1.3　光電子技術(shù)的發(fā)展與展望

光電子技術(shù)正以無(wú)與倫比的速度迅速發(fā)展，1976年美國(guó)在波士頓和華盛頓之間鋪設(shè)了第一條光纖通信線路，全長(zhǎng)1200km，傳輸速率為44Mbit/s。當(dāng)時(shí)的第一根光纖僅可供兩人通話，而現(xiàn)在世界上最先進(jìn)的“波分復(fù)用”技術(shù)，已能使上億人通過(guò)一對(duì)光纖實(shí)現(xiàn)同時(shí)通話。

大規(guī)模光纖用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)方案是：①光纖到路邊，然后用銅線連接到住宅的支線；②光纖到商業(yè)用戶(hù)，然后用雙絞線連接到用戶(hù)；③光纖到家庭，這是光纖用戶(hù)網(wǎng)的最終方案。這些就是“信息高速公路”建設(shè)的基礎(chǔ)。光通信、光存儲(chǔ)和光電顯示技術(shù)的興起和它們?cè)诮鼛资陙?lái)的飛快發(fā)展，已使人們認(rèn)識(shí)到光電子學(xué)技術(shù)的重要性和它廣闊的發(fā)展前景，并且成為光電子領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)。

就信息高速傳輸而言，目前，實(shí)用化波分復(fù)用系統(tǒng)最大波道數(shù)已達(dá)80個(gè)，美國(guó)朗訊已推出80個(gè)波長(zhǎng)的波分復(fù)用系統(tǒng)。從理論上講，光纖全部可用頻段達(dá)25THz，為無(wú)線通信全部頻段的800多倍，具有巨大的優(yōu)勢(shì)。在光連接器、光耦合器、光發(fā)射/接收器、光放大器等器件方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。最近，光纖喇曼放大器成功地應(yīng)用于高密度波分復(fù)用技術(shù)系統(tǒng)中，富士通在211×10Gbit/s的高密度波分復(fù)用技術(shù)系統(tǒng)中，使無(wú)中繼傳輸距離從50km增加到80km，系統(tǒng)傳輸距離達(dá)到7200km。

在高速信息傳輸系統(tǒng)中，光交換器件也是關(guān)鍵部分之一。近年來(lái)，在光交叉連接（OXC）和光分插復(fù)用（OADM）中所必需的光交換器件，其性能不斷提高，在插入損耗、隔離度、消光比、偏振敏感性、尺寸等方面均具有良好的性能。日本NTT的研究人員利用二維陣列實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1000個(gè)輸入通道的自由空間光交換實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在光連接器和光耦合器技術(shù)上也已能滿(mǎn)足高速的信息傳輸?shù)囊?。目前利用光子集成技術(shù)已制成了應(yīng)用于光電系統(tǒng)的多波長(zhǎng)激光器列陣、光探測(cè)器列陣、波導(dǎo)光柵路由器等器件，使用這樣的集成芯片大大加強(qiáng)了光電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力。

在光通信中，遠(yuǎn)距離和高比特率一直是人們努力追求的方向，而且正在為21世紀(jì)信息時(shí)代的需求研制各種新的光通信系統(tǒng)。在光纖通信領(lǐng)域中，波分復(fù)用系統(tǒng)及其技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得寬頻帶大容量通信光纖系統(tǒng)達(dá)到技術(shù)高峰。大容量波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)樣機(jī)，將是全球通信網(wǎng)的主要骨架。另一方面，光孤子通信系統(tǒng)的研究是目前光纖通信研究最活躍的領(lǐng)域。由于光孤子脈沖傳輸不變形的特性，再加上光放大和光脈沖壓縮技術(shù)，將極大地提高傳輸速率和大幅度增加無(wú)中繼的傳輸距離。

