，已经有一年收获五季水稻的可能。由于没有病虫害，如果考虑上下五层并将种植密度提高5倍，则总收获量可期望提高625倍。这对人类将是巨大贡献。还有光电遥感技术，帮助人类解决目前所面临的能源、粮食、气象预报、环境监测等问题。资料表明，美国用光电遥感仪监视洪水、改造良田、探测农作物病虫害、改进油田探测及小麦估产等5项，每年的经济收益达15亿美元以上。

  2.3 光子学及其高新技术的广泛应用

  1) 光机电算高度一体化。光子学及其技术在生产实践过程中的自动监控、图像分析、精密测量、信息处理、能源利用、微观探索等各个领域正发挥着越来越重要的作用。未来仪器要求光机电算高度一体化，它是光学、机械、电子、计算机等领域的高度融合，随着激光、光纤、微电子、计算机、高分子材料以及软件技术的发展，光机电算一体化仪器将层出不穷。

  2) 光学超快速技术的发展。超快速技术产生于一个皮秒(10-12s)或飞秒(10-15s)数量级范围的非常短的激光脉冲，飞秒激光器提供了极短的时间间隔内的相当高能量的脉冲，因此与其它技术相比，把由于热弥散引起的效应和相关的损伤减小到最低的程度。超快速激光器能在钢铁或其它微型机械的材料上钻一个小孔而不引起附加的损伤。为了生物实验和光学信息处理，已经试制出带有微米量级运动部件的微型机械样品。但超快速微加工技术仍然是一个新领域，有待进一步发展。

  3) 光学显示技术的提高。除了高分辨率电视(HDTV)外，利用全息技术的动态图像的三维显示，将发展成三维电影和三维电视，在澳大利亚黄金海岸的电影主题公园，人们已经欣赏到类似电影。红、绿、蓝光输出的发光二极管(LED)已经在一些全彩色显示上得到应用。而电子报纸和电子杂志已经取得成功，随着显示器件的进展，将很快走向商业化，像普通报纸杂志那样灵活方便。

  4) 光计算机技术的突破。继电脑之后，21世纪将是光脑发展的时代。人们预计，条件成熟时，光脑(光计算机)有可能取代电脑，光脑与电脑相比具有优势如下:一是并行处理能力强，运算速度高，比电脑快1000倍。二是高速电脑由于产生热量而影响速度，只能在低温下工作;而光脑可以在室温下工作。三是光子不需要导线，即使光线交接也不会产生相互影响。作为无导线计算机传递信息的平行通道，其密度是无限的。四是一台光脑只需很小能量就能驱动，耗能相当于电脑的若干分之一。目前光脑的关键技术，例如光存储，仍然是以硅基电子芯片作为心脏部件，如果能使光子互连立足在硅基材料上实现，发展硅基光子学将会带来新的突破。还需要大幅度提高光脑的运算能力即增加光开关的数量。

  5) 光纤通信技术的发展。光纤通信是光子技术最具代表性的成就。光纤的出色传输能力使以光网络为代表的宽带传递与接入技术快速发展，成为新一代传送网的基础。人们乐观地估计，随着密集波分复用技术(DWDM)、码压缩等技术的应用，一根光缆所载荷的容量就足以满足全球的话音通信。诸如可视电话会议、全自动化无人操作工厂、全球信息联网等必将到来。

  6) 光带 大容量离线存储技术的发展。光带是一种将数据信息存储在条形介质带上的光存储器件，它结合了光盘和磁带这两种目前最流行的存储技术的优点，兼有光盘的高密度和磁带的总存储量可以很大的优点，目前推出的产品在一个43cmx27cmx66cm的箱体内，存储量可达1TB以上，按信号调制方式的不同，最大可达4.5TB，还具有数据传输速率快(高达180MB/s)、信息存取时间短(33GB/s，存取1TB的数据，平均时间10s)、系统成本低、存储数据可靠、使用寿命长(大于100年)的特点。它是目前发达国家特别是美国正在积极开发的数字存储技术之一。

  7) 光学器件的发展。未来的探测器件和成像器件将继续向着高增益、高分辨率、低噪声、宽光谱响应、大动态范围、小型化、固体化和真空与固体相结合的方向发展。随着各种元器件性能的提高，将使图像增强技术、低照度摄像技术、光子探测技术和红外成像技术等跃上新的台阶。

审核编辑 黄宇