近年來(lái)，由于光電子技術(shù)不斷地向前發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的發(fā)展趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)。在光互連和光計(jì)算領(lǐng)域的研究方面，國(guó)外的研究人員已經(jīng)開(kāi)始研究在路由器中用全光學(xué)矩陣開(kāi)關(guān)來(lái)取代原有的電開(kāi)關(guān)，并在光計(jì)算方面也取得了進(jìn)展。在因特網(wǎng)迅速發(fā)展的今天，信息快速入網(wǎng)和出網(wǎng)的分派能力決定系統(tǒng)所傳輸?shù)木薮笮畔⒘磕軐?shí)時(shí)利用的有效性。光纖通信和光子連接技術(shù)將更加成熟，光交換設(shè)備、光探測(cè)器和調(diào)制器將大大優(yōu)化電子系統(tǒng)。這些光子元件將與電子元件一同制造在光電芯片上。其優(yōu)點(diǎn)之一就是具有很高的輸入輸出能力，能夠處理大量信息。而且，將來(lái)光子信息處理將有效地?cái)U(kuò)展和延伸到電子領(lǐng)域。

我們將看到靠光來(lái)控制光的新趨勢(shì)，而它正是光子邏輯功能的關(guān)鍵。未來(lái)這種趨勢(shì)將完全形成，光子邏輯功能也將完全成熟。非線性光器件使我們得以間接地用光來(lái)控制光。這些器件使我們能夠用光來(lái)控制電子，進(jìn)而在原子層上再用這些電子來(lái)控制光。在很多應(yīng)用中，光子邏輯將比電子顯示出更佳的特性。這種趨勢(shì)顯示了光子處理器能夠廣泛用于執(zhí)行圖像識(shí)別這類(lèi)復(fù)雜任務(wù)上。可以預(yù)見(jiàn)這種處理器可用于諸如話音、圖像處理等平行圖形識(shí)別上。因此，現(xiàn)代信息載體技術(shù)經(jīng)歷了電子學(xué)、光電子學(xué)兩個(gè)階段的發(fā)展，第三階段將步入光子學(xué)階段，即光子技術(shù)將成為信息的載體技術(shù)。而不論是現(xiàn)在的光電子技術(shù)還是將來(lái)的光子技術(shù)，作為信息的載體，其發(fā)展的關(guān)鍵都是信息高速處理技術(shù)。這是信息載體技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，光電子將是今后電子技術(shù)與通信技術(shù)的核心。

隨著光電技術(shù)及空間技術(shù)的發(fā)展，空間光通信又成為下一代光通信的重要發(fā)展領(lǐng)域?？臻g光通信包括星際間、衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面站以及地面站之間的激光通信和地面無(wú)線光通信等。在通信上，由于激光與微波相比具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)以及空間通信諸多問(wèn)題的解決，可以預(yù)見(jiàn)激光通信將逐步取代微波通信成為星際通信的主要手段，而量子保密通信也將得到應(yīng)用。美國(guó)、歐洲和日本均先后建立了星際間模擬通信系統(tǒng)。如美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室建立的LITE裝置，采用30mW LD激光器、8in（20.3cm）口徑望遠(yuǎn)鏡，傳輸速率200Mbit/s。模擬星際間通信距離40000km。在空間光通信方面，國(guó)外目前衛(wèi)星激光通信已經(jīng)從理論研究進(jìn)入到應(yīng)用基礎(chǔ)研究的試驗(yàn)階段，發(fā)展日新月異。衛(wèi)星激光通信的出現(xiàn)是現(xiàn)代信息社會(huì)對(duì)大容量、遠(yuǎn)距離、低成本通信的需求必然結(jié)果，而它的優(yōu)點(diǎn)也表明了它能夠承擔(dān)此重任，但就目前技術(shù)水平來(lái)看還有許多技術(shù)關(guān)鍵尚待解決，要進(jìn)入實(shí)用化階段還有一段較長(zhǎng)的時(shí)間。

激光研究正朝著前所未有的超快、超強(qiáng)、短波長(zhǎng)、寬調(diào)諧和小型化的方向發(fā)展。在拓展波長(zhǎng)上，如能在遠(yuǎn)紫外的X光波段研制成功新型光源或激光器，則在生物學(xué)、化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)等多方面的研究以及在半導(dǎo)體器件光刻應(yīng)用開(kāi)拓上將獲得重大進(jìn)展?？烧{(diào)諧激光主要以全固化寬調(diào)諧激光器為研究重點(diǎn)，理想的器件是波長(zhǎng)可任意調(diào)諧和功率可任意控制，這類(lèi)激光器在激光分離同位素、化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)及醫(yī)學(xué)上有重要應(yīng)用。

在軍事光電子技術(shù)中，精確光電制導(dǎo)武器的發(fā)展正朝著防區(qū)外發(fā)射武器、直接碰撞動(dòng)能攔截器、天基紅外探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、機(jī)載紅外反導(dǎo)探測(cè)系統(tǒng)方向發(fā)展。

（1）防區(qū)外發(fā)射武器

這種新一代精確制導(dǎo)武器除已研制完成并投入使用的AGM-130、斯拉姆、陸軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈系統(tǒng)外，正在發(fā)展的還有防區(qū)外發(fā)射多用途撒布器、反裝甲戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈以及遠(yuǎn)射程火炮制導(dǎo)導(dǎo)彈等。在新型的精確制導(dǎo)武器發(fā)展中，大多數(shù)制導(dǎo)方案是用慣導(dǎo)/全球定位系統(tǒng)接收機(jī)作為中段制導(dǎo)，用紅外成像或毫米波作為末制導(dǎo)。

（2）直接碰撞動(dòng)能攔截器

所謂動(dòng)能攔截器（KI），通常是指新一代高層攔截防空導(dǎo)彈的末級(jí)。國(guó)外在研的新一代具有反導(dǎo)能力的防空導(dǎo)彈大都采用動(dòng)能攔截器技術(shù)，而且主要采用紅外成像探測(cè)技術(shù)，包括中波（3～5μm）、長(zhǎng)波（8～12μm）以及中、長(zhǎng)波復(fù)合探測(cè)技術(shù)。例如，美國(guó)戰(zhàn)區(qū)高空區(qū)域防御（T HAAD）系統(tǒng)導(dǎo)引頭采用中波紅外尋的器，而大氣層外動(dòng)能殺傷攔截器（ERIS）則采用長(zhǎng)波紅外尋的器，在大氣層內(nèi)外攔截器（EZI）采用中波與長(zhǎng)波紅外復(fù)合導(dǎo)引頭。由于紅外探測(cè)距離遠(yuǎn)、精度高，美國(guó)已把它視為反戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的一種主要探測(cè)和跟蹤手段。

（3）天基紅外探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

紅外預(yù)警衛(wèi)星作為探測(cè)彈道導(dǎo)彈飛行軌跡，在現(xiàn)代立體戰(zhàn)爭(zhēng)中起著其他設(shè)備無(wú)法替代的作用。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈成功地?fù)袈滹w毛腿導(dǎo)彈，其主要的原因之一就在于美國(guó)國(guó)防支援計(jì)劃（DSP）紅外預(yù)警衛(wèi)星及早地探測(cè)到導(dǎo)彈的發(fā)射。美國(guó)正在從海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中美國(guó)國(guó)防支援計(jì)劃衛(wèi)星暴露出的許多問(wèn)題（例如實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、對(duì)短程小導(dǎo)彈的探測(cè)能力等問(wèn)題）入手，一方面改進(jìn)國(guó)防支援計(jì)劃系統(tǒng)，增設(shè)地面移動(dòng)接收站；另一方面提出天基紅外系統(tǒng)（SBIRS）計(jì)劃，其目的是要代替美國(guó)國(guó)防支援計(jì)劃衛(wèi)星。

（4）機(jī)載紅外反導(dǎo)探測(cè)系統(tǒng)

機(jī)載紅外預(yù)警和監(jiān)視系統(tǒng)方面紅外搜索跟蹤系統(tǒng)是迅速探測(cè)、預(yù)警、定位和識(shí)別紅外威脅源的關(guān)鍵技術(shù)，而且將裝備在現(xiàn)有的預(yù)警機(jī)上，成為機(jī)載反導(dǎo)紅外探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，盡管美國(guó)國(guó)防支援計(jì)劃預(yù)警衛(wèi)星能夠觀察到飛毛腿導(dǎo)彈的發(fā)射和飛行方面，但不能知道導(dǎo)彈的落點(diǎn)。為此，美國(guó)一方面積極改進(jìn)預(yù)警衛(wèi)星；另一方面積極發(fā)展機(jī)載反導(dǎo)探測(cè)系統(tǒng)，其中包括：第一，用于機(jī)載激光攔截戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈的助推段紅外探測(cè)系統(tǒng)；第二，用于攻擊戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈發(fā)射車(chē)的紅外探測(cè)系統(tǒng)；第三，用于巡航導(dǎo)彈發(fā)射的預(yù)警紅外系統(tǒng)；第四，正在研究把預(yù)警衛(wèi)星和機(jī)載紅外焦平面陣列傳感器的數(shù)據(jù)融合問(wèn)題；最后，紅外探測(cè)與激光測(cè)距相結(jié)合，提高定位精度。美國(guó)機(jī)載反導(dǎo)探測(cè)、跟蹤、預(yù)警技術(shù)正在從單一雷達(dá)探測(cè)向紅外、激光探測(cè)方向發(fā)展。

隨著高技術(shù)武器裝備的發(fā)展，從總體上看，光電子武器裝備正朝著智能化方向發(fā)展。目前世界上智能化程度最高的武器裝備，不僅能自動(dòng)尋得攻擊目標(biāo)，還具有一定的邏輯判斷、推理和識(shí)別能力。在實(shí)施攻擊時(shí)，不僅可以準(zhǔn)確的命中目標(biāo)，而且還可以進(jìn)行協(xié)助判斷、多目標(biāo)選擇和自適應(yīng)抗干擾，在選擇命中點(diǎn)時(shí)，能自動(dòng)尋找目標(biāo)最易損最薄弱或最關(guān)鍵的部位，以獲得極高的作戰(zhàn)效能。除智能化方向外，無(wú)人駕駛戰(zhàn)車(chē)、無(wú)人駕駛飛機(jī)和無(wú)人駕駛潛水艇等方向都是21世紀(jì)武器裝備必將發(fā)展的方向。所有這些支撐技術(shù)都是光電技術(shù)，如紅外熱像儀、激光雷達(dá)、電視攝像機(jī)、光計(jì)算機(jī)、光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。美國(guó)機(jī)器人技術(shù)有限公司董事長(zhǎng)羅伯特·芬克爾斯坦說(shuō)：“軍用機(jī)器人的應(yīng)用有可能改變戰(zhàn)爭(zhēng)的性質(zhì)。”在地面作戰(zhàn)中，可能會(huì)出現(xiàn)“機(jī)器人部隊(duì)”。甚至有人設(shè)想，未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的突擊部隊(duì)將是一支遙控的機(jī)器人裝甲部隊(duì)，跟隨其后的才是由人組成的部隊(duì)。

光子時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，光子技術(shù)將引起一場(chǎng)超過(guò)電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)革命，將給工業(yè)和社會(huì)帶來(lái)比電子技術(shù)更為巨大的沖擊，國(guó)際上光子信息處理器件的產(chǎn)值將達(dá)到可與電子信息器件產(chǎn)值相比擬的程度，到21世紀(jì)中期，光子產(chǎn)業(yè)將超過(guò)電子產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和影響。所以說(shuō)，光電子產(chǎn)業(yè)是21世紀(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。展望未來(lái)，光子學(xué)與電子學(xué)將更緊密合作，互為補(bǔ)充，相互促進(jìn)，把未來(lái)信息社會(huì)推向新的發(fā)展階段，為人類(lèi)美好的未來(lái)做出更大的貢獻(xiàn)